航空航天和汽車制造是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域里最能體現(xiàn)工業(yè)能力和產(chǎn)業(yè)鏈完成度的兩個(gè)行業(yè)，其中涉及到的技術(shù)和材料數(shù)不勝數(shù)。碳纖維及復(fù)合材料是當(dāng)下工業(yè)生產(chǎn)中非常火熱的一種新型材料，憑借出色的力學(xué)性能獲得了較好的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，碳纖維作為增強(qiáng)體材料，與不同的基體材料融合，可以被加工成各種外形的工業(yè)零部件，其中有部分就可以應(yīng)用于航空航天和汽車制造領(lǐng)域。
　　
 
　　目前主流的熱固性碳纖維，以及未來更有優(yōu)勢(shì)的熱塑性碳纖維，都被認(rèn)為是難以超越的高性能復(fù)合材料。但將這些碳纖維復(fù)合材料加工成制品有一定的難度，其中需要各種設(shè)備和機(jī)械的配合，打孔、裁切、鏤空等屬于基本操作。但不要輕視這些基本的加工過程，加工操作對(duì)于碳纖維制品的性能同樣有著至關(guān)重要的聯(lián)系。本文引用國(guó)際專業(yè)論文知識(shí)，介紹超快進(jìn)給鉆孔這種加工方式，并與超聲波振動(dòng)和磨料水射流這兩種加工方式做一些比較。
　　
 
　　熱塑性碳纖維（CF/PA6）層壓板的3種鉆孔方式
　　
　　1、超快進(jìn)給鉆孔（UFFD）：切削熱和摩擦熱會(huì)導(dǎo)致熱塑性基體的熔化，影響鉆孔效率和效果。為了研究超快進(jìn)給鉆孔方式的實(shí)際效果，將熱塑性碳纖維層壓板固定，選用3000、5000和7000mm/min的進(jìn)給速度，利用三分量測(cè)力計(jì)測(cè)量。
　　
　　2、超聲波振動(dòng)鉆孔（UVD）：將壓電晶體振蕩器安裝在設(shè)備上，提供70kHz的恒定頻率，觀測(cè)超聲波振動(dòng)在對(duì)熱塑性碳纖維層壓板鉆孔的實(shí)際效果。
　　
　　3、磨料水射流鉆孔（AWJ）：磨料水射流加工是目前熱固性碳纖維制品切割的主流方式，將水射流軌跡設(shè)計(jì)成圓形，施加一定的水壓，對(duì)熱塑性碳纖維層壓板進(jìn)行鉆孔處理，觀測(cè)實(shí)際效果。
　　
 
　　超快進(jìn)給鉆孔方式實(shí)際效果展示
　　
　　1、鉆孔效果對(duì)比：3000mm/min超快進(jìn)給速度和50mm/min低進(jìn)給速度比較下，前者切削完成速度更快，排出少量切屑，鉆孔附近沒有毛刺殘留，后者在鉆頭穿透前層壓板有明顯變形，切屑?xì)埩糨^多，孔周圍有冠狀毛刺。3000mm/min的推力峰值是50mm/min時(shí)的6倍，接近22N，鉆孔時(shí)間卻只有后者的1/60，鉆孔效率大幅提升，同時(shí)鉆孔的質(zhì)量也更好。
　　
 
　　2、分層和毛刺情況：利用3D測(cè)量顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，分層和毛刺出現(xiàn)與鉆孔的入口方向，以20μm為分界線進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)進(jìn)給速度為3000mm/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速無論高低都沒有出現(xiàn)分層。當(dāng)進(jìn)給速度高于3000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速超過20000min-1時(shí)，分層體積隨進(jìn)給率的提升而增加，這是因?yàn)楦哌M(jìn)給速度下的推力更大。
　　
 
　　另外主軸轉(zhuǎn)速越高，出現(xiàn)的毛刺體積也就越小。通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度為3000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為20000min-1時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)分層的問題，同時(shí)保持較小的毛刺體積，整體的鉆孔效果更好。
　　
 
　　3、與其他兩種鉆孔方式的對(duì)比：為了更好對(duì)比鉆孔效果，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)了每種鉆孔方式的微觀圖像畫面。超快進(jìn)給鉆孔（UFFD）孔壁處每一層碳纖維清晰可見，而超聲波振動(dòng)鉆孔（UVD）和磨料水射流鉆孔（AWJ）的孔壁有被熔化的基體覆蓋的情況，表面較為模糊。放大微觀圖像后，磨料水射流鉆孔（AWJ）孔壁處有明顯的尼龍線擴(kuò)散開，相較之下超快進(jìn)給鉆孔（UFFD）的孔邊緣質(zhì)量更好。按照孔表面質(zhì)量、形狀精度和加工時(shí)間來比較，超快進(jìn)給鉆孔（UFFD）是一種更有前景的熱塑性碳纖維層壓板的鉆孔方式。
　　
 
　　給熱塑性碳纖維板開孔是一種較為基礎(chǔ)的加工方式，這樣就可以與其他的工業(yè)零部件穩(wěn)定的連接起來，發(fā)揮更大的商用價(jià)值。目前熱塑性碳纖維復(fù)合材料的大范圍應(yīng)用還處于起步階段，熱塑性碳纖維復(fù)合材料單向帶的制備難度較大，從源頭上限制了該型復(fù)合材料的應(yīng)用。智上新材料作為國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家可以獨(dú)立完成連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料單向帶制備的企業(yè)，認(rèn)為熱塑性碳纖維的發(fā)展還需要從基礎(chǔ)層面出發(fā)，技術(shù)進(jìn)步才是解決問題的首要條件。
 
　　本文涉及論文來源：https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.08.074