旋轉(zhuǎn)超聲鉆削碳纖維復(fù)合材料鉆削力和扭矩的研究*

袁松梅 ，宋 衡 ，路宜霖

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191;2.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100191）

碳纖維作為新型增強(qiáng)材料，是一種由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。其抗 拉 強(qiáng) 度約為 2000～7000MPa，拉伸模量約為200～700GPa，密度僅為1.5～2.0g/cm3，具有較好的耐腐蝕性。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastics,CFRP）是由樹脂基體與碳纖維材料組合而成，具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性好、耐疲勞、阻尼減震性好等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、建筑、機(jī)械、汽車、能源、化工、造船、生物工程、醫(yī)療器械和體育器材等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1]。世界各國(guó)的戰(zhàn)機(jī)對(duì)CFRP使用尤為突出，法國(guó)“陣風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)CFRP用量達(dá)到24%，美國(guó)空軍F-22“猛禽”戰(zhàn)機(jī)CFRP材料使用量達(dá)到了35%，英國(guó)戰(zhàn)機(jī)“臺(tái)風(fēng)”（EP2000） CFRP用量約為40%。

當(dāng)前，飛機(jī)裝配連接通常有機(jī)械連接、膠接和機(jī)械連接／膠接混雜連接3種形式。由于機(jī)械連接具有抗疲勞性良好、便于檢測(cè)和拆裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，以鉚釘和螺栓為代表的機(jī)械連接已成為航空制造工業(yè)中最主要的結(jié)構(gòu)件連接方式，因此復(fù)合材料孔加工技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。由于CFRP材料的層間結(jié)合強(qiáng)度低、各向異性、材料硬度高、導(dǎo)熱性差等特性，在制孔過(guò)程中易產(chǎn)生毛刺、纖維撕裂、孔壁分層等加工缺陷，嚴(yán)重影響了連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命。為解決CFRP孔加工過(guò)程中存在的種種問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了深入的研究。

2009年，Rawat等[2]研究了硬質(zhì)合金刀具鉆削CFRP時(shí)的失效形式，發(fā)現(xiàn)鉆頭主切削刃后刀面磨損是最主要的磨損形式，并揭示了刀具磨損與切削力及表面質(zhì)量的關(guān)系。2011年， Liu等[3]對(duì)CFRP型復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工展開了可行性研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)鉆削相比，旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工的加工精度與加工質(zhì)量更好，并可有效降低刀具磨損、減少加工缺陷。2011年，賀虎[4]采用整體硬質(zhì)合金鉆頭和釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行對(duì)比，分析了鉆削參數(shù)對(duì)鉆削力的影響，通過(guò)對(duì)比鉆削力及刀具磨損情況得出套料鉆更適合加工CFRP。2011年，Lazar等[5]研 究 了 錐 面直槽鉆、八面鉆、普通雙面鉆鉆削CFRP，研究表明鉆尖形式對(duì)鉆削力和扭矩有較大的影響，其中八面鉆的鉆削力與扭矩最小，普通雙面鉆鉆削力與扭矩最大。2012年，Cong等[6]研究了使用金剛石套料鉆超聲振動(dòng)鉆削CFRP，取得了較好的加工效果。同年，天津大學(xué)的學(xué)者們研究分析了超聲振動(dòng)鉆孔和銑槽崩邊斷裂機(jī)理，提出分別采用增加輔助支撐和改善刀具路徑方法，可有效解決鉆孔和銑槽崩邊的問(wèn)題[7-8]。2014年，Geng等[9]對(duì)比旋轉(zhuǎn)超聲鉆削與常規(guī)鉆削CFRP復(fù)合材料的加工效果，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工可有效降低鉆削力并提高刀具壽命。2016年，Ning等[10]通過(guò)切削試驗(yàn)全面對(duì)比了傳統(tǒng)套料鉆磨削制孔和超聲振動(dòng)鉆削的加工效果，指出超聲鉆削可以有效降低切削力和扭矩，并獲得更好的加工質(zhì)量與加工精度，加工效率也更高。

現(xiàn)階段的研究多集中在刀具的優(yōu)選及加工工藝的優(yōu)化上，有關(guān)旋轉(zhuǎn)超聲鉆削力及扭矩與切削參數(shù)、刀具參數(shù)之間關(guān)系缺乏系統(tǒng)化、理論化的研究。為改善CFRP的制孔過(guò)程并有效減少制孔過(guò)程中的加工缺陷，本文將旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用到傳統(tǒng)的金剛石套料鉆制孔工藝中，采用課題組自主研制出的小型化旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合機(jī)床平臺(tái)進(jìn)行了CFRP制孔試驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)分析各加工參數(shù)對(duì)制孔過(guò)程中鉆削力及扭矩的影響情況。結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的金剛石套料鉆加工，旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆削CFRP在降低鉆削力和扭矩、提高進(jìn)出口質(zhì)量方面具有顯著的效果。

