碳纖維增強復合材料銑削和鉆孔技術(shù)研究進展*

單晨偉， 呂曉波

（西北工業(yè)大學現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072）

碳纖維增強復合材料性能及應用

碳纖維增強復合材料是目前最先進的復合材料之一，與金屬材料相比，它具有比強度和比模量高、耐高溫、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)良特點。目前在航空航天領(lǐng)域應用較為廣泛的碳纖維增強復合材料主要有碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）、碳/碳復合材料（Carbon-Carbon Composites，簡稱C/C復合材料）等。圖1（a）為疊層CFRP，圖1（b）為準三維編織C/C復合材料。

圖1 碳纖維增強復合材料Fig.1 Carbon fiber reinforced composites

CFRP設(shè)計自由度大，成型容易，多用于制作結(jié)構(gòu)件，有專家預測未來航空航天飛行器中將有50%以上的結(jié)構(gòu)件由CFRP制造[1]，而目前據(jù)公開資料顯示，波音787的復合材料使用率已經(jīng)達到了50%。CFRP是由碳纖維增強體以及樹脂基體兩種材料復合而成，其中基體較軟且粘性大，碳纖維強度高且硬度大。目前CFRP多為層合板形式，層間剪切強度低，因此在加工時容易出現(xiàn)刀具磨損嚴重、加工表面質(zhì)量差（易產(chǎn)生撕裂、毛刺、表面粗糙度差等加工缺陷）、工藝參數(shù)難控制等難題。

C/C復合材料以其耐高溫、抗燒蝕、重量輕、耐磨損以及抗腐蝕等優(yōu)良特性，主要作為高溫結(jié)構(gòu)件，廣泛應用于固體火箭尾噴管、飛機剎車片、導彈天線罩等航空航天領(lǐng)域[2]。C/C復合材料多為編織結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)胎層與碳布層之間用針刺纖維結(jié)合在一起以增強材料的層間強度。C/C復合材料具有比剛度高、脆性大、各向異性明顯等特點，也是一種典型的難加工材料，其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。因為有縱向針刺纖維的存在，C/C復合材料在切削加工中減少了分層的產(chǎn)生，但仍然容易出現(xiàn)撕裂、毛刺等缺陷，刀具磨損也快；同時，由于碳基體的存在，加工中會產(chǎn)生大量的粉末和粉塵，有可能進入機床主軸、導軌或附著在刀具上，對機床以及已加工表面產(chǎn)生損害。

圖2 C/C復合材料細觀組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of C/C composites

碳纖維增強復合材料銑削加工技術(shù)

1 銑削加工試驗研究

碳纖維增強復合材料銑削加工表面質(zhì)量的好壞直接影響工件的耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞能力以及零件的裝配精度。影響CFRP加工表面質(zhì)量的因素主要有工件材料纖維方向角、加工參數(shù)和刀具材料等。

（1）纖維方向角。

纖維方向角對層合板形式的CFRP銑削加工質(zhì)量有重要的影響，研究發(fā)現(xiàn)纖維方向角在0～45°之間，表面質(zhì)量較好，其中45°時最優(yōu)，超過45°表面質(zhì)量較差[3-4]。蘇飛等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)在銑削CFRP時，纖維層方向與切削方向夾角在90°～180°之間時容易產(chǎn)生毛刺缺陷。因此，在加工層合板形式的CFRP時，應盡量使切削方向順著纖維鋪層方向，避免逆切現(xiàn)象，以此獲得良好的銑削加工表面質(zhì)量并降低刀具磨損。

（2）加工參數(shù)和刀具材料。

CFRP銑削加工表面質(zhì)量的主要影響因素除了纖維方向角外還有工藝參數(shù)和刀具材料。加工參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律為：一般隨著進給速度增大而增大，隨著切削速度增大而減小，隨著切削深度的增加而降低[4,6]。使用硬質(zhì)合金刀具時切削速度不宜過大，速度太大易產(chǎn)生大量的切削熱，加速刀具磨損，一般切削速度選擇為40～80m/min，每齒進給量應小于0.04mm/z(齒)比較合理[7]。龔佑宏等[3]通過立銑刀銑削表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP時發(fā)現(xiàn)，當每齒進給量大于0.033mm/z時，材料極易出現(xiàn)毛刺和撕裂，而每齒進給量低于0.033mm/z時，材料基本無毛刺與撕裂。使用金剛石涂層刀具可以適當提高切削速度及進給速度，提高加工質(zhì)量的同時也能提高加工效率。韓勝超[8]總結(jié)了直徑10mm金剛石涂層銑刀側(cè)銑CFRP時的切削參數(shù)優(yōu)選范圍：n=5000r/min，每齒進給量應小于0.03mm/z。

由此可見，如何選擇合理的加工參數(shù)對提高加工表面質(zhì)量尤為重要，需要研究人員通過大量試驗總結(jié)適用于不同條件下的工藝參數(shù)。

碳纖維增強復合材料切削過程多為干切削，無法像金屬切削過程中使用切削液進行冷卻，因此銑削中產(chǎn)生的大量切削熱無法擴散，使得刀具磨損嚴重，一些學者不斷嘗試在氣冷切削條件下進行切削試驗，可有效降低刀具磨損并提高加工質(zhì)量[9-10]。

