CFRP/鈦合金疊層材料螺旋銑孔變參數(shù)試驗(yàn)研究

黃波濤 羅海泉 蒲景威 高延峰

摘要：采用參數(shù)遞減變化和往復(fù)變化兩種加工方法對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行螺旋銑孔試驗(yàn)研究。試驗(yàn)從孔壁表面粗糙度、孔徑誤差、CFRP分層損傷等方面分析了兩種變參數(shù)方法對(duì)疊層材料制孔的影響，并對(duì)優(yōu)化后的不變參數(shù)和變參數(shù)的加工結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在加工參數(shù)遞減變化時(shí)，減小變參數(shù)區(qū)域的長(zhǎng)度和參數(shù)改變次數(shù)有利于提高制孔質(zhì)量，加工參數(shù)先減小再增大的變參數(shù)螺旋銑孔工藝，有利于減小疊層區(qū)域的軸向力和切削溫度，從而提高制孔質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：疊層材料；螺旋銑孔；變參數(shù)；軸向力；切削溫度；制孔質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TH161.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.011

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（2018ZE56013）

隨著航空工業(yè)和材料科學(xué)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其高強(qiáng)度、高耐磨、低密度的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于軍用和民用航空器的制造[1]。鈦合金因其比強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)，以及優(yōu)異的熱處理性能在航空航天制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用[2]。由于CFRP與鈦合金的剛度、強(qiáng)度匹配性好，且在電化學(xué)方面具備良好的相容性，因此CFRP與鈦合金的鉚接或螺栓連接結(jié)構(gòu)已成為航空器的重要結(jié)構(gòu)。為了避免加工誤差、板壁變形的影響，提高連接孔的位置精度，通常將具有裝配關(guān)系的零件預(yù)先裝夾在一起，然后一次性鉆孔。然而，由于CFRP和鈦合金具有截然不同的材料屬性，制孔質(zhì)量難以保證并且刀具磨損劇烈，導(dǎo)致其疊層構(gòu)件的高質(zhì)量一體化制孔成為飛機(jī)制造過(guò)程中面臨的一大難題[3]。

針對(duì)CFRP/鈦合金疊層構(gòu)件的制孔問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中具有應(yīng)用前景的是螺旋銑孔技術(shù)。N. Wangyang[4]首先提出了用于加工CFRP/Ti疊層材料螺旋銑孔技術(shù)的概念。E. Brinksmeier[5]等分析了螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，從數(shù)學(xué)的角度描述了螺旋銑削中切削角度與加工參數(shù)、孔徑、螺旋角的函數(shù)關(guān)系。H. Wang[6]對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行了螺旋銑孔和鉆孔研究，螺旋銑孔相較于鉆孔，可以減少被加工材料的毛刺、減少?gòu)?fù)合材料纖維分層提高制孔質(zhì)量。張心沛[7]等使用化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石涂層刀具研究了CFRP/鈦合金疊層材料的銑孔過(guò)程，從切削力、制孔質(zhì)量、磨損機(jī)理方面來(lái)評(píng)價(jià)采用CVD金剛石刀具加工的可行性。王海燕[8]對(duì)CFRP、鈦合金單層板及CFRP/鈦合金疊層材料分別進(jìn)行了螺旋銑孔試驗(yàn)研究，綜合分析了螺旋銑孔對(duì)CFRP和鈦合金的影響，研究指出螺旋銑削CFRP/鈦合金疊層材料中刀具磨損、排屑及冷卻依然是影響其孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

本文針對(duì)螺旋銑削疊層材料提出了變參數(shù)螺旋銑孔方法，采用遞減變參數(shù)和往復(fù)變參數(shù)兩種變參數(shù)銑孔方法，對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行銑孔試驗(yàn)研究，并對(duì)變參數(shù)加工和不變參數(shù)加工進(jìn)行對(duì)比分析，為CFRP/鈦合金疊層材料制孔技術(shù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考[9]。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)采用XKA715A立式銑床，機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍20～8000r/min，主軸功率15kW。刀具采用鎢鋼TISIN涂層4刃銑刀，刀具螺旋角度52°，直徑為6mm，刃長(zhǎng)16mm，全長(zhǎng)50mm。

