三種鉆頭鉆削CFRP軸向力的時變曲線及預測

邱新義 李鵬南 陳安華 牛秋林 黃文亮

（1 湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

（2 湖南科技大學機械設備健康維護省重點實驗室，湘潭 411201）

文 摘 采用二刃、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭鉆削CFRP單向板，研究鉆削過程中軸向力時變曲線的特征，并探索用預測軸向力時變曲線上的關鍵拐點的方法來構建預測軸向力時變曲線模型。結果表明：三刃雙鋒角鉆頭的軸向力時變曲線最為穩(wěn)定，鉆削過程最為穩(wěn)定；軸向力最大的是三刃雙鋒角鉆頭，其次是圓弧形鉆頭，最小的是二刃雙鋒角鉆頭，說明二刃雙鋒角鉆頭適合鉆削CFRP；用預測軸向力時變曲線上的關鍵拐點的方法構建的軸向力時變曲線可以很好地預測雙鋒角鉆頭軸向力時變曲線。

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空和航天等國防高科技領域有著廣泛的應用，其優(yōu)點是具有很好的抗塑變性和抗震性能，高硬度和拉伸強度［1］。由于它存在獨特的性能，使得它成為一種難加工材料。復合材料構件使用近凈成型的方式制造，為滿足最終設計需求，后續(xù)的機械加工必不可少，如鉆削和銑削等。鉆削是CFRP層合板的最重要加工方法之一，通常也是航空結構件裝配的最后工序［2］。在CFRP層壓板鉆削過程中，最重要的階段是在鉆孔入口和出口附近。由于存在剝離和推出效應，在這兩個位置容易發(fā)生分層，導致不可修復的損傷。其中，由于鉆頭的推力造成的分層損傷是鉆削過程最主要的難題之一［3-4］。以往學者做了大量試驗研究加工條件（加工參數(shù)和刀具結構）與切削力、扭矩、刀具磨損及鉆孔質量之間的關系。CHEN［5］研究了加工參數(shù)與分層之間的關系，發(fā)現(xiàn)在鉆削單向CFRP層合板時軸向力與分層之間存在線性關系，并且后刀面磨損增加會導致分層加劇。LAZAR［6］研究了不同刀具結構和加工參數(shù)對鉆削軸向力的影響，在低進給量計算了切削力沿切削刃的分布，研究表明進給量和刀具結構是影響切削力的最大因素。KARPAT等［7-8］進行了雙峰角鉆頭鉆削CFRP的試驗研究，指出在參數(shù)的選擇過程中工件材料性能、加工條件和刀具結構是必須考慮的內容。XU等［9］用匕首鉆和普通麻花鉆鉆削T800S/250F碳纖維增強復合材料，結果表明鉆削軸向力的增加導致分層惡化，匕首鉆比普通麻花鉆具有更好的鉆削性能。?ELIK等［10］磨制了四種不同的鉆頭鉆削CFRP層合板，研究了加工參數(shù)和刀具幾何特征對軸向力和剝離分層的影響，指出鉆尖角和橫刃長度對最大軸向力和分層影響最大。劉洋等［11-12］使用雙峰角鉆頭鉆削碳纖維復合材料，表明雙峰角鉆頭可以降低入出口鉆削軸向力，有效抑制入出口撕裂、毛刺等缺陷。綜上所述，減少鉆削推力的方法主要有二個：一是降低進給量；一是優(yōu)化刀具結構。不同結構的鉆頭對鉆削軸向力的影響很大。賈振元等［13］認為軸向力歸零速度與出口分層因子有較好的正相關性，軸向力歸零速度與鉆頭切削刃結構密切相關，而切削刃結構決定了軸向推力時變曲線。因此，研究軸向推力時變曲線對優(yōu)化切削刃結構具有重要意義。雙鋒角鉆頭在鉆削CFRP復合材料時在降低最大軸向力方面有很大的優(yōu)勢。本文研究二刃、三刃雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭鉆削過程的軸向力時變曲線的特征，并探索用預測軸向力時變曲線上關鍵拐點的方法來構建預測軸向力時變曲線模型，并分析CFRP鉆削過程。

