PTFE/CFRP/鋁合金疊層材料鉆削試驗(yàn)研究*

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 王昌贏 邱坤賢 魏瑩瑩 安慶龍 陳 明

上海航天控制技術(shù)研究所 蔡曉江

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡稱CFRP)是一種以碳或石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、減振和抗疲勞性能好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，已在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于碳纖維硬度高(53-65HRC)、脆性大，而且表面較光滑使得其與樹脂的結(jié)合力較弱，故而使得CFRP具有層間強(qiáng)度低、抗沖擊能力差等缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)連接是其應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)之一，為此，通常將其與金屬材料疊加在一起組合成疊層材料進(jìn)行連接和裝配。目前，這種疊層材料主要應(yīng)用在航空航天結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。

為提高裝配精度，常將CFRP和金屬材料疊放在一起制孔，以利于實(shí)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)件鉆削和裝配的一體化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高裝配效率和經(jīng)濟(jì)效益[2]；此外，金屬層能起到對CFRP的支撐和保護(hù)作用，減小CFRP在鉆削過程產(chǎn)生的出口分層缺陷。然而，各層材料之間機(jī)械加工性能的較大差異以及CFRP本身的難加工特性使得CFRP/金屬疊層材料的鉆削加工成為了一大難點(diǎn)[3]，如制孔精度差、CFRP樹脂易燒傷、金屬層出口毛刺等問題[4]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)疊層材料的鉆削研究報(bào)道還較少，而且主要集中在切削加工性上。相對而言，對于鉆削溫度的研究則更少。于曉江等[5]通過研究CFRP/鈦合金疊層材料制孔工藝發(fā)現(xiàn)鉆削鈦合金時(shí)，軸向力明顯大于CFRP，而且從復(fù)合材料側(cè)鉆入得到的孔徑精度和孔壁質(zhì)量高于從鈦合金側(cè)鉆入。Brinksmeier等[6]對鋁合金/CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，研究表明：較高的切削速度會(huì)導(dǎo)致更大的制孔表層損傷。Zitoune等[2]通過對CFRP和鋁合金疊層材料進(jìn)行鉆削力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆削CFRP和鋁合金時(shí)的軸向力都隨著進(jìn)給量增大而增大，而鉆削速度對軸向力無明顯影響。

本文通過鉆削試驗(yàn)，研究了聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡稱PTFE)/CFRP/鋁合金疊層材料鉆削過程中鉆削力、鉆削溫度的變化特點(diǎn)，討論了切削速度和進(jìn)給量對鉆削力、鉆削溫度的影響，分析了鋁合金的切屑狀態(tài)及其對鉆削過程的影響，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工件材料

試 驗(yàn) 采 用 由PTFE、T800S/250F型CFRP和AMS4050鋁合金組成的疊層板料作為工件材料，其尺寸為300mm×200mm×24mm。其中，PTFE、CFRP和鋁合金的厚度分別為10mm、8mm和6mm，3者用螺栓緊密聯(lián)接，圖1給出了試驗(yàn)所用疊層板料的側(cè)視圖。PTFE是一種人工合成高分子材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，工作溫度可達(dá)250℃，在疊層材料中主要起對CFRP的支撐和保護(hù)作用，以減小CFRP在鉆削過程中產(chǎn)生的出口分層、毛刺或入口撕裂等缺陷。對于CFRP層合板，其碳纖維牌號(hào)為Toray-T800S，基體材料為Toray-250F環(huán)氧樹脂，共鋪48層，每層厚約0.167mm，表1給出了其組成性質(zhì)。PTFE、T800S/250F CFRP和AMS4050鋁合金的機(jī)械性能如表2所示。

圖1 PTEF、CFRP和鋁合金疊層板料Fig.1 PTFE/CFRP/aluminium stacks

表1 T800S/250F CFRP復(fù)合材料組成性質(zhì)

表2 試驗(yàn)各層材料機(jī)械性能

1.2 試驗(yàn)刀具

為適應(yīng)鉆削加工CFRP時(shí)對刀具切削刃的快速磨損，試驗(yàn)中采用了類金剛石涂層的硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行疊層材料的鉆削加工，該鉆頭經(jīng)過修磨后具有雙鋒角和雙后刀面，表3給出了鉆頭形貌及部分幾何參數(shù)。

表3 鉆頭形貌和幾何角度

1.3 試驗(yàn)布置及測試手段

鉆削試驗(yàn)在DECKEL MAHO公司的DMU70V數(shù)控加工中心進(jìn)行，其行程范圍為X軸710mm，Y軸520mm，Z軸520mm；具有五軸聯(lián)動(dòng)功能(主軸：X、Y、Z軸，工作臺(tái)：B、C軸)；主軸轉(zhuǎn)速范圍為：20～12000r/min；定位精度為0.01mm。試驗(yàn)采用關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速(n)和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(f)的單因素法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主軸轉(zhuǎn)速取3水平： 1000r/min、2000r/min和3000r/min；每轉(zhuǎn)進(jìn)給量取4 水平： 0.02mm/r、0.04mm/r、0.06mm/r、0.08mm/r。試驗(yàn)采用干式鉆削方法。