超聲振動(dòng)制孔機(jī)理

1 CFRP鉆削加工缺陷形成原因

CFRP孔加工的過(guò)程中，由于樹脂基體與碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能差異巨大，導(dǎo)致大部分的載荷由碳纖維承擔(dān)，材料去除過(guò)程大致經(jīng)歷基體損傷、開裂、碳纖維與基體脫離、碳纖維斷裂等過(guò)程。根據(jù)斷裂力學(xué)，按裂紋的受力與斷裂特性，可分為3種裂紋形式：張開型破壞（Ⅰ型）、滑開型破壞（Ⅱ型）以及撕開型破壞（Ⅲ型）[11]，如圖1所示。

在鉆削末段，隨著鉆頭不斷接近鉆孔出口，用來(lái)抵抗軸向鉆削力的CFRP厚度變小，復(fù)合材料的剛度降低，容易產(chǎn)生較大的變形，在CFRP層間引起較大垂直應(yīng)力，并在孔邊緣處產(chǎn)生裂紋，當(dāng)載荷超過(guò)層間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，裂紋擴(kuò)展，并在層間平面上傳播，造成Ⅰ型裂紋。在鉆孔出口處，較大的扭矩會(huì)對(duì)工件外層材料產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，當(dāng)該剪切應(yīng)力超過(guò)材料層間結(jié)合強(qiáng)度，就會(huì)引起Ⅱ型裂紋，最終形成撕裂。鉆削過(guò)程中，若鉆頭不能全部切斷纖維或切削力不能有效破壞樹脂基體，CFRP產(chǎn)生開裂并沿著纖維鋪層方向擴(kuò)展，引起Ⅲ型裂紋破壞，導(dǎo)致分層的產(chǎn)生。因此，有效控制鉆削過(guò)程中的鉆削力及扭矩對(duì)減少CFRP孔加工缺陷至關(guān)重要。

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除機(jī)理

采用金剛石磨粒刀具的旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除的機(jī)理是基于赫茲接觸理論和壓入深度理論。根據(jù)該理論可知材料的去除過(guò)程[12]，如圖2[13]所示。

（1）金剛石磨粒壓入工件，產(chǎn)生一個(gè)塑性變形區(qū)；

（2）金剛石磨粒繼續(xù)壓入，塑性變形區(qū)的正下方產(chǎn)生中央裂紋；

（3）磨粒壓入深度進(jìn)一步增大，中央裂紋擴(kuò)張；

（4）金剛石磨粒隨著振動(dòng)周期脫離工件表面，縱向裂紋閉合；

（5）縱向裂紋周期性打開與閉合導(dǎo)致橫向裂紋產(chǎn)生；

（6）橫向裂紋不斷擴(kuò)展，材料最終脫離工件表面，形成切屑。

旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆削技術(shù)是一種新興的復(fù)合加工技術(shù)，在制孔過(guò)程中刀具運(yùn)動(dòng)軌跡由軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及高頻垂直振動(dòng)疊加而成，充分利用了超聲振動(dòng)加工技術(shù)中的錘擊、磨拋以及劃擦等機(jī)理[14]，如圖3[15]所示。這種加工方式可有效降低鉆削硬脆材料時(shí)的鉆削力，降低了材料的加工難度，并可顯著提升刀具耐用度、降低刀具成本。

圖1 3種裂紋產(chǎn)生形式Fig.1 Three forms of breakages

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用T700型CFRP，厚度為6mm，材料參數(shù)：密度1.8g/cm3，泊松比0.30，彈性模量53GPa，斷裂韌度11.5MPa·m1/2，硬度 HV0.6。試驗(yàn)中所用機(jī)床為沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC0850B立式加工中心，機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)速為6000r/min。采用Kistler-9257B型臺(tái)式測(cè)力儀實(shí)時(shí)測(cè)量鉆削力。超聲振動(dòng)加工裝置采用北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)的頻率和功率連續(xù)可調(diào)，在工作前可通過(guò)手動(dòng)調(diào)整功率及頻率尋找裝置與刀具的最佳匹配參數(shù)。

試驗(yàn)采用鄭州建幫電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的系列金剛石套料鉆，刀具形狀如圖4所示，金剛石濃度為100%，粒度為80/100目。為探究各加工參數(shù)對(duì)制孔過(guò)程中鉆削力及扭矩的影響，本文設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)方案，試驗(yàn)（1），使用金剛石套料鉆，研究主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)鉆削力及扭矩的影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示；試驗(yàn)（2），研究套料鉆幾何參數(shù)對(duì)鉆削力及扭矩的影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖2 超聲加工材料去除過(guò)程Fig.2 Material removal process of ultrasonic machining

