振動輔助鉆削對CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔徑階差影響規(guī)律實(shí)驗研究

陳冒風(fēng) 張 臣 方 軍 陳衛(wèi)林 隨 磊

（1 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

（2 安徽天航機(jī)電公司，蕪湖 241000）

文 摘 在飛機(jī)部件裝配過程中，CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的連接十分常見，而由于兩種材料迥然不同的材料性能，導(dǎo)致制孔后存在孔徑階差，嚴(yán)重影響了CFRP/鈦合金結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。本文開展了低頻軸向振動輔助鉆削的正交實(shí)驗，分析了低頻振動輔助鉆削工藝參數(shù)與切削力和切屑形態(tài)的關(guān)系以及工藝參數(shù)對CFRP/鈦合金孔徑階差的影響。結(jié)果表明，由于低頻振動輔助鉆削刀具的周期性進(jìn)給，鈦合金切屑由連續(xù)長切屑變?yōu)樯刃味绦?，減少了對CFRP 的擴(kuò)孔效應(yīng)，鉆削區(qū)域切削熱降低，平均軸向力降低；另外，振幅和進(jìn)給量對孔徑階差的影響較為顯著，而主軸轉(zhuǎn)速的影響較小，且孔徑階差隨著振幅的增大先減小后增大，隨著進(jìn)給量的增大而增大。通過試驗驗證和分析，確定面向孔徑控制的最優(yōu)工藝參數(shù)組合方案：主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min、進(jìn)給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。

0 引言

CFRP/金屬疊層構(gòu)件制孔加工一直是航空航天裝配領(lǐng)域的工程難題之一，針對疊層構(gòu)件制孔產(chǎn)生的孔徑階差現(xiàn)象也引起了廣泛的關(guān)注［1-4］。

在疊層制孔研究方面，于曉江等人［5］發(fā)現(xiàn)CFRP/鈦疊層構(gòu)件加工后存在縮孔，刀具磨損程度加劇，出口孔的孔徑呈增大趨勢。WANG 等人［6］采用雙尖角金剛石涂層鉆頭對CFRP/Al 疊層材料進(jìn)行了鉆孔試驗研究，結(jié)果表明：在不同工況下，CFRP 板連接孔孔徑總是大于鋁合金板連接孔孔徑，在較高的主軸轉(zhuǎn)速下，CFRP 板上所測的孔徑與鋁合金板所測的孔徑的差值較小。B.DENKENA 等人［7］進(jìn)行了CFRP/鈦疊層材料的制孔試驗，發(fā)現(xiàn)CFRP 的裝配連接孔出現(xiàn)了擴(kuò)孔現(xiàn)象，而鈦合金的連接孔出現(xiàn)了縮孔現(xiàn)象。M.MONTOYA 等人［8］采用涂層和非涂層兩種類型的硬質(zhì)合金刀具對碳纖維CFRP/鋁合金疊層構(gòu)件進(jìn)行了鉆孔對比實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)CFRP 板上的孔徑大于鋁合金板的孔徑。I.S.SHYHA 等人［9］對Ti/CFRP/Al 疊層構(gòu)件在切削液和水噴霧環(huán)境下加工的制孔質(zhì)量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)三種材料板上各孔的孔徑差異明顯，這很可能是由于疊層各相材料的力學(xué)性能不同，尤其是彈性模量不同造成的。南成根等人［10］研究了CFRP/鈦疊層鉆削時，鈦合金切屑對CFRP 板制孔質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)：高溫、高硬度的鈦合金切屑在排屑過程中對CFRP 孔壁的劃傷是造成孔幾何尺寸超差的主要原因。V.KRISHNARAJ等人［11］發(fā)現(xiàn)鉆削參數(shù)及冷卻措施對CFRP 和鈦合金的連接孔孔徑也有一定的影響。

