碳纖維復(fù)合材料/鋁合金疊層制孔的軸向力研究

□ 孫 鑫 □ 田 威 □ 劉 姿 □ 李大鵬

1．南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 南京 210016 2．沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng) 110034

軸向力作為材料孔加工過(guò)程中的重要表征量，能一定程度反映出材料的制孔質(zhì)量和刀具磨損情況。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和鋁合金均廣泛應(yīng)用于當(dāng)代航空制造領(lǐng)域［1］，碳纖維復(fù)合材料的制孔缺陷主要為分層和撕裂，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的制孔缺陷研究表明，分層和撕裂均與制孔軸向力成正相關(guān)的關(guān)系［2、3］。在飛機(jī)裝配制造工程應(yīng)用中，碳纖維復(fù)合材料多與金屬材料一起疊層進(jìn)行制孔，大部分情況下是與鋁合金一起疊層進(jìn)行制孔。這兩種材料由于鉆削性能的巨大差異，導(dǎo)致疊層制孔過(guò)程復(fù)雜，必須綜合考慮鉆頭、工藝參數(shù)、刀具磨損等各方面影響。CVD金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的表現(xiàn)，采用CVD金剛石涂層鉆頭、AlTiN涂層鉆頭和未涂層的硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行鉆削復(fù)合材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CVD金剛石涂層刀具的磨損速率遠(yuǎn)小于其它兩種鉆頭［4］。文獻(xiàn)［5］使用麻花形的金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料/鋁合金疊層，并與無(wú)涂層鉆頭和其它兩種涂層鉆頭進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層鉆頭制孔具有更小的軸向力、后刀面磨損量和更好的制孔質(zhì)量。

筆者使用三尖形CVD金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料/鋁合金疊層件，搭建軸向力測(cè)量平臺(tái)，探索了兩種材料疊層制孔時(shí)的軸向力變化情況，分析了軸向力隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，并建立了回歸經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)研究了刀具磨損對(duì)制孔軸向力的影響，該研究成果對(duì)于碳纖維復(fù)合材料/鋁合金疊層的自動(dòng)化高精度制孔具有一定指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

▲圖1 軸向力測(cè)量平臺(tái)示意圖

試驗(yàn)在LGMazak430AL加工中心上進(jìn)行，轉(zhuǎn)速范圍500～12000r/min。搭建如圖1所示軸向力測(cè)量平臺(tái)，傳感器上部通過(guò)一塊板與T型槽固連，鉆有輔助孔的試驗(yàn)板料通過(guò)螺栓固定于T型槽上，能方便地實(shí)現(xiàn)單自由度移動(dòng)，此種設(shè)計(jì)能在不改變?cè)囼?yàn)板料規(guī)格的情況下，較為快速地進(jìn)行制孔軸向力的測(cè)量。傳感器為INTERFACE1216傳感器，通過(guò)MESGA/A放大器連接到數(shù)據(jù)采集卡上，最終在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)軸向力信號(hào)的采集。

刀具采用蘇州阿諾公司生產(chǎn)的三尖形CVD金剛石涂層刀具，直徑為5mm。試驗(yàn)材料為CCF300碳纖維復(fù)合材料和7475鋁合金材料，厚度分別為3．2mm和3．1mm。在制孔過(guò)程中，使用工業(yè)吸塵器及時(shí)將制孔產(chǎn)生的粉末狀切屑吸走。

1．2 試驗(yàn)方案

為了探討工藝參數(shù)對(duì)制孔軸向力的影響，選擇如表1所示工藝參數(shù)進(jìn)行制孔，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量各選取5水平，進(jìn)行了25組試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，并取平均值。

為了探討刀具磨損對(duì)制孔軸向力的影響，采用3500r/min的轉(zhuǎn)速和0．04mm/r的進(jìn)給量進(jìn)行制孔，每加工20個(gè)孔對(duì)軸向力進(jìn)行測(cè)量，并檢測(cè)此時(shí)刀具后刀面的磨損量。

表 試驗(yàn)用工藝參數(shù)選擇水平表

2 工藝參數(shù)對(duì)制孔軸向力的影響及分析

圖2為復(fù)合材料/鋁合金制孔時(shí)軸向力隨時(shí)間變化的曲線圖，該曲線圖的拐點(diǎn)較多，疊層過(guò)渡區(qū)域出現(xiàn)軸向力突增的現(xiàn)象，這可能與三尖鉆的特殊幾何形狀以及疊層制孔時(shí)的擾動(dòng)有關(guān)。

▲圖2 軸向力隨時(shí)間變化曲線

圖 3（a）～（e）為不同轉(zhuǎn)速下制孔軸向力隨進(jìn)給量的變化情況，可以看出，鋁合金的制孔軸向力大于復(fù)合材料制孔軸向力。兩種材料的制孔軸向力均隨進(jìn)給量的增大而增大，其中鋁合金的制孔軸向力隨進(jìn)給量的改變較大；復(fù)合材料的制孔軸向力改變較小。

