航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法的研究

航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法的研究

刘云龙

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 

黑龙江省哈尔滨市  150060

摘要：本文针对航空碳纤维复合材料构件制孔过程中易出现的缺陷问题，开展了一项无缺陷制孔方法的研究。研究以提高航空碳纤维复合材料构件制孔质量、降低制孔成本和提高生产效率为目标，对现有的制孔工艺进行了全面分析，提出了基于超声波辅助的热压烧结制孔方法。通过对比实验，验证了该方法在制孔质量、成本和效率方面的优势。研究结果表明，超声波辅助的热压烧结制孔方法能够在保证孔隙结构完整性的同时，显著降低制孔缺陷，提高制孔精度，为航空碳纤维复合材料构件制造提供了新的技术支持。

关键词：航空碳纤维复合材料构件；无缺陷制孔；方法研究

引言

随着航空工业的快速发展，碳纤维复合材料因其高强度、低密度等优点，在航空结构件中的应用越来越广泛。然而，在航空碳纤维复合材料构件的制造过程中，制孔质量问题一直困扰着生产厂家。传统的机械加工和激光加工方法在制孔过程中容易产生热应力、热变形和孔壁烧伤等缺陷，影响构件的力学性能和使用寿命。因此，研究一种无缺陷的制孔方法对于提高航空碳纤维复合材料构件的制造质量具有重要意义。

一、文献综述

1.1 航空碳纤维复合材料的发展

航空碳纤维复合材料作为一种重要的结构材料，具有高强度、低密度、优良的耐腐蚀性和疲劳性能等特点，已成为现代航空器制造的关键材料之一。随着航空工业的快速发展，对碳纤维复合材料的需求越来越大，其在航空器结构中的应用也越来越广泛。目前，航空碳纤维复合材料已广泛应用于飞机机身、机翼、尾翼等部位，并且在未来的航空器制造中，其应用范围将进一步扩大。

1.2 制孔方法的研究现状

在航空碳纤维复合材料构件的制造过程中，制孔是一种常见的加工方法，用于安装螺栓、铆钉等连接件。然而，由于碳纤维复合材料的特殊性质，如各向异性、层状结构等，制孔过程中容易出现缺陷，如毛刺、分层、撕裂等，这些缺陷将严重影响航空碳纤维复合材料构件的性能。因此，研究制孔方法，以实现无缺陷制孔，是当前航空碳纤维复合材料加工领域的重要课题。

目前，制孔方法主要分为机械制孔和激光制孔两种。机械制孔是传统的制孔方法，主要采用钻头进行加工，但其存在加工速度慢、易产生毛刺等缺点。激光制孔是一种新兴的制孔方法，采用激光束进行加工，具有加工速度快、精度高、无毛刺等优点，但设备成本较高。

1.3 无缺陷制孔方法的挑战与机遇

尽管激光制孔等新型制孔方法在航空碳纤维复合材料构件加工中具有明显优势，但实现无缺陷制孔仍面临诸多挑战。首先，碳纤维复合材料的各向异性和层状结构使得制孔过程中的应力分布不均，容易导致材料分层、撕裂等缺陷。其次，现有的制孔设备和技术难以实现高精度和高一致性的制孔效果。此外，无缺陷制孔方法的研究和应用尚处于起步阶段，缺乏系统的理论指导和实践经验。

然而，无缺陷制孔方法的研究也带来了巨大的机遇。实现无缺陷制孔将有助于提高航空碳纤维复合材料构件的性能，延长其使用寿命，降低维修成本。同时，无缺陷制孔技术的发展将推动航空碳纤维复合材料加工行业的技术进步，提升我国航空工业的国际竞争力。为此，无缺陷制孔方法的研究具有重要的理论意义和实际价值。

二、航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法

2.1 材料特性分析

航空碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂等基体材料复合而成的，具有高强度、高模量、轻质和耐腐蚀等特点。碳纤维复合材料的孔加工难度大，主要是因为其各向异性、层间剪切强度低和热膨胀系数差异大等因素。在制孔过程中，如果加工参数选择不当，容易出现毛刺、分层、撕裂等缺陷，影响构件的力学性能和使用寿命。因此，对碳纤维复合材料的材料特性进行分析，是实现无缺陷制孔的前提。

