芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削研究進(jìn)展

范宜鵬，林有希，任志英，禹杰

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

芳綸纖維復(fù)合材料是一種新型高科技特種復(fù)合材料，在復(fù)合材料中表現(xiàn)出優(yōu)良的物理力學(xué)性：介電性能、高強(qiáng)度、高模量以及優(yōu)越的抗沖擊性能，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。因此，在航空航天、汽車(chē)、船舶制造和軍工裝甲防護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的運(yùn)用前景[1]。由于芳綸纖維的結(jié)構(gòu)各向異性、非均勻性及多相結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。導(dǎo)致材料在鉆削加工時(shí)受力不均勻易產(chǎn)生分層損傷，因此芳綸纖維復(fù)合材料屬于典型的難加工材料[2]。鉆削分層損傷直接影響零件最終裝配精度要求、零件使用性能和壽命，鉆削加工是芳綸纖維復(fù)合材料二次加工的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維鉆削加工技術(shù)的研究相對(duì)較成熟，而對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料的切削加工技術(shù)的研究比較薄弱。因此，迫切需要對(duì)芳綸纖維的鉆削加工技術(shù)和切削機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。本文對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料鉆削性能、鉆削機(jī)理、刀具磨損機(jī)理、優(yōu)化鉆削質(zhì)量的一些方法研究等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及研究方向進(jìn)行了討論。

1 芳綸纖維復(fù)合材料的鉆削性能

1.1 芳綸纖維復(fù)合材料的物理力學(xué)性能

芳綸纖維是我國(guó)對(duì)芳香族聚合物纖維的一種簡(jiǎn)稱(chēng)。芳綸纖維主要分兩類(lèi)：間位芳酰胺纖維(PMIA)和對(duì)位芳酰胺纖維(PPTA)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式[3]如圖1和圖2所示。

圖1 PMIA結(jié)構(gòu)式

圖2 PPTA結(jié)構(gòu)式

芳綸纖維復(fù)合板在制作過(guò)程中主要有兩種典型的疊層鋪設(shè)方式：一種是纖維單向鋪層，另一種是纖維雙向鋪層(如圖3所示)。這種鋪層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的結(jié)構(gòu)各向異性、非均勻性以及不連續(xù)性等材料缺陷[4]。這種結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致材料在加工中出現(xiàn)受力不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致切削中的材料出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變不均勻現(xiàn)象，最終影響工件表面的加工質(zhì)量。

圖3 疊層鋪設(shè)方式

美國(guó)生產(chǎn)的Kevelar纖維是一種典型的高性能芳綸纖維，具有強(qiáng)度高、模量高、韌性好、熱穩(wěn)定性良好等[5]特點(diǎn)，芳綸復(fù)合材料構(gòu)成及各組分性能見(jiàn)表1。

表1 芳綸復(fù)合材料構(gòu)成及各組分性能[6]

1.2 鉆削力的研究

鉆削軸向力是導(dǎo)致芳綸纖維復(fù)合材料在鉆削加工中產(chǎn)生撕裂和分層缺陷的最主要因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆削力的研究主要從預(yù)測(cè)AFRP鉆削力大小以及影響鉆削力大小的因素進(jìn)行大量的研究。