工件材料為CFRP和TC4鈦合金板材，尺寸均為200mm×150mm×6mm。銑孔直徑D=10mm，偏心距e=2mm。

1.2試驗(yàn)方案

遞減變參數(shù)螺旋銑削試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)速與進(jìn)給同時(shí)遞減的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，切削復(fù)合材料層的初始加工參數(shù)轉(zhuǎn)速n1=2000r/min，進(jìn)給量為f1=0.03mm/z，加工到a處時(shí)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給開始遞減，到鈦合金層的b處停止變參數(shù)，此時(shí)b處的參數(shù)轉(zhuǎn)速n2=1000r/min，進(jìn)給量為f2=0.02mm/z，b處以后加工參數(shù)直至孔加工結(jié)束。試驗(yàn)中的螺距不變，始終為0.1mm。圖1中區(qū)域長(zhǎng)度L就是變參數(shù)區(qū)域，也就是在此長(zhǎng)度范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量的降速過(guò)程。

試驗(yàn)中以變參數(shù)區(qū)域L和每次參數(shù)變化所需厚度H作為設(shè)計(jì)變量，變量L選取三個(gè)水平，分別為2mm、4mm、6mm。變參數(shù)厚度H也選取了三個(gè)水平，分別為0.5mm、1mm、2mm。按正交表L9（33）對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行安排，因素與水平的設(shè)計(jì)見表1。

往復(fù)變工藝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量為到c處的加工參數(shù)，c處的加工參數(shù)采用中低轉(zhuǎn)速適量進(jìn)給，試驗(yàn)安排依然按照田口法L9（33）進(jìn)行設(shè)計(jì)。其試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)從制孔表面粗糙度、孔徑誤差度、復(fù)合材料層出口損傷因子等方面分析變參數(shù)螺旋銑削工藝對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料制孔的影響，其中表面粗糙度采用MarM300C表面粗糙度儀測(cè)量得到，孔徑則利用內(nèi)徑千分表進(jìn)行測(cè)量，令孔徑誤差度為E，則：

2.1遞減變參數(shù)對(duì)銑孔質(zhì)量的影響

遞減變參數(shù)各組試驗(yàn)的孔徑誤差度隨變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可以看出，同參數(shù)下，疊層材料中復(fù)合材料層的孔徑誤差度大于鈦合金的孔徑誤差度。變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度和厚度對(duì)復(fù)合材料層的孔徑誤差度影響規(guī)律性不強(qiáng)，鈦合金層的孔徑誤差度隨區(qū)域長(zhǎng)度的增加而升高，另外各層孔徑誤差度的波動(dòng)范圍在0.01～0.02mm之間。

遞減變參數(shù)各組試驗(yàn)的表面粗糙度隨變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知復(fù)合材料層表面粗糙度大約是鈦合金層表面粗糙度的10倍。復(fù)合材料層表面粗糙度在給定的最大區(qū)域長(zhǎng)度下，隨厚度的增加在變小。變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度L和厚度H對(duì)鈦合金層的表面粗糙度影響不大。

遞減變參數(shù)中復(fù)合材料層出口的損傷因子隨變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度L變化規(guī)律如圖6所示。圖6中顯示當(dāng)變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度L偏小時(shí)，厚度變大復(fù)合材料出口的損傷因子減小。變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度L過(guò)大，復(fù)合材料層損傷因子也會(huì)有所變大。

2.2往復(fù)變參數(shù)對(duì)銑孔質(zhì)量的影響

往復(fù)變參數(shù)加工方法中9組試驗(yàn)孔徑誤差度隨轉(zhuǎn)速變化情況如圖7所示。從圖7中可以看出，復(fù)合材料層孔徑偏大于標(biāo)準(zhǔn)孔徑，鈦合金層孔徑偏小于標(biāo)準(zhǔn)孔徑。往復(fù)交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速?gòu)?00～600r/min變化時(shí)，復(fù)合材料層孔徑誤差變小，鈦合金層孔徑誤差變大，轉(zhuǎn)速600r/min以后兩材料孔徑變化不大。

往復(fù)變參數(shù)加工方法下疊層材料的表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖8所示。從圖8可以看出，往復(fù)交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速500r/min時(shí)往復(fù)變參數(shù)對(duì)疊層中的兩材料表面粗糙度幾乎無(wú)影響。轉(zhuǎn)速增大時(shí)鈦合金層的表面粗糙度略有上升，但復(fù)合材料層有些參數(shù)下變大，有些參數(shù)下變小，影響各異。

