碳纤维复合材料钻削加工分层缺陷研究进展

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1、２０１６年第５０卷Ｎｏ．４３碳纤维复合材料钻削加工分层缺陷研究进展陈德雄，林有希，林华福州大学摘要：碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）因良好的性能被广泛应用于诸多领域，但它本身所特有的层间结构易导致在钻削加工过程中产生缺陷。分层缺陷是钻削加工过程中产生的主要缺陷之一，对复合材料结构件的承载能力和疲劳强度有很大影响。本文主要从分层缺陷的产生机理、影响因素和检测等方面对国内外目前的研究现状进行综述，并分析了未来的研究发展趋势。关键词：碳纤维复合材料；钻削；分层；机理中图分类号：ＴＧ５２；ＴＨ１４５文献标志码：ＡＲｅ

2、ｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＤｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎＤｒｉｌｌｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＣｈｅｎＤｅｘｉｏｎｇ，ＬｉｎＹｏｕｘｉ，ＬｉｎＨｕａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ（ＣＦＲＰ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｄｕｅｔｏｉｔｓｇｏｏｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｂｕｔｉｔｉｓｔｈｅｕｎｉｑｕｅｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｔｓｏｗｎｔｈ

3、ａｔｃａｎｌｅａｄｔｏｄｅｆｅｃｔｓｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｆｅｃｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｄｅｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｉｔｈａｓａｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉ

4、ｏｎａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｏｆｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ复杂得多，这不仅与刀具形状及工艺参数等传统因!引言素有关，还受纤维和基体属性以及纤维铺层方向的［４］碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）由于具有高强度、高直接影响。模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、

5、抗疲劳等优"!#$%&的切削机理异的性能，广泛应用于航空航天、国防军事、汽车飞［５］１９８３年，Ｋｏｐｌｅｖ等对碳纤维切削过程进行试［１］机构件等领域。以空客Ａ３８０为例，碳纤维复合验研究，指出ＣＦＲＰ切屑主要是由材料的脆性断裂材料的用量已经达到３２ｔ左右，占机构总量的１５％，形成的。Ｄ．Ｈ．Ｗａｎｇ等［６，７］对单向和多向碳纤维再加上其他种类的复合材料，估计总用量可达结构复合材料进行正交切削试验，研究了不同的纤维方［２］总重的２５％左右。钻削加工是碳纤维复合材料向对切屑形成机制的影响。由于碳纤维复合

6、材料由最常见的二次加工方式之一，由于碳纤维复合材料脆性的碳纤维和韧性的树脂基体组成，两者强度极具有各向异性和非均匀性、层间结合强度低、受温度限相差很大，前者是后者的若干倍，因此张厚江影响大等特点，在钻削制孔过程中极易产生分层、毛等［８］认为在切削过程中可以将其简化地看成只是［３］刺和撕裂等缺陷，属于典型的难加工材料。对碳纤维的切削，而忽略对树脂基体的切削。在碳纤维复合材料常见的制孔缺陷中，分层缺文献［８］对一些典型的纤维铺层方向进行研陷对复合材料结构件的承载能力和疲劳强度影响最究，总结碳纤维复合材料在不

7、同的纤维方向角θ下大，本文主要研究钻削加工过程中分层缺陷的产生切屑的形成形式（见图１）。机理、影响因素和检测等。当θ＝０°时，切屑的形成是刀具通过不断地将"#$%&的机理分析切削层材料与基体材料分离开而实现的。这种切削变形形式称为层间分离型。由于ＣＦＲＰ力学性能的特殊性和内部结构的多当０°＜θ≤９０°时，以图１中θ＝４５°和θ＝９０°为样性，在切削过程中，材料的变形过程远比金属材料代表，刀具切削刃对碳纤维复合材料的推挤作用在纤维内部形成垂直于纤维自身轴线的剪切应力。当基金项目：国家自然科学基金（５１３７

8、５０９４）收稿日期：２０１５年１２月剪切应力超过纤维剪切强度极限时，纤维被切断。４工具技术切断后的纤维在刀具前刀面的推挤作用下，沿纤维域，因此它不仅取决于纤维的性质，而且和树脂的性［１０］方向产生滑移。当滑移引起的纤维界面间的剪切应质有关。［１１］力超过基体树脂材料的剪切强度极限时，被切断纤对于分层的产生机理，张厚江等通过声学显维与其他纤维分离，形成切屑。这种切削变形形式微镜分析指出，ＣＦＲＰ板材钻削孔入口侧和出口侧称为纤维切断型。都有分层