同樣，加工參數(shù)和刀具材料也是影響C/C復合材料加工表面質(zhì)量的主要因素。因為C/C復合材料是通過編制預制體制備的，且很多結(jié)構(gòu)件需要從多個方向進行加工，所以在加工時無法選擇與纖維方向有關(guān)的切削方法。作者通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用硬質(zhì)合金刀具加工C/C復合材料時，切削速度范圍在40～60m/min，進給量為0.05～0.2mm/z，切削深度為0.5～1mm時比較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)正常切削[11-12]；當切削深度達到2mm時，切削困難，且刀具磨損很快，短時間內(nèi)就會出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象；如果加工參數(shù)和走刀方向不合適，加工C/C復合材料時容易在棱邊處和尖角處發(fā)生崩碎脫落現(xiàn)象，如圖3所示。一個比較好的解決辦法是盡量采用順銑，并先加工邊緣，然后再加工其他部位，但是這必然要大大增加數(shù)控編程人員的工作量，使用現(xiàn)有的數(shù)控編程軟件無法自動完成，需要很多輔助操作。因此，開發(fā)出適用于復合材料加工的編程軟件也是值得考慮的一個研究方向。

圖3 C/C復合材加工時的棱邊崩碎現(xiàn)象Fig.3 Edge collapse phenomenon in processing of C/C composites

2 銑削刀具研究

因碳纖維增強復合材料切削加工時無法進行切削液冷卻，所以導致切削區(qū)溫度高，直接影響刀具的壽命和工件的加工精度及表面質(zhì)量。因此在加工碳纖維增強復合材料時，刀具材料不但要有硬度高、耐磨性強和低摩擦系數(shù)等特性，而且刃口需要鋒利以便在切削過程中能快速切斷纖維，減少毛刺、分層和崩邊等加工缺陷的產(chǎn)生。

目前，碳纖維增強復合材料銑削刀具多為硬質(zhì)合金，涂層多為低壓化學氣相沉積（CVD）金剛石涂層、聚晶金剛石（PCD）涂層和立方氮化硼（CBN）涂層等超硬材料。為了能夠獲得更好的加工質(zhì)量，一些研究人員發(fā)明了適用于碳纖維增強復合材料銑削的專用刀具，如左右旋交錯多齒銑刀（鯊魚齒、魚鱗齒或菱齒等）等特殊刀具[13-15]，圖4所示為SECO公司的鯊魚齒銑刀。L ó pez等[14]采用自己設(shè)計的左右旋交錯多齒銑刀進行了CFRP加工試驗，試驗結(jié)果表明4μ m是比較良好的涂層厚度；但因價格太高，PCD涂層刀具達不到理想的經(jīng)濟性要求。鄢國洪[15]選用不同涂層的硬質(zhì)合金菱齒銑刀銑削CFRP，通過對比得出金剛石涂層刀具具有更高的硬度和耐磨性，使用壽命是未涂層銑刀的15倍，是TiAlCrN/TiSiN涂層的6倍。葉銜真等[16]通過試驗發(fā)現(xiàn)在銑削碳纖維增強復合材料時，未涂層硬質(zhì)合金銑刀的磨損量是CVD金剛石薄膜涂層硬質(zhì)合金銑刀的2.3～3.8倍，并認為選擇大于刃寬的背吃刀量、與刀具材料特性相匹配的合理進給量和切削速度可減少刀具后刀面磨損并可提高加工效率。

圖4 SECO公司的鯊魚齒銑刀Fig.4 Shark tooth milling cutter of SECO company

由此可見，盡管不同的研究人員得出的結(jié)論略有差異，但金剛石涂層刀具在耐磨性方面要優(yōu)于其他涂層材料或不加涂層材料的刀具，但從加工成本的經(jīng)濟性方面考慮，金剛石刀具不一定是最佳選擇。在加工CFRP時，左右旋交錯多齒銑刀得到了研究人員的推薦，有利于減小毛刺、分層、撕裂等缺陷，被認為是一種加工CFRP最好的刀具。

3 銑削力研究

建立準確可靠的銑削力模型可以有效地預測銑削力，以便選取適當?shù)那邢鲄?shù)，從而可以有效地控制銑削碳纖維增強復合材料的加工質(zhì)量。為了預測碳纖維增強復合材料銑削力，研究人員主要采用了經(jīng)驗建模法、解析法和有限元法。

（1）經(jīng)驗建模法[11-12,17]。

該方法主要基于試驗數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗模型。這種方法雖然具有一定的實用價值，但需要做大量的試驗，一旦切削條件發(fā)生改變，經(jīng)驗公式可能就不再適用，必須重新進行試驗。徐宏海等[17]利用多元線性回歸方法建立了CFRP高速銑銑削力經(jīng)驗公式，并通過方差檢驗表明銑削力經(jīng)驗公式可靠性較好。作者團隊[11-12]進行了大量球頭刀銑削C/C復合材料試驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分別建立了較大切深與較小切深條件下的銑削力經(jīng)驗公式，誤差約在10%以內(nèi)。

