碳纤维复合材料孔出口缺陷因素分析

  碳纤维复合材料由脆性的碳纤维和韧性的树脂基体组成,两者强度极限相差很大.前者是后者的若干倍,所以在钻削过程中可以简化地看成只是对碳纤维的加工。碳纤维复合材料主要靠层间力结合在一起,而且关键的是CFRP为各向异向,在传统钻削过程中,出口侧的各层材料都受到钻头产生的轴向拉应力,而此时材料的层间结合力较弱,受到钻削力的影响更大,因此出口侧更容易产生各种缺陷。同时通过对传统钻削加工原理的分析也表明,加工过程中的钻削力是钻孔加工产生各种缺陷最主要的原因。

  CFRP上孔加工产生的缺陷是多方面的,主要表现在以下几个方面:①孔出口撕裂和起毛;②孔壁周围材料发生分层;③孔壁表面粗糙度及微裂纹;④入口壁裂;⑤孔型不圆及尺寸误差各种缺陷形式如图2所示。经验表明分层缺陷和出口撕裂及毛边是钻孔的最主要缺陷。分层指的是由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶破坏现象,而这里的分层指的是钻孔过程中主要由轴向力作用引起的孔壁周围材料发生的层间分离现象。钻削加工中造成碳纤维复合材料分层的主要原因有两个,一个是钻削力,另一个是钻热,但钻削力占绝对主要作用。

  孔出口缺陷是钻削CFRP加工中最直观最常见的缺陷之一,均发生在孔的出口一侧最表一层,包括撕裂和毛边。毛边是指加工完的孔边发生起毛的现象,而撕裂比毛边的尺寸大,是沿孔出口侧最外层纤维方向伸展,对实际使用的负面影响更大,甚至造成零件的报废。

  在传统的钻削过程中,CFRP每层都受到钻头的钻削力,而钻削力与材料的层间方向互为垂直,在入口以及出口侧,材料由于没有上方或者下方材料的约束和支撑,不能够平衡钻削力在材料内部形成的拉应力,因而极容易在上下表面形成材料撕裂分层等缺陷,影响加工质量,造成加工缺陷。