圖 4（a）～（e）為不同進(jìn)給量下制孔軸向力隨轉(zhuǎn)速的變化情況，可以看出，與進(jìn)給量相比，轉(zhuǎn)速對(duì)制孔軸向力的影響較小。復(fù)合材料的制孔軸向力在不同轉(zhuǎn)速下的改變量非常小，可以大致認(rèn)為在選用的工藝參數(shù)范圍內(nèi)復(fù)合材料制孔軸向力不隨轉(zhuǎn)速改變。鋁合金的制孔軸向力隨著轉(zhuǎn)速的增大總體呈減小的趨勢(shì)，但變化的幅度較小。

為了定量說(shuō)明制孔軸向力隨工藝參數(shù)的變化情況，對(duì)兩種材料的制孔軸向力隨工藝參數(shù)的變化情況進(jìn)行回歸分析。過(guò)去的研究往往采用指數(shù)型的回歸模型，其實(shí)質(zhì)仍是多元線性回歸［6］，未考慮轉(zhuǎn)速和軸向力的交互作用。本文采用二次非線性回歸模型：式中：F為制孔軸向力，N；C0～C5均為常系數(shù) （C5為考慮n和f交互作用的常系數(shù)）；n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為進(jìn)給量，mm/r。

▲圖3 軸向力隨進(jìn)給量變化

▲圖4 軸向力隨轉(zhuǎn)速變化

復(fù)合材料和鋁合金的制孔軸向力分別為：兩種材料制孔軸向力回歸方程的判定系數(shù)R2分別為 0．9644 和 0．9841，均接近于 1，說(shuō)明二次回歸模型的擬合效果較理想。圖5為兩種材料回歸分析的曲面圖，可以看出，制孔軸向力隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律和試驗(yàn)得到的規(guī)律較一致，說(shuō)明回歸分析的結(jié)果較理想，該經(jīng)驗(yàn)公式能用于對(duì)制孔軸向力的預(yù)測(cè)。

3 刀具磨損對(duì)制孔軸向力的影響及分析

▲圖5 軸向力回歸分析曲面圖

▲圖6 制孔軸向力隨制孔數(shù)的變化

▲圖7 制孔軸向力隨后刀面磨損量的變化

用碳纖維復(fù)合材料制孔時(shí)，刀具磨損與軸向力相關(guān)性較大［7］，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金疊層制孔時(shí)，刀具軸向力會(huì)同時(shí)受到兩種材料的磨損特性的影響。圖6為制孔軸向力隨制孔數(shù)量的變化情況，可以看出，隨著制孔數(shù)量的增加，復(fù)合材料的制孔軸向力呈線性增長(zhǎng)；鋁合金的制孔軸向力隨著制孔數(shù)量的增加先減小后增大，最終逐漸趨于平緩。以上說(shuō)明，復(fù)合材料對(duì)該三尖形的CVD金剛石涂層鉆頭的磨損較為敏感，兩種材料制孔軸向力之比隨著制孔數(shù)的變化較大，但是在刀具到達(dá)其使用壽命前，鋁合金的制孔軸向力仍大于復(fù)合材料的制孔軸向力。

圖7為制孔軸向力隨鉆頭后刀面磨損量的變化情況，可以看出，復(fù)合材料的制孔軸向力與后刀面磨損量正相關(guān)，但是變化曲線較曲折；鋁合金的制孔軸向力隨后刀面磨損量的增加先減小后增大。因此以同種工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料/鋁合金疊層制孔時(shí)，通過(guò)復(fù)合材料制孔軸向力的值可以預(yù)測(cè)刀具的磨損情況。

4 結(jié)論

（1）進(jìn)給量對(duì)兩種材料的制孔軸向力影響較大，復(fù)合材料和鋁合金的制孔軸向力均隨著進(jìn)給量的增大而增大；轉(zhuǎn)速對(duì)制孔軸向力的影響較小，復(fù)合材料的制孔軸向力幾乎不隨轉(zhuǎn)速改變，鋁合金的制孔軸向力隨轉(zhuǎn)速的增加略有減小。

（2）對(duì)制孔軸向力進(jìn)行了二次回歸分析，結(jié)果表明，二次回歸模型能較好地?cái)M合出兩種材料的軸向力隨工藝參數(shù)的變化情況。

（3）制孔軸向力隨著制孔數(shù)和后刀面磨損量的增大會(huì)出現(xiàn)較大變化，復(fù)合材料的制孔軸向力隨著制孔數(shù)和后刀面磨損的增加而增加，復(fù)合材料的制孔軸向力與制孔數(shù)基本呈線性關(guān)系；鋁合金的制孔軸向力隨著制孔數(shù)和后刀面磨損量的增大先減小后增大。

［1］ 沈真．碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］．高科技纖維與應(yīng)用，2010（4）:1-4．

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［3］ 鮑永杰，高航．碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件加工缺陷與高效加工對(duì)策［J］．材料工程，2009（S2）:254-259．

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［6］ 劉東，陳志同，陳五一，等．碳纖維復(fù)合材料高速鉆削實(shí)驗(yàn)研究［J］．工具技術(shù)，2009（7）:10-13．

［7］ 魏良耀．碳纖維復(fù)合材料鉆削軸向力及刀具磨損的試驗(yàn)研究［D］．南京：南京理工大學(xué)， 2013．