新型玻璃纤维复合材料制孔工艺研究

新型玻璃纤维复合材料制孔工艺研究

宋成琳，幸锐，赵凌云

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西西安   710089

【摘  要】玻璃纤维复合材料一种性能优异的轻量化材料,其材料的收缩率小,产品的比强度高,精度好,能很好的满足轻量化需求,因此广泛用于航空航天等领域[1]。针对此新型玻璃纤维复合材料在装配制孔过程中易出现分层、孔壁划伤以及制孔效率低等问题，本文依据该新型玻璃纤维的材料特性，开展分析、试验以及验证等工作，明确造成分层缺陷的原因，并通过研制专用直刃匕首钻刀具、优化加工工艺方案等措施，有效的解决了玻璃纤维材料制孔过程中存在的问题，本文不仅为该新型玻璃纤维复合材料的应用提供技术支持，同时也提高了新型玻璃纤维复合材料的加工质量。

【关键词】玻璃纤维复合材料、直刃匕首钻、分层缺陷

1引言

随着航空工业的不断发展，优异性能的飞机需求量不断增加,飞机结构设计、材料性能、制造工艺和加工工具都需要不断的研究和创新[2]。新型玻璃纤维复合材料是一种先进复合材料,由于其在厚度方向引入了增强纤维,克服了复合材料层间性能弱的缺点,有效地改善了材料整体力学性能,具有更好的抗撕裂、抗侵彻、及高吸能等优异性能,广泛应用于航空航天、防护工程、汽车制造等领域[3]。由于该新型材料组织性能复杂、加工难度高以及缺乏加工经验，因此在制孔过程中出现分层缺陷、孔壁划伤以及制孔效率低等问题，这就严重影响了新材料在新结构上的使用以及研制现场的进度。因此本文针对新型玻璃纤维复合材料在装配制孔过程中存在的问题展开分析研究。

2玻璃纤维复合材料制孔问题分析

由于该新型材料组织性能复杂、加工难度高以及缺乏加工经验，因此在制孔

过程中出现分层缺陷、孔壁划伤以及制孔效率低等问题。具体如下：

1.常规的扩孔钻和铰刀无法消除玻璃纤维钻孔产生的分层缺陷且扩铰孔后分层缺陷更加严重，而普通匕首钻又无法加工叠层中的金属材料。

2. 玻璃纤维叠层材料种类多样，加工工况复杂，叠层材料贴合面间隙大，无法彻底夹紧，钻孔过程中玻璃纤维出孔面极易出现分层缺陷，如图1所示。

3.玻璃纤维叠层材料制孔时，因空间受限程度高，无法通过增加工艺垫板或纸胶带解决出孔面的分层缺陷。

图1  玻璃纤维出孔面分层缺陷图

3玻璃纤维复合材料制孔专用刀具研制

为解决普通扩孔钻产生的分层缺陷、匕首钻扩孔出现的排屑困难、单层材料扩孔出现的孔径超差，保证金属与新型玻璃纤维叠层材料加工质量，开展玻璃纤维材料叠层制孔试验，选用常规钻头、匕首钻、三尖两刃钻作为钻孔刀具，开展刀具切削对比试验。试验结果表明普通匕首钻可有效解决纯玻璃纤维叠层材料存在的分层缺陷，但三种类型刀具均无法解决玻璃纤维叠层材料制孔出现的问题。试验结果如表1所示。

表1 刀 具切削对比试验结果

通过对普通匕首钻的分析与论证，针对新型玻璃纤维叠层材料制孔研制了多种结构形式的刀具，并基于相应的试验验证结果及加工分析，最终研发设计制造了用于金属与新型玻璃纤维叠层材料扩孔和铰孔的专用直刃匕首钻如图2所示。

图2 新研专用直刃匕首钻

4玻璃纤维复合材料制孔工艺方案优化

通过开展刀具切削试验和刀具切削受力分析，发现传统的钻、扩、铰刀具和三尖两刃刀具钻尖角度大，出孔瞬间受力过大导致玻璃纤维分层缺陷；而普通匕首钻钻尖小可有效解决纯玻璃纤维出现的分层缺陷，但无法满足含有金属的叠层材料加工要求。因此对金属与玻璃纤维叠层材料采用逐层加工方案，以保证新型玻璃纤维复合材料的加工质量，针对常规孔径的金属与玻璃纤维复合叠层制孔采用如表2所示方案， 针对纯玻璃纤维制孔采用如图3的加工方案。优化前后的制孔效果对比图如图4所示。

表2 常规孔径玻璃纤维材料加工方案

图3 新研专用直刃匕首钻

图4 改进前后制孔效果对比

5  结论

本文针对新型玻璃纤维复合材料在装配制孔过程中存在的问题，依据新型玻璃纤维的材料特性以及现场的实际工况，开展分析、试验、验证等工作，明确了分层缺陷是材料在钻削过程中由于轴向力对未切削材料的堆挤作用超过了复合材料层间的剪切强度而造成的；研制出金属与新型玻璃纤维叠层材料扩孔专用直刃匕首钻，解决了新型玻璃纤维制孔产生的分层缺陷问题；分别制定了纯玻璃纤维复合材料、金属与玻璃纤维复合材料的制孔工艺方案，从而保证了玻璃纤维复合材料的加工质量。本文不仅为该新型玻璃纤维复合材料的应用提供技术支持，同时也提高了新型玻璃纤维复合材料的加工质量。

参考文献

[1]王盛. 航空碳纤维复合材料高速铣削材料去除机理研究 [D]. 中国民航大学. 2020

[2] 刘凯. 铝/钛叠层结构钻铰锪一体化制孔刀具开发与工艺参数优化[D].山东大学. 2018.

[3]余育苗,王肖钧,王志海,李永池.   三维正交机织复合材料的力学性能研究 [J]. 实验力学. 2008 (03)

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