先进复合材料讲义（十三）：复合材料机械加工（钻孔/切割等）工艺及设备

2023-03-13 10:06

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钻孔

复合材料钻孔与金属飞机结构钻孔不同。不同类型的钻头，更高的速度和更低的进给量是钻精密孔所必需的。由碳纤维和环氧树脂制成的结构非常坚硬和磨耗，需要特殊的平槽钻头或类似的四槽钻头。芳纶纤维(Kevlar®)、环氧复合材料不像碳纤维那样坚硬，但很难钻孔，除非使用特殊的刀具，因为纤维容易磨损或撕碎，除非它们在嵌入环氧树脂时被切割干净。已经开发出了带有衣夹尖和鱼尾尖的特殊钻头，可以在将纤维从钻孔中取出之前将其切开。如果Kevlar®、环氧树脂部分夹在两个金属部分之间，可以使用标准麻花钻。

设备

气动工具用于复合材料钻孔。钻头电机的自由转速可达每分钟20,000转。钻孔复合材料的一般规则是使用高速度和低进给量(压力)。有动力进给控制的钻孔设备比没有动力进给控制的钻孔电机能生产出更好的孔径质量。推荐使用钻孔导轨，特别是较厚的层压板。

不要使用标准麻花钻头钻复合结构。标准高速钢是不可接受的，因为它会立即变钝，产生过多的热量，并导致层分离，纤维撕裂，孔质量不可接受。

用于碳纤维和玻璃纤维的钻头是由金刚石涂层材料或固体碳化物制成的，因为纤维非常坚硬，标准高速钢(HSS)钻头使用时间不长。

通常使用麻花钻，但也可以使用布莱德钻头。凯夫拉纤维不像碳纤维那么硬，可以使用标准的高速钢钻头。如果使用标准钻头，孔径质量可能较差，首选的钻头类型是镰刀形克伦克钻头。这种钻头首先拉住纤维，然后剪断它们，这样就能钻出质量更好的孔。较大的孔可以用金刚石涂层孔锯或飞切刀切割，但只在钻床上使用飞切刀，不能在钻马达上使用。如（图85、图86和图87）

（图85）klenk型钻用于钻Kevlar®

（图86）复合材料用钻切工具

（图87）自动钻切

操作流程和注意事项

复合材料的钻孔电机运行在2000 - 20,000 rpm和低进给率之间。钻头马达与液压冲舱或其他类型的进给控制是首选，因为它们限制了钻头的涌动而退出复合材料。这减少了爆裂损伤和分层。由胶带制品制成的零件特别容易发生爆裂损伤;由织物材料制成的零件受损较少。复合结构需要用金属板或薄板作衬底，以避免爆裂。复合材料结构中的孔通常先用一个小的先导孔预钻，然后用金刚石涂层钻头或硬质合金钻头扩大，再用硬质合金铰刀扩至最终孔径的尺寸。

背扩孔是碳纤维环氧树脂零件与金属子结构零件配合时可能发生的一种情况。碳纤维环氧部分的孔的后边缘可以被拉过复合材料的金属屑侵蚀或辐射。当零件之间有缝隙，或者金属碎片是线状而不是小碎片时，这种情况更普遍。通过改变进给量和速度、刀具几何形状、更好的零件夹紧、增加最终铰孔、使用啄钻或这些方法的组合，可以减少或消除反钻。

当复合零件与金属零件组合钻进时，金属零件可以控制钻进速度。例如，即使从腐蚀角度来看，钛与碳纤维环氧材料兼容，为了确保钛不发生冶金损伤，需要降低钻孔速度。钛合金采用低速高进给量钻孔。适合钛钻头可能不适合碳纤维或玻璃纤维钻头。用于钻钛的钻头通常由钴钒制成;用于碳纤维的钻头由碳化物或金刚石涂层制成，以增加钻头寿命和生产精确的孔。通常使用小直径高速钢(HSS)钻头，如40号钻头，用于手动钻导孔，因为硬质合金钻头相对脆，容易破碎。这些小型高速钢钻头相对较低的成本抵消了有限的预期寿命。高速钢钻头只能钻一个孔。

在手钻作业中使用硬质合金刀具最常见的问题是处理刀具的损坏(边缘脱落)。慢速恒进给的锋利钻头可以通过碳纤维环氧树脂和薄铝产生0.1毫米(0.004英寸)的公差孔，特别是如果使用钻头导轨。使用硬工具，可以保持更紧的公差。当碳纤维环氧下面的结构是钛时，钻头可以拉钛屑穿过碳纤维环氧，扩大孔。在这种情况下，可能需要进行最后的扩孔操作，以保持孔径公差。碳纤维环氧复合材料结构的孔需要硬质合金铰刀。此外，当扩孔器移除直径超过0.13 mm(0.005英寸)时，孔的出口端需要良好的支撑，以防止破裂和分层。支撑物可以是下部结构，也可以是固定在背表面的板。典型的扩孔速度约为钻孔速度的一半。

