第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及目的意义
随着科学技术地不断发展及工作条件逐步苛刻，传统单一组织结构的金属与非金属材料已经无法满足实际的工程需求，因此复合材料应运而生[1]。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新特性的材料。它不仅具有两种材料自身拥有的特殊性能，而且能够产生两种材料结合后之前两种材料所不具备的综合性能。在其众多的复合型材料中，由碳纤维和环氧树脂相互作用形成的碳纤维复合材料（以下简称 CFRP）具有非常明显且优异的力学性能，同其他性质相似的高性能纤维复合材料比较拥有最高的比强度与模量，还具有优良的化学稳定性、低密度、耐磨、低热膨胀系数、耐热、耐疲劳、电绝缘、材料性能的可剪裁性、成型工艺的多选择性等诸多优点[2,3]。随着航空、航天及军事装备技术等高科技领域对材料性能及工艺水平的要求不断提高，CFRP制造的构件已逐步由次承力结构件成为主承力结构件，因此 CFRP 的二次机械加工问题急需解决[4]。在 CFRP 构件的连接中，利用紧固件进行机械连接是其最主要的连接形式，因此对 CFRP 钻削制孔加工成为 CFRP 二次加工过程中极为重要的工序。由于 CFRP 的特点是拥有较低层间强度、质地坚硬、具有脆硬性，在钻孔过程中很可能导致分层、纤维撕裂和出口毛刺等制孔加工缺陷，导致加工质量不符合要求等问题，最终可能会使零部件彻底报废[5]。本课题主要针对 CFRP 切屑形成机理、刀体设计、刀具几何参数、切削参数和 CFRP 钻削缺陷等方面进行深入的研究，在现有条件下设计大量高速钻削 CFRP 试验，通过对试验数据进行合理正确的总结归纳，分析出缺陷产生原因，优化刀具几何参数和切削参数，进而减少甚至避免缺陷的产生。对于提高我国航天飞行器的性能、提高我国先进材料构件的制造水平、加强国防实力和促进国民经济发展都具有重要的理论和实际意义。
........
1.2 CFRP 发展与应用
复合型材料由两个或两个之上根本不同性质的增强层与基体层之间相互作用而成[6]。基材具有强度很低、模量很低、柔韧性好、量轻等特性，且与某些增强型材料性能恰恰相反。纤维增强的复合材料中，复合材料的力学特性相比于单一的基体材料其强度和刚度因为有增强纤维加入获得显著提升。作用于复合材料的外界载荷通过基体材料传递到纤维增强材料，不仅可以使复合材料整体受力均匀还可以防止纤维材料受到损伤，充分发挥纤维优异的力学性能。复合材料的优异性还体现在可以通过设计纤维的铺层方式来满足不同的使用环境或特殊的结构要求，其热膨胀系数和导热系数可以通过纤维方向和含量进行调整，从而获得符合工程实际要求的新型材料。以 CFRP 为例，为使其自身具有优异的承载能力，需要将纤维按照某种比例在基体内均匀排布，此时基体的主要作用是将材料受到的载荷均匀的传导至纤维材料，避免纤维增强材料受到来自外界的损伤而使复合材料的力学性能下降。复合材料中的纤维增强材料的含量所占比例并非越多越好，根据实际生产过程中总结的经验，纤维增强材料体积含量所占比重要低于 65% 。当纤维含量小于65% 时，CFRP 的力学特性会随着纤维比重的提升而提升；若纤维体积含量比例超过 65% ，此时复合材料的基体材料过少，纤维材料缺乏有效的保护在成型的过程中易形成缺陷，导致材料力学性能下降，因此 CFRP 中纤维增强材料的体积含量比例范围一般为 60%~65% [7,8]。在实际应用过程中，CFRP 通常用作层压板，依据其不同的纤维层的方向，CFRP 可分为两种复合形态，一种为所有纤维方向完全相同，被称为单向复合材料；另一种为不同层间的纤维铺层方向不同，被称为多向复合材料。对于多向复合材料层压板而言，典型的铺层角度为 0 、 45 、 90 、135 ，其中铺层角度为 0的纤维主要承担正载荷，铺层角度为 45、135的纤维主要承担扭矩作用，铺层角度为 90 的纤维主要承担横向载荷，而且每层的铺层角度与实际用途密切相关。为防止翘曲现象的发生，通常在铺设编织纤维时要以复合材料的中间截面为对称面，以保证两侧受力均匀。在多向复合材料中，因为增强材料和基体的热膨胀系数不同，将产生耦合效应[9]，且影响材料的力学特性，这种现象可以通过纤维的对称铺设得到有效改善。
.........