C.K.H.Dharan[7]對(duì)復(fù)合材料層壓板鉆削加工采用智能加工系統(tǒng)優(yōu)化加工參數(shù)，分析了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出鉆削軸向力F和轉(zhuǎn)矩T大小的經(jīng)驗(yàn)公式。沈國(guó)華等[8]在芳綸纖維復(fù)合材料鉆削試驗(yàn)中采用2種不同的鉆頭(常規(guī)硬質(zhì)合金鉆和非常規(guī)硬質(zhì)合金鉆)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，并利用線性回歸擬合法建立了AFRP鉆削力大小的數(shù)學(xué)模型，得到2種刀具鉆削過(guò)程中鉆削力3個(gè)方向的經(jīng)驗(yàn)公式。N.Feito等[9]通過(guò)有限元仿真軟件建立了纖維復(fù)合材料鉆削加工數(shù)值模型，成功地預(yù)測(cè)了分層缺陷產(chǎn)生時(shí)，鉆削臨界軸向力的大小，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性。但目前針對(duì)復(fù)合材料鉆削加工的數(shù)值模擬大多數(shù)集中在碳纖維復(fù)合板上，對(duì)于芳綸復(fù)合材料2D、3D編織結(jié)構(gòu)鉆削仿真加工卻較少見(jiàn)到相關(guān)論文發(fā)表。此外，有不少學(xué)者通過(guò)經(jīng)典材料彈性斷裂力學(xué)、理論力學(xué)和能量守恒定律等相關(guān)知識(shí)預(yù)測(cè)鉆削力。L-B Zhang等[10]基于以上理論推算出在加工過(guò)程中復(fù)合材料在發(fā)生分層缺陷時(shí)的臨界鉆削力，并預(yù)測(cè)復(fù)合材料鉆孔出口側(cè)最外一層的鉆削力約為178N時(shí)，即將產(chǎn)生分層缺陷，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較誤差僅為11.9%。Hocheng H等[11]基于上述理論也得出了預(yù)測(cè)鉆削力相關(guān)方程式?，F(xiàn)階段建立的鉆削力的模型可靠系數(shù)仍然不夠高，今后在芳綸纖維鉆削力模型及機(jī)理方面還有待學(xué)者們更深入的研究。

關(guān)于影響鉆削軸向力大小的因素，不少學(xué)者主要采用試驗(yàn)研究的方式對(duì)鉆削力的影響因素進(jìn)行研究。Langella.A[12]等認(rèn)為鉆削軸向力主要來(lái)源于刀具的主切削刃和橫刃與復(fù)合材料之間的擠壓作用所產(chǎn)生的，且橫刃長(zhǎng)度越大鉆削軸向力也越大。D. Bhattacharyya[13]等研究了刀具前角對(duì)鉆削軸向力的影響，發(fā)現(xiàn)刀具前角減小，鉆削軸向力有明顯下降的趨勢(shì)。Chen.W.C等[14]研究刀具螺旋角和橫刃角對(duì)鉆削力的影響，研究表明隨著螺旋角和橫刃角的減小鉆削軸向力有明顯上升的趨勢(shì)。Varatharajan等[15]采用高速鋼鉆頭加工纖維材料，在加工第30個(gè)孔之后發(fā)現(xiàn)鉆削力和轉(zhuǎn)矩急劇增大；由于刀具磨損使原來(lái)的切削變?yōu)楦?，使切削力變大。鉆削軸向力的大小還與切削參數(shù)有密切的關(guān)系。A. N. Shuaib等[16]研究復(fù)合材料鉆削加工切削參數(shù)對(duì)鉆削軸向力的影響，表明主軸轉(zhuǎn)速越大鉆削力越小，高速切削可以得到更好的加工質(zhì)量，且增加進(jìn)給量時(shí)鉆削力將急劇上升。M.S.Wom等[17]通過(guò)對(duì)比芳綸纖維和碳纖維鉆削試驗(yàn)研究，分析了不同鉆削參數(shù)對(duì)軸向力和力矩的影響。同樣發(fā)現(xiàn)進(jìn)給率越大對(duì)應(yīng)的鉆削軸向力和鉆削力矩也越大；還發(fā)現(xiàn)隨著孔徑的增大鉆削軸向力和鉆削力矩也不斷的增加。C.C. Tsao等[18]分析了不同鉆削參數(shù)對(duì)鉆削軸向力的影響，認(rèn)為導(dǎo)致鉆削軸向力增大的最主要因素是鉆削進(jìn)給速度。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)鉆削軸向力還受材料本身的力學(xué)物理性能的影響。EI-Sonbaty等[19]發(fā)現(xiàn)纖維復(fù)合材料鉆削軸向力的大小還受材料中纖維含量的影響，且鉆削軸向力隨纖維含量的增加而增大。鉆削軸向力的大小直接影響加工質(zhì)量，減小芳綸纖維材料加工的鉆削軸向力大小是一項(xiàng)技術(shù)難題，還有待研究人員進(jìn)行更深入的研究。

1.3 鉆削溫度

由于芳綸纖維材料的導(dǎo)熱性差，鉆削區(qū)域封閉鉆頭熱量不易及時(shí)排除。這些熱量一方面導(dǎo)致鉆頭受熱軟化進(jìn)而加劇鉆頭的磨損，另一方面導(dǎo)致纖維材料的熱損傷，因此鉆削溫度的研究對(duì)優(yōu)化鉆削質(zhì)量有著同樣重要的意義。