（2）解析法[18-22]。

該方法通過對發(fā)生在銑削過程中的物理機理進行建模，以此來對銑削力進行預測。但是建模過程中的種種假設(shè)，難以保證模型的精度。張厚江[22]在研究單向碳纖維增強復合材料切削時，把切削區(qū)域分為3個變形區(qū)，分別建立了這3個變形區(qū)的切削力模型，綜合計算出了二維直角切削單向CFRP時總的切削力模型。Karpat等[19]基于銑削金屬力學模型建立了銑削單向CFRP層合板的銑削力模型，與金屬力學模型不同的是其徑向和切向的切削力系數(shù)表達為關(guān)于纖維切削角正弦函數(shù)的公式；通過試驗驗證得知此模型試驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)具有很好的一致性，預測誤差大致為±12.5%。作者團隊[21]建立了球頭刀銑削2.5D C/C復合材料銑削力解析模型，基于試驗數(shù)據(jù)采用線性回歸方法計算出了銑削力系數(shù)，理論與試驗結(jié)果誤差不超過10%。盡管該方法需要試驗數(shù)據(jù)，但可有效預測銑削C/C復合材料銑削力。

（3）有限元法[23-25]。

用有限元法在計算機上對碳纖維增強復合材料的銑削加工過程進行模擬研究，避免了對復合材料多次切削加工試驗以及購買特殊刀具等帶來的高昂成本。Mahdi等[23]建立了CFRP正交切削有限元模型，考慮了CFRP材料的各向異性，提出了平面應變狀態(tài)下均質(zhì)各向異性彈性材料的本構(gòu)模型，并建立了切削過程中的接觸模型，通過試驗驗證了模型的合理性。秦旭達等[25]基于Hashin失效準則，建立了碳纖維增強復合材料單向碳纖維鋪層二維正交切削宏觀模型，研究不同鋪層方向下纖維和基體的破壞機理，并通過平面銑削試驗驗證了模型的合理性。

目前對于碳纖維增強復合材料的有限元仿真還處在起步階段，大多集中在二維正交切削和鉆削方面，三維銑削有限元仿真的研究較少，特別是C/C復合材料的有限元銑削仿真更是鮮有報道。銑削加工有限元仿真要實現(xiàn)工程應用，仍需在材料模型與幾何模型的構(gòu)建、切屑分離準則的確定和刀-屑接觸的定義等關(guān)鍵技術(shù)方面進行大量研究。

碳纖維增強復合材料傳統(tǒng)鉆孔加工技術(shù)

1 鉆削試驗研究

碳纖維增強復合材料鉆削過程中，鉆削工藝參數(shù)會直接影響制孔質(zhì)量，鉆削參數(shù)不合理時很容易出現(xiàn)出入口分層、撕裂和毛刺等缺陷，而且難以控制[26]。眾多研究表明，在高轉(zhuǎn)速、低進給的條件下可提高鉆孔質(zhì)量[27-29]。但轉(zhuǎn)速不宜過高，因切削溫度隨轉(zhuǎn)速的增加也在增加，這會使得刀具磨損加快，并且對機床剛度要求也高[30]。

張厚江等[31]通過高速鉆削CFRP試驗研究認為，切削速度、進給速度之比范圍3000～4000是對鉆削力產(chǎn)生影響的門檻值，并通過分析CFRP鉆削加工過程中分層和撕裂缺陷產(chǎn)生的機理，提出了相應的解決辦法，該研究成果為提高碳纖維增強復合材料鉆孔質(zhì)量的研究提供了理論參考。另外，很多研究人員[29,32-33]根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了缺陷因子與軸向力以及鉆削參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，以便能更好地控制工藝參數(shù)，減少缺陷產(chǎn)生。Krishnaraj等[33]根據(jù)試驗數(shù)據(jù)運用遺傳算法優(yōu)化高速鉆削CFRP工藝參數(shù)，建立了撕裂、分層缺陷因子與軸向力、進給速度的經(jīng)驗模型，試驗誤差在10%以內(nèi)。

C/C復合材料多為編織結(jié)構(gòu)，層間強度比較高，因此鉆削C/C復合材料時減少了分層缺陷的產(chǎn)生，但毛刺與撕裂缺陷仍然比較嚴重，如圖5所示。作者對C/C復合材料鉆削形成過程進行了分析，運用材料力學理論建立了C/C復合材料的鉆孔受力模型，對鉆削出口層受力變形進行計算，并結(jié)合材料的結(jié)構(gòu)特點分析了撕裂、毛刺和分層缺陷產(chǎn)生的原因，提出了鉆孔缺陷因子的計算方法；作者根據(jù)鉆削參數(shù)對鉆孔缺陷因子的影響關(guān)系選擇了保證鉆削質(zhì)量和效率的最佳切削參數(shù)選擇區(qū)域：進給速度80～100mm/min、切削速度56.55～75.4m/min[34]。

圖5 C/C復合材料鉆孔出口缺陷Fig.5 Outlet defects of C/C composite drilling

通過試驗方法研究總結(jié)提高鉆孔質(zhì)量的鉆削工藝參數(shù)范圍，建立合理的鉆孔缺陷因子與工藝參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，對復合材料加工不但具有一定的指導意義，還具有較高的可靠性。此外，鉆削碳纖維復合材料時，可在工件底部加一支撐墊板，如塑料板或鋁板，可以減少分層、撕裂和毛刺的產(chǎn)生。若底部缺少支撐，由于材料層間強度低，在軸向力的推擠作用下，出口層材料不能抵抗缺陷的產(chǎn)生和擴散；若加上支撐墊板，則可降低缺陷的產(chǎn)生。

