碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料新鉆型鉆削制孔試驗(yàn)研究

蘇 飛 袁 億 蔣驍捷 鄧朝暉 孫富建

（1 湖南科技大學(xué)智能制造研究院，湘潭 411201）

（2 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

（3 湖南科技大學(xué)，教育部先進(jìn)礦山裝備工程研究中心，湘潭 411201）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、耐腐蝕、耐摩擦等特性，已成為新型飛機(jī)的首選結(jié)構(gòu)材料［1-3］，被廣泛用于機(jī)身和機(jī)翼的承力部位，大大減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高飛機(jī)性能。

在CFRP結(jié)構(gòu)件的裝配連接中，鉆削加工在后續(xù)機(jī)械加工中占有重要地位，是最為繁重的機(jī)械加工工序之一，如大型飛機(jī)A350XWB機(jī)身前段和中段需要加工3.6萬(wàn)個(gè)連接孔，尾翼需要加工0.5萬(wàn)個(gè)連接孔［4］。但由于層間連接強(qiáng)度差、材料硬度高等特點(diǎn)，加工中常出現(xiàn)毛刺、分層、撕裂等加工缺陷，嚴(yán)重影響制孔質(zhì)量和材料性能［5-7］。

研究表明，鉆頭結(jié)構(gòu)和刃型直接決定刀具-工件的接觸狀態(tài)和切削過(guò)程，對(duì)CFRP制孔缺陷的形成極為重要［8］。針對(duì)CFRP制孔加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了多種制孔刀具，以在傳統(tǒng)麻花鉆的基礎(chǔ)上衍生的特殊形狀鉆頭最為突出。Z.JIA等［8］采用4種不同幾何形狀的鉆頭（麻花鉆、階梯鉆、匕首鉆和圓弧鉆）對(duì)CFRP層合板進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，指出匕首鉆具有較好的制孔效果。P.DURAO等［9］對(duì)比分析了麻花鉆和多種特殊結(jié)構(gòu)鉆，結(jié)果表明，相同鉆削參數(shù)下鉆削力和分層因子的大小相差較大，匕首鉆和多刃尖鉆的制孔效果最為理想，其次是階梯鉆。N.FEITO等［10］總結(jié)了鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各種鉆型的刀具，并對(duì)比分析了匕首鉆、燭芯鉆和階梯鉆，結(jié)果表明，在鉆削CFRP時(shí)匕首鉆是最為理想的選擇。這些特殊形狀的鉆頭在一定程度上均能有效降低制孔缺陷，改善制孔質(zhì)量。

本文針對(duì)制孔缺陷問(wèn)題，在現(xiàn)有鉆型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了新鉆型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了新鉆型制孔缺陷的形成過(guò)程，以及研究了新鉆型刃型結(jié)構(gòu)和刀具材料對(duì)鉆削軸向力和制孔缺陷的影響規(guī)律。

1 新鉆型設(shè)計(jì)

在CFRP制孔過(guò)程中，孔邊緣極易產(chǎn)生毛刺、分層和撕裂等加工缺陷，尤其以孔出口最為嚴(yán)重?？壮隹诘淖罱K毛刺、分層和撕裂等加工缺陷將在主切削刃作用下最終形成，因而，主切削刃的切削性能對(duì)最終孔的質(zhì)量至關(guān)重要［8］。研究表明，CFRP制孔缺陷的形成與制孔過(guò)程中鉆削軸向力的大小和材料的去除方式密切相關(guān)，而鉆型結(jié)構(gòu)直接決定了鉆削軸向力大小和材料去除方式［11］。因此，鉆頭主切削刃的構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)主切削刃切削性能的影響和CFRP制孔缺陷的控制極為重要。