目前，不少學(xué)者對(duì)芳綸纖維鉆削加工過(guò)程中，影響芳綸纖維材料鉆削溫度的主要因素進(jìn)行大量研究。鮑永杰等[20]通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，研究樹(shù)脂纖維材料鉆削過(guò)程溫度場(chǎng)的分布情況，結(jié)果表明纖維復(fù)合材料鉆孔時(shí)溫度場(chǎng)分布具有一定的方向性。鉆削熱的主要傳遞方向與纖維的方向大致一致，且鉆頭出口處溫度場(chǎng)呈橢圓狀分布。Zitoune .R等[21]通過(guò)對(duì)纖維復(fù)合材料鉆削試驗(yàn)進(jìn)行的研究表明，纖維方向?qū)︺@削溫度影響因子最大，且纖維分布方向與切削方向垂直時(shí)升溫現(xiàn)象最為明顯。Turrillo Jimeno.J[22]研究芳綸纖維復(fù)合材料鉆削加工過(guò)程中刀具磨損機(jī)理分析表明，刀具磨損使鉆削溫度急劇上升，而高溫度場(chǎng)加快刀具涂層脫落速度，同時(shí)加劇鉆頭的氧化磨損。鄭雷[23]采用燒結(jié)金剛石鉆頭對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)鉆削速度增加時(shí)，伴隨切削區(qū)溫度迅速上升，且溫升后出現(xiàn)嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象。趙建設(shè)等[24]在鉆削纖維材料試驗(yàn)中，采用紅外熱成像儀觀測(cè)切削3要素對(duì)溫度場(chǎng)的影響。發(fā)現(xiàn)鉆削熱量與鉆削主軸轉(zhuǎn)速和鉆削深度成正比，與進(jìn)給速度成反比。莊原[25]通過(guò)鉆削芳綸纖維板同樣發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。此外，還發(fā)現(xiàn)刀具的直徑對(duì)溫度場(chǎng)影響較小。

為了降低溫度對(duì)鉆削質(zhì)量的影響，不少學(xué)者對(duì)鉆削加工工藝方法進(jìn)行改進(jìn)。D. Bhattacharyya[13]等在芳綸纖維復(fù)合材料鉆削加工試驗(yàn)中，采用不同冷卻方式：液氮冷卻和普通溫度下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明在低溫條件下降低了刀具的磨損率，減少了材料分層缺陷的現(xiàn)象。莊原[25]建立了霧化氣冷系統(tǒng)有效地解決鉆削熱排出困難的問(wèn)題，使出口溫度減低了20%。有效地提高了鉆削加工質(zhì)量，避免了熱損傷對(duì)加工質(zhì)量的影響。劉漢良等[26]論述了幾種刀具刃型結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，優(yōu)化了鉆削刀具結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。為切削刃與材料之間提供了合理的切入角度，能有效地防止產(chǎn)生大量的切削熱。

1.4 鉆削加工質(zhì)量

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中，芳綸纖維復(fù)合材料的鉆削加工質(zhì)量直接影響到工件裝配以及使用壽命。由于芳綸纖維復(fù)合材料的特殊力學(xué)性能，使芳綸纖維板在鉆削加工中產(chǎn)生諸多方面的缺陷；主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面如圖4所示[27]。這些缺陷嚴(yán)重地制約了芳綸纖維在各領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也給加工帶來(lái)了許多困難。分層、撕裂、毛刺和燒焦現(xiàn)象是芳綸纖維復(fù)合材料鉆削加工過(guò)程中最為常見(jiàn)的缺陷。這些缺陷通常出現(xiàn)在纖維板的入口和出口處，且出口處最為嚴(yán)重。