2 鉆削刀具研究

為提高鉆孔表面質(zhì)量和刀具壽命，研究人員針對無涂層、金剛石涂層和AlTiN涂層進行了試驗研究，結(jié)果表明金剛石涂層刀具耐磨性最好，一支刀具最多可以加工180個孔，還能減少分層，而AlTiN涂層效果不明顯，與無涂層刀具的壽命相當[35-36]。而Zitoune等[37]采用納米復合材料涂層nc-CrAlN/a-Si3N4與無涂層的刀具進行了CFRP/Al疊層構(gòu)件鉆削試驗，結(jié)果表明涂層鉆頭加工質(zhì)量要明顯好于無涂層刀具，其中孔壁表面粗糙度可降低30%左右，軸向力可減少27%左右。鮑永杰等[38]通過鉆削CFRP試驗發(fā)現(xiàn)，與硬質(zhì)合金鉆頭相比，電鍍CBN鉆頭、螺旋面鉆頭以及PCD鉆頭可以獲得更理想的鉆孔質(zhì)量，孔出口無毛刺、孔形完整。如圖6所示為SANDVIK（山特維克）公司針對CFRP復合材料鉆孔的燒結(jié)PCD復合刀具。此外，為了提高刀具的硬度和耐磨性，除了在普通鉆頭表面增加涂層，提高耐磨性和刀具壽命，有些研究人員還開發(fā)了適用于碳纖維增強復合材料鉆孔的專用刀具，例如“以磨代鉆”的套料鉆、W形鉆頭、階梯鉆等新的鉆孔刀具和方法[27, 39]。

賀虎等[40]通過CFRP材料的鉆孔試驗發(fā)現(xiàn)，與硬質(zhì)合金鉆頭相比，如圖7所示的釬焊金剛石套料鉆具有更高的加工效率和更強的耐磨性。楊小璠等[41]采用“先切后推”的新型鉆削工藝，在加工CFRP時，采用W形狀的鉆頭可以將已剪切完的柱狀纖維板完整推出，副切削刃對已形成的孔具有修正作用，且能將毛刺切斷，從而減少缺陷的產(chǎn)生。Tsao[42]通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用鉆磨一體套料階梯鉆在高直徑比（0.7mm/mm）、低進給速度以及高轉(zhuǎn)速的切削條件下鉆削CFRP能得到更好的效果，并給出了此類鉆頭切削時軸向力與切削參數(shù)的半經(jīng)驗公式。

圖6 SANDVIK公司的燒結(jié)PCD復合刀具Fig.6 Sintered PCD composite tool of SANDVIK corporation

圖7 釬焊金剛石套料鉆Fig.7 Brazing diamond drill

由此可見，采用PCD刀具、優(yōu)化和改進鉆削刀具幾何參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)，采用“以磨代鉆工藝”，不僅可有效提高鉆孔質(zhì)量，而且可增強刀具的耐磨性，提高刀具耐用度。

3 鉆削力研究

鉆削軸向力是影響制孔缺陷的主要因素，研究發(fā)現(xiàn)軸向力是導致CFRP分層的主要因素，與分層因子呈線性關(guān)系，軸向力越大分層缺陷越嚴重。通過建立合理的軸向力預測模型，降低鉆孔缺陷是眾多學者的研究熱點問題。與銑削力建模方法相似，鉆削力建模主要有經(jīng)驗建模法、解析法、有限元方法。

（1）經(jīng)驗建模法[43-44]。

Langella等[43]在直角切削假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了考慮刀具幾何參數(shù)、只含有兩個半經(jīng)驗系數(shù)的鉆削力半經(jīng)驗公式，試驗結(jié)果與模型預測值誤差不超過8%。作者團隊[44]采用刀具直徑6mm的硬質(zhì)合金鉆頭進行了準三維編織C/C復合材料的鉆孔試驗，建立了主軸轉(zhuǎn)速3000～6000r/min和進給速度30～120mm/min范圍內(nèi)的軸向力預測經(jīng)驗模型，采用同類型其他直徑鉆頭驗證發(fā)現(xiàn)其預測誤差在20%以內(nèi)。

（2）解析法[45-48]。

Zhang等[45]在線彈性斷裂力學、經(jīng)典薄板彎曲理論以及復合材料力學的基礎(chǔ)上，建立了預測鉆削單向或多向CFRP分層的臨界軸向力模型，理論預測結(jié)果與試驗結(jié)果具有良好的一致性。任書楠等[48]完善并應用多層復合材料切削模型，建立了鉆削CFRP時主切削刃的宏觀軸向力與切削用量的關(guān)系模型，但此模型未考慮橫刃產(chǎn)生的軸向力作用。

（3）有限元方法[49-51]。

鉆削仿真是研究刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)對復合材料加工質(zhì)量和刀具磨損影響的一種有效方法。國內(nèi)外很多研究者對鉆削加工過程進行了有限元分析研究。Usui等[50]建立了鉆削CFRP的有限元模型，提出了CFRP正交切削過程中的失效形式與損傷類型，該模型可預測鉆削過程中的扭矩與鉆削力，試驗結(jié)果驗證了其模型的準確性。Feito等[51]通過有限元方法模擬了鉆削CFRP時不同鉆頭結(jié)構(gòu)對軸向力和制孔分層損傷的影響及刀具磨損情況，軸向力和分層損傷的預測結(jié)果誤差分別在11.3%和3.5%之內(nèi)。