1 試驗設計

工件材料為T800S/250F，同向鋪層（纖維均為0°方向），板厚為4.9 mm。刀具是用超細晶粒硬質合金棒料在ANCA RX7上磨制的硬質合金鉆頭，鉆頭直徑為Φ6 mm。棒料牌號為ST12F，其WC晶粒尺寸為0.2～0.3 μm。設備連接如圖1所示。試驗在KVC800/1（四川長征機床）上進行，鉆削軸向力是由Kistler 9253B23三向壓電式測力儀測得，相關采集設備包括5070A型電荷放大器、PCIM-DAS1602/16數(shù)據(jù)采集卡和切削力采集軟件Dyno Ware。表1是鉆頭參數(shù)特征表。試驗為全因素實驗，主軸轉速（n）的取值為1500、3500和5500 r/min，進給量（f）的取值為0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 mm/r，每種刀具15組實驗。

圖1 刀具及工件裝夾Fig.1 Tools and device set-up

表1 鉆頭參數(shù)特征表Tab.1 Drill characteristics

2 結果及分析

2.1 軸向力時變曲線分析

圖2是三種鉆頭在n=3500 r/min和f=0.04 mm/r時鉆削CFRP復合材料的軸向力時變曲線。圖2（a）是二刃雙鋒角鉆頭鉆削的各個階段，A1階段是橫刃從接觸工件到完全進入工件，此階段橫刃只是在擠壓工件，因此軸向力增大最快。A2階段是第一主切削刃剛開始參與鉆削到第二主切削完全參與鉆削，此階段軸向力增加比第一階段緩慢，且此階段結束后軸向力達到最大值。從A2階段軸向力信號的振幅可以知道，隨著主切削刃參與切削的長度增加，切削力信號的振幅增大，振幅最大的位置與最大軸向力的位置一樣。原因在于同時參與切削的切削刃長度增大，造成切削力增大，影響鉆削的平穩(wěn)，從而振動增大。A3階段是從第二主切削刃完全參與切削到橫刃即將鉆出板底，此階段由于鉆削熱量的積累，切削溫度升高，導致鉆削軸向力有所下降。A4階段是從橫刃開始鉆穿CFRP板底到孔完全成型，此過程軸向力逐漸減少到零。

圖2 三種鉆頭鉆削CFRP板的軸向力時變曲線Fig.2 Thrust force vs time curves of drilling CFRP with three kinds of drills

圖2（a）和（b）比較發(fā)現(xiàn)二刃雙鋒角鉆頭和三刃雙鋒角鉆頭的軸向力變化曲線相似。不同的地方在于三刃雙鋒角鉆頭的軸向力信號的振幅遠小于二刃雙鋒角鉆頭的。其原因一方面在于三刃雙鋒角鉆頭的每齒進給量比二刃雙鋒角鉆頭的小，主切削刃上的切削抗力減小；另一方面，三刃雙鋒角鉆頭的三條主切削刃與工件同時接觸有利于切削穩(wěn)定。

圖3是三種鉆頭軸向力時變曲線對比圖。二刃雙鋒角鉆頭的鉆削軸向力比三刃雙鋒角鉆頭的小，主要是橫刃和第一主切削刃鉆削過程中，三刃雙鋒角鉆頭的軸向力大很多。其原因是橫刃部分的結構不一樣，二刃雙鋒角鉆頭的橫刃較短；而三刃雙鋒角鉆頭的頂部非常鈍，不利于切削，造成軸向力很大。

圖3 軸向力時變曲線對比圖Fig.3 Comparison of time varying curves of thrust force

圓弧形鉆頭與二刃雙鋒角鉆頭相比，二刃雙鋒角鉆頭的鉆削軸向力較小。圖4是雙鋒角鉆頭和圓弧形鉆頭鉆削示意圖。雖然圓弧形鉆 頭 的 橫 刃長度幾乎為零，但圓弧形鉆頭相當于二刃多鋒角鉆頭，圓弧形鉆頭的主切削刃長度大于二刃雙鋒角鉆頭的長度。當主切削刃全部參與切削時，圓弧形鉆頭與工件接觸的長度大于二刃雙鋒角鉆頭，造成軸向力增大。

