碳纖維復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔技術(shù)研究

李 哲，張德遠，何鳳濤，姜興剛（.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京009；.成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川成都6009）

碳纖維復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔技術(shù)研究

李 哲1，張德遠1，何鳳濤2，姜興剛1
（1.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京100191；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川成都610092）

針對航空航天領(lǐng)域中碳纖維復(fù)合材料在制孔過程中易出現(xiàn)分層、毛刺和刀具磨損快等問題，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔技術(shù)。分析了旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔機理，研制出了小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔系統(tǒng)，并進行了碳纖維復(fù)合材料（CFRP）套磨制孔實驗。結(jié)果表明：相比于普通套磨，超聲橢圓振動套磨極大改善了切屑粉塵和料芯的排出，延長了刀具使用壽命；明顯降低了鉆削力和扭矩分別約25%和30%；有效降低了復(fù)材孔分層和毛刺的制孔缺陷，改善了孔表面粗糙度和平整性，提高了加工質(zhì)量。

碳纖維復(fù)合材料；旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動；套磨；金剛石空心鉆；表面質(zhì)量

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)部件[1]，如波音787的復(fù)合材料使用量已達到其結(jié)構(gòu)重量的50%[2]，美國空軍的F-22戰(zhàn)斗機復(fù)合材料使用量達到了35%[3]。CFRP是以樹脂為基體、碳纖維為增強體的復(fù)合材料[4]，具有比重小、比強度高、比剛度高、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能[5]。

在CFRP的使用過程中，大量的裝配孔需要加工，但由于材料硬度高、磨料性能、層間強度低、熱導(dǎo)率小及各向異性結(jié)構(gòu)等特性，故被稱為難加工材料。傳統(tǒng)鉆削方法的制孔過程易出現(xiàn)孔分層、起毛刺、撕裂、表面質(zhì)量差及刀具磨損快等缺陷[5-7]。超聲波振動加工具有良好的工藝特性，適合于難加工材料的加工[8]。超聲橢圓振動是近年來發(fā)展的一種新型加工方式，除了具有傳統(tǒng)單向超聲振動的優(yōu)勢[9]，更帶來了許多新的特性，有利于進一步降低平均切削力、提高切屑排出及改善加工過程[10]。

為有效改善CFRP的制孔過程且降低制孔缺陷，本文引入超聲橢圓振動到CFRP的普通套磨制孔工藝中，形成旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔新技術(shù)。該技術(shù)是在普通套磨加工的基礎(chǔ)上，給刀具附加一個超聲頻率的橢圓振動，它結(jié)合了金剛石空心鉆磨削的材料去除機理和超聲橢圓振動加工特性，形成磨削、斷續(xù)、分離和沖擊的切削模式[11]。本文首先分析了旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔機理，然后采用北航研制出的小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔系統(tǒng)結(jié)合機床平臺進行了CFRP制孔實驗，相比于普通套磨，分析了超聲橢圓振動套磨在切屑排出、鉆削力、扭矩和被加工孔表面質(zhì)量方面的加工效果。

1 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔機理

1.1 CFRP的旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔原理

圖1是旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔的示意圖，其刀具運動由縱向進給運動、回轉(zhuǎn)運動及高頻微小橢圓振動疊加而成。圖2描述了CFRP旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨過程中刀具表面單顆金剛石磨粒在徑向平面內(nèi)的切削刃軌跡。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔示意圖

圖2 CFRP超聲橢圓振動套磨的單顆磨粒切削刃軌跡

1.2 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨切削過程分析

圖3建立了普通套磨和超聲橢圓振動套磨CFRP制孔的切削過程模型，并進行了加工過程對比?？梢姡暀E圓振動套磨是在回轉(zhuǎn)套磨孔的同時，使套磨刀具徑向平面內(nèi)產(chǎn)生一個高頻小振幅的振動，形成斷續(xù)分離的橢圓振動切削。一方面，這使加工過程中孔擴量變大、料芯變小，刀具與工件間有更多的徑向排屑空間，極大提高了切屑排出，不易發(fā)生切屑堵塞，可明顯降低刀具表面切屑粉塵粘附和內(nèi)部料芯堵塞；另一方面，刀具的高頻變速和動態(tài)角度變化使其更易將磨粒周圍的切屑彈射排除，從而緩解粘刀現(xiàn)象的發(fā)生。因此，良好的切屑排出效果進一步降低了磨削溫度和切削力，從而抑制了復(fù)合材料分層、毛刺和撕裂的發(fā)生，提高孔表面質(zhì)量，并延長刀具壽命。