在振動輔助制孔研究方面，姚琦威［12］研究了鉆頭幾何參數(shù)對低頻振動鉆削CFRP/鈦合金軸向力和溫度的影響，發(fā)現(xiàn)振動鉆削有利于降低平均軸向力和切削溫度。O.PECAT 等人［13-14］采用低頻振動鉆削和傳統(tǒng)鉆削的方式對CFRP/鈦疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鉆削對比試驗，研究表明：由于施加了軸向低頻振動，有利于斷屑，產(chǎn)生較小的C 狀鈦合金切屑，提高了排屑性能，同時提高了CFRP 的加工孔表面質(zhì)量；低頻振動鉆削的鉆削溫度相比傳統(tǒng)鉆削降低了40%，進(jìn)而有效避免了CFRP 中樹脂基體的熱損傷。D.GENG等人［15］對CFRP/鈦疊層材料進(jìn)行了橢圓超聲振動鉸孔，發(fā)現(xiàn)在這種新的低頻振動方式輔助下，CFRP 和鈦合金都可以獲得更優(yōu)的孔徑精度和更低的孔壁表面粗糙度。A.SADEK 等人［16］進(jìn)行了CFRP 低頻振動鉆削試驗研究，研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)鉆削，鉆削溫度降低了50%，軸向鉆削力降低了40%，同時孔壁表面質(zhì)量更好。

綜上所述，目前對于疊層構(gòu)件制孔后孔壁質(zhì)量和振動輔助鉆削過程的鉆削力和鉆削溫度已經(jīng)有了相關(guān)研究。然而，采用振動輔助鉆削方法解決疊層構(gòu)件孔徑階差問題的研究還比較有限。因此，本文進(jìn)行低頻軸向振動輔助鉆削正交實(shí)驗，研究了振動輔助鉆削對CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔徑階差影響規(guī)律。

1 實(shí)驗

1.1 材料

試驗所使用的疊層構(gòu)件試驗板由CFRP 板和鈦合金板組成，CFRP 板以及鈦合金板尺寸規(guī)格分別為180 mm×100 mm×5.8 mm 和180 mm×100 mm×5 mm。CFRP 板是由32 層厚度為0.18 mm 的單向預(yù)浸料堆疊而成的層合板，鋪層順序為［0°/-45°/90°/45°］3s，預(yù)浸料由12K 東麗T700 碳纖維和TDE-85 耐高溫環(huán)氧樹脂組成，預(yù)浸料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 g/m2，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%。鈦合金板是航空用鈦合金Ti6Al4V，CFRP和Ti6Al4V的基本物理力學(xué)性能見表1。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 CFRP material performance parameters

1.2 設(shè)備及方案

本試驗搭建的CFRP/鈦合金疊層構(gòu)件低頻振動鉆削試驗平臺由數(shù)控加工中心、低頻振動刀柄、鉆削力測量系統(tǒng)、專用夾具、計算機(jī)及其他檢測設(shè)備組成。如圖1所示，本試驗采用美國赫克公司生產(chǎn)制造的VMX42Ui型立式加工中心。

圖1 低頻振動輔助制孔實(shí)驗Fig.1 Low-frequency vibration assisted hole making experiment

本試驗使用的低頻振動刀柄由法國MITIS 公司提供，具體型號為PG804C2_BT40_ER32，其最大轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，固定頻轉(zhuǎn)比為1.5 osc/r，振幅可調(diào)范圍為0～250 μm。本試驗采用的低頻振動刀柄的機(jī)械式凸輪在垂直方向布置，可以實(shí)現(xiàn)軸向振動。

本文試驗所采用的刀具為整體硬質(zhì)合金麻花鉆，麻花鉆由M.A.FORD 公司生產(chǎn)制造，刀具直徑6 mm，頂角118°，螺旋角21°，橫刃斜角45°，橫刃長度1.07 mm，橫刃厚度0.76 mm。選用該鉆頭幾何參數(shù)主要基于以下考慮：鉆削鈦合金需要較大的鉆削力并且產(chǎn)生的切削熱較高；而鉆削復(fù)合材料需要控制鉆削力以減少分層損傷。因此，需要在將刀具的幾何參數(shù)設(shè)置在鉆削兩種材料的專用刀具之間，根據(jù)加工經(jīng)驗將刀具參數(shù)設(shè)計為前文所述。選取硬質(zhì)合金作為刀具材料是因為其優(yōu)異的物理性能既適用于鉆削鈦合金的高溫環(huán)境又適用于鉆削硬度較高的復(fù)合材料。