對(duì)于CFRP制孔缺陷的形成，表層制孔缺陷形成的主要原因在于纖維缺乏約束，在軸向力作用下易產(chǎn)生“避讓”［1，3，12］。而諸多刀具的設(shè)計(jì)原理歸根結(jié)底是為了有效規(guī)避纖維“避讓”。宿友亮等［12］指出纖維在強(qiáng)約束和背部足夠支撐應(yīng)力下易被“齊根去除”，可從源頭上控制制孔缺陷的產(chǎn)生。為有效規(guī)避纖維“避讓”，降低CFRP孔出口制孔缺陷，提出了逐步控制制孔缺陷產(chǎn)生的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合匕首鉆、多刃尖鉆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新型鉆頭結(jié)構(gòu)［13］，如圖1所示。該新鉆型可分為4個(gè)主要的切削刃部，即鉆尖（Ⅰ）、擴(kuò)削刃（Ⅱ）、多刃尖（Ⅲ）和第二擴(kuò)削刃（Ⅳ）。其中，V型的多刃尖（Ⅲ）和第二擴(kuò)削刃（Ⅳ）是對(duì)現(xiàn)有多刃尖鉆進(jìn)行的改進(jìn)。試驗(yàn)表明，V型刃口的設(shè)計(jì)能能有效、及時(shí)切斷纖維，達(dá)到降低制孔缺陷的目的，是該新鉆型最為關(guān)鍵的部位，是新鉆型的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

圖1 新鉆型的設(shè)計(jì)［13］Fig.1 Design of the novel drill［13］

2 試驗(yàn)方案

2.1 制孔刀具及工件材料

為系統(tǒng)對(duì)比分析V型刃不同結(jié)構(gòu)的制孔效果，設(shè)計(jì)了直線型和圓弧型兩種結(jié)構(gòu)類似的刃型，并采用整體硬質(zhì)合金（YG6X）和釬焊PCD刀片兩種方式制作刀具進(jìn)行試驗(yàn)研究，4把刀具如圖2所示，其中，Tz1為直線刃型整體硬質(zhì)合金鉆頭；Tq1為圓弧刃型整體硬質(zhì)合金鉆頭；Tz2為直線刃型釬焊PCD刀片鉆頭；Tq2為圓弧刃型釬焊PCD刀片鉆頭。兩種鉆型的主要區(qū)別在于鉆尖和V型刃是否采用弧形過(guò)渡。從設(shè)計(jì)和鉆削原理來(lái)看，兩種鉆型具備相同的鉆削功能。刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致，其中，刀具的直徑均為φ12 mm。

試驗(yàn)所采用的工件材料為平紋編織碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板（T300／環(huán)氧樹(shù)脂，CFRP），板厚度為5 mm，單束纖維的平均厚度約為0.2 mm，平均寬度約為2.5 mm，纖維直徑為7～8μm，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%～65%。

圖2 試驗(yàn)裝置及新鉆型Fig.2 Experimental setups and novel drills

在KVC1050M立式加工中心上采用無(wú)冷卻方式進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速n在2 000～5 000 r／min內(nèi)取值（取值間距為1 000 r／min），進(jìn)給速度vf在105～420 mm／min內(nèi)取值（取值間距為105 mm／min）。為分析新鉆型制孔缺陷的形成過(guò)程，在主軸轉(zhuǎn)速n＝2 000 r／min和vf＝105mm／min，210mm／min時(shí)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，觀測(cè)兩種鉆型結(jié)構(gòu)在不同鉆削深度的制孔缺陷，兩種鉆型的鉆削深度如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中，采用Kistler9253B23型測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試鉆削軸向力。

圖3 鉆削深度H0 Fig.3 Drilling depth H0

2.2 制孔缺陷評(píng)價(jià)方法

為分析制孔缺陷的加工效果，試驗(yàn)后，采用超景深體視顯微鏡及其附帶軟件觀測(cè)孔出口表層分層缺陷的形狀、大小，并采用分層因子Fa和毛刺因子Km重點(diǎn)對(duì)孔出口側(cè)的分層和毛刺等制孔缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖4所示。其中，Ad是分層區(qū)域與孔的總面積，An是孔的面積。θ1～θn分別是以弧度表示各毛刺的寬度。

圖4 分層因子和毛刺因子Fig.4 Delamination factor and burrs factor

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 新鉆型制孔缺陷形成過(guò)程的對(duì)比分析

為分析直線刃型和圓弧刃型新鉆型的制孔缺陷形成過(guò)程，在主軸轉(zhuǎn)速n＝2 000 r／min和進(jìn)給速度vf＝105 mm／min，210 mm／min下，采用Tz1和Tq1進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，觀測(cè)兩種鉆型結(jié)構(gòu)在不同鉆削深度的制孔缺陷。由圖5（a）可見(jiàn)，兩種鉆型結(jié)構(gòu)的制孔缺陷形成過(guò)程極為相近。