圖4 芳綸纖維復(fù)合材料鉆孔加工缺陷

鮑永杰等[28]認(rèn)為纖維材料加工出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象主要集中在刀具旋轉(zhuǎn)至切削方向與纖維方向<90°的切削區(qū)域。此時(shí)，纖維有足夠的退讓空間使纖維不易被切斷，進(jìn)而出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。莊原[25]采用不同的切削參數(shù)對(duì)芳綸纖維板鉆削加工，發(fā)現(xiàn)鉆削毛刺因子與進(jìn)給量成正比的關(guān)系，而與鉆削速度也有一定的關(guān)聯(lián)性。Konig等[29]通過(guò)優(yōu)化鉆頭對(duì)凱夫拉纖維進(jìn)行鉆削加工，表明刀具前角越小毛刺撕裂缺陷越小加工的孔表面越好。同時(shí)隨著鉆削速度的增加,孔的毛刺因子有明顯下降。加工后處理去毛刺過(guò)程所耗成本大約是整個(gè)加工成本的30%；因此，毛刺和撕裂缺陷是不容忽視的技術(shù)難題。

分層缺陷主要是指復(fù)合材料纖維與基體材料鋪層之間的分離破壞的現(xiàn)象。Chen等[30]提出了復(fù)合材料鉆削損傷分層因子，并確定了分層因子對(duì)加工分層缺陷程度的表征的一個(gè)重要指標(biāo)。分層缺陷是最為嚴(yán)重的加工缺陷形式，導(dǎo)致材料的使用性能和壽命下降，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致材料報(bào)廢[31]。分層缺陷通常是發(fā)生在刀具切入口或出口處最為嚴(yán)重[31]。Hitching等[33]運(yùn)用能量法對(duì)分層缺陷過(guò)程進(jìn)行建模，揭示鉆削分層的形成過(guò)程的機(jī)理。復(fù)合材料鉆孔過(guò)程中刀具入口和出口處分層缺陷產(chǎn)生可由圖5[34]表示。

圖5 鉆削AFRP時(shí)孔出入口分層機(jī)制

燒焦現(xiàn)象是由于刀具與復(fù)合材料在切斷纖維材料過(guò)程中發(fā)生劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱導(dǎo)致加工區(qū)域溫度急劇上升。從而使樹(shù)脂受熱直接熔化，致使材料加工表面出現(xiàn)發(fā)黑的燒焦現(xiàn)象[35]。燒焦缺陷使材料的力學(xué)性能急劇下降，同時(shí)樹(shù)脂和纖維材料會(huì)黏著在刀具表面，降低刀具加工性能[36-37]。因此，在加工中可采取有效的冷卻方式可避免燒焦缺陷。

2 芳綸纖維復(fù)合材料鉆削機(jī)理研究

AFRP屬于難加工材料,芳綸纖維的硬度大、加工質(zhì)量差、孔加工圓度差、刀具極易磨損及鉆孔入口和鉆出口處容易出現(xiàn)分層、撕裂、纖維被拉出等缺陷。為突破這些技術(shù)瓶頸，學(xué)者通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料的鉆削加工機(jī)理、鉆削力、鉆削刀具磨損、加工缺陷等進(jìn)行了研究，以推廣芳綸纖維復(fù)合材料在軍事、航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

2.1 材料去除機(jī)理

復(fù)合材料去除機(jī)理研究是二次加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)，芳綸纖維復(fù)合材料的切削加工，主要是刀具對(duì)纖維材料的切削和樹(shù)脂材料的切削去除過(guò)程。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)復(fù)合材料切削機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究得出較合理的機(jī)理理論基礎(chǔ)。Koplev[38]認(rèn)為復(fù)合材料其切屑形成過(guò)程，主要是纖維材料斷裂的過(guò)程。由于芳族纖維韌性大、強(qiáng)度高，Turrillo Jimeno[22]認(rèn)為芳綸纖維切削斷裂形式傾向于彎曲斷裂。溫泉等[39]認(rèn)為纖維材料切屑形成主要是以纖維材料和樹(shù)脂剪切斷裂為主。D.H.Wang等[40]采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行切削試驗(yàn)研究，分析了不同纖維方向角的切削過(guò)程中切屑的形成過(guò)程及纖維被切斷的機(jī)制。張厚江等[41-42]在此理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究及完善，提出了直角自由切削的方式研究纖維復(fù)合材料的切削機(jī)理。 切削方向與纖維方向的夾角稱(chēng)纖維方向角θ[34]。當(dāng)θ=0°時(shí)，刀具切削使芳綸纖維材料和樹(shù)脂粘結(jié)劑產(chǎn)生層間分離稱(chēng)層間分離型。當(dāng)0<θ≤90°時(shí)，切削斷裂形式是剪切斷裂型[42]。當(dāng)90°<θ≤180°時(shí)，此類(lèi)切屑加工方式由纖維的彎曲-剪切共同作用下導(dǎo)致芳綸纖維斷裂產(chǎn)生切屑，稱(chēng)彎曲剪切型[44]。Usui等[45]通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)纖維材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆削過(guò)程隨刀具不斷的旋轉(zhuǎn)，刀具切削方向與纖維方向角也不斷變化，材料去除形式也呈周期性變化，如圖6所示。

