碳纖維複合材（cái）料手工製（zhì）孔刀具和工具的選擇方（fāng）案-刀具網-數（shù）控機床市場網（wǎng）

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碳纖維複合（hé）材料手工製孔刀具和工具的選擇方案

2014-1-24 來源：數控機床市場網作者：羅海勇鄭偉塗卿

[摘要 ] 目前，碳纖維複合材料正廣泛應用於飛機製造，而裝配中製孔是重要的一環，因此，選（xuǎn）擇合適的刀具和工具是保證製孔質量的前提。國內各公（gōng）司采用的工具和刀具（jù）各不相同，為提（tí）高複合材料的製孔（kǒng）技（jì）術，應從眾多實際應用實例中總結出更優的選擇方案。

關鍵詞：刀具　工具　選（xuǎn）擇方案（àn）　碳（tàn）纖（xiān）維複合材料

現今生產中用途廣泛的複（fù）合材料主要分為玻璃纖維複合材料和碳纖維（wéi）複合材料，而碳纖維複合材料所具有的高強度、高剛度、抗疲勞性能好、耐高溫性好等優點，使其在飛機設計、製造上具有更好的優勢和應用。隨著碳纖維的廣泛應用，隨之也帶來了碳纖（xiān）維複合材（cái）料在加工和裝配上的問（wèn）題。此時，碳纖維複（fù）合材料的缺點更加的凸顯出來，成為了鑽孔、裝配的主要問題來源。在碳纖維複合材料鑽孔時（shí）主要克服碳纖維複合材料結構的高強度、高硬度、導熱性差、各向異性、層間（jiān）強度低等難題。同時（shí），在鑽（zuàn）孔的（de）過程中也極易出現材料燒傷、毛刺、分層、撕裂等缺陷，別是刀頭出口端（duān）更容易引起撕裂等現象（xiàng）（圖 1）。

圖1　刀頭（tóu）出口端撕裂

在無法（fǎ）進行重新修複的情況下可能導（dǎo）致部（bù）件的報廢，造成重大的損失。

1　碳纖維複合材料的加工問題的提出

當前，國內外通用飛機越來越多地采用複合材料，特別是在輕型（xíng）通用飛機上的應用更加廣泛。公司目前（qián）所研（yán）製的輕型飛機（jī）也采用全碳纖維複合材料結構，飛機的機翼（包括翼梁、桁條和蒙皮）、機身、尾翼、蒙皮、油箱、發動（dòng）機艙都是采用複合材料。同時（shí），在低成本化的指導下，采用更經濟的加工、裝配工藝成了必須的選擇。因此，如（rú）何協調解決好（hǎo）碳纖維（wéi）複合材料的製孔和裝配問題，是提高生產效率和降低生產成本的關鍵所（suǒ）在，也（yě）是提高飛機製（zhì）造質量必需要解決好的問題。

2　碳纖維複合材料手工製孔工藝技術

目前，在碳（tàn）纖（xiān）維複合材料手工製孔中，主要需解決刀具類型和工（gōng）具類型的選（xuǎn）擇。

2. 1　鑽孔前的準備（bèi）

鑽孔前，在有條件的情（qíng）況下，都（dōu）需要在刀頭出口端貼上鋁基膠帶或頂上木塊，這樣也可（kě）以有效地避免出口劈裂。

2. 2　刀具棒料和塗層的選擇

針對碳纖維複合材料在加工中表現出的高硬度、導（dǎo）熱性能差等特（tè）點，刀具的材質應選用硬質合金棒料，表（biǎo）麵采（cǎi）用氣相沉積金（jīn）剛（gāng）石鍍膜（CV D）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）塗層。經過製孔試驗表明（míng），采用 2700r/m in 的CP7300 氣鑽鑽製 4m m 厚的板材時，帶塗層（céng）的硬質合金鑽頭可以鑽製 50~60 個孔，在（zài）出現進給困難後，通過利用砂輪磨削刃口後，可繼（jì）續鑽製 15~20 個孔。而普通（tōng）的高速鋼（H SD）刀具則基本無法完成製孔，其刀頭在複合材料（liào）製件的表麵上出現打滑現象，其刀具本身也容易出現燒（shāo）傷。

2. 3　刀具（jù）刃型的選擇（zé）

目前，複合材料製孔采用（yòng）的（de）刀具主要（yào）分為（wéi）匕首鑽、麻花鑽和金剛砂塗（tú）層擴孔鋸。

2. 3. 1　匕首鑽

采用鑽、絞一體化設計，進給（gěi）工作的刀（dāo）頭的型式（shì）大致相同，排屑部分有的采用直刃（rèn），國內代表為廈門金鷺公司的直（zhí）刃（rèn）上（shàng）首鑽（圖 2），也有采用螺旋刃（rèn）的，國外代表公司為Sandvik。當采用匕首鑽配合 CP7300 手動氣鑽進行手工製孔時（shí），其製取的（de）孔壁、刀頭進口端及出口（kǒu）端（duān）的質量良好，能滿足工藝要求，同（tóng）時也基（jī）本能保證質量的穩定性。