（1）當(dāng)Tz1和Tq1的鉆削深度H0分別為6.3和7.3 mm時(shí)，鉆頭鉆尖Ⅰ剛好鉆出CFRP板，該階段制孔效果較差，存在大量未被切除的纖維，而且孔邊緣隆起十分明顯（孔邊緣產(chǎn)生分層缺陷的外觀表現(xiàn)），該階段兩種鉆型結(jié)構(gòu)的制孔效果沒(méi)有顯著差異。

（2）當(dāng)鉆削深度H0＝8.1 mm時(shí)，擴(kuò)削刃Ⅱ即將完成鉆削，與上一階段相比，該階段制孔毛刺和分層有所減少，尤其是Tz1刀具的制孔效果，可見(jiàn)，該階段直線刃鉆型結(jié)構(gòu)的制孔效果明顯優(yōu)于圓弧型的。

（3）當(dāng)鉆削深度H0＝13.3和13.7 mm時(shí)，分別是多刃尖Ⅲ即將鉆出和恰好鉆出的過(guò)程，由圖5（a）可見(jiàn)，該階段完成后，制孔毛刺和分層缺陷得到了顯著減少，因此，多刃尖Ⅲ具備顯著降低制孔缺陷的功效，然而，兩種鉆型結(jié)構(gòu)的功效程度存在一定差異，直線型鉆型結(jié)構(gòu)鉆頭在多刃尖Ⅲ即將鉆出時(shí)，能輕易切斷孔邊材料，孔邊纖維的切斷口較為齊整，材料變形較小，如圖5（b）所示。但弧形鉆型結(jié)構(gòu)鉆頭在多刃尖Ⅲ即將鉆出孔出口表層材料時(shí)，不能輕易切斷孔邊材料，孔邊纖維的切斷口存在明顯的隆起。由圖5（b）可見(jiàn)，在孔邊纖維被切斷前，孔邊材料已然產(chǎn)生了分層缺陷，而且，當(dāng)多刃尖Ⅲ即將鉆出時(shí)，圓弧刃型的制孔毛刺較為明顯。由此可見(jiàn)，在該階段中，直線刃型的制孔效果也明顯優(yōu)于圓弧型的。

圖5 新鉆型制孔缺陷的形成Fig.5 Formation of the defects of the novel drills

（4）當(dāng)鉆削深度H0＝19mm時(shí)，第二擴(kuò)削刃Ⅳ完成了制孔，終孔最終形成，與上一階段相比，制孔缺陷均得到非常顯著的減小，尤其是直線型鉆頭的制孔更為明顯。因此，第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)上階段的制孔缺陷具有修整功能。此外，兩種鉆型的第二擴(kuò)削刃Ⅳ結(jié)構(gòu)完全一致，理論上，該階段對(duì)制孔缺陷的修整效果是一致的，然而，最終制孔缺陷以直線刃型的更優(yōu)，因此，可以推斷產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是圓弧刃型多刃尖Ⅲ鉆削過(guò)程中孔邊材料不能輕易切除所導(dǎo)致的。

由上可見(jiàn)，兩種鉆型均能有效降低制孔缺陷，其中，多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的顯著減小有著極為關(guān)鍵的作用。然而，兩者在鉆尖Ⅰ、擴(kuò)削刃Ⅱ和多刃尖Ⅲ的鉆削階段均存在一定差異，從制孔缺陷的形成過(guò)程來(lái)看，直線型的制孔效果要優(yōu)于圓弧型的。

3.2 新鉆型軸向力的對(duì)比分析

在CFRP鉆削制孔中，一方面，鉆削軸向力是影響制孔缺陷的主要因素，控制軸向力大小可有效降低制孔缺陷，另一方面，軸向力的變化規(guī)律直接反映制孔過(guò)程中的瞬時(shí)鉆削狀態(tài)［1，3］。軸向力是CFRP鉆削加工中的重要研究對(duì)象。圖6為采用Tz1和Tq1在n＝2 000 r／min和vf＝210mm／min下所獲得的軸向力隨時(shí)間變化的曲線。

