復(fù)鈦疊層超聲橢圓振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)研究

邵振宇，李 哲，張德遠(yuǎn)，耿大喜，姜興剛

（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）

碳纖維復(fù)合材料與鈦合金（Ti6Al4V）由于具有良好的綜合性能被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。其中，碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)中所占比重更成為衡量飛機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)[1-2]。但是，碳纖維復(fù)合材料和鈦合金均屬于難切削加工材料。碳纖維復(fù)合材料脆性大、強(qiáng)度高、碳纖維硬度大、導(dǎo)熱能力差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/10～1/5。碳纖維的高硬度導(dǎo)致其在加工時(shí)刀具磨損快，刀具耐用度低。另外，碳纖維復(fù)合材料各向異性、層間強(qiáng)度低，在切削時(shí)受切削力作用易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，在鉆孔時(shí)尤為嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證[3-4]。鈦合金的比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、加工硬化嚴(yán)重。由于其化學(xué)活性大，在一定溫度下易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生脆而硬的外皮，加工時(shí)的塑性和沖擊韌性劇烈下降，導(dǎo)致刀具磨損和破損情況嚴(yán)重，耐用度低，加工精度和表面質(zhì)量也難以保證，加工效率低[5]。因此，兩者疊加在一起所形成的疊層材料緊固孔的加工難度可想而知。

為了解決疊層材料鉆孔過(guò)程中由于軸向力過(guò)大而出現(xiàn)的復(fù)材分層、撕裂及鈦合金出口處毛刺嚴(yán)重等問(wèn)題，波音公司采用的方法是監(jiān)控鉆削疊層材料時(shí)的軸向力，當(dāng)軸向力變大時(shí)降低工具轉(zhuǎn)速以便加工鈦合金[6]。國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制造公司在加工緊固孔時(shí)大多采用的是將疊層材料分開(kāi)鉆孔、疊合起來(lái)多步鉸孔的方式，故疊層材料中各材料都存在自身的鉆削缺陷，且工人技術(shù)要求高、工作量大、效率低[7]。

本文將超聲橢圓振動(dòng)輔助加工方式引入復(fù)鈦疊層材料的緊固孔加工中，利用超聲加工降低切削力和切削溫度、改善孔表面粗糙度、減小孔出口毛刺高度、降低刀具磨損及改善斷屑和排屑效果特性，從而解決疊層材料緊固孔加工的難題，并通過(guò)與普通鉆削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲橢圓振動(dòng)鉆削能降低軸向力及扭矩、加工過(guò)程平穩(wěn)且加工精度與表面粗糙度均有明顯提升的結(jié)論。

1 超聲橢圓振動(dòng)鉆削機(jī)理

刀具超聲橢圓振動(dòng)制孔的運(yùn)動(dòng)方式是：刀刃上任意一點(diǎn)Q在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Vn和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)Vf的基礎(chǔ)上，同時(shí)由于受到換能器的激勵(lì)而在徑向平面內(nèi)的X、Y二個(gè)垂直方向發(fā)生Asin（ωt）和Acos（ωt）正弦波振動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式[8-9]（圖1、圖2）。

圖1 刀具模型

圖2 刀具運(yùn)動(dòng)模型

為了便于研究刀刃Q點(diǎn)在刀具徑向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，將Q點(diǎn)的徑向平面剖面線沿圓周方向拉直定義為Y1軸，以O(shè)1點(diǎn)為新原點(diǎn)，X1軸與原X軸方向一致，則形成新的直角坐標(biāo)系O1X1Y1（圖3）。Q點(diǎn)在X1和Y1方向上分別為正弦波振動(dòng)，即其振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

式中：A為X1、Y1振動(dòng)方向上的振幅，μm；ω 為振動(dòng)角頻率，rad/s。

而Q點(diǎn)同時(shí)在Y1方向的線速度為原切向速度Vn，則其在Y1方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

故如圖 3 所示，由式（1）、式（2）可知，Q點(diǎn)在平面O1X1Y1內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

由式（3）可得刀具在平面O1X1Y1內(nèi)相對(duì)于工件的速度為：

圖3 刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡

超聲橢圓振動(dòng)切削的分離特性，使刀具存在空切過(guò)程，這極大地降低了平均切削力與扭矩，有利于折斷切屑。由于超聲振動(dòng)切削速度的周期性變化，刀具前刀面與切屑的摩擦力方向也會(huì)產(chǎn)生周期性變化，從而有利于切屑順利排出。

