碳纤维复合材料钻孔加工的缺陷分析

碳纤维复合材料加工工艺

一、手糊成型工艺：

在模具表面上涂抹脱模剂、胶衣，将事先裁好的碳纤维预浸布铺设在模具工作面上，在工作面上刷涂或喷射树脂胶液，达到所需要的厚度之后，成型固化、脱模、后处理。在成型技术高度发达的今天，手糊工艺仍然具有工艺简便、投资低廉、适用面广的特点，在石油化工、储存容器、贮槽、汽车壳体等诸多领域有广泛应用。其缺点是质地疏松、精度不高、表面粗糙、密度低，制品强度不高，并且主要依赖人工，质量不稳定，生产效率很低，难以批量化和标准化。喷射成型工艺属于手糊成型工艺中低压成型工艺的一类，一般利用短切纤维和树脂混合，在喷枪中利用压缩空气均匀喷洒在模具表面上，达到所需厚度后，再利用手工橡胶来回刷平，最后固化成型。为改进手糊成型工艺而创造的一种半机械化成型工艺，在生产效率方面有一定的提高，多用来制造汽车车身、船身、浴缸、储罐的过渡层。

二、真空热压罐工艺：

工艺过程是将单层预浸料按预设方向铺叠成的复合材料坯料放置在热压罐内，在一定预设温度和压力下完成固化的过程。热压罐是一种能够承受和调整温度、压力范围的专用压力容器。坯料铺设在涂抹脱模剂的模具表面，然后依次用脱模布、吸胶毡、透气毡完全覆盖，并密封在真空袋内，再放入热压罐内。在放入热压罐加温固化之前需要抽真空，然后在放入热压罐高温、加压、固化成型固化规则的制定与执行是保证复合材料产品质量的关键。此种成型工艺适多用于制造整流罩、飞机舱门、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等产品。 三、层压成型工艺：

把一层层铺设的预浸料放置在上下平板模之间通过加压高温固化成型，这种工艺可以直接利用木胶合板的生产方法和设备，并根据树脂的流动性能，进而进行改进与完善。此种成型工艺主要用来生产不同规格、不同用途的复合材料板材。具有机械化和自动化程度高、产品质量稳定、利用批量化等特点，但是设备投资较大，成本较高。

四、缠绕成型：

缠绕成型工艺的发展已经有半个世纪，随着缠绕技术的不断更新，缠绕工艺基本已经成型，并成为金属铝复合材料重要施工工艺之一。缠绕成型工艺主要就是通过将浸水的金属铝复合材料按照一定的规律，缠绕在芯模中。然后通过固化脱模，最终获得制品。缠绕成型工艺的优点有：①能够根据产品的受力情况，进行缠绕规律的设计，保障纤维强度得到充分发挥。②比强度较高，纤维缠绕制品的压力与等体积的钢制容器来比，重量能够减轻近５０％左右。③生产效率较高，通过采用机械化生产和自动化生产的方式，能够减少人工的参与。④成本较低，在生产中恶意选择多种材料复合，能够降低材料成本。⑤可靠性较高，由于实现了机械化生产的方式，能够在一定程度上降低保障产品质量的精准性。但是这样的工艺也具有一定的缺点：①适应性较小，只能针对外形结构能够缠绕的产品。一般外观较为复杂的产品都不能采用这样的方式进行生产。②投资较高，该工艺需要有缠绕机、芯模、加热炉、技术娴熟的工人等，因此，在施工方面投资较大，只有进行大规模生产的时候，才能保障经济效益。一般用于生产筒形部件；生产效率高，成本低。可应用在运载火箭筒体、雷达罩、机匣。

材料加工过程中常见缺陷形成原因和控制措施

在材料加工的过程中，常常会出现一些缺陷，这些缺陷可能会降低材料的性能和质量。了解这些常见的缺陷形成原因以及相应的控制措施，对于提高材料加工的效率和质量至关重要。

一、表面缺陷

1. 划痕和刮痕：这些缺陷通常是由于加工过程中使用的工具和设备表面不平整或硬度不足导致的。此外，操作不当或过度力度也可能导致划痕和刮痕的形成。控制措施包括使用平整且硬度适当的工具和设备，并合理控制力度和操作方式，避免划痕和刮痕的产生。

2. 锈斑和氧化：这些缺陷通常是由于材料受到氧气和水的侵蚀和反应导致的。在加工过程中，应尽量避免材料长时间暴露在潮湿的环境中，同时使用防锈剂和表面处理技术可以有效地防止锈斑和氧化的形成。

3. 气泡和孔洞：这些缺陷通常是由于材料内部存在气体或液体，在加工过程中由于温度或压力的变化导致气体或液体无法逸出，从而形成气泡和孔洞。控制措施包括材料预处理，如真空处理以去除内部气体，并且在加工过程中要合理控制温度和压力，防止气泡和孔洞的形成。

二、尺寸缺陷

1. 偏差：加工过程中，由于工具磨损、设备不稳定或操作不准确等原因，会导致零件尺寸偏离设计要求。控制措施包括定期检查和更换工具、维护设备的稳定性，并确保操作人员接受过专业的培训，提高操作的准确性。

2. 粗糙度：材料表面的粗糙度是加工过程中另一个常见的缺陷。粗糙的表面可能会影响零件的质量和功能。控制措施包括选择适当的加工方法和工艺参数，如切削速度、进给速度以及刀具和夹具的选择，以获得所需的表面质量。 三、组织缺陷

1. 结晶缺陷：材料加工过程中，结晶缺陷的形成通常是由于材料的冷却速度过快或冷却不均匀导致的。这些缺陷可能包括晶界偏大、晶界分布不均匀等问题。为了减少结晶缺陷的形成，可以采取适当的冷却措施，如控制冷却速度和温度梯度，以及进行热处理等。

