CFRP/Al疊層材料變進給鉆削表面質量分析*

王帥普，梁 杰，崔松濤，張志強

(鄭州大學機械與動力工程學院，鄭州 450001)

0 引言

隨著新材料的發(fā)展和技術的革新，CFRP(碳纖維增強復合材料)因其質量輕，強度高，模量高和密度低等優(yōu)點被廣泛應用到飛機制造和裝配中[1]。在飛機裝配過程中，CFRP常和鈦、鋁合金疊層放置進行一次性鉆孔來達到裝配要求，鉆孔產(chǎn)生的CFRP纖維撕裂和金屬毛刺常導致疊層構件的報廢，而去除毛刺需要拆卸、去毛刺和重新組裝，這些過程耗時、昂貴且無附加值[2]。

針對復合材料疊層結構鉆孔質量的研究目前主要集中在刀具涂層，刀具結構，切削熱，切削參數(shù)，冷卻方式，軸向力等方向[3-7]。HASSAN等[8]通過研究刀具的不同幾何形狀和切削參數(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)降低了復合材料和鋁合金出口毛刺高度。王振國等[9]采用疊層斷屑鉆削方法，此方法能得到較好的斷屑效果，還能減少鉆削過程中的熱量集聚和孔壁的表面粗糙度，但對減少金屬毛刺高度則不明顯。LIANG[10]研究了壓緊力對鈦/鋁疊層材料層間毛刺的影響，認為在軸向力作用下，疊層金屬材料層間間隙為毛刺的生長提供空間。王小韃等[11]對大厚度碳纖維復合材料進行鉆削研究，認為進給量引起的軸向力過高是導致出口纖維撕裂的主要原因，然而主軸轉速對出口的纖維撕裂沒有明顯影響；并且提出分階段變參數(shù)鉆削復合材料的方法，認為此方法能有效降低切削熱以及出口位置的軸向力，減少了碳纖維的撕裂損傷。

綜上所述，現(xiàn)有研究多集中在分析試驗參數(shù)和刀具幾何形狀對疊層材料加工質量的影響，而對CFRP/Al疊層材料變參數(shù)的鉆削研究較少。本文提出了一種基于幾何函數(shù)設定進給量的鉆削方法，并通過實驗探究變進給鉆削相比定進給對CFRP/Al疊層材料撕裂損傷和毛刺尺寸的影響。

1 變進給鉆削方法

1.1 鉆尖進給量設定

王小韃、林偉等[11-12]研究結果表明，碳纖維復合材料分層撕裂損傷對主軸的進給量較為敏感。低進給量使主軸獲得較低的軸向力，減小了復合材料的頂出分層以及金屬材料的毛刺高度?；诖?，提出一種基于正弦曲線設定進給量的變進給鉆削方法。疊層材料鉆削總共分為5個階段，如圖1所示。主要分為刀具主切削刃未完全切削材料所處的鉆入?yún)^(qū)、疊層區(qū)、鉆出區(qū)以及刀具主切削完全切削材料所處的穩(wěn)定鉆削區(qū)。對疊層材料表面質量影響最大的階段為鉆入?yún)^(qū)、疊層區(qū)、鉆出區(qū)；故在這些階段內(nèi)進行變進給鉆削，以期提高表面質量。

圖1 疊層材料鉆削過程

采用光滑正弦曲線的離散數(shù)據(jù)來進行進給量f的分配，取正弦曲線的波谷至波峰光滑曲線段進行取樣。結合實驗條件，采用頂角為140°，直徑為5 mm的硬質合金麻花鉆，其鉆尖的軸向方向位移為0.91 mm，為了規(guī)避誤差，選1 mm作為變進給階段的位移。由式(1)進行離散點xi取樣，式(2)計算各個取樣點進給量，式(3)計算各階段進給鉆削所用時間，將正弦曲線離散成9段，經(jīng)離散后所得各段進給量如表1所示。

(1)

(2)

(3)

式中，x0為-π/2，x的取值范圍為[-π/2,π/2]；f為進給量；n為主軸轉速；T為離散后每段切削所用時間。經(jīng)由上述表達式計算所得的理論進給量和實際進給量對比如圖2所示。

圖2 理論與實際進給量對比

表1 變進給鉆削進給量 (mm/r)

1.2 鉆削過程進給量設定

經(jīng)過對鉆尖進給量的分析，取進給量f的變化范圍為0.075～0.125 mm/r并應用到整個疊層材料上。針對疊層區(qū)的特殊情況，即刀具鉆出復合材料的同時鉆進鋁合金，兩種不同材料引起軸向力驟變，故在刀具鉆至距疊層區(qū)域1 mm處降低進給量，而刀具鉆至鋁合金表面提高進給量，如圖3中C階段。整個疊層材料進給量的設定如圖3所示。

圖3 疊層材料進給量設定

其中B、D階段分別為復合材料、鋁合金穩(wěn)定鉆削階段，A、C、E階段分別為鉆入?yún)^(qū)、疊層區(qū)以及鉆出區(qū)變進給鉆削階段，鉆入?yún)^(qū)和穩(wěn)定鉆削階段的進給量如表1所示，所有數(shù)據(jù)提前設定在主軸進給電機里并通過編寫PLC程序進行調用。

2 試驗裝置及工件

圖4 疊層材料鉆孔平臺

試驗裝置采用自制的疊層材料鉆孔試驗平臺，如圖4所示。試件規(guī)格為80 mm×12 mm×3 mm，其中碳纖維復合材料牌號為T300，鋪層順序[(0/90)/0/90/0/90/0/90]s，由單向預浸料進行鋪設并真空袋壓至3 mm，120 ℃溫度條件固化90 min；采用航空級鋁合金，牌號為7075-T6，工件主要性能參數(shù)如表2所示；刀具采用直徑為5 mm硬質合金(K20)麻花鉆，頂角為140°，螺旋角為30°，每把刀具只鉆一個孔；主軸轉速n取2010 rpm，疊層順序為CFRP在上，鋁合金在下；為保證加工時間相同，選取定進給量f=0.113 mm/r作為對比實驗。

