关于碳纤维板的切削缺陷研究

  碳纤维复合材料属脆性材料,与金属的切削有所不同,其切屑形成过程是材料断裂的过程。由于碳纤维复合材料的特殊结构和特性,在对其钻削时,经常出现分层、撕裂、毛刺、崩块、孔壁粗糙等缺陷。分层的出现,在很大程度上降低了层压复合材料的负载能力。

  在碳纤维板的装配中,分层引起的失效占60%,所以应当极力避免或降低分层的出现。钻削过程的轴向力是引起孔出口入口分层的主要原因,在孔入口侧钻头对工件的作用包含两方面:一是主切削刃对受推力的纤维与未切削部分的剪切作用;二是横刃对为切削材料的向下推挤以及切削刃外侧对已切削部分向,上分离作用,分别使工件产生III型裂纹和I型裂纹。孔出口处,未切削部分很薄时不足以承受向下的轴向力作用,产生I型裂纹,已切削部分很厚,不会再出现II性裂纹。

碳纤维板

  分层的大小是以破坏所在最小圆直径与孔名义尺寸的比值表征,可以解释为:工件外侧层间强度低,当轴向力大于某一临界值时,材料发出退让;刀具继续进给,分层扩散增大直至刀具穿透工件。不同的工件厚度、刀具直径、刀具的几何形状、刀具磨损情况、加工工艺参数及装夹情况对分层临界值都会产生影响。采用硬质合金麻花钻在转速6000r/min、进给速度15mm/min时钻削CFRP,发现当轴向力低于65N时,孔出口处未出现分层现象;当大于65N时分层因子随着轴向力的增大而增大。

  减少分层缺陷主要有两种方法:一是降低加工过程中的轴向力;二是提高复合材料的分层产生临界力。

碳纤维板

  降低轴向力的措施有:①减小横刃的长度或在加工前先导一小孔消除横刃的影响。用小直径钻头预先加工一个孔径等于试验钻头横刃的小孔,即消除横刃对加工作用。在选用加工参数范围内,有预先导孔的加工轴向力是未预先导孔的轴向力的1/2 - 1/5,减小横刃长度可以降低轴向力。②选用低进给速度和大的主轴转速。大量的研究表明,钻削轴向力最主要的影响因素是进给速度及切削速度。分层因子随着进给速度的增大而增大,随切削速度的增大而减小。③采用特殊钻头,改变切削刃的前角或者是前角。普通麻花钻沿主切削刃各点的前角变化大(从最外缘的+30°逐渐减小到钻心的-30°),横刃部分切削条件差,而螺旋面钻头在钻心处具有较大的后角,横刃前角增大呈S形,轴向力小。加工过程轴向力变小,工件的分层缺陷减小,材料去除率增大。采用先进加工刀具涂层刀具或PCD刀具,增加钻削刃的锋利性,降低因为切除碳纤维而增大切削力的可能性。