圖2　直刃匕首鑽

此類匕首鑽螺旋角（jiǎo）為 90，在鑽（zuàn）尖處沒有橫刃存在，刀具與材料接（jiē）觸麵積小，鑽（zuàn）孔過程中所產生的熱量少，能夠有效避免（miǎn）材料燒傷現象。但其（qí）排屑槽為直槽（cáo），不能有（yǒu）效排出金屬切屑，僅（jǐn）適用於純複合材（cái）料夾層上的鑽孔，並不適（shì）合於複合材料與金屬材料夾（jiá）層。對於直徑φ>14m m 的孔也不（bú）適合采（cǎi）用匕首鑽，特別是鑽製厚度H<3m m 的薄板時，匕首鑽（zuàn）的（de）刀頭長度超過（guò）板厚，刀具直徑過大（dà），給予（yǔ）板材的橫向（xiàng）力比較大，造成鑽出的孔成梅花形或五角星形，建議鑽（zuàn）製（zhì）直徑φ>14m m 的孔時采用金剛砂塗層擴孔（kǒng）鋸（圖 3）。

圖3　匕首鑽製（zhì）孔效果

2. 3. 2　麻（má）花鑽（zuàn）

采（cǎi）用（yòng）倪誌（zhì）福式多刃刀頭的麻花鑽在製取 3m m 以下碳纖維板材時，其製孔質量良好，進行的（de）孔不易出現梅花形，圓度好。在對 3m m 以上（shàng）厚的板材進（jìn）行的製孔（kǒng）試驗中，其製孔質量無（wú）法保證，其刀具刃口特別鋒（fēng）利，容易造成磨損，當鑽製金屬與複合材料夾層板時，更容易造成崩刃（圖 4）。

圖4　金剛砂塗層擴孔鋸

2. 3. 3　金剛砂塗層擴孔鋸

當鑽孔直（zhí）徑φ>14m m 時，同時孔的精度（dù）為自由公差時，可采用金剛砂塗層擴孔（kǒng）鋸，金剛砂塗層擴孔鋸能很好地克服碳（tàn）纖維複合材料的高硬度的特點。試刀（dāo）試驗表明（míng），當用 900r/m in 鑽配合φ43m m 擴（kuò）孔鋸（jù）進行鑽削時（shí），能順利地切入板材進行鑽（zuàn）削，在鑽（zuàn）孔完成後，測得其孔徑為φ42. 90m m ，同時其孔（kǒng）壁質（zhì）量良好，滿足工藝要求。

需要注意的是，當使用（yòng）擴孔鋸進行製孔（kǒng）時，通常鑽製的孔徑比較大。產生的切削（xuē）阻力也更大，需要提供的進給力比較大，當鑽製（zhì）的板（bǎn）材厚度 H>10m m 時，人工鑽製比（bǐ）較困難，因此（cǐ），可以采用下文中推薦的自動進給鑽來（lái）製孔。

3　工具的選擇

手工製（zhì）孔時（shí），對於（yú）直徑小於 14m m 的孔，一般采用的是匕首鑽配合鉸刀來完（wán）成（chéng），為了確定選擇工（gōng）具的（de）轉速的合理範圍，分別做了如下（xià）幾個對比試驗。

3. 1　試驗方案如下

A ：20000r/m in 氣鑽，φ3m m 硬質合金匕首（shǒu）鑽，3m m厚單向帶（dài） / 10m m 厚編織帶；

B ：6000r/m in 氣鑽，φ3m m 硬質合金匕首鑽，3m m厚單（dān）向（xiàng）帶 / 10m m 厚編（biān）織帶；

C ：6000r/m in 氣鑽，φ6. 35m m 匕首鑽，6m m 厚單向（xiàng）帶，1 層（céng） / 3 層鋁基膠帶；

D ：900r/m in 或（huò） 3200r/m in 氣鑽（zuàn），金剛砂塗層孔鋸φ43m m ，13m m 編織帶。

3. 2　試驗（yàn）結果分（fèn）析

當采用 A 組（zǔ）合試驗時，由於轉速（sù）過高，穩定性差，特別（bié）在鑽削 3m m 以下薄板時，工人來不及調整鑽頭位置，容（róng）易造成偏移，致使孔徑（jìng）過大，超（chāo）過理（lǐ）論要求。而在鑽削 10m m 厚的編織帶板材時，由於板太厚、手工垂直度不（bú）夠、轉速太快，從而發生了刀具斷裂現象。