第 2 章 CFRP 钻削机理研究
目前大部分企业对于 CFRP 的制孔刀具大多采用硬质合金麻花钻，因此本章通过结合 CFRP 力学性质进行分析，对硬质合金麻花钻钻削 CFRP 的过程进行深入分析并构建力学模型，以此来说明切屑形成的机理。由于 CFRP的加工质量以及装配质量受钻削力的直接影响，因此，通过深入分析硬质合金麻花钻钻削 CFRP 时主切削刃以及横刃作用原理的基础上，通过将 Hertz接触理论引入横刃作用区域，并将主切削刃作用区域划分成三个作用区域综合考虑。本文中构建的力学模型对于刀具几何参数优化设计以及 CFRP 加工工艺参数优化设计提供了理论参考。
2.1 CFRP 力学性质分析
CFRP 基体为环氧聚合物树脂，在众多的研究过程中，为了分析方便，可以看作将环氧聚合物树脂各个方向上性能一致的材料[60-63]，图 2-1 为环氧聚合物树脂的力学性能模型。在室温环境下环氧树脂力学性能参数[64]如表 2-2 所示。在钻孔加工的过程中由刀具和 CFRP 摩擦产生大量的切削力和切削热，钻削加工过程中钻头与刀具之间处于相对密闭的环境，切削热很难从钻削区域迅速排出，而且复合材料具有亲水性，在加工的过程中只能采取干式加工不能使用冷却液，因此环氧树脂处于高温和高应变率的加工环境，产生热软化效应和应变率硬化双重作用。CFRP 在双重作用的影响下，很难构建准确的动态本构模型，这对于研究 CFRP 切屑形成机理以及 CFRP 损伤的成因产生巨大阻碍。
.......
2.2 CFRP 制孔过程分析
硬质合金麻花钻头钻削 CFRP 示意图如如图 2-2 所示，当钻头直径为 6、主轴转速为 4000 r/ min 、刀具进给速度为 50 mm/ min 时，可以得出如图 2-3 所示的典型的钻削轴向力曲线图。阶段 1：钻头横刃和主切削刃钻削进入 CFRP 的过程，该过程中钻削轴向力从零在短时间内迅速上升至钻削力峰值。阶段 2：随着钻削深度不断加深，由于此时钻削深度不断加深，钻削剩余量不断减少，复合材料力学性能逐渐降低，横刃作用的材料产生分层损伤，使得钻削轴向力曲线出现波动。阶段 3：随着机床带动主轴时刻向下不停运动，钻头跟随主轴从位置 c处离开复合材料，钻头的主要作用是对复合材料的顶压，出现钻削轴向力回升现象。阶段 4：当钻头横刃部分到达，此时钻削轴向力几乎为零。通过以上的分析在不考虑螺旋槽对加工过程的影响时，可以将阶段 2 内临近 b 点位置的钻削轴向力峰值作为钻头直径为6、主轴转速为 4000 r/ min 、刀具进给速度为 50 mm/ min 。由于 CFRP 的力学性能呈现层合结构和各向异性的特点，不同方向的弹性模量和抗拉强度存在很大差异，在水平方向即沿纤维丝编织方向两力学参数数值最大，沿着复合材料的罗列方向上两个参数理论上是最小的，因为横刃的横向边缘对复合材料施加顶部压力产生塑性变形，所以复合材料发生弯曲产生变形。钻头的横刃部分没有起到切削作用，起到的仅仅是对底部碳纤维丝的顶压作用。
..........