切削液通常不用于或不推荐钻薄(小于6.3毫米或0.25英寸厚)的碳纤维环氧结构。在复合材料钻孔时使用真空是一个很好的做法，以避免碳粉尘在工作区域自由漂浮。

钻孔

当平头紧固件要安装在组件中时，需要沉装复合结构。对于金属结构，100°夹角剪切或张力头扣件是典型的方法。在复合材料结构中，常用的紧固件有两种:100°夹角张力头紧固件或130°夹角张力头紧固件。130°头的优点是，扣件头的直径可以与拉紧头100°扣件的直径相同，而剪切式头100°扣件的头部深度相同。对于复合材料部件中的冲洗紧固件，建议将沉孔刀具设计成孔和沉孔之间的可控半径，以适应紧固件上的头到柄圆角半径。此外，可能需要倒角操作或垫圈，为突出的头部紧固件提供适当的间隙。无论使用哪种头型，在复合结构中必须准备一个匹配的沉槽或倒角。

硬质合金刀具用于生产碳纤维环氧结构的沉槽。这些沉槽切割机通常有类似于金属上使用的直槽。对于凯夫拉纤维环氧复合材料，采用s形正耙切割槽。如果使用直槽或沉槽切割机，可以在表面涂上一层特殊的厚胶带，以清洁切割凯夫拉纤维，但这不如s形槽切割机有效。推荐使用先导式沉孔刀，因为它可以确保孔和沉孔之间有更好的同心度，并减少由于零件的不对称或分层而导致的紧固件下产生间隙的可能性。

使用微止埋头孔规生产一致的埋孔。不要通过超过70%的表层深度的深孔，因为更深的深孔会降低材料的强度。当使用先导式埋孔刀时，必须定期检查先导是否磨损，因为磨损会导致孔与埋孔刀之间的同心度降低。这尤其适用于只有一个切削刃的埋头刀。对于先导式沉槽切削齿，在开始将切削齿送入井中并准备沉槽切削齿之前，将先导置于孔中并将切削齿调到最大转速。如果在触发钻头马达之前，切削齿与复合材料接触，可能会产生碎片。

切割工艺及注意事项

切削金属的刀具如果用于复合材料，要么寿命很短，要么切削刃很差。用于复合材料的刀具因被切割的复合材料而异。切削复合材料的一般规律是高速慢进。

•碳纤维增强塑料:碳纤维非常硬，高速钢刀具很快就会磨损。对于大多数修剪和切割任务，金刚石磨砂刀是最好的。用氧化铝或碳化硅砂纸或砂布进行砂光。碳化硅比氧化铝寿命长。槽刨机钻头也可以由固体碳化物或金刚石涂层制成。

•玻璃纤维增强塑料:玻璃纤维和碳纤维一样非常坚硬，高速钢刀很快就会磨损。玻璃纤维采用与碳纤维相同类型和材质的钻头钻孔。

•芳纶(Kevlar®)纤维增强塑料:芳纶纤维不像碳纤维和玻璃纤维那样坚硬，可以使用高速钢制成的刀具。为防止芳纶复合材料边缘纤维松动，握住零件后进行剪切。芳纶复合材料需要用塑料背板支撑。芳纶和备份板同时切割。芳纶纤维最好的切割方法是先绷紧，然后再剪切。有一种特殊形状的切割器可以拉住纤维，然后剪断它们。当使用剪刀剪芳纶织物或预浸料时，必须有剪刃的一面和锯齿或槽表面的另一面。这些锯齿防止材料滑落。应该总是使用锋利的刀片，因为它们可以减少纤维的损伤。用完后一定要立即清理剪刀的锯齿，以免未固化的树脂损坏剪刀。

在使用工具和设备时，一定要使用安全眼镜和其他防护设备。

切割设备

带锯是维修车间切割复合材料最常用的设备。建议使用无齿硬质合金或金刚石涂层锯片。如果碳纤维或玻璃纤维被切割，典型的带齿锯片不会持久使用。如[图88]，气动手动工具，如槽刨机、军刀锯、模具磨床和切割轮，可用于修整复合材料零件。硬质合金或金刚石涂层的刀具有更好的光洁度，使用寿命更长。专业的操作有超声波，水射流和激光切割机。这些类型的设备是数控(NC)和生产优越的边缘和孔质量。水射流切割机不能用于蜂窝结构，因为它会把水引入零件。不要在用于复合材料的设备上切割任何东西，因为其他材料会污染复合材料。