表2 工件主要性能參數(shù)

3 結果分析與討論

3.1 軸向力

如圖5所示為鉆孔軸向力的變化曲線，其中A、C、E階段對應圖3中的變進給階段。圖5中A階段為鉆入?yún)^(qū)軸向力變化曲線，變進給鉆削的軸向力曲線相比定進給是緩慢增長的，這將減弱因軸向力突然增大而引起的鉆削系統(tǒng)振動；疊層區(qū)的軸向力如C階段所示，其趨勢為先降低后增加，符合進給量設定期望；軸向力增幅較大的主要原因是CFRP材料去除形式為脆性斷裂，鋁合金材料為彈塑性變形以及兩者相差較大的材料性能；鉆出區(qū)軸向力變化如E階段，同一時間下，變進給軸向力小于定進給，而較小的軸向力會削弱鋁合金出口處的塑形流動，降低鋁合金毛刺損傷；圖5整體來看， 軸向力變化趨勢和圖3所設進給量變化趨勢基本一致，符合預期。

圖5 軸向力變化曲線

3.2 撕裂因子

參照一維分層因子的定義，本文采用撕裂因子Ld[11]作為評價CFRP表面撕裂程度的指標，使用Keyence超景深顯微鏡VHX-2000E進行測量。撕裂因子如式(4)所示，測量示意圖如圖6所示。

(4)

式中，Dmax為撕裂最大直徑；Dnom為孔的公稱直徑。

圖6 撕裂測量示意圖

碳纖維復合材料是由預浸料鋪設，預浸料層與層之間通過樹脂熱固而成使得CFRP層間粘合強度較低；軸向力的作用使CFRP層間出現(xiàn)分層以及出入口處出現(xiàn)纖維撕裂。對鋁合金支撐的CFRP鉆孔來說，鋁合金層抑制CFRP發(fā)生彎曲變形，降低CFRP/Al疊層之間的間隙，減少了CFRP出口處的纖維撕裂以及分層；這在圖7中出入口處撕裂因子差別較大可以看出。入口處定進給的撕裂因子比變進給小，這可能是由于兩者在刀具刀尖即將完全進入CFRP時，進給量不同所造成的；較高的進給量加劇了切削力對入口的纖維撕裂。而反觀出口，變進給鉆削能改善因軸向力所產(chǎn)生的撕裂損傷。

圖7 撕裂因子

圖8為CFRP出入口分層損傷對比圖?？梢钥闯?，纖維毛刺主要分布在CFRP孔出口處，刀具與工件摩擦產(chǎn)生的切削熱在較小的CFRP/AL疊層間隙中難以散出且軟化了樹脂，降低了樹脂與纖維的結合力，致使樹脂與纖維發(fā)生分離形成纖維毛刺。

圖8 碳纖維復合材料的出入口分層損傷對比圖

3.3 毛刺高度

金屬毛刺是由于未切削材料隨刀具的持續(xù)進給而發(fā)生塑性變形，且在孔的邊緣發(fā)生斷裂所形成的。本文使用德國布魯克(Bruker)三維形貌測量儀對金屬孔毛刺高度進行觀測。孔邊緣對稱采取4個點的最大毛刺高度進行平均值處理，測量流程如圖9所示。

圖9 毛刺高度測量流程

切削時，入口處的材料受到刀具擠壓變形被切除；出口處未切削材料的支撐剛度逐漸降低導致材料發(fā)生彈塑性流動產(chǎn)生比入口更大的毛刺。圖10可看出，定進給的入口毛刺高度是低于變進給的，這可能是因為定進給入口處的進給量較大，刀具摩擦產(chǎn)生的切削熱隨切屑快速排出，減少熱量向工件的傳遞，削弱材料的塑形流動。而變進給的出口毛刺高度則低于定進給，主要還是因為變進給鉆出時具有較小的軸向力。

圖10 毛刺高度

如圖11所示為鋁合金孔毛刺的部分形貌，圖中可以看出，定進給的入口、出口毛刺形貌較為均勻，這是因為定進給鉆削是以恒定進給量進行鉆孔，刀具在軸向力的作用下對薄壁金屬材料進行的撕裂較為均勻。變進給的入口、出口毛刺形貌高低錯落，這可能是因為刀具鉆出時，進給量的逐漸降低，致使薄壁的金屬材料發(fā)生提前斷裂，降低了毛刺高度。

圖11 孔毛刺部分形貌

4 結論

(1)提出了一種基于正弦曲線設定進給量的變進給鉆削方法，即在CFRP/Al疊層材料的鉆入?yún)^(qū)、疊層區(qū)、鉆出區(qū)，按照正弦曲線的離散數(shù)據(jù)進行主軸進給量的設定；軸向力曲線驗證了變進給鉆削的有效性。

(2)相同效率下，變進給鉆削比定進給鉆削出口處的撕裂因子降低了3.28%，毛刺高度降低了31.65%；變進給鉆削能改善碳纖維復合材料的纖維撕裂以及有效降低出口處的毛刺高度。

(3)在入口處，進給量的逐漸升高引起較大的軸向力，致使鉆入CFRP時產(chǎn)生較差的表面損傷；而在出口處，進給量的逐漸降低引起軸向力的緩慢下降，改善了刀具鉆出材料引起的撕裂損傷；因此，在出口處考慮使用變進給鉆削的方法將有助于降低因軸向力過大引起的表面損傷。