2 超聲橢圓振動(dòng)鉆削復(fù)鈦疊層實(shí)驗(yàn)

復(fù)材分層、撕裂是疊層材料緊固孔加工的常見(jiàn)缺陷，主要原因是復(fù)材層間的強(qiáng)度低、鉆削軸向力過(guò)大。同樣，對(duì)于鈦合金制孔而言，降低鉆削軸向力能有效保證鉆削過(guò)程平穩(wěn)、減少刀具磨損和出口毛刺。因此，本文通過(guò)超聲橢圓振動(dòng)加工和普通加工實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證振動(dòng)加工能降低軸向力的特性，從而抑制復(fù)材分層，提高鉆削鈦合金的加工效率，改善孔的加工精度及表面質(zhì)量。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的碳纖維復(fù)合材料板和鈦合金（Ti6Al4V）板的厚度均為10 mm，鈦合金材料的屬性見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)

如圖4所示，采用自行研制的超聲振動(dòng)鉆削主軸和超聲電源，并利用BV100立式加工中心平臺(tái)進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料、鈦合金制孔實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，采用9272A壓電測(cè)力系統(tǒng)測(cè)量復(fù)合材料、鈦合金在普通鉆削和超聲鉆削過(guò)程中的鉆削力和扭矩，采用LKG5000非接觸激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量群鉆刀尖振幅（圖5），用內(nèi)徑千分尺和粗糙度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量孔徑尺寸及孔表面粗糙度。

使用普通鉆削和超聲橢圓振動(dòng)鉆削分別對(duì)碳纖維復(fù)合材料、鈦合金進(jìn)行軸向力實(shí)驗(yàn)的參數(shù)條件見(jiàn)表2和表3。

表1 鈦合金工件材料屬性

圖4 超聲橢圓振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5 刀具鉆尖振幅的非接觸激光測(cè)量示意圖

表2 超聲橢圓振動(dòng)鉆削復(fù)合材料的軸向力實(shí)驗(yàn)條件

表3 超聲橢圓振動(dòng)鉆削鈦合金的軸向力實(shí)驗(yàn)條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 碳纖維復(fù)合材料鉆削對(duì)比實(shí)驗(yàn)

采用兩把新刀具分別以普通鉆削和超聲橢圓振動(dòng)鉆削的方式各加工10個(gè)孔，測(cè)得的鉆削軸向力和扭矩見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，超聲橢圓振動(dòng)鉆削碳纖維復(fù)合材料的平均軸向力及扭矩均比普通鉆削時(shí)更低，降幅分別達(dá)16%～25%和36%～44%，且超聲橢圓振動(dòng)鉆削時(shí)的平均軸向力曲線和扭矩曲線均較平穩(wěn)，表明超聲鉆削過(guò)程更穩(wěn)定。隨著制孔數(shù)目的增加，普通鉆削和超聲橢圓振動(dòng)鉆削時(shí)的平均軸向力及扭矩均呈增大的趨勢(shì)，且普通鉆削時(shí)的增幅更大，分析原因：超聲橢圓振動(dòng)具有分離切削的特性，刀具與工件周期性分離切削能有效降低切削力、扭矩及切削溫度，并減少刀具磨損，相較于普通鉆削過(guò)程更加平穩(wěn)；但隨著孔加工數(shù)量的增多，刀具磨損加劇，超聲橢圓振動(dòng)鉆削將逐漸失去降低切削力及扭矩的特性。

圖6 兩種工藝鉆削碳纖維復(fù)合材料的平均軸向力及扭矩

3.2 鈦合金材料鉆削對(duì)比實(shí)驗(yàn)

以普通鉆削、超聲橢圓振動(dòng)鉆削的方式對(duì)鈦合金進(jìn)行制孔的軸向力和扭矩對(duì)比見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，兩種鉆削方式的平均軸向力在鉆入和鉆出的階段有所差異，超聲振動(dòng)鉆削在鉆入與鉆出的階段能更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證加工精度與質(zhì)量。在穩(wěn)定切削階段，超聲振動(dòng)鉆削的平均軸向力遠(yuǎn)小于普通鉆削，降幅達(dá)40%，且鉆削過(guò)程波動(dòng)較小，超聲振動(dòng)鉆削的扭矩相較于普通鉆削時(shí)也有所下降。