目前針對復合材料鉆削加工的仿真多集中在復合材料層合板（如CFRP）上，對于三維編織結(jié)構(gòu)或針刺2.5D結(jié)構(gòu)的C/C復合材料切削仿真還未見到有關(guān)論文發(fā)表。在復合材料鉆削損傷研究方面，目前對于毛刺、撕裂和分層等各種損傷形式相互之間的聯(lián)系和形成機理還有待深入研究。這些損傷形式除了與刀具材料、刀具幾何形狀、材料構(gòu)造形式以及工藝參數(shù)有關(guān)，還與反映系統(tǒng)加工動態(tài)特性的軸向力和扭矩有關(guān)。

經(jīng)驗建模法雖然具有一定的實用價值，但需要做大量的試驗，一旦切削條件發(fā)生改變，經(jīng)驗公式可能就不再適用，必須重新進行試驗；解析方法由于建模過程假設(shè)太多，難以保證模型的精度；有限元方法計算過程復雜而且時間長，目前建立的模型可靠性仍然不夠高；因此，如何建立準確可靠的鉆削力模型，還需要學者們不斷深入的研究。

碳纖維增強復合材料非傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)

1 超聲振動鉆孔技術(shù)

超聲振動加工技術(shù)是一種周期性的脈沖切削而非連續(xù)性切削，是結(jié)合超聲波加工技術(shù)與機械加工技術(shù)于一體的新型切削技術(shù)[52]。超聲輔助鉆孔技術(shù)是在傳統(tǒng)鉆削機床的加工運動基礎(chǔ)上，在旋轉(zhuǎn)的鉆削工具上施加超聲振動，實現(xiàn)超聲輔助鉆削。

Cong等[53-54]采用金剛石套料鉆頭進行了CFRP的超聲輔助鉆孔試驗研究，結(jié)果表明采用超聲鉆孔技術(shù)能明顯降低鉆削力和表面粗糙度，減少CFRP的分層和毛刺等缺陷，并能提高刀具壽命，且發(fā)現(xiàn)采用氣冷的方式能取得更好的加工效果；之后Cong等還建立了金剛石套料鉆的超聲鉆削CFRP切削力模型。Liu等[55]通過CFRP的超聲橢圓鉆削與普通鉆削的對比試驗發(fā)現(xiàn)，超聲輔助鉆削能有效減少鉆孔出口處的分層和撕裂現(xiàn)象，提高加工質(zhì)量，并能減少刀具磨損。

Yuan等[56]在硬脆材料去除機理的基礎(chǔ)上，建立了超聲鉆削CFRP-T700的切削力模型，誤差在10%以內(nèi)；并發(fā)現(xiàn)采用高轉(zhuǎn)速、高進給速度方式進行CFRP-T700材料的超聲鉆削時，不僅可有效降低切削力，還可以提高加工效率。

由于超聲振動鉆孔技術(shù)是斷續(xù)切削，與傳統(tǒng)鉆孔加工方法相比，超聲振動鉆孔技術(shù)排屑及時，可以有效降低切削力和切削溫度，減少對工件表面的損傷，并能明顯改善加工質(zhì)量以及提高刀具耐用度。

2 螺旋銑孔技術(shù)

螺旋銑孔是一種新的孔加工技術(shù)，加工時刀具自轉(zhuǎn)的同時繞孔中心軸線做公轉(zhuǎn)運動并沿軸向進給，刀具中心的運動軌跡是一條螺旋線。與傳統(tǒng)鉆孔方式相比，該技術(shù)具有很多優(yōu)勢，如可以降低切削力，能夠及時散熱和排屑，并能實現(xiàn)一把刀具加工不同直徑的孔，能夠充分利用刀具并降低生產(chǎn)成本[57]。

復合材料螺旋銑孔的研究尚處于起步階段，近年來許多學者對碳纖維增強復合材料螺旋銑孔進行了大量的研究。朱春燕等[58]通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔切削力能降低一半左右，鉆孔質(zhì)量更高，而且效率高，加工時間能縮短50%。為優(yōu)化螺旋銑孔的切削力，Wang等[59-60]建立了考慮纖維方向角的切削力機械模型，并用響應曲面方法計算了切削力系數(shù)，試驗結(jié)果與理論仿真結(jié)果誤差最大在15%左右。He等[61]采用螺旋銑孔方法加工CFRP和鈦合金疊層材料時，在CFRP層與鈦合金層分別給出了適用各自材料屬性的切削參數(shù)，結(jié)果表明采用變工藝參數(shù)不僅能降低切削力，還能提高制孔精度及制孔質(zhì)量。Shan等[62]提出了一種大螺距螺旋銑孔工藝，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，大螺距銑孔軸向力遠小于普通鉆孔軸向力，而且加工精度與孔壁質(zhì)量均好于普通鉆孔；通過建立的大螺距螺旋銑孔銑削力預測模型，優(yōu)化了切削工藝參數(shù)，降低了切削力，提高了制孔質(zhì)量。

螺旋銑孔在大直徑的孔加工中具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，容易實現(xiàn)，而且可降低軸向力，獲得了良好的孔加工質(zhì)量，并能提高加工效率。但是對于小直徑孔的加工非常困難，因刀具直徑過小容易導致刀具斷裂。

結(jié)束語

CFRP和C/C復合材料是航空航天領(lǐng)域常用的兩種碳纖維增強復合材料，其加工質(zhì)量的好壞直接影響著航空器和航天器的飛行安全。為提高碳纖維增強復合材料的加工質(zhì)量，國內(nèi)外很多學者開展了大量有價值的研究工作。

（1）切削加工參數(shù)直接影響碳纖維增強復合材料的切削力及加工質(zhì)量，無論是鉆削還是銑削，切削速度和進給速度影響較大。研究發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的加工參數(shù)范圍能明顯提高加工質(zhì)量。