第 3 章 CFRP 钻削试验平台建立.......... 22
3.1 试验材料..... 22
3.2 试验刀具..... 22
3.3 钻削加工试验平台.......23
3.4 孔质量检测装置...........24
3.5 加工参数及实验方案........... 25
3.6 本章小结..... 25
第 4 章 CFRP 钻削轴向力研究......27
4.1 两种钻头钻削过程分析....... 27
4.2 两种钻头钻削力结果分析............30
4.3 本章小结..... 33
第 5 章 CFRP 孔加工质量及缺陷抑制...........34
5.1 CFRP 孔加工缺陷........34
5.2 孔壁表面质量研究.......42
5.3 本章小结..... 48
第 5 章 CFRP 孔加工质量及缺陷抑制
5.1 CFRP 孔加工缺陷
CFRP 从宏观角度具有脆硬性材料的力学性能，在钻头钻出与钻入的过程中，CFRP 容易发生细微崩裂产生啃边现象，并且啃边现象是由 CFRP 自身力学性能引起，因此啃边现象很难在加工过程中得到有效抑制。啃边现象是由材料自身的细微崩裂所引起，其崩裂程度微乎其微对已加工孔的性能影响可忽略不计。对于制孔出口侧而言易产生毛刺缺陷，主要有两个原因：一是当钻头钻出复合材料的过程中，最底层复合材料上部受到横刃的顶压作用而底部又缺乏有效支撑，因而产生毛刺缺陷；二是由于钻头在加工的过程中不断磨损，刀具圆角不断增大导致钻头锋利程度降低，碳纤维丝不能被完全切断。由于产生毛刺缺陷产生的主要原因仅仅是最底层复合材料未被完全切断，对孔的形状不产生影响，因此对孔的力学性能也可忽略不计。在复合材料钻削加工过程中，最为常见也是对孔性能影响最大的缺陷是在孔的出入口处产生的撕裂缺陷。在 CFRP 钻削制孔加工的过程期间，运用日本的基恩士型号为 KEYENCE VHX-1000 的超景深显微镜对 CFRP 的撕裂缺陷进行拍照、观察和测量。
......
结 论
本文研究的主要内容是国家自然科学基金项目“碳纤维复合材料吸气式自排屑钻削方法工作原理及基础研究”（课题编号：51475127）和黑龙江省自然科学基金项目“碳纤维复合材料高品质孔加工机理及其吸气式 PCD 刀具设计”（项目批准号：E201304）的重要组成部分。本文在研究过程中，选取金刚石涂层钻与 PCD 直槽钻作为试验刀具钻削 CFRP，根据不同的切削加工参数利用正交实验法设计钻削试验，并利用超景深显微系统分别对已加工孔的入出口形貌、孔壁表面粗糙度以及孔的圆度进行对比观察和测量。通过对实验数据与观察结果的深入分析与研究，构建了 CFRP 钻削轴向力力学预测模型，揭示了 CFRP 切屑的形成机理，分析了 CFRP 在钻削过程中常见的缺陷形式并提出相关的抑制措施。主要研究结论如下：
1.将钻削过程中 CFRP 与切削刀具之间的相互作用区域分成三个部分，利用微积分中的微元解析法，根据每部分作用区域材料与刀具之间独特的力学特征，分别对不同区域构建刀具主切削刃与横刃的力学微元，通过微积分的方法构建钻削轴向力的预测模型。当钻削轴向力在 CFRP 与切削刀具之间的分力超过碳纤维的拉伸应力和树脂材料的剪切应力时，CFRP 发生断裂进而形成切屑。
2.根据不同的切削加工参数利用正交实验法设计钻削试验，对采用金刚石涂层钻与 PCD 直槽钻两种钻头钻削时产生的试验数据进行对比分析研究，可以得出：PCD 直槽钻钻削产生制孔缺陷的概率要远低于金刚石涂层钻。
3.采用两种钻头钻削的过程中均表现孔的入口质量要明显好于出口质量；PCD 直槽钻钻削的孔相比于金刚石涂层钻头要更规整均匀，而且 PCD直槽钻加工出的的孔壁的表面粗糙度和加工精度也要明显高于金刚石涂层钻。
4.钻削过程中为了获得好的制孔质量，应该选择合理的加工工具、较高的主轴转速、较小的主轴进给，或者在加工过程中在 CFRP 下面加垫底部支撑材料也可以有效的提高孔的加工质量。
.........
参考文献（略）