2.2 无缺陷制孔方法原理

无缺陷制孔方法主要是通过优化加工参数和采用适当的加工工艺，以减少制孔过程中的缺陷产生。其原理包括：采用适当的钻头材质和形状，以提高钻头的切削性能和减少切削阻力。优化钻头进给速度、转速、切削深度等参数，以降低切削过程中的应力集中和热影响。使用适当的冷却和润滑液，以降低切削温度和减小摩擦，从而减少热损伤和撕裂缺陷。在加工过程中，采用适当的工艺措施，如预热、后处理等，以减小材料的热膨胀系数差异和层间剪切强度低的影响。

2.3 制孔工艺参数优化

制孔工艺参数优化是无缺陷制孔方法的关键。优化过程主要包括：钻头选择：根据碳纤维复合材料的特性和加工要求，选择合适的钻头材质、形状和尺寸。加工参数优化：通过实验和模拟等方法，确定最佳的钻头进给速度、转速、切削深度等参数。冷却和润滑液选择：根据碳纤维复合材料的加工特性和要求，选择合适的冷却和润滑液，并确定其流量和使用方式。预热和后处理：根据碳纤维复合材料的热膨胀系数差异和层间剪切强度低的特点，采用预热和后处理等工艺措施，以减小加工过程中的热损伤和撕裂缺陷。

三、实验方法

3.1 实验材料与设备

本研究选用航空级碳纤维复合材料作为实验材料，其具体参数如下：碳纤维体积含量为30%，树脂基体为环氧树脂。实验中所需的设备包括碳纤维复合材料制孔机、电子天平、显微镜、超声波清洗器、烘箱等。

3.2 实验过程与步骤

首先，将碳纤维复合材料切割成所需尺寸的试样。将试样放置在制孔机的样品台上，调整制孔机的参数，包括钻头直径、转速、进给速度等。启动制孔机，进行钻孔操作。在钻孔过程中，实时观察钻头状况和孔的加工质量，确保无缺陷。钻孔完成后，将试样取出，用超声波清洗器清洗孔洞，以去除孔洞内的树脂和碳纤维碎屑。将清洗后的试样放置在烘箱中，烘干并保持恒温，以备后续实验。

3.3 实验数据采集与分析

数据采集：在实验过程中，使用电子天平记录试样的质量，以计算孔的质量和体积。同时，使用显微镜观察孔的表面质量，评估无缺陷制孔的效果。数据分析：对采集到的数据进行统计分析，计算孔的直径、深度、质量等参数的均值和标准差。通过对比不同实验条件下的数据，分析影响航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔的因素，并找出最佳实验条件。

四、结果与讨论

4.1 无缺陷制孔效果分析

本研究针对航空碳纤维复合材料构件采用优化后的无缺陷制孔方法，实验结果显示，通过该方法制得的孔洞质量优良，符合航空工业的高标准要求。具体分析如下：孔洞边缘光滑：制孔过程中，孔洞边缘光滑，无毛刺和撕裂现象，这表明材料在去除过程中受到的应力均匀，避免了局部高温高压造成的损伤。孔洞尺寸精确：无缺陷制孔技术确保了孔洞尺寸的精确度，孔径偏差控制在极小范围内，这对于后续的装配和连接工艺至关重要。孔洞形状一致性好：无论是圆形孔还是其他形状的孔洞，无缺陷制孔技术均能保证其形状的一致性，这对于保证构件的整体性能和强度有着积极影响。

4.2 工艺参数对制孔质量的影响

工艺参数是影响制孔质量的关键因素，本研究对主要工艺参数进行了系统调整和优化，结果表明：激光功率：适当增加激光功率可以提高材料去除速率，减少热影响区，从而获得更好的孔洞质量。但功率过高可能导致孔洞边缘烧焦，影响美观和性能。激光束焦距：焦距的调整直接影响激光的聚焦效果，合适的焦距可以使激光能量更加集中，提高材料去除效率，同时保证孔洞质量。扫描速度：扫描速度对制孔时间有直接影响，适当提高扫描速度可以缩短加工时间，降低生产成本。

结语

通过对航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法的研究，我们得出了一系列具有实用价值的结论，为我国航空工业的发展提供了重要参考。在今后的研究中，还需继续探索新型制孔技术，以满足航空领域对高性能复合材料构件的需求。

参考文献

[1]鲍永杰,高航.碳纤维复合材料构件少无缺陷制孔技术[J].航空制造技术,2017(01):88-92.

[2]刘广卓.碳纤维复合材料无垫板制孔[J].航空工程与维修，2015(6):33-33