圖6 鉆削孔壁形成模型示意圖

2.2 刀具磨損機(jī)理

由于芳綸纖維的韌性和抗拉強(qiáng)度高，隨著鉆孔數(shù)目的增加，刀具劇烈磨損最終使切削變成耕犁過(guò)程直接影響孔的加工質(zhì)量。鉆孔加工刀具主要磨損方式是磨料磨損，主要表現(xiàn)為刀道后刀面、前刀面以及橫刃的磨損，其中后刀面磨損最為嚴(yán)重，而后刀面的磨損直接導(dǎo)致鉆削時(shí)刀具與工件的擠壓作用增加；最終導(dǎo)致徑向力劇增，致使加工缺陷產(chǎn)生進(jìn)而降低加工質(zhì)量[45]。

Teti[46]對(duì)復(fù)合材料加工進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為刀具磨損機(jī)理主要與纖維材料的物理力學(xué)性能有關(guān)。刀具橫刃和刀尖角對(duì)鉆削軸向力影響巨大，軸向力增大致使分層缺陷產(chǎn)生。當(dāng)?shù)毒吣p量達(dá)到一定程度時(shí)，刀刃被磨鈍，鋒利度下降，刀具的切削性能降低，導(dǎo)致在鉆削過(guò)程纖維層不易被切斷，產(chǎn)生劈裂毛刺現(xiàn)象等諸多缺陷。A. N. Shuaib等[16]采用TiN涂層刀具鉆削Kevlar纖維進(jìn)行鉆削試驗(yàn)研究，分析了后刀面的磨損情況，得出刀具磨損的組合磨損機(jī)制，磨損機(jī)制分3個(gè)區(qū)域，如圖7(a)所示，區(qū)域1由邊緣碎裂和壓縮塑性變形引起TiN涂層的斷裂而隨后的剝落，嚴(yán)重的磨損組合機(jī)制(如熱疲勞)。在區(qū)域2鉆頭在塑性變形期間切削刃沿邊緣區(qū)形成的升高的脊發(fā)生材料的移位。在鉆頭側(cè)面的區(qū)域3出現(xiàn)垂直于切削刃磨損痕跡的條紋，說(shuō)明微動(dòng)磨損機(jī)制的存在。這些劃痕均屬于磨粒磨損作用的結(jié)果，致使刀具基體上出現(xiàn)深淺不一的溝痕。

郭麗等[47]采用金剛石套料鉆對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削加工試驗(yàn)，結(jié)果表明刀具的磨損主要表現(xiàn)為金剛石磨料顆粒脫落、磨削力急劇增加、分層缺陷嚴(yán)重且孔表面有明顯的燒焦現(xiàn)象等，并對(duì)金剛石套料鉆頭金剛石顆粒度、刀具壁厚、水口數(shù)目的選取進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高了加工質(zhì)量和加工效率。D. Iliescu等[48]對(duì)纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，研究表明刀具磨損量與切削速度Vc成線性正比關(guān)系，普通刀具的磨損量與加工孔的個(gè)數(shù)成冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而涂層刀具磨損在涂層未脫落之前先是呈線性關(guān)系，涂層脫落之后則是遵循普通刀具的磨損規(guī)律，如圖7(b)所示。Turrillo Jimeno, J[22]認(rèn)為刀具磨損受到纖維的類(lèi)型、纖維方向角和體積分?jǐn)?shù)的影響極大，刀具磨損表現(xiàn)為切削刃的圓化，造成刀尖崩裂及側(cè)面磨損如圖7(c)和圖7(d)所示，且刀尖圓弧半徑磨損影響程度與鉆削深度成正比。由此可見(jiàn)，復(fù)合材料加工中刀具的磨損直接影響刀具壽命和材料的加工質(zhì)量，因此非常有必要對(duì)刀具磨損機(jī)理進(jìn)行深入研究。