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除機(jī)理Fig.3 Material removal mechanism of rotary ultrasonic machining

圖4 試驗(yàn)所用套料鉆Fig.4 Trepanning core tool

試驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)際的加工過(guò)程中，每個(gè)孔的鉆削過(guò)程都包括鉆入階段、中間穩(wěn)定鉆削階段和鉆出階段，如圖5所示。取穩(wěn)定鉆削階段鉆削力和扭矩的平均值作為本文所使用的鉆削力和扭矩的數(shù)值。

1 加工參數(shù)對(duì)鉆削力及扭矩影響

試驗(yàn)（1），首先研究旋轉(zhuǎn)振動(dòng)加工中，主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)鉆削力及扭矩的影響規(guī)律。本次試驗(yàn)采用大徑為8mm，小徑為6.4mm的套料鉆鉆削CFRP，測(cè)得其鉆削力如圖6所示，鉆削扭矩如圖7所示。

由圖6和圖7可知，在相同的進(jìn)給量下，鉆削力F隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，具有減小的趨勢(shì)，而扭矩則隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是由于每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f指的是刀具每旋轉(zhuǎn)一周沿加工方向所前進(jìn)的距離，當(dāng)進(jìn)給量保持不變時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具進(jìn)給速度相應(yīng)增大。旋轉(zhuǎn)超聲鉆削過(guò)程中，刀具前進(jìn)相同的距離，前端金剛石磨粒對(duì)材料的錘擊次數(shù)減少，旋轉(zhuǎn)超聲加工的錘擊作用削弱。隨著磨粒對(duì)CFRP材料錘擊作用的減弱，金剛石磨粒對(duì)材料的磨拋?zhàn)饔糜用黠@，磨粒所受到的軸向力減小、切向力增大，而所有磨粒切向力與該磨粒到刀具回轉(zhuǎn)中心距離的乘積即為刀具所受到的扭矩，因此在旋轉(zhuǎn)超聲鉆削過(guò)程中的扭矩隨主軸轉(zhuǎn)速的增加呈上升的趨勢(shì)，軸向鉆削力呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，進(jìn)給量增大，鉆削力及扭矩都隨之增大。這是由于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，進(jìn)給量f增大，材料去除率相應(yīng)增大，刀具每轉(zhuǎn)去除材料所需做的功也隨之增加，因此鉆削力及扭矩同時(shí)增加。

為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工在鉆削CFRP材料上所具有的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)與常規(guī)加工相對(duì)比。由圖8可知，當(dāng)進(jìn)給量為0.01mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min提升到4000r/min，相比于常規(guī)加工，使用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工技術(shù)，可以分別降低切削力54.6%、57.2%、58.0%，降 低 扭 矩 39.4%、38.8%、39.1%，切削力平均降低了56.6%，扭矩平均降低了39.1%。由圖9可知，在進(jìn)給量為0.01mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min增大到4000r/min，旋轉(zhuǎn)超聲鉆削CFRP的出口質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯毛刺、撕裂等加工缺陷，而傳統(tǒng)鉆削下的出口質(zhì)量隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，撕裂、毛刺等加工缺陷的面積及數(shù)量也相應(yīng)增加，因此使用旋轉(zhuǎn)超聲加工出口質(zhì)量好于常規(guī)的套料鉆加工。

2 刀具參數(shù)對(duì)鉆削力及扭矩影響

在使用金剛石套料鉆旋轉(zhuǎn)超聲鉆削CFRP復(fù)合材料時(shí)，鉆頭上的金剛石磨粒周期性地錘擊、劃擦、磨拋工件材料，每個(gè)磨粒受到的力可分解為沿刀具進(jìn)給方向的軸向力及與磨粒線速度方向相反的切向力，如圖10所示。由于在加工過(guò)程中套料鉆側(cè)壁磨粒僅對(duì)孔壁起到劃擦修正的作用，所受到的力與套料鉆端面磨粒相比可忽略不計(jì)。因此，可認(rèn)為加工過(guò)程中刀具端面所有磨粒所受到的軸向力的合力，即為刀具加工過(guò)程中的切削力，而刀具端面所有磨粒所受到的切向力與該磨粒到刀具回轉(zhuǎn)中心距離的乘積，即為刀具所受到的扭矩。

表1 試驗(yàn)（1）加工參數(shù)

表2 試驗(yàn)（2）加工參數(shù)

圖5 鉆削過(guò)程Fig.5 Drilling process

圖6 軸向鉆削力與加工參數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between cutting force and processing parameters