往復(fù)變參數(shù)下復(fù)合材料出口損傷隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖9所示。從圖9中可以看出，除往復(fù)交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速600r/min，其他兩組的損傷因子均是隨往復(fù)交點(diǎn)處的進(jìn)給的增大而增加。往復(fù)交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速500r/min和600r/min時(shí)損傷因子隨進(jìn)給量的變化，其波動(dòng)范圍小，轉(zhuǎn)速800r/min時(shí)進(jìn)給量的增大對(duì)損傷因子影響加大。

2.3變參數(shù)與不變參數(shù)的對(duì)比分析

試驗(yàn)采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的多目標(biāo)優(yōu)化方法，對(duì)變參數(shù)的兩種工藝的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。遞減變參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后得出的參數(shù)組合為：銑削轉(zhuǎn)速為2000r/min→1000r/min，進(jìn)給量為0.03mm/z→0.02mm/z，螺距為0.1mm，變參數(shù)區(qū)域L=2mm，每次參數(shù)變化所需厚度H=2mm。往復(fù)變參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后得出的參數(shù)組合為：變參數(shù)區(qū)域L= 2mm，銑削轉(zhuǎn)速為2000r/min→1000r/min→500r/min→1000r/min，進(jìn)給量為0.03mm/z→0.01mm/z→0.02mm/z，螺距為0.1mm。

從變參數(shù)與不變參數(shù)對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)，不變參數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給量為0.02mm/z，螺距為0.1mm，變參數(shù)時(shí)為經(jīng)優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)組合，因此三組參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如下。

（1）軸向力方面

銑孔軸向力是重要的物理量之一，它能夠反映被銑削材料的切削狀態(tài)、受力分布和切削穩(wěn)定性等信息，從而影響到孔的質(zhì)量。圖10中顯示，采用不變參數(shù)銑孔和遞減變參數(shù)銑孔時(shí)，刀具在進(jìn)入鈦合金時(shí)切削力普遍較大，采用往復(fù)變參數(shù)時(shí)可以降低刀具在進(jìn)入鈦合金時(shí)的軸向力。在鈦合金層，不變參數(shù)銑削軸向力大于變參數(shù)銑削軸向力，遞減變參數(shù)區(qū)的軸向力大于遞減變參數(shù)穩(wěn)定切削區(qū)域的軸向力。往復(fù)變參數(shù)中，鈦合金層變參數(shù)區(qū)的軸向力呈緩慢上升到不變參數(shù)區(qū)。從三種銑削方法軸向力的曲線變化來(lái)看，采用往復(fù)變參數(shù)加工疊層材料，可以有效地降低切削力。

（2）疊層材料層間溫度方面

制孔加工中切削熱對(duì)刀具壽命、孔壁質(zhì)量有著重要的影響。圖11為疊層材料層中溫度變化曲線，其中前期溫度相對(duì)較低的一段為復(fù)合材料層加工時(shí)的溫度，后續(xù)段為鈦合金層加工時(shí)的溫度。圖9中顯示往復(fù)變參數(shù)下的溫度最低。往復(fù)變參數(shù)的溫度在變參數(shù)區(qū)變化很明顯，在復(fù)合材料層，變參數(shù)區(qū)溫度隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的減小而下降，到往復(fù)點(diǎn)以后又隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增大而升高。

（3）孔質(zhì)量方面

為了方便對(duì)三種銑削方法的孔質(zhì)量進(jìn)行描述，對(duì)三種工藝進(jìn)行編號(hào)：1對(duì)應(yīng)不變參數(shù)銑孔方法；2對(duì)應(yīng)遞減變參數(shù)銑孔方法；3對(duì)應(yīng)往復(fù)變參數(shù)銑孔方法。圖12為三種銑孔方法下孔的孔徑誤差度變化。

從12圖中可以看出，在復(fù)合材料層兩種變參數(shù)的孔徑誤差度大于不變參數(shù)的孔徑誤差度。在鈦合金層，兩種變參數(shù)的孔徑誤差度小于不變參數(shù)的孔徑誤差度。