采用普通鉆削與超聲橢圓振動(dòng)鉆削分別連續(xù)鉆削3個(gè)孔，并用內(nèi)徑千分尺與粗糙度測(cè)量?jī)x分別檢測(cè)其孔徑精度和孔表面粗糙度（終孔的表面粗糙度），結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，超聲橢圓振動(dòng)鉆削所得的孔徑精度更高，孔的表面質(zhì)量更好。

表4 孔徑及孔表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果

圖7 兩種工藝鉆削鈦合金的平均軸向力及扭矩

兩種鉆削工藝的切屑效果見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，超聲橢圓振動(dòng)鉆削的切屑均勻、形狀規(guī)則，而普通鉆削的切屑形狀各異，且厚度不同。分析原因：超聲橢圓振動(dòng)鉆削過(guò)程中軸向力小，鉆削過(guò)程較平穩(wěn)，且由于其周期性分離的特性，切屑能被周期性折斷；而普通鉆削時(shí)軸向力大，鉆削過(guò)程波動(dòng)較大，且易出現(xiàn)“卡刀”現(xiàn)象，導(dǎo)致切屑呈現(xiàn)形狀不一、薄厚明顯不同的情況。

圖8 兩種工藝鉆削鈦合金的切屑對(duì)比圖

因此，相比于普通鉆削，采用超聲橢圓振動(dòng)鉆削能獲得良好的斷屑效果，改善了切屑的排出效果和切削過(guò)程的穩(wěn)定性，降低了鉆削的軸向力及扭矩，可有效防止復(fù)材分層、撕裂，減少鈦合金材料的孔出口毛刺，提升了孔的加工精度和表面質(zhì)量，同時(shí)能有效地降低刀具、切屑、工件之間的摩擦效應(yīng)，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

4 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)鈦疊層制孔中因軸向力過(guò)大導(dǎo)致的復(fù)材分層、撕裂及鈦合金鉆削過(guò)程波動(dòng)較大、刀具磨損嚴(yán)重、出口毛刺較高等問(wèn)題，將超聲橢圓振動(dòng)加工引入復(fù)鈦疊層緊固孔的鉆削加工中，通過(guò)對(duì)超聲橢圓振動(dòng)鉆削過(guò)程進(jìn)行分析，得到了降低切削力的機(jī)理，并進(jìn)行了與普通鉆削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)超聲橢圓振動(dòng)鉆削過(guò)程進(jìn)行分析得到其運(yùn)動(dòng)軌跡方程，并初步揭示了超聲橢圓振動(dòng)鉆削降低切削力及扭矩、改善斷屑和排屑效果的機(jī)理，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）復(fù)材鉆削的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動(dòng)鉆削復(fù)合材料時(shí)的平均軸向力及扭矩均明顯降低，降幅分別達(dá)16%～25%和36%～44%，且超聲橢圓振動(dòng)鉆削的平均軸向力和扭矩變化波動(dòng)較小，表明鉆削過(guò)程更平穩(wěn)。

（3）鉆削鈦合金測(cè)力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動(dòng)鉆削的軸向力下降約40%，且超聲橢圓振動(dòng)鉆削時(shí)平穩(wěn)的切削力及扭矩曲線表明其鉆孔切削過(guò)程較穩(wěn)定，且切屑的厚度均勻、呈節(jié)狀，超聲振動(dòng)鉆削的孔徑精度和孔表面粗糙度明顯優(yōu)于普通鉆削，有效改善了普通鉆削鈦合金制孔的難加工問(wèn)題。

因此，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動(dòng)鉆削的分離斷續(xù)脈沖式切削特性使其明顯增強(qiáng)了鉆頭切削能力，降低了切削力及扭矩，能有效防止復(fù)合材料分層、撕裂，并改善鈦合金鉆孔過(guò)程中的鉆削困難等情況，提升了切削加工穩(wěn)定性，減小了孔出口毛刺高度，獲得了良好的斷屑和排屑效果，提高了加工效率和孔表面質(zhì)量。