當采用B組合試驗時，由（yóu）於工具轉速低於6000r/m in 時（可通過調節進氣量），手持氣（qì）鑽能（néng）獲（huò）得較好的穩定性，孔的加工效果較好，孔（kǒng）壁、孔徑都滿足（zú）工藝要求，初步說明在采用手（shǒu）動工具加（jiā）工（gōng）時宜采用轉（zhuǎn）速（sù）不高的氣鑽。

當采用 C 組（zǔ）合試驗時，在（zài）出口端貼上 3 層（céng）鋁基膠帶時比（bǐ）貼 1 層（céng）鋁基膠帶製（zhì）孔的出口端質量好，可以看出在出（chū）口端貼膠帶能起到比較好的保護效果。

當采（cǎi）用 D 組合時，此（cǐ）試驗采用同一種孔鋸，用不（bú）同轉速（sù）氣（qì）鑽進行鑽削。當使（shǐ）用 3200r/ m i n 的氣鑽進行（háng）鑽削時，由於鑽削的直徑比較大，孔鋸在板材表麵產生打滑（huá），不利於（yú）切屑。在未貼（tiē）鋁基膠帶時出刀口質量（liàng）不好，存在劈裂現象。而（ér）當使用 900r/ m i n 氣鑽進行鑽削（xuē）時，能（néng）順利地切入板材（cái）進行鑽削。但是由於板材很（hěn）厚，當切削進（jìn）入6m m 深時，鑽削阻力非常大，鑽削很費力、費時，同時，散熱也極其不好，容易燒傷材料。由於試驗時，精度未重點考慮，利用擴孔鋸的引導杆從反麵鑽削，可以使（shǐ）鑽削省力很多。當精度要求高時（shí），由於手動氣鑽不穩定，建議采（cǎi）用自動進（jìn）給鑽加工（圖 5，圖 6），其（qí）液壓裝置能精確控製進給速度，從而能保證穩定性，提高鑽孔效（xiào）率。

圖5　C 組合製孔試驗板

圖6　自動進（jìn）給鑽

4　輔（fǔ）助工具及材料的選擇

4. 1　便攜式垂直套

在用手（shǒu）工氣鑽鑽孔時，由於人工手持時通過（guò）自己（jǐ）肉眼判斷有誤差（chà），且氣（qì）鑽轉動時（shí）手會產生不同程度的抖動，再遇（yù）上材料夾層厚度較厚時，手工鑽孔的垂（chuí）直度很（hěn）難保證，鑽孔的穩定性進一步降低，將大大增加孔加（jiā）工缺陷的產生。因此，在有條件的情（qíng）況下，手工鑽孔應使（shǐ）用便攜式垂直（zhí）器鑽（zuàn）孔，以起到穩定刀具的作（zuò）用，從而增加鑽孔過程中的穩定（dìng）性（xìng）。

4. 2　鑽孔出口墊板

刀頭出口（kǒu）端是最容易產生缺陷（xiàn），如撕裂、分層、毛邊等缺陷的位置。在刀頭（tóu）出口端貼上幾層鋁基（jī）膠帶，然後用平頭木塊、夾布膠木或鋁板等頂住（zhù）出口端，可有效減少出口端孔缺陷（xiàn）的產生。

5　結束語

隨（suí）著碳纖維複合材料的廣泛應用，其製孔技術也在逐步提（tí）升，本文是基於目前飛機生產過程中所采用的方法（fǎ）作了（le）如下初（chū）步的（de）結（jié）論：

（1）碳纖維複合材料製孔盡量采用硬質合金或帶金剛石（shí）塗層的（常見為氣（qì）相沉（chén）積金剛石鍍膜（CV D）或聚晶金剛石鍍膜（PCD）硬質合金刀具）；

（2）刀具鑽孔時的轉速和進給：小直徑孔選（xuǎn）擇中轉速（sù）工具和較大進給量，大孔選擇低轉速工具和降低進給量，氣鑽轉速優先選擇 2000~6000r/ m i n；

（3）在碳纖維複合材料薄板（3m m 以下）上製孔時，宜采用更（gèng）鋒利的倪誌福式多刃刀頭的硬質合金（jīn）麻花鑽（zuàn）；

（4）在碳纖維複合材料板材製取（qǔ）超過φ14mm 的孔時（shí）建議采用金剛砂塗層孔鋸。氣鑽轉速低（dī）於 3200r / mi n；

（5）在每次鑽孔（kǒng）時均需在（zài）出刀位置貼上鋁基（jī）膠（jiāo）帶，出口端用鋁塊（kuài）、夾（jiá）布膠木等頂住。

提高（gāo）複合材料製孔技術的水平，對（duì）於（yú）提高飛機複合材（cái）料製造（zào）質量和企業生產效率有明顯的成效，對加快和促進複合材料（liào）在國（guó）內航空製造業的應（yīng）用具有重要推動作用。

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