假設(shè)刀具為理想刀具，磨粒在刀具上的排布均勻，高度一致，則可認(rèn)為套料鉆鉆削過(guò)程中的軸向力由端面磨粒平均承擔(dān)，即刀具端面所受壓力處處相同。假設(shè)相同的切削參數(shù)下，刀具端面每個(gè)磨粒所受到的切向力與軸向力存在一個(gè)固定的比值k，可以得出在刀具端面單位面積微元軸向切削力和扭矩的關(guān)系：

式中，M為套料鉆鉆削過(guò)程中所受到的扭矩，N·mm，dM為扭矩微元；F為套料鉆所受軸向力，N；A為套料鉆端面面積，mm2；ds為套料鉆端面面積微元；x為該面積微元到套料鉆軸心距離，mm。

圖7 鉆削扭矩與加工參數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between torque and processing parameters

圖8 超聲加工和常規(guī)加工鉆削力及扭矩對(duì)比Fig.8 Comparison of the force and torquebetween ultrasonic and conventional machining

圖9 超聲加工和常規(guī)加工出口質(zhì)量對(duì)比Fig.9 Comparison of the export quality between ultrasonic and conventional machining

同時(shí)對(duì)公式（1）兩邊進(jìn)行積分可得：

式中，M為套料鉆所受扭矩，N·mm；R為金剛石套料鉆大徑直徑，mm；r為金剛石套料鉆小徑直徑，mm。

通過(guò)公式（2）可以得到：

為驗(yàn)證假設(shè)的正確性，特設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)公式（3）進(jìn)行檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)在主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，進(jìn)給量為0.01mm時(shí)，采用標(biāo)稱大徑為12mm，小徑分別為10.4mm、10mm、9.6mm的套料鉆各進(jìn)行6次試驗(yàn)，計(jì)算k值，再用大徑10mm的刀具檢驗(yàn)k值的穩(wěn)定性，大徑12mm套料鉆試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，求出k的平均數(shù)為0.4975，標(biāo)準(zhǔn)差為0.03181。

5.1 西寧及以東地區(qū)光照強(qiáng)、光照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大，夏季氣溫在22-25℃，總體表現(xiàn)出適宜在該地區(qū)園林綠化中推廣應(yīng)用適應(yīng)性強(qiáng)的月季品種。

使用大徑為10mm，小徑分別為8.4mm、8mm、7.6mm的系列刀具各重復(fù)6次試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)的切削力及扭矩?cái)?shù)據(jù)及刀具尺寸計(jì)算k值，與大徑為12mm系列刀具所得k值平均值0.4975對(duì)比，大徑10mm類型刀具的k值及偏差ω，如圖12所示。k的偏差計(jì)算公式為：

試驗(yàn)結(jié)果表明，與大徑12mm刀具的平均k值0.4975相比，由大徑10mm刀具計(jì)算所得k值平均偏差為8.3%，最大偏差為15.1%，k值平均值為0.5145，與大徑12mm刀具平均k值相差3.42%?？烧J(rèn)為在相同的切削參數(shù)下，更換刀具對(duì)k值的影響較小，可忽略不計(jì)，因此可以判定假設(shè)正確，即在相同的切削參數(shù)下，旋轉(zhuǎn)超聲鉆削CFRP，鉆削力F和扭矩M之間滿足公式（3）所示的函數(shù)關(guān)系。k值反應(yīng)了CFRP旋轉(zhuǎn)超聲鉆削過(guò)程中材料的可加工性，k值越小，則旋轉(zhuǎn)超聲加工的錘擊作用越明顯，材料表層的微裂紋產(chǎn)生的就越充分[16]，嵌入工件表面的磨粒在劃擦、磨拋工件材料所需的切削力也更小，對(duì)工件材料的破壞更小，有助于提高加工質(zhì)量。

圖10 刀具磨粒受力分解圖Fig.10 Cutting force of diamond grits

圖11 大徑12mm刀具的k值Fig.11 k value of diameter 12mm cutter

圖12 大徑10mm系列刀具的k值Fig.12 k value of diameter 10mm cutter

圖13 套料鉆鉆削力及扭矩與壁厚關(guān)系Fig.13 Relationship between cutting force,torque and thickness of cutting tool

由圖13可知隨著刀具壁厚的增加，加工過(guò)程中的軸向力及扭矩同時(shí)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其原因是，在相同的加工參數(shù)下，隨著刀具壁厚的增加，每轉(zhuǎn)材料去除量增加，克服材料變形所做的功增加，切削力和扭矩也隨之增大。

結(jié)論

（1）在相同的進(jìn)給量下，鉆削力F隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，具有減小的趨勢(shì)，而扭矩則隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，進(jìn)給量增大，鉆削力及扭矩都隨之增大。

（2）在進(jìn)給量為0.01mm/r時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min提升到4000r/min，相比于傳統(tǒng)的套料鉆加工，使用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工技術(shù)，可平均降低切削力及扭矩達(dá)56.6%和39.1%，并可獲得更好的加工質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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