（2）通過建立準確、可靠的切削力模型可以有效地控制和預測切削力，從而可為減少加工缺陷提供理論支持。盡管目前已經(jīng)有研究人員初步建立了CFRP和C/C復合材料的切削力模型，但尚不成熟，且無法在企業(yè)中推廣應用。因此，建立準確可靠的碳纖維增強復合材料切削力模型是今后科研人員努力的方向。

（3）鑒于碳纖維增強復合材料的各向異性、高硬度等特點，在選用刀具時需以耐磨性強、切削刃鋒利為原則；基于“以磨代鉆”理念設(shè)計更適合碳纖維增強復合材料的切削刀具也是以后發(fā)展的重要方向。

（4）超聲振動、螺旋銑孔等新型鉆孔方法具有顯著降低切削力、及時分散切削熱、減少刀具磨損以及提高表面加工質(zhì)量等優(yōu)點，有助于減少碳纖維增強復合材料鉆孔中的毛刺、分層和撕裂等缺陷。目前已有國內(nèi)航空企業(yè)開展了這方面的應用，且收到了良好的效果。

[1]SOUTIS C.Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction[J].Materials Science and Engineering： A, 2005, 412(1)： 171-176.

[2]SAVAGE E.Carbon-carbon composites[M].Berlin： Springer Science &Business Media, 2012： 323-357.

[3]龔佑宏，韓舒，楊霓虹, 等.纖維方向?qū)μ祭w維復合材料加工性能的影響[J].航空制造技術(shù)，2013(23/24)： 137-140.

GONG Youhong, HAN Shu,Yang Nihong,et al.Effect of fiber orientation on machining performance of carbon fiber-reinforced plastics[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2013(23/24)： 137-140.

[4]YASHIRO T, OGAWA T, SASAHARA H.Temperature measurement of cutting tool and machined surface layer in milling of CFRP[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 70(4)： 63-69.

[5]蘇飛，袁軍堂，于斌斌，等.碳纖維增強復合材料的銑削實驗和微觀形貌分析[J].兵工學報 , 2014, 35(4)： 531-539.

SU Fei, YUAN Juntang, YU Binbin, et al.Research on milling of plain-woven fiberreinforced composites[J].Acta Armamentarii,2014, 35(4)： 531-539.

[6]DAVIM J, REIS P.Damage and dimensional precision on milling carbon fiberreinforced plastics using design experiments[J].Journal of Materials Processing Technology, 2005,160(2)： 160-167.

[7]UCAR M, WANG Y.End-milling machinability of a carbon fiber reinforced laminated composite[J].Journal of Advanced Materials, 2005, 37(4)： 46-52.

[8]韓勝超.CFRP 側(cè)銑加工工藝研究[D].南京：南京航空航天大學, 2014.

HAN Shengchao.Research on side milling process of CFRP[D].Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014.

[9]KHAIRUSSALEH N K M, HARON C H C, GHANI J A, et al.Study on wear mechanism of solid carbide cutting tool in milling CFRP[J/OL].Journal of Materials Research, 2016.http：//dx.doi.org/10.1557/jmr.2016.21.

[10]CONG W L, FENG Q, PEI Z J, et al.Rotary ultrasonic machining of carbon fiberreinforced plastic composites： using cutting fluid vs.cold air as coolant[J].Journal of Composite Materials, 2012, 46(14)： 1745-1753.

[11]SHAN C W, LIN X, CUI D, et al.Experimental study on end milling of C/C composite[J].Advanced Materials Research,2013, 664： 584-589.

[12]SHAN C W, ZHAO Y, CUI D.Experimental study on ball-end milling of C/C composite[J].Advanced Materials Research,2013, 650： 139-144.

[13]唐臣升.復合材料高效加工刀具技術(shù)[J].航空制造技術(shù), 2013(6)： 47-51.

TANG Chensheng.High-efficiency cutting tool technology for composites[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(6)： 47-51.

[14]LóPEZ DE LACALLE N, LAMIKIZ A, CAMPA F J, et al.Design and test of a multitooth tool for CFRP milling[J].Journal of Composite Materials, 2009, 43(26)： 3275-3290.

[15]鄢國洪.不同涂層的硬質(zhì)合金菱齒立銑刀銑削 CFRP 的性能研究[J].工具技術(shù),2015, 49(10)： 32-35.

YAN Guohong.Research on performance of milling carbon fiber-reinforced plastics with different coated fine-cross-nick router[J].Tool Engineering, 2015, 49(10)： 32-35.

[16]葉銜真, 王大鎮(zhèn), 劉菊東, 等.銑削碳纖維復合材料刀具磨損試驗研究[J].機電技術(shù) , 2014(3)： 75-77.

YE Xianzhen, WANG Dazhen, LIU Judong,et al.Research on the tool wear in milling of carbon fiber-reinforced plastics[J].Mechanical &Electrical Technology, 2014(3)： 75-77.

[17]徐宏海, 徐倩, 劉東.碳纖維復合材料高速銑削實驗研究[J].機械設(shè)計與制造,2009(12)： 167-169.

XU Honghai, XU Qian, LIU Dong.Experimental study on the high speed milling of carbon fiber reinforced polymer[J].Machinery Design & Manufacture, 2009(12)： 167-169.