圖2給出了試驗(yàn)現(xiàn)場照片。切削力的測量使用了KISTLER9272型四向壓電式測力儀，并通過KISTLER5017B電荷放大器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)來獲得切削力數(shù)據(jù)。采用人工熱電偶法測量鉆削溫度，其方法是將標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶絲埋入鉆頭后刀面的2個(gè)內(nèi)冷孔內(nèi)，再通過存儲(chǔ)式測溫模塊獲取鉆削溫度數(shù)據(jù)，如圖3所示。鉆削完成后，采用KEYENCE VHX-500FE超景深三維顯微系統(tǒng)拍攝已加工孔出口形貌。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photo of testing field

圖3 鉆削溫度測量示意圖Fig. 3 Diagram of drilling temperature measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鉆削力

通過對不同鉆削階段的鉆削力取平均值來獲得鉆削各層材料(PTFE、CFRP和鋁合金)時(shí)的鉆削軸向力數(shù)據(jù)。圖4給出了從PTFE側(cè)鉆入時(shí)鉆削軸向力在不同的主軸轉(zhuǎn)速下隨不同材料的變化關(guān)系，進(jìn)給量f均為0.08mm/r。從圖中可以看出，在一定的主軸轉(zhuǎn)速下，鉆削PTFE、CFRP和鋁合金時(shí)的軸向力依次升高；而對同一種材料，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，鉆削軸向力逐漸升高。這是由于單位時(shí)間內(nèi)材料移除速率增大，從而導(dǎo)致切削力上升。

圖4 軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Variations of axial force with spindle speed

2.2 鉆削溫度

在CFRP的加工中，鉆削溫度是一項(xiàng)重要的狀態(tài)參量，鉆削溫度過高，可能引起樹脂燒傷、纖維脫粘等現(xiàn)象，還會(huì)使刀具磨損加快。非晶態(tài)聚合物材料根據(jù)所處溫度不同一般可劃分為3種力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間轉(zhuǎn)變稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。常溫下，環(huán)氧樹脂工作在玻璃態(tài)，而當(dāng)溫度達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(一般在200℃左右)時(shí)，其力學(xué)性能將會(huì)發(fā)生顯著變化[7]，此時(shí)樹脂將不能很好地起到黏結(jié)作用，因此，在CFRP的鉆削加工中，鉆削溫度是需要關(guān)注的重要問題，應(yīng)選擇合適的加工參數(shù)，避免鉆削溫度達(dá)到或超過樹脂的玻璃化溫度。

圖5給出了鉆削過程中最高鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的變化關(guān)系曲線，鉆削溫度數(shù)據(jù)由兩熱電偶絲測得的溫度數(shù)據(jù)取平均值得到，由于熱量的累積作用，最高鉆削溫度都出現(xiàn)在了鉆削鋁合金階段。從圖5中可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min、進(jìn)給量為0.02mm/r時(shí)，最高切削溫度最大，為247℃；在主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min和進(jìn)給量為0.06mm/r時(shí)，最高切削溫度最小，為190℃。

圖5 最高鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的變化Fig.5 Variations of maximum drilling temperature with spindle speed and feed rate

與普通金屬切削加工不同，最高鉆削溫度隨每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大反而下降。這可能是由于CFRP中高硬度的碳纖維在鉆削過程中充當(dāng)了磨粒的作用，使鉆頭快速磨損，溫度升高，而這一過程在采用低進(jìn)給量和高切削速度鉆削時(shí)將表現(xiàn)得更為明顯，因而選用較高的進(jìn)給量和較低的切削速度能夠獲得更低的鉆削溫度。

另外，最高切削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的提高都呈現(xiàn)增高的趨勢，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，單位時(shí)間內(nèi)鉆頭切削的材料體積增加，因此，產(chǎn)生更多的熱量，使鉆削溫度升高。但從1000～2000r/min比從2000～3000r/min溫升更高，甚至在進(jìn)給量為0.08mm/r時(shí)，轉(zhuǎn)速從2000r/min變?yōu)?000r/min時(shí)最高溫度出現(xiàn)了負(fù)增長。

根據(jù)鉆削的時(shí)間順序，鉆削過程可以分為PTFE、CFRP、鋁合金和鉆出鋁合金4個(gè)階段，如圖6所示。由于鉆頭主切削刃有一定長度，當(dāng)主切削刃鉆出時(shí)整個(gè)鉆削過程才算完成。