本試驗所用鉆削力測量系統(tǒng)由Kistler9272AG 型測力儀、Kistler5070型電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)四部分組成。通過RH-2000型超景深三維光學(xué)顯微鏡對切屑形貌進(jìn)行觀察，采用Mitutoyo526-150型數(shù)顯內(nèi)徑千分表對試驗板孔徑進(jìn)行測量，其測量范圍為3.7～7.3 mm，測量精度為4 μm。

在CFRP/鈦合金疊層構(gòu)件低頻振動鉆削過程中，不同工藝參數(shù)對鉆削力、切屑形態(tài)及孔徑有不同程度的影響。故本試驗以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振幅為變量，參考傳統(tǒng)鉆削試驗參數(shù)設(shè)置［17-19］，采用正交試驗法，設(shè)計三因素四水平正交試驗，共分為16組。試驗過程中實(shí)時測量鉆削軸向力信號，試驗后采用相關(guān)儀器分別觀察切屑形貌以及測量疊層孔徑數(shù)據(jù)。為了驗證低頻振動鉆削工藝的可靠性及實(shí)用性，本試驗還設(shè)置了4 組不同鉆削參數(shù)的傳統(tǒng)鉆削試驗作為對照組，具體參數(shù)設(shè)置見表2，其他條件設(shè)置均與低頻振動鉆削試驗組保持相同。

表2 低頻振動鉆削試驗組正交試驗Tab.2 Orthogonal test of low frequency vibration drilling test group

2 結(jié)果與討論

宏觀上，部分不同加工工藝參數(shù)加工后的孔的圖片如圖2所示。在下文中詳細(xì)分析各工藝參數(shù)對孔徑階差以及孔損傷的影響機(jī)理。

圖2 部分不同加工工藝參數(shù)加工后的孔的圖片F(xiàn)ig.2 Holes processed with different processing parameters

2.1 切削力分析

由于在CFRP/鈦疊層構(gòu)件鉆削過程中，垂直于軸向的X、Y方向上的鉆削力比較小，可忽略不計，故主要研究鉆削軸向力隨時間的變化特征。圖3（a）（b）展示了在主軸轉(zhuǎn)速1 200 r/min、進(jìn)給量0.04 mm/r 下CFRP/鈦疊層構(gòu)件兩種鉆削工藝條件下未經(jīng)濾波處理的鉆削軸向力信號隨鉆削時間的變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于在進(jìn)給運(yùn)動方向上施加了軸向振動，低頻振動鉆削工藝的鉆削軸向力的波動明顯比傳統(tǒng)鉆削工藝的大得多。另外，在150 μm 高振幅下鉆頭存在與工件周期性分離的情況，此時的鉆削軸向力會變?yōu)?。

圖3 CFRP/鈦合金疊層構(gòu)件鉆削軸向力Fig.3 Drilling axial force of CFRP/titanium alloy laminate

為了對比兩種鉆削工藝下CFRP/鈦疊層構(gòu)件平均和最大軸向力的區(qū)別，對軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如表3所示，可知，相比于傳統(tǒng)鉆削工藝，低頻振動鉆削工藝的平均軸向力更低，而最大軸向力更高。這是因為相比于傳統(tǒng)鉆削，在低頻振動鉆削過程中：一方面，由于鉆頭受到振動引起的動態(tài)進(jìn)給作用，振動時鉆頭對被切削材料形成了往復(fù)振動沖擊形成切屑折斷，所產(chǎn)生的切屑從容屑槽排屑過程更加順暢使鉆削過程穩(wěn)定性提高，從而改善CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔徑階差的情況；另一方面，鉆頭的切削厚度會發(fā)生周期性變化，存在某一時刻的瞬時切削厚度會比傳統(tǒng)鉆削的切削厚度更大，這導(dǎo)致工件材料的加工變形抗力更大，從而最大鉆削軸向力也變大。