[18]KALLA D, SHEIKH-AHMAD J,TWOMEY J.Prediction of cutting forces in helical end milling fiber reinforced polymers[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2010, 50(10)： 882-891.

[19]KARPAT Y, BAHTIYAR O, DE?ER B.Mechanistic force modeling for milling of unidirectional carbon fiber reinforced polymer laminates[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 56(2) ：79-93.

[20]韓勝超, 陳燕, 徐九華, 等.多齒銑刀側(cè)銑加工多層CFRP銑削力的建模與仿真 [J].復合材料學報 , 2014, 31(5)： 1375-1381.

HAN Shengchao, CHEN Yan, XU Jiuhua,et al.Modeling and simulation of milling forces in side milling multi-layer CFRP with multitooth cutter[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2014,31(5)： 1375-1381.

[21]SHAN C W, WANG X, YANG X X, et al.Prediction of cutting forces in ballend milling of 2.5D C/C composites[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2016, 29(3)：824-830

[22]張厚江.單向碳纖維復合材料直角自由切削力的研究[J].航空學報, 2005, 26(5)：604-609.

ZHANG Houjiang.Study on cutting forces of undirectional carbon fiber reinforced plastics under orthogonal cutting[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2005, 26(5)： 604-609.

[23]MAHDI M, ZHANG L.A finite element model for the orthogonal cutting of fiberreinforced composite materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113(1)：373-377.

[24]路冬, 李志凱, 融亦鳴, 等.基于宏觀各向異性碳纖維增強樹脂基復合材料的切削仿真[J].復合材料學報, 2014, 31(3)： 584-590.

LU Dong, LI Zhikai, RONG Yiming, et al.Cutting simulation of carbon fiber reinforced resin matrix composite material based on macrocopic anisotropy[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2014, 31(3)： 584-590.

[25]秦旭達, 李永行, 王斌, 等.CFRP纖維方向?qū)η邢鬟^程影響規(guī)律的仿真研究[J].機械科學與技術(shù), 2016, 35(3)： 472-476.

QIN Xuda, LI Yonghang, WANG Bin, et al.Simulation of effect of fiber direction on cutting forces of CFRP[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2016,35(3)： 472-476.

[26]RAHME P, LANDON Y, LACHAUD F, et al.Delamination-free drilling of thick composite materials[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing, 2015,72：148-159.

[27]DAVIM J, REIS P.Drilling carbon fiber reinforced plastics manufactured by autoclave—experimental and statistical study[J].Materials & Design, 2003, 24(5)： 315-324.

[28]SARDINAS R, SANTANA M,BRINDIS E.Genetic algorithm-based multiobjective optimization of cutting parameters in turning processes[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2006, 19(2)： 127-133.

[29]GAITONDE V, KARNIK S, RUBIO J, et al.Analysis of parametric influence on delamination in high-speed drilling of carbon fiber reinforced plastic composites[J].Journal of Materials Processing Technology, 2008, 203(1)：431-438.

[30]于曉江, 曹增強, 蔣紅宇, 等.碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)鉆削工藝[J].航空制造技術(shù) , 2010(15)： 66-70.

YU Xiaojiang, CAO Zengqiang, JIANG Hongyu, et al.Drilling process for carbon fiber reinforced plastics structure[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(15)： 66-70.

[31]張厚江, 樊銳, 陳五一, 等.高速鉆削碳纖維復合材料鉆削力的研究[J].航空制造技術(shù) , 2006(12)： 76-79.

ZHANG Houjiang, FAN Rui, CHEN Wuyi,et al.Investigation of cutting force for high speed drilling carbon fiber composite[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2006(12)： 76-79.

[32]SHAHRAJABIAN H, FARAHNAKIAN M.Modeling and multi-constrained optimization in drilling process of carbon fiber reinforced epoxy composite[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2013,14(10)： 1829-1837.

[33]KRISHNARAJ V, PRABUKARTHI A, RAMANATHAN A, et al.Optimization of machining parameters at high speed drilling of carbon fiber reinforced plastic (CFRP)laminates[J].Composites Part B： Engineering,2012, 43(4)： 1791-1799.

[34]SHAN C, LIN X, WANG X, et al.Defect analysis in drilling needle-punched carbon-carbon composites perpendicular to nonwoven fabrics[J].Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(8)： 1-11.

[35]WANG X, KWON P Y, STURTEVANT C, et al.Tool wear of coated drills in drilling CFRP[J].Journal of Manufacturing Processes,2013, 15(1)： 127-135.

[36]劉姿, 張霖, 田威, 等.三尖鉆鉆削CFRP/Al疊層構(gòu)件的表面質(zhì)量研究[J].機械制造 , 2015, 53(4)： 36-39.

LIU Zi, ZHANG Lin, TIAN Wei, et al.Experimental study on the drilling process for CFRP/Al laminated material by 3-point twist drill with diamond coating[J].Machinery, 2015, 53(4)：36-39.

[37]ZITOUNE R, KRISHNARAJ V, ALMABOUACIF B S, et al.Influence of machining parameters and new nano-coated tool on drilling performance of CFRP/Aluminium sandwich[J].Composites Part B： Engineering,2012, 43(3)： 1480-1488.

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

BAO Yongjie, GAO Hang.Drilling disfigurements formation analysis and solution of CFRP[J].Journal of Materials Engineering, 2009,(S2)： 254-259.

[39]FERREIRA J, COPPINI N,MIRANDA G.Machining optimisation in carbon fibre reinforced composite materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 1999, 92-93：135-140.