圖6 疊層材料鉆削過程示意圖Fig.6 Diagram of drilling process of stacks

圖7給出了不同鉆削順序下的溫度變化曲線，圖中，曲線A代表從PTFE側(cè)鉆入，曲線B代表從鋁合金側(cè)鉆入，A、B曲線分別對應(yīng)了時(shí)間相反的兩橫坐標(biāo)軸。從圖中可以看出，從PTFE側(cè)鉆入時(shí)，在PTFE階段，由于PTFE易于加工、摩擦系數(shù)低，溫度上升較緩慢；鉆入CFRP時(shí)，溫度開始急劇上升，這是由于CFRP強(qiáng)度和硬度高、導(dǎo)熱性差；鉆入鋁合金后，溫度達(dá)到了最大值，此時(shí)，由于鋁合金較軟，易于加工且導(dǎo)熱性好，還未鉆出鋁合金時(shí)，鉆削溫度便開始下降。與曲線A不同，從鋁合金側(cè)鉆入時(shí)，在鋁合金階段，溫度上升較快(相比PTFE，相同的溫升，所用時(shí)間更短)。在CPRF階段，溫度上升相對曲線A變化較緩(相同時(shí)間內(nèi)，曲線A溫度上升95℃，而曲線B溫度上升71℃)，一方面這是由于鉆削鋁合金時(shí)切屑為帶狀或節(jié)狀，這有利于切屑的排除，而從PTFE側(cè)鉆入時(shí)，切屑為粉末狀，這不利于切屑的排除，影響了鉆削CFRP時(shí)熱量的擴(kuò)散；另一方面鋁合金的導(dǎo)熱性較好，使得累積的鉆削熱量得以迅速擴(kuò)散為后續(xù)鉆削CFRP創(chuàng)造了有利的溫度條件。

圖7 從疊層材料不同側(cè)鉆削時(shí)溫度曲線(n=1000r/min，f=0.08mm/r)Fig.7 Temperature curves when drilling from different sides of stacks (n=1000r/min, f=0.08mm/r)

2.3 鋁合金切屑形態(tài)及其出口形貌

2.3.1 鋁合金切屑形態(tài)

切削加工中，切屑形態(tài)對加工過程具有重要影響，而斷屑性能是衡量刀具好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。通過增大切削層厚度可以提高鉆頭的斷屑性能，鉆頭直徑一定時(shí)，切削層厚度僅由進(jìn)給速度決定。表4給出了進(jìn)給量變化時(shí)的鋁合金切屑形態(tài)，可以看出，在低進(jìn)給量(f=0.02mm/r或0.04mm/r)時(shí)，不論主軸轉(zhuǎn)速如何變化(1000～3000r/min)，鉆削鋁合金都產(chǎn)生了帶狀切屑；而進(jìn)給量較高時(shí)，切屑基本呈現(xiàn)碎屑狀。

一方面，節(jié)狀切屑的產(chǎn)生將有利于疊層材料鉆削、裝配的自動(dòng)化生產(chǎn)，縮短加工時(shí)間。另一方面，在疊層材料加工中，當(dāng)先鉆削CFRP后鉆削鋁合金時(shí)，加工鋁合金產(chǎn)生的帶狀切屑沿鉆頭導(dǎo)屑槽向上排出的同時(shí)，會(huì)伴隨鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，破壞已加工的CFRP孔表面，導(dǎo)致CFRP 孔表面粗糙度上升，孔壁質(zhì)量下降[2，4，8]，而節(jié)狀切屑則更容易排出。因此，從不破壞CFRP制孔表面的角度出發(fā)，采用較大的進(jìn)給量，使鋁合金產(chǎn)生碎屑狀的切屑更有利于CFRP制孔表面質(zhì)量的提高。

表4 鉆削進(jìn)給量對鋁合金切屑形態(tài)的影響

2.3.2 鋁合金出口形貌

表5給出了鋁合金出口形貌顯微鏡照片?？梢钥闯?，在進(jìn)給量f=0.02mm/r時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，出口質(zhì)量變差，這是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣呤辜庸やX合金時(shí)的切削溫度增高，使鋁合金塑性增強(qiáng)。在主軸轉(zhuǎn)速n=3000r/min時(shí)，隨著進(jìn)給量增大，出口質(zhì)量有變好的趨勢。因此，從鋁合金出口質(zhì)量的角度出發(fā)，也應(yīng)該在選

表5 鋁合金出口形貌

擇加工參數(shù)時(shí)使主軸轉(zhuǎn)速較低、進(jìn)給量較大。

3 結(jié)束語

本文采用類金剛石涂層硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行PTFE/CFRP/鋁合金疊層材料的鉆削試驗(yàn)，研究了疊層材料鉆削過程中切削力、切削溫度的變化特點(diǎn)，分析了鋁合金切屑形態(tài)和出口形貌，得到研究結(jié)論如下：

(1)在一定的主軸轉(zhuǎn)速下，鉆削PTFE、CFRP和鋁合金時(shí)的軸向力依次升高；而對同一種材料，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，鉆削力逐漸增大。

(2)最高鉆削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，但隨進(jìn)給量的增大反而下降；相同參數(shù)下，從鋁合金側(cè)鉆入能獲得更低的鉆削溫度。

(3)采用較大的進(jìn)給量有利于鋁合金形成碎屑狀切屑，避免帶狀切屑劃傷已加工CFRP表面，而主軸轉(zhuǎn)速對切屑形態(tài)影響不大；

(4)采用較低主軸轉(zhuǎn)速和較大的進(jìn)給量可獲得更好的鋁合金出口表面質(zhì)量。

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