表3 鉆削軸向力對比Tab.3 Comparison of axial force in drilling

2.2 鈦合金切屑對CFRP的擴(kuò)孔效應(yīng)

在傳統(tǒng)鉆削加工過程中，由于材料去除余量較大，鈦合金切屑無法順利通過刀具的排屑槽排出，造成嚴(yán)重的排屑槽堵塞現(xiàn)象，如圖4（a）所示。在主軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、進(jìn)給量為0.04 mm/r下，傳統(tǒng)鉆削加工中的鈦合金切屑形態(tài)如圖4（b）所示，呈現(xiàn)為連續(xù)的圓錐形螺旋長切屑；低頻振動鉆削加工中的鈦合金切屑形態(tài)如圖4（c）所示，呈現(xiàn)為不連續(xù)的扇形單元切屑。原因是：在傳統(tǒng)鉆削過程中，切削厚度為進(jìn)給量的一半且始終保持不變，為了保證加工精度，采用的進(jìn)給量一般要控制在較小范圍內(nèi)，當(dāng)切削厚度較小時，鉆削力也較小，刀具不易斷屑，因而產(chǎn)生連續(xù)的長切屑，造成排屑槽堵塞；而在低頻振動鉆削過程中，刀具會與工件周期性分離，造成幾何斷屑，因而產(chǎn)生不連續(xù)的細(xì)碎切屑，穩(wěn)定的碎屑能夠保證切屑更易沿著刀具排屑槽順利排出。

圖4 鈦合金切屑形態(tài)Fig.4 Chip morphology of titanium alloy

另外，在CFRP/鈦疊層構(gòu)件鉆削過程中，當(dāng)加工到下層板鈦合金時，產(chǎn)生的鈦合金切屑呈螺旋帶狀，在沿著刀具螺旋槽向外排出過程中會造成CFRP 已加工孔孔壁劃傷以及二次切削。表4展示了在主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min下分別對CFRP單板和CFRP/鈦疊層板鉆削后，CFRP 的擴(kuò)孔量隨進(jìn)給量增加的變化規(guī)律。擴(kuò)孔量指的是疊層板鉆削與單板鉆削后CFRP的孔徑差值?？梢钥吹?，疊層板鉆削后測得的CFRP孔徑要比單板鉆削后測得的大得多。造成這種現(xiàn)象主要有兩方面原因：一方面，在疊層板鉆削過程中，鋒利、熾熱的螺旋狀鈦合金切屑在排出過程中會對CFRP 孔壁造成了嚴(yán)重的損傷，帶走了孔壁上的部分材料，進(jìn)而造成CFRP 的孔徑擴(kuò)大；另一方面，在鉆削疊層板交界處時，刀具的劇烈振動造成CFRP 的制孔出口孔徑顯著擴(kuò)大。此外，可以進(jìn)一步觀察到，隨著進(jìn)給量的增加，CFRP 的擴(kuò)孔量也越來越大。如，當(dāng)進(jìn)給量從0.02 mm/r 增加到0.08 mm/r 時，切屑厚度增大了0.03 mm，擴(kuò)孔量從190 μm 增加到335 μm。這是由于在不同進(jìn)給量下，鈦合金切屑的幾何形貌及力學(xué)性能皆不相同，對CFRP 的孔壁造成的損傷程度不一致。圖5展示了在恒定主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)給量分別為0.02、0.05、0.08 mm/r 下的鈦合金切屑形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給量由0.02 mm/r 增加到0.08 mm/r 時，鈦合金切屑明顯變得又厚又短，即進(jìn)給量會影響切屑的橫截面積及斷屑效果。只有切屑的厚度、折斷的長度以及卷曲形狀都適當(dāng)時，才能保證排屑順暢，進(jìn)而減少對CFRP孔壁的損傷。