[40]賀虎, 蘇宏華, 陳燕, 等.碳纖維復合材料鉆削加工對比試驗[J].航空制造技術(shù) , 2011(14)： 52-54.

HE Hu, SU Honghua, CHEN Yan, et al.Drilling contrast experiment of carbon fiber reinforced plastics[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(14)： 52-54.

[41]楊小璠, 李友生, 鄢國洪, 等.新型刀具鉆削碳纖維復合材料的可行性研究[J].制造技術(shù)與機床, 2014(12)： 165-167.

YANG Xiaofan, LI Yousheng, YAN Guohong, et al.Reaserch on drilling feasibility of new-type cutting tool for carbon fiber-reinforced plastics[J].Manufacturing Technology and Machine Tools, 2014(12)： 165-167.

[42]TSAO C.Experimental study of drilling composite materials with step-core drill[J].Materials & Design, 2008, 29(9)： 1740-1744.

[43]LANGELLA A, NELE L, MAIO A.A torque and thrust prediction model for drilling of composite materials[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing, 2005, 36(1)：83-93.

[44]藺小軍, 崔棟鵬, 單晨偉, 等.C/C復合材料鉆削軸向力研究[J].航空制造技術(shù),2015(15)： 60-64.

LIN Xiaojun, CUI Dongpeng, SHAN Chenwei, et al.Experimental study on thrust force in drilling carbon/carbon composites[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2015(15)： 60-64.

[45]ZHANG L, WANG L, LIU X.A mechanical model for predicting critical thrust forces in drilling composite laminates[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B： Journal of Engineering Manufacture, 2001, 215(2)： 135-146.

[46]HOCHENG H, TSAO C.The path towards delamination-free drilling of composite materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2005, 167(2)： 251-264.

[47]TSAO C.Investigation into the effects of drilling parameters on delamination by various step-core drills[J].Journal of Materials Processing Technology, 2008, 206(1)： 405-411.

[48]任書楠, 吳丹, 陳懇.鉆削碳纖維增強型復合材料的主切削刃軸向力[J].清華大學學報(自然科學版), 2013, 53(4)： 487-492.

REN Shunan, WU Dan, CHEN Ken.Thrust force on the main cutting edge when cutting carbon fiber reinforced plastics[J].Journal of Tsinghua University (Science and Technology),2013, 53(4)： 487-492.

[49]ISBILIR O, GHASSEMIEH E.Numerical investigation of the effects of drill geometry on drilling induced delamination of carbon fiber reinforced composites[J].Composite Structures, 2013,105：126-133.

[50]USUI S, WADELL J, MARUSICH T.Finite element modeling of carbon fiber composite orthogonal cutting and drilling[J].Procedia CIRP,2014, 14：211-216.

[51]FEITO N, DIAZ-áLVAREZ J,LóPEZ-PUENTE J, et al.Numerical analysis of the influence of tool wear and special cutting geometry when drilling woven CFRPs[J].Composite Structures, 2016, 138：285-294.

[52]WANG X, WANG L, TAO J.Investigation on thrust in vibration drilling of fiber-reinforced plastics[J].Journal of Materials Processing Technology, 2004, 148(2)： 239-244.

[53]CONG W, PEI Z, FENG Q, et al.Rotary ultrasonic machining of CFRP： a comparison with twist drilling[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2012, 31(5)： 313-321.

[54]CONG W, PEI Z, SUN X, et al.Rotary ultrasonic machining of CFRP： A mechanistic predictive model for cutting force[J].Ultrasonics,2014, 54(2)： 663-675.

[55]LIU J, ZHANG D, QIN L, et al.Feasibility study of the rotary ultrasonic elliptical machining of carbon fiber reinforced plastics(CFRP)[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 53(1)： 141-150.

[56]YUAN S, ZHANGC, AMIN M, et al.Development of a cutting force prediction model based on brittle fracture for carbon fiber reinforced polymers for rotary ultrasonic drilling[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 81(5-8)： 1223-1231.

[57]劉剛, 張恒, 王亞飛, 等.碳纖維增強復合材料螺旋銑孔切削力及加工質(zhì)量研究[J].復合材料學報, 2014, 31(5)： 1292-1299.

LIU Gang, ZHANG Heng, WANG Yafei,et al.Study on cutting force and maching quality of orbital drilling for CFRP[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(5)： 1292-1299.

[58]朱春燕, 蔣紅宇, 張烘洲.飛機裝配銑削制孔和鉆孔技術(shù)對比分析[J].南京航空航天大學學報, 2012,44(S1)：37-41.

ZHU Chunyan, JIANG Hongyu, ZHANG Honghzou.Comparing analysis of milling and drilling holes for aircraft assembly[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2012, 44(S1)： 37-41.

[59]WANG H, QIN X, REN C, et al.Prediction of cutting forces in helical milling process[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 58(9)： 849-859.

[60]WANG H, QIN X.A mechanistic model for cutting force in helical milling of carbon fiber-reinforced polymers[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016, 82(9)：1485-1494.

[61]HE G, LI H, JIANG Y, et al.Helical milling of CFRP/Ti-6Al-4V stacks with varying machining parameters[J].Transactions of Tianjin University, 2015, 21(1)：56-63.

[62]SHAN Y C, LI L, HE N, et al.Predictive modeling and parameter optimization of cutting forces during orbital drilling[J].Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 31(5)： 521-529.