圖7 刀具磨損形貌

3 鉆削質(zhì)量?jī)?yōu)化方法

為了進(jìn)一步擴(kuò)大AFRP的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料制孔加工技術(shù)進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，對(duì)提高AFRP孔加工質(zhì)量取得了許多的成果，為芳綸纖維復(fù)合材料的二次加工技術(shù)的指導(dǎo)和材料的應(yīng)用、推廣作了巨大貢獻(xiàn)。下面介紹幾種優(yōu)化AFRP制孔加工質(zhì)量的常見(jiàn)的一些方法。

3.1 選擇合理的刀具材料及幾何結(jié)構(gòu)

為保證鉆削過(guò)程中，避免各種缺陷的產(chǎn)生，對(duì)刀具的材料、幾何結(jié)構(gòu)、涂層材料提出一定的要求。合理的刀具材料及刀具結(jié)構(gòu)可以減少各種缺陷，降低鉆削力大小，有效地提高孔加工的質(zhì)量。

Abro[49]研究表明，纖維復(fù)合材料鉆削刀具普遍采用硬質(zhì)合金鋼和高速鋼為主，且采用硬質(zhì)合金鋼加工質(zhì)量更優(yōu)。Garrick[50]后期研制了一種聚晶金剛石鉆頭，提高了復(fù)合材料鉆孔的質(zhì)量。Turrillo[22]通過(guò)研究AFRP鉆削加工刀具壽命試驗(yàn)表明，鉆削力大小取決于纖維方向角和刀具幾何形狀，當(dāng)切削方向和纖維之間的角度為90°時(shí)鉆削力最大，而刀具前角和后角的增加也會(huì)導(dǎo)致鉆削力的減小。D. Bhattacharyya[13]等對(duì)芳綸復(fù)合材料制孔進(jìn)行研究，并采用普通麻花鉆與特殊刃型刀具改進(jìn)鉆頭幾何參數(shù)(負(fù)前角為-20°)采用液氮低溫冷卻加工方式。研究表明：通過(guò)優(yōu)化鉆頭幾何參數(shù)，孔的表面質(zhì)量得到顯著的提高，而且改進(jìn)的刀具加工后磨損量有明顯降低。A. N. Shuaib等[16]采用TiN涂層刀具對(duì)kevlar?49復(fù)合材料進(jìn)行高速鉆削研究，表明涂層刀具工件加工的表面質(zhì)量有明顯的改善，且刀具使用壽命更長(zhǎng)。袁軍堂等[51]通過(guò)研究刀具材料及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)比普通鉆型、三尖二刃鉆型和磨尖鉆型。研究結(jié)果表明三尖二刃鉆型鉆孔效果最好，得到的孔質(zhì)量最佳。王丹等[52]研制了金剛石套料鉆孔刀具，在制孔試驗(yàn)中取得良好的制孔加工質(zhì)量。

此外，馬力等[53]結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)出斜面鉆、多齒空心鉆的新型刀具，提高了孔的加工質(zhì)量，有效地解決了大孔加工難排屑的技術(shù)難題，這種刀具成功的應(yīng)用于大飛機(jī)機(jī)翼和衛(wèi)星天線支架材料孔加工領(lǐng)域。

3.2 優(yōu)化加工切削參數(shù)

在鉆削加工中切削參數(shù)尤其是切削速度與進(jìn)給率的比值對(duì)分層的產(chǎn)生有著巨大的影響。因此，優(yōu)化加工參數(shù)有利于減少鉆削過(guò)程中切削力的大小，進(jìn)而減少分層缺陷的產(chǎn)生，提高孔的加工質(zhì)量。