表4 進(jìn)給量對擴(kuò)孔量的影響Tab.4 The effect of feeding rate on hole reaming

圖5 不同進(jìn)給量下的鈦合金切屑形貌Fig.5 Titanium alloy chip morphology under different feed rates

2.3 工藝參數(shù)對孔徑階差的影響

將CFRP/鈦合金孔徑階差作為響應(yīng)數(shù)據(jù)輸入到商業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件Minitab 當(dāng)中，從“Minitab 主界面→統(tǒng)計→DOE→田口→分析田口設(shè)計”進(jìn)入，對其進(jìn)行直觀分析。分別得到低頻振動鉆削工藝參數(shù)對孔徑階差的影響主次順序結(jié)果（表5）以及相關(guān)趨勢圖（圖6）。

由表5可以看出，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振幅的Delta 值分別為135、245、252，因此，可以得到各個工藝參數(shù)對孔徑階差的影響主次順序為：振幅、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速。由于孔徑階差值越趨近0 越好，故可以得到對于孔徑階差的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min、進(jìn)給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。由圖6可以看出，在CFRP/鈦疊層構(gòu)件低頻振動鉆削過程中，隨著振幅的提高，孔徑階差呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢，造成這種變化趨勢的原因是：隨著振幅增大，刀具的斷屑能力增強(qiáng)，這使得鈦合金切屑的排屑過程更流暢，對CFRP 孔壁的損傷減小，進(jìn)而孔徑也減?。蝗欢?，由于振幅的增加也會使得最大瞬時切屑厚度變大，進(jìn)而導(dǎo)致單個切屑碎片剛性增強(qiáng)，切屑損傷孔壁引起的擴(kuò)孔效應(yīng)也更加顯著，當(dāng)振幅超過一定閾值（約為150 μm）時，隨著振幅的繼續(xù)增大，這類擴(kuò)孔效應(yīng)開始占主導(dǎo)作用，故而使得孔徑值迅速增大。

表5 低頻振動鉆削工藝參數(shù)對孔徑階差的影響結(jié)果Tab.5 Effect of low-frequency vibration drilling process parameters on the difference of aperture steps

圖6 低頻振動鉆削工藝參數(shù)與孔徑階差的相關(guān)趨勢圖Fig.6 Related trend diagram of low-frequency vibration drilling process parameters and aperture difference

3 結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)鉆削，低頻振動鉆削的軸向力波動更大，平均軸向力分別降低了23.6%、9.5%，最大軸向力分別增大了為50.1%、25.2%，斷屑效果更好，排屑的流暢性以及切削過程的穩(wěn)定性更好。

（2）在低頻振動鉆削過程中，由于施加了軸向振動，鉆頭會與工件周期性分離，進(jìn)而斷屑。鈦合金切屑在排出過程中會對CFRP 孔壁造成二次切削作用，導(dǎo)致CFRP 的孔徑擴(kuò)大，而鈦合金的孔徑無變化，進(jìn)而形成孔徑階差。且隨著切屑厚度的增大，切屑的剛性增強(qiáng)，對CFRP孔的損傷越嚴(yán)重，導(dǎo)致CFRP的孔徑增大，孔徑階差加劇。如，當(dāng)進(jìn)給量從0.02 mm/r增加到0.08 mm/r 時，切屑厚度的增大了0.03 mm，擴(kuò)孔量從190 μm增加到335 μm。

（3）振幅和進(jìn)給量對孔徑階差的影響較為顯著，而主軸轉(zhuǎn)速的影響較小，且孔徑隨著振幅的增大先減小后增大，隨著進(jìn)給量的增大而增大。通過綜合考量和試驗驗證，確定面向孔徑控制的最優(yōu)工藝參數(shù)組合方案：主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min、進(jìn)給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。