在復(fù)合材料層，兩種變參數(shù)的表面粗糙度大于不變參數(shù)的表面粗糙度（見圖13）。在鈦合金層，兩種變參數(shù)的表面粗糙度小于不變參數(shù)的表面粗糙度。圖14為三種銑孔方法下的復(fù)合材料出口損傷因子，從圖14中可以看出，變工藝加工法明顯降低了復(fù)合材料的出口損傷。

由三種銑孔方法對(duì)比分析可知，復(fù)合材料層孔徑誤差和表面粗糙度在變參數(shù)銑孔方法中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，但變參數(shù)銑孔方法在其他方面均優(yōu)于不變參數(shù)銑孔方法。綜合因素考慮采用變參數(shù)銑孔方法對(duì)疊層構(gòu)件進(jìn)行銑削加工效果更優(yōu)，在減小切削力及切削溫度方面又以往復(fù)變參數(shù)銑孔方法最好[9]。三種銑孔方法時(shí)復(fù)合材料出口形貌如圖15所示。

3結(jié)論

本文針對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料螺旋遞減變參數(shù)銑孔和往復(fù)變參數(shù)變參數(shù)銑孔進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)變參數(shù)加工和不變參數(shù)加工進(jìn)行對(duì)比分析獲得以下結(jié)論：

（1）三種不同工藝對(duì)比分析中可知采用變參數(shù)銑孔方法對(duì)疊層構(gòu)件進(jìn)行銑削加工效果較好，在減小切削力及切削溫度方面又以往復(fù)變參數(shù)銑孔方法較優(yōu)。

（2）遞減變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度和厚度對(duì)疊層材料的孔徑誤差度影響規(guī)律性不強(qiáng)，各層孔徑誤差度的波動(dòng)范圍在0.01～ 0.02mm之間。復(fù)合材料層表面粗糙度在給定的最大區(qū)域長(zhǎng)度下，隨區(qū)域厚度的增加在變小，變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度與厚度對(duì)鈦合金層的表面粗糙度影響不大。當(dāng)變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度偏小時(shí)，厚度變大，復(fù)合材料出口的損傷因子減小，變參數(shù)區(qū)域長(zhǎng)度過(guò)大，復(fù)合材料層損傷因子也會(huì)變大。

（3）往復(fù)變參數(shù)條件下，復(fù)合材料層孔徑偏大，鈦合金層孔徑偏小。往復(fù)交點(diǎn)處加工參數(shù)的選擇對(duì)孔徑有影響，往復(fù)交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min到600r/min變化時(shí)，復(fù)合材料層孔徑誤差度變小，鈦合金層孔徑誤差變大，轉(zhuǎn)速600r/min以后兩材料孔徑變化不大。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

黃波濤（1996-）男，碩士。主要研究方向：特種加工技術(shù)。Tel：18702533280

E-mail：1291445388@qq.com

羅海泉（1963-）男，學(xué)士，工程師。主要研究方向：機(jī)械制造技術(shù)。

Tel：15387913763E-mail：550267705@qq.com

蒲景威（1990-）男，碩士。主要研究方向：疊層材料制孔研究。

高延峰（1974-）男，博士，教授。主要研究方向：焊接自動(dòng)化研究。

Tel：15870618326E-mail：gyf_2672@163.com

Experimental Research on Variable Parameters of Helical Milling Hole for CFRP/ Titanium Alloy Stacks

Huang Botao*，Luo Haiquan，Pu Jingwei，Gao Yanfeng

Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China

Abstract： The two processing methods of decreasing parameter and reciprocating variation are adopted to study helical milling experiments on CFRP/titanium alloy stacks. The effect of two variable parameter methods on the stacks are analyzed from the surface roughness of the hole wall， the aperture error and the CFRP delamination damage， and the processing results of the optimized parameters and the variable parameters are compared and analyzed. The experimental results show that decreasing the length of the variable parameter area and changing the number of parameters will improve the quality of the hole when the machining parameters decrease. The variable parameter helical milling hole technology， which reduces the machining parameters first and then increases， is conducive to reducing the axial force and cutting temperature in the laminated area， thereby improving the quality of the holes.

Key Words： stacks material； helical milling hole； variable parameter； axial force； cutting temperature； making hole quality