圖3 普通套磨與超聲橢圓振動套磨加工過程對比

2 CFRP旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔實驗研究

2.1 小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔系統(tǒng)研制

該系統(tǒng)主要由小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動氣鉆、超聲橢圓電源和金剛石套磨刀具三部分組成 （圖4），具有便攜性、精準化和智能化等特點。

金剛石套磨刀具是一種空心套料鉆，在空心刀體的端面及內(nèi)外側(cè)通過電鍍、釬焊或燒結(jié)等方式粘接有較密集的金剛石顆粒（圖4c）。由于套磨制孔時與被加工材料接觸的面積只有刀具端面環(huán)狀部分，與普通麻花鉆相比沒有橫刃和大部分主切削刃的參與，所以套磨制孔相比麻花鉆能大幅降低軸向力；同時，人造金剛石磨粒硬度高、耐磨性好、磨粒鋒利，非常適合復(fù)合材料的加工，能降低復(fù)合材料因軸向力大而造成的出口撕裂和分層的發(fā)生。但由于套磨刀具普通加工復(fù)合材料孔易出現(xiàn)切屑粉塵粘刀和料芯堵塞刀具等問題，在實際復(fù)合材料制孔中仍使用較少。

因此，本文結(jié)合超聲橢圓振動加工技術(shù)和金剛石套磨刀具的優(yōu)點，研制出了旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔工具和超聲橢圓電源系統(tǒng)，以便更好地應(yīng)用于復(fù)合材料的加工。

圖4 小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔系統(tǒng)

2.2 實驗設(shè)備和條件

圖5是旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨CFRP制孔的實驗設(shè)備和鉆削力測量方法，主要包括小型化旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔工具、超聲電源、氣源、CFRP工件、切削力測量系統(tǒng)和提供軸向進給的CA6140車床平臺。表1列出了普通套磨和超聲橢圓振動套磨的實驗條件。實驗時，用普通套磨和超聲橢圓振動套磨分別加工5個孔。

圖5 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨CFRP制孔實驗設(shè)備

表1 實驗條件

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 切屑排出的比較

圖6對比了旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨與普通套磨CFRP制孔的切屑排出效果?？梢姡駝犹啄ビ行Ы档土说毒弑砻娴那行挤蹓m粘附和刀具內(nèi)部料芯的堵塞，提高了切屑排出效果和刀具切削能力，延長了刀具使用壽命。因此，能有效降低因刀具表面切屑粘附、料芯堵塞和排屑效果差造成的較大軸向鉆削力和較差刀具切削能力而引起的復(fù)材孔分層、毛刺和撕裂等制孔缺陷，同時可有效改善被加工孔的表面質(zhì)量。

圖6 振動套磨與普通套磨的排屑對比

3.2 鉆削力和扭矩的比較

用9272A型測力儀對普通套磨和旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨分別加工的5個孔進行鉆削力和扭矩的測量，并取穩(wěn)定鉆削過程時鉆削力和扭矩的平均值進行對比。由圖7可看出，旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨的鉆削力和扭矩總體上都小于普通套磨；相比于普通套磨，超聲橢圓振動套磨的鉆削力和扭矩分別降低約25%和30%，表明旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨具有明顯降低切削力的效果。