2. 晶粒长大不均匀：晶粒长大不均匀往往会导致材料的性能和力学性能降低。控制措施包括合理选择和设计加工工艺，如适当的热处理和锻造工艺，以及控制加工温度、压力和时间等参数，以实现晶粒的均匀长大。

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碳纤维模压成型工艺开裂原因

碳纤维模压成型是一种常用的制造工艺，它可以制作出轻量、高强度的碳纤维复合材料制品。然而，在实际生产中，碳纤维模压成型过程中出现开裂现象是一个常见问题，这会影响制品的质量和性能。下面将介绍碳纤维模压成型工艺开裂的原因。

首先，原材料质量不达标是导致碳纤维模压成型开裂的主要因素之一。如果碳纤维布的质量不均匀、存在疵点或损伤，模压过程中容易出现开裂现象。另外，树脂等辅料的质量也会对成型质量产生影响，如果树脂固化不均匀或者含有杂质，也容易导致制品开裂。

其次，模具设计不合理也是导致碳纤维模压成型开裂的原因之一。模具的设计需要考虑到碳纤维布的叠放方式、成型过程中的应力分布等因素，如果模具结构不合理或者刚度不够，就会在成型过程中产生局部过度挤压或拉伸，从而引起开裂。

另外，成型工艺参数的控制也是影响碳纤维模压成型开裂的关键因素。成型温度、压力、成型时间等参数的选择直接影响到产品质量，如果这些参数设置不当，比如温度过高、压力过大或者成型时间过长，都会导致碳纤维复合材料在成型过程中发生变形或开裂。

此外，操作人员的技术水平和经验也对碳纤维模压成型的质量起着至关重要的作用。操作人员需要具备良好的操作技能和丰富的操作经验，才能熟练掌握成型工艺，正确调节各项成型参数，及时发现问题并采取有效的措施，以避免开裂等质量问题的发生。

综上所述，碳纤维模压成型工艺开裂的原因可以归结为原材料质量、模具设计、工艺参数控制和操作人员技术等多个因素的综合影响。要解决开裂问题，需要从多个方面入手，提高原材料质量、改进模具设计、优化工艺参数控制，并加强操作人员的培训和管理，以确保碳纤维模压成型制品的质量稳定和可靠性。

新型国产T800碳纤维复合材料制孔特性董慧民1, 王 赫1, 孟繁星2, 耿大喜2, 李跃腾1, 钱黄海1*, 苏正涛1（1．中国航发北京航空材料研究院 减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京 100095；2．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）摘要：针对新型国产T800复合材料（carbon fiber reinforced plastic, CFRP）在切削过程中因钻削力及扭矩较大易产生的分层撕裂、纤维损失等缺陷问题，搭建包含立式超声加工中心和测力系统的实验平台，采用硬质合金麻花钻、三尖钻、匕首钻对T800碳纤维复合材料进行制孔质量对比实验。在相同的工艺参数下，对比了三种刀具结构在普通钻削（conventional drilling, CD）下对T800复合材料制孔的切削力、孔出入口表面形貌、孔径偏差及孔表面粗糙度的影响规律。在优选刀具结构的基础上，采用超声振动辅助钻削（ultrasonic vibration assisted drilling, UVAD）方法开展可行性实验。结果表明：硬质合金匕首钻可以有效地抑制T800复合材料制孔时的表面缺陷，然而入口孔径精度较差；超声振动辅助匕首钻可以进一步提升制孔质量，特别是通过提高入钻稳定性显著改善孔径精度。关键词：T800；复合材料；超声振动钻削；匕首钻；加工精度doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000009中图分类号：V262;V258.3 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)03-0094-11Hole making characteristics of novel domestic T800 carbonfiber reinforced compositeDONG Huimin1, WANG He1, MENG Fanxing2, GENG Daxi2, LI Yueteng1, QIAN Huanghai1*, SU Zhengtao1（1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials and Application Research for Vibration and Noise Reduction,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China；2. School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University, Beijing 100191, China）Abstract: In view of the defects of the new domestic T800 carbon fiber reinforced plastic （CFRP）, such as lamellar tearing andfiber loss, which would be easily caused by large drilling force and torque during cutting, an experimental platform including avertical ultrasonic machining center and force measurement system was constructed. Carbide twist drill, carbide candle stick drill andcarbide dagger drill were used to compare the hole quality of T800 carbon fiber composite. Under the same technological parameters,the influences of three kinds of cutting tool structures on the cutting force, surface morphology of hole inlet and outlet, aperturedeviation and surface roughness of T800 composite were compared with those of conventional drilling （CD）. The ultrasonicvibration assisted drilling （UVAD） method was adopted to carry out feasibility experiments on optimum tool structure. The resultsshow that the carbide dagger drill can effectively suppress the surface defects of T800 composite materials, but the entrance apertureaccuracy is poor. The ultrasonic vibration assisted dagger drilling can further improve the quality of hole making, especiallysignificantly improve the aperture accuracy by improving the drilling stability.Key words: T800；composite material；ultrasonic vibration assisted drilling；dagger drill；machining accuracy航空工业的飞速发展带来的是航空装备材料与制造技术的快速进步，而航空装备制造的复杂性与极端化使得其成为衡量整个高端制造业水平的一个标准。航空装备相比一般机械装备要求更高的可靠性、更高的耐久性。以T800为代表的高强度模型碳纤维复合材料（T800 carbon fiber reinforced2023 年第 43 卷航　空　材　料　学　报2023，Vol. 43第 3 期第 94 – 104 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSNo.3 pp.94 – 104