圖6 鉆削軸向力的時(shí)變曲線Fig.6 Time-varying curves of the trust force

由圖6可見(jiàn)，兩種新鉆型的軸向力時(shí)變特征非常明顯，而且基本一致，從軸向力時(shí)變曲線能明顯區(qū)分鉆削的8個(gè)階段［13］：OA段是鉆尖逐漸鉆入工件的過(guò)程；AB段為鉆尖已經(jīng)全部鉆入工件；BC段為鉆尖逐步鉆出工件的過(guò)程，當(dāng)達(dá)到C處時(shí)，鉆尖完全鉆出工件，但由于還有擴(kuò)削刃參與鉆削，軸向力并沒(méi)有減小至0；CD段為擴(kuò)削刃的擴(kuò)孔階段；DE段為多刃尖逐漸鉆入工件的階段；EF段為多刃尖和第二擴(kuò)削刃同時(shí)鉆削的階段；FG段為多刃尖逐步鉆出工件的階段。G處以后為第二擴(kuò)削刃單獨(dú)參與鉆削的階段，此時(shí)，軸向力并沒(méi)有直接減小至0，如GH段所示。

以上過(guò)程中，AB段的軸向力均值最大（此段，Tz1鉆頭的約115.7 N，Tq1鉆頭的約235.9 N），其次是EF段（Tz1鉆頭的約58.7 N，Tq1鉆頭的約65.5 N）。而CD段（此段，Tz1鉆頭的軸向力約12.4 N，Tq1鉆頭的軸向力約14.7 N）和GH段（此段，Tz1鉆頭的最大軸向力均值約8.7 N，Tq1鉆頭的最大軸向力均值約10.2 N）的軸向力最小，但CD段與GH段的最大值相差不大（Tz1鉆頭的相差約3.7 N，Tq1鉆頭的軸向力約4.5 N）。此外，采用Tz1鉆頭所獲得的AB段軸向明顯高于Tq1鉆頭的，但CD段、EF段、GH段的小于Tq1鉆頭。從軸向力大小來(lái)看，CD段和GH段對(duì)加工缺陷的控制具有積極意義，尤其是GH段。研究表明，CD段的軸向力穩(wěn)定在很小值范圍內(nèi)，利于加工缺陷的控制和防止分層的繼續(xù)擴(kuò)展，而GH段是孔的最終形成階段，軸向力極小，且呈逐漸減小的趨勢(shì)，為確保該階段不繼續(xù)產(chǎn)生加工缺陷和去除上一階段加工缺陷的實(shí)現(xiàn)提供條件，對(duì)大幅度降低甚至去除加工缺陷的實(shí)現(xiàn)較為關(guān)鍵［13］。

由此可見(jiàn)，AB段軸向力大小實(shí)質(zhì)上對(duì)最終制孔缺陷形成的影響極小；從降低軸向力方面看，直線刃型（Tz1）對(duì)抑制制孔缺陷的形成要優(yōu)于圓弧刃型（Tq1）；EF段和GH段為V型刃（即多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ）鉆削階段，是終孔最終形成階段，對(duì)最終制孔缺陷的形成至關(guān)重要。

基于以上分析，重點(diǎn)針對(duì)EF段和GH段的最大軸向力均值（EF段和GH段軸向力的最大均值分別為Ft3和Ft4），從鉆型結(jié)構(gòu)和刀具材料兩方面的影響進(jìn)行分析。

圖7為直線刃型（Tz1）和圓弧刃型（Tq1）的軸向力Ft3和Ft4隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律。可見(jiàn)，直線刃型（Tz1）和圓弧刃型（Tq1）的軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化規(guī)律基本一致，其中，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力影響不顯著，隨進(jìn)給速度的增大，單個(gè)刀齒的切削層厚度增大，兩者軸向力均呈增大趨勢(shì)，且增大幅度較為接近。EF段，Tz1的軸向力略大于Tq1的，GH段，Tz1的軸向力明顯大于Tq1的，在降低軸向方面，Tz1的第二擴(kuò)削刃Ⅳ優(yōu)于Tq1的第二擴(kuò)削刃Ⅳ，而兩者的多刃尖Ⅲ雖以Tz1略小，但效果相差不大。由此可知，Tz1的第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的修整效果要優(yōu)于Tq1。

圖7 Tz1和Tq1軸向力的變化規(guī)律Fig.7 Thrust forces change rule of Tz1 and Tq1

基于以上分析，可知直線刃型鉆頭的制孔過(guò)程對(duì)抑制制孔缺陷的形成更為顯著，因此，重點(diǎn)針對(duì)直線刃型分析硬質(zhì)合金鉆頭（Tz1）和PCD鉆頭（Tz2）的軸向力變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 Tz1和Tz2軸向力的變化規(guī)律Fig.8 Thrust forces change rule of Tz1 and Tz2