圖7 振動套磨與普通套磨的鉆削力及扭矩對比

3.3 CFRP孔表面質(zhì)量的比較

普通套磨和振動套磨加工后的復(fù)材孔表面微觀形貌分別見圖8?？煽闯?，振動加工的復(fù)材孔表面平整、無粘著切屑粉塵且無分層和毛刺缺陷，孔表面較光亮；而普通加工的復(fù)材孔表面不平整，粘著較多的切屑粉塵致使表面發(fā)黑，且復(fù)材孔表面存在明顯的分層、毛刺缺陷。結(jié)果表明，橢圓振動套磨時刀具切削能力提高、刀具更鋒利，易切斷纖維，從而獲得較好的表面質(zhì)量，降低分層和毛刺現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 普通套磨與振動套磨CFRP孔不同位置表面質(zhì)量比較

4 結(jié)論

本文針對碳纖維復(fù)合材料在制孔過程中易出現(xiàn)分層、毛刺和刀具磨損快等問題，提出了旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔新技術(shù)，并進行了機理分析及制孔實驗研究。相比于CFRP普通套磨制孔，采用旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動套磨制孔獲得了更好的加工效果，并得到以下結(jié)論：

（1）極大改善切屑粉塵和料芯的排出，降低刀具表面切屑粘著和內(nèi)部料芯堵塞，延長了刀具使用壽命。

（2）有效降低鉆削力約25%，降低扭矩約30%。

（3）有效降低復(fù)材孔加工過程分層和毛刺的制孔缺陷，改善孔表面粗糙度和平整性，提高了孔加工質(zhì)量。

[1] 李威，郭權(quán)鋒.碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國光學(xué)，2011，4（3）：201-212.

[2] Boeing Co.website.787 dreamliner program fact sheet [EB/OL]. http://www.boeing.com/commercial/787family/ programfacts.html，2014.

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

[4] 張駿華，盛祖銘，孫繼同.導(dǎo)彈和運載火箭復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計指南[M].北京：宇航出版社，1999.

[5] ZHANG L B，WANG L J，LIU X Y，et al.Mechanical model for predicting thrust and torque in vibration drilling fibre-reinforced composite materials [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2001，41（5）：641-657.

[6] KARPAT Y，BAHTIYAR O，DEGER B，et al.A mechanistic approach to investigate drilling of UD-CFRP laminates with PCD drills[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2014，63（1）：81-84.

[7] ILIESCU D，GEHIN D，GUTIERREZ M E，et al.Modeling and tool wear in drilling of CFRP[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50（2）：204-213.

[8] 隈部純一郎.精密加工振動切削：基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].韓一昆，薛萬夫，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[9] 李華，張德遠.新型單激勵橢圓超聲振動切削系統(tǒng)的研究[J].中國機械工程，2005，16（22）：1983-1986.

[10]MA Chunxiang，SHAMOTO E，MORIWAKI T，et al.Study of machining accuracy in ultrasonic elliptical vibration cutting[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004,44（12-13）：1305-1310.

[11]LI Xun，ZHANG Deyuan.Ultrasonic elliptical vibration transducer driven by single actuator and its application in precision cutting[J].Journal of Materials Processing Technology，2006，180（1-3）：91-95.

Study on the Rotary Ultrasonic Elliptical Vibration Machining of CFRP Using Diamond Core Drill

Li Zhe1，Zhang Deyuan1，He Fengtao2，Jiang Xinggang1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.,Ltd.，Chengdu 610092，China）

Taking into consideration these problems including delamination，fuzzing and rapid tool wear et al.in conventional drilling of carbon fiber reinforced plastics(CFRP)，this paper put forward a new processing technology，i.e.，the rotary ultrasonic elliptical vibration machining (RUEM)of CFRP using diamond core drill.The drilling mechanism in RUEM of CFRP is analyzed and the small sized RUEM system is developed for the first time.Meanwhile，the drilling experiment about the RUEM of CFRP is carried out.The results showed that compared with the common drilling of core drill，the RUEM greatly improved the removal effects of chip and rod，prolonged the tool life，reduced the thrust force and torque is 25% and 30%，respectively，effectively reduced the defects of CFRP hole delamination and fuzzing as well as improved the surface integrity of machined hole.

CFRP；RUEM；core drilling；diamond core drill；surface integrity

TG663

A

1009－279X（2016）05－0056-04

2016-01-08

李哲，男，1986年生，博士。