圖4 鉆削示意圖Fig.4 Drilldiagramsofarcshapeddrillanddoublepointangledrill

2.2 最大軸向力

圖5是最大軸向力隨切削參數(shù)的變化圖。

圖5 最大軸向力隨切削參數(shù)的變化Fig.5 The variation of maximum thrust force with the cutting parameters

隨著每轉進給量的增加，三種刀具的最大軸向力都增加。二刃雙鋒角鉆頭和三刃雙鋒角鉆頭的最大軸向力，在小進給量下（f=0.01 mm/r），都隨著主軸轉速的增加而減小，變化的范圍比較??；在較大進給量下（f＞0.03 mm/r），隨著主軸轉速的增加變化不明顯。每轉進給量增大，被切削材料的厚度增大，切削抗力增大，導致軸向力增大。圖6是三種鉆頭最大軸向力對比圖。三刃雙鋒角鉆頭的最大軸向力最大，其次是圓弧形鉆頭，最小的是二刃雙鋒角鉆頭。從最大軸向力隨每轉進給量的增長速率來看，三刃雙鋒角鉆頭的增長最快，其次是圓弧形鉆頭，二刃雙鋒角鉆頭最小。

圖6 三種鉆頭最大軸向力對比Fig.6 Comparison of the maximum thrust force between three kinds of drills

2.3 鉆削過程軸向力時變曲線預測

從前面的鉆削過程軸向力分析可知，對于雙鋒角鉆頭只需要知道圖2（a）和（b）中的O、P和Q三個點的軸向力值，而對于圓弧形鉆頭只需知道圖2（c）中的J和K兩點的軸向力值，就可以根據(jù)加工參數(shù)、鉆頭幾何尺寸及工件厚度畫出軸向力近似的時變曲線。將轉速n=3500 r/min和f=0.05 mm/r的軸向力保留進行后續(xù)的驗證。根據(jù)每種刀具其余14組實驗的軸向力，采用線性回歸的方法，分別求得二刃雙鋒角鉆頭的軸向力時變曲線上O、P、Q三點的經(jīng)驗公式：

刃雙鋒角鉆頭的軸向力時變曲線上O、P、Q三點的經(jīng)驗公式：

圓弧形鉆頭的軸向力時變曲線上J、K兩點的經(jīng)驗公式：

從系列公式可以看出，n指數(shù)的絕對值＜f指數(shù)的絕對值，說明n對軸向力的影響＜f。根據(jù)上述經(jīng)驗公式計算出n=3500 r/min，f=0.05 mm/r時軸向力時變曲線上的關鍵拐點，圖7為軸向力的實驗與預測曲線對比圖。

圖7 軸向力的實驗曲線與預測曲線對比Fig.7 Comparison between experimental curves and prediction curves of thrust force

顯然圖7（a）和（b）的軸向力時變曲線實驗的和預測的一致性很高。圖7（c）上的軸向力時變曲線的實驗與預測曲線上升和下降階段有些差距，但拐點位置的一致性很高。圓弧形鉆頭存在差距的原因在于主切削刃是弧形，隨著鉆削深度的增加，軸向力呈非線性增大，導致試驗與預測曲線存在一定差距。

3 結論

（1）三種鉆頭在CFRP板鉆削過程中，三刃雙鋒角鉆頭的軸向力時變曲線最為穩(wěn)定，鉆削過程最為穩(wěn)定；（2）三種鉆頭在CFRP板鉆削過程中，軸向力最大的是三刃雙鋒角鉆頭，其次是圓弧形鉆頭，二刃雙鋒角鉆頭最小。從最大軸向力隨每轉進給量的增長速率來看，三刃雙鋒角鉆頭的增長最快，其次是圓弧形鉆頭，最后是二刃雙鋒角鉆頭；（3）采用經(jīng)驗公式預測軸向力時變曲線的關鍵拐點，然后獲得預測軸向力的時變曲線，可以很好地預測在不同加工參數(shù)下雙鋒角鉆頭軸向力的時變曲線。