基于 CFRP 钻削制孔技术优化与质量提升研究

1 引言

碳纤维增强基复合材料（CFRP）因其高比模量、高比强度、耐腐蚀性好、热膨胀系数低等优异性能以及材料与结构可同时制备、复杂构件易整体成型的特性，被广泛应用于航空、航天等领域。在航空航天领域，CFRP构件主要通过大量螺栓孔实现装配，钻削加工作为其二次机械加工的主要方式。然而，CFRP 的固有材料属性导致其在钻削加工中易出现分层、毛刺等缺陷，严重影响制孔质量。目前，主要通过简化切削模型、优化刀具几何结构和工艺参数、控制切削区域温度等方法来改善 CFRP 制孔质量，但仍有诸多问题亟待解决。

2 CFRP钻削制孔过程中的关键因素与质量控制

2.1 切削力

CFRP 由碳纤维和树脂固化而成，其切削机理受纤维属性、铺层方向及切削环境等因素影响。研究发现，CFRP 切削过程存在三个变形区，与金属切削类似，但其微观机制更为复杂。钻削加工中，切削力大小直接影响制孔质量。研究表明，钻削轴向力与钻头直径、材料厚度、钻孔数量、进给量正相关，与转速负相关。横刃对轴向力的贡献显著，占总轴向力的40%-60% 。为降低切削力，学者们对刀具进行了优化，发现减小横刃和切削刃钝圆半径可有效降低切削力，减少制孔损伤。未来研究需进一步探索切削力形成机制，优化刀具结构和工艺参数，以提高CFRP 钻削制孔质量。

2.2 切削热

在 CFRP 钻削过程中，切削热对制孔质量影响显著。CFRP 的热导率各向异性，纤维方向热导率高，垂直方向和厚度方向热导率低，导致切削热易积累。碳纤维的碳化温度高达 1000^∘C ，而树脂玻璃化转化温度（Tg）约为 200^∘C ，当切削区域温度超过 Tg 时，树脂力学性能突变，影响 CFRP的整体性能。

研究表明，切削速度和进给速度对钻削温度影响显著。Chen[1]发现，切削速度过高或进给速度过低均会导致温度升高。不同温度下 CFRP 的破坏形式不同（如图 1 所示），低温下纤维易脆断，高温下树脂软化，纤维难以切断，易产生毛刺和分层缺陷。 Xia^[2] 对比了液氮蒸汽冷却钻削与干式钻削，发现低温可提高孔壁质量，但无法消除出口分层缺陷。

目前，切削热的研究多依赖实验，理论和数值仿真研究较少。未来研究应从热力耦合角度建立切削热理论模型，深入分析切削热在工件及刀具中的分布，优化切削参数和冷却方式，以有效控制切削区域温度，提高CFRP 制孔质量。

2.3 切削缺陷

CFRP 钻削制孔易现分层、毛刺等缺陷。分层因轴向力超层间强度，分入口、出口两类；毛刺与切削刃钝化及纤维方向角相关；撕裂是分层的进一步表现；烧蚀由热量积累致树脂基受损。合理选切削参数、优刀具结构、改善切削环境可减缺陷，未来要结合热力耦合作用，深入分析缺陷机理，开发控制策略提制孔质量。

2.4 切削环境缺陷

在 CFRP 钻削制孔过程中，切削环境的控制对提升制孔质量至关重要。研究表明，刀具材料和几何参数对切削温度和制孔质量有显著影响。例如，QUAN[3]对比硬质合金钻头和高速钢钻头发现，硬质合金钻头在降低钻削温度方面表现更优；CHANG[4]通过实验得出，刀尖半径为 0.3mm 时切削温度最低。此外，贾政元等[5]提出的“微元去除”和“反向剪切”纤维切除方式，以及殷俊伟[6]采用的碰冷空气冷却方法，均能有效降低切削区域温度，减少热损伤。

在切削环境控制方面，HA等[7]利用涡流管和干冰作为制冷剂的热交换器进行切削区域温度控制，发现低温条件下的高速加工可显著降低切削温度和切削力，减少钻削缺陷。王福吉等提出的小齿进工艺，通过减少单次切削厚度，有效降低了材料的热软化率和切削热。此外，王义文等[8]提出的吸气式内排屑系统，通过优化排屑和冷却方式，实现了对整个钻削加工区域环境的有效控制。

3 结论

本文总结了 CFRP 钻削制孔技术的研究现状，指出虽在刀具优化、工艺参数调整和冷却技术方面取得进展，但仍存在切削力大、热积累、分层、毛刺等缺陷问题。未来研究应聚焦热力耦合效应，深入探究其机理，优化刀具和工艺参数，同时研究环境因素与制孔质量的联系，开发系统解决方案，实现高质量制孔，并强调多学科交叉研究的重要性，以满足高端应用需求。

参考文献：

[1]CHEN W C. Some experimental investigations in the drilling of carbon

fiber reinforced plastics（CFRP） composite laminates[J]. International Journal

of Machine Tools and Manufacture，1997，37（8）：1097-1108.

[2]Xia T. Investigation of drilling performance in cryogenic drilling on cfrp

composite laminates [D]. University of Kentucky.2014.

[3]QUAN Y，SUN L. Experimental investigation on drilling temperature of

composites［J］. International Journal of Machining and Machinability of

Materials，2008，3（3/4）：356-363.

[4]CHANG S C. A study of cutting temperatures in turning carbon fiber

reinforced plastic（CRFP）composites with nose radius tools［J］. Key

Engineering Materials，2015，649： 38-45.

[5]王福吉，殷俊伟，贾振元，等 . CFRP 复合材料铣削力、温度及表

层损伤分析［J］. 机械工程学报，2018，54（3）：186-195.

[6]殷俊伟. CFRP 切削加工损伤成因及其评价方法［D］. 大连：大连

理工大学，2018.

[7]HA S J，KIM K B，YANG J K，et al. Influence of cutting temperature

on carbon fiber reinforced plastic composites in high-speed machining［J］.

Journal of Mechanical Science and Technology，2017，31（4）：1861-1867.

[8]王义文，许成阳，许家忠，等. CFRP 加工用内排屑钻头排屑条件的

仿真分析及试验研究 [J]. 机械工程学报，2018，55（5）：223-231.通讯作者：赵万军，副教授，智能制造研究。

基金项目：重庆市大学生创新创业训练计划项目（S202510643013）