由圖8可見(jiàn)，Tz1和Tz2的軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化規(guī)律基本一致，同樣地，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力影響不顯著，隨進(jìn)給速度的增大，單個(gè)刀齒的切削層厚度增大，兩者軸向力均呈增大趨勢(shì)。EF段和GH段，Tz2的軸向力均明顯大于Tz2的，尤其是GH段的軸向力，在降低軸向方面，Tz2的多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ均優(yōu)于Tz1的。由此可知，PCD鉆頭（Tz2）的多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的抑制效果均要優(yōu)于硬質(zhì)合金鉆頭（Tz1）。

3.3 新鉆型制孔缺陷的對(duì)比分析

在CFRP鉆削制孔中，毛刺、分層等制孔缺陷嚴(yán)重影響制孔質(zhì)量和構(gòu)件使用性能，是制孔質(zhì)量的重要參考指標(biāo)，因此，以分層因子和毛刺因子為評(píng)價(jià)方法，分析新鉆型結(jié)構(gòu)、刀具材料對(duì)制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖9（a）～（d）為T(mén)z1和Tq1的分層因子Fa和毛刺因子Km隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，兩者的分層因子和毛刺因子隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化規(guī)律基本一致。隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增大，兩者分層因子和毛刺因子均呈增大趨勢(shì)。另外，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于4 000 r／min時(shí)，Tq1的毛刺因子要大于Tz1，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于3 000 r／min時(shí)，一旦進(jìn)給速度高于210 mm／min，Tz1的毛刺因子將大于Tq1。可見(jiàn)，Tz1對(duì)抑制制孔缺陷具有一定優(yōu)勢(shì)，但隨工藝參數(shù)的增大，Tz1抑制毛刺缺陷的能力將降低。

基于以上分析，可知直線刃型鉆頭的制孔缺陷要小，因此，重點(diǎn)針對(duì)直線刃型分析硬質(zhì)合金鉆頭（Tz1）和PCD鉆頭（Tz2）的制孔效果，如圖10所示。

圖10（a）（b）為T(mén)z1和Tz2的分層因子Fa隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，兩者的分層因子和毛刺因子隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化規(guī)律基本一致。隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增大，兩者分層因子和毛刺因子均呈增大趨勢(shì)。其中，Tz2的分層因子明顯低于Tz1。另外，采用Tz2鉆削制孔，其毛刺缺陷不明顯，如圖10（c）所示?？梢?jiàn)，相對(duì)于硬質(zhì)合金鉆頭（Tz1）而言，PCD鉆頭（Tz2）抑制制孔缺陷的效果具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖9 Tz1和Tq1分層、毛刺缺陷的變化規(guī)律Fig.9 Delamination and burrs changs of Tz1 and Tq1

圖10 Tz1和Tz2分層、毛刺缺陷的變化規(guī)律Fig.10 Delamination and burrs changes of Tz1 and Tz2

4 結(jié)論

（1）從制孔缺陷的形成過(guò)程和降低軸向力來(lái)看，直線刃和圓弧刃新鉆型均能有效降低制孔缺陷，其中，兩種鉆型的多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的顯著減小有著極為關(guān)鍵的作用，尤其是第二擴(kuò)削刃Ⅳ。

（2）當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于4 000 r／min時(shí)，圓弧型的毛刺因子要大于直線刃型的，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于3 000 r／min時(shí)，一旦進(jìn)給速度高于210 mm／min，直線刃型的毛刺因子將大于圓弧型的。由此可見(jiàn)，直線刃型的制孔效果要優(yōu)于圓弧型的，尤其是直線刃型的第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的修整效果，但隨著主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增大，直線刃新鉆型抑制毛刺缺陷的能力將降低。

（3）在降低軸向方面，PCD新鉆型的多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ均優(yōu)于硬質(zhì)合金新鉆型的，而且，PCD新鉆型的最終制孔質(zhì)量明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金新鉆型的，因此，與硬質(zhì)合金新鉆型相比，PCD新鉆型多刃尖Ⅲ和第二擴(kuò)削刃Ⅳ對(duì)制孔缺陷的抑制效果均要優(yōu)于硬質(zhì)合金新鉆型，因此，PCD新鉆型抑制制孔缺陷的效果具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。