蔣海濱等[54]對(duì)芳綸纖維殼體后加工研究表明，孔的加工質(zhì)量與切削參數(shù)有著密切的聯(lián)系：主軸轉(zhuǎn)速增加，孔的表面越光滑且分層越小，進(jìn)給量增加時(shí)出口處分層越明顯。M. S. Won等[17]基于模型的控制算法，通過(guò)對(duì)比芳綸纖維和碳纖維復(fù)合材料的制孔加工試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了ACC智能控制器算法，為不同材料鉆孔時(shí)，根據(jù)直徑大小自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速率，確保鉆削力小于分層臨界推力值，保證無(wú)損傷加工，同時(shí)保持高效生產(chǎn)。低進(jìn)給率雖然可以提高孔的加工質(zhì)量，但是使加工時(shí)間變長(zhǎng)且加劇了刀具的磨損。為了解決這一技術(shù)難題，Stone R等[55]采用自適應(yīng)智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，優(yōu)化自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給率的方法有效地解決了上述技術(shù)問(wèn)題。

3.3 優(yōu)化鉆削加工條件

復(fù)合材料的制孔分層缺陷主要發(fā)生在刀具在材料臨界出口處，直接擠壓分離破壞致使分層缺陷的產(chǎn)生。為此，改進(jìn)鉆孔時(shí)優(yōu)化鉆削條件對(duì)提高芳綸纖維復(fù)合材料在制孔時(shí)加工質(zhì)量非常必要。

鄭雷等[56]在研究芳綸纖維復(fù)合材料鉆孔加工機(jī)理中，提出了在鉆削刀具入口處給材料施加預(yù)緊力并且在刀具出口處加了下支撐板的新工藝加工方法。這種方法阻止了材料底層板因刀具退讓而產(chǎn)生的彎曲變形，有效地抑制了分層缺陷的產(chǎn)生。其他學(xué)者通過(guò)有限元仿真模擬加工，與有無(wú)支撐板進(jìn)行對(duì)比，同樣表明有支撐板鉆削時(shí)可以限制纖維板的變形進(jìn)而減少分層損傷的現(xiàn)象[57]。在鉆削過(guò)程中由于主軸的振動(dòng)也會(huì)影響加工質(zhì)量，Arul S[58]等采用振動(dòng)輔助鉆削裝置對(duì)纖維材料進(jìn)行鉆削加工，并通過(guò)壓電晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)的間歇加工方式，獲得了較好的孔加工質(zhì)量。此外，還有些學(xué)者通過(guò)預(yù)熱鉆頭的方法進(jìn)行鉆削加工，這種方法有效地減少了鉆削軸向力，改善了分層缺陷，但鉆頭預(yù)熱和鉆削時(shí)的溫升將對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，使材料強(qiáng)度明顯降低[59]。

這些工藝方法很大程度地提高了芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械加工質(zhì)量，但是裝夾支撐板增加了操作時(shí)間成本。因此，設(shè)計(jì)更加合理的工藝方法以及開(kāi)發(fā)先進(jìn)的設(shè)備以減少分層損傷是今后一個(gè)重要的課題。

4 結(jié)語(yǔ)

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的鉆削加工技術(shù)比碳纖維和傳統(tǒng)材料制孔要困難得多，且加工技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致制孔工藝過(guò)程中出現(xiàn)諸多的加工缺陷。鉆削加工缺陷嚴(yán)重限制了芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、軍工防彈護(hù)甲等領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，這也是今后研究者要攻克的技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。今后可從以下幾個(gè)方面繼續(xù)加大對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料鉆孔技術(shù)的研究：

1) 運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，揭示鉆削過(guò)程中材料去除的機(jī)理、溫度場(chǎng)分布和溫升問(wèn)題。

2) 研制芳綸纖維復(fù)合材料鉆削加工的專(zhuān)用高性能鉆頭并建立刀具數(shù)據(jù)庫(kù)，提高刀具耐磨性和使用壽命。

3) 研制高速鉆削加工機(jī)床，提高主軸轉(zhuǎn)速、提高機(jī)床剛度以及開(kāi)發(fā)機(jī)床通用且高效的冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)芳綸纖維復(fù)合材料高速高精密鉆削加工。

4) 開(kāi)發(fā)芳綸纖維復(fù)合材料鉆削加工專(zhuān)用的試驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)鉆削操作、鉆削過(guò)程監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制一體化技術(shù)。

5) 開(kāi)發(fā)芳綸纖維鉆削加工的在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并可針對(duì)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。