新型國產(chǎn)T800 碳纖維復(fù)合材料制孔特性

董慧民, 王 赫, 孟繁星, 耿大喜, 李躍騰, 錢黃海*, 蘇正濤

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院 減振降噪材料及應(yīng)用技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100095；2.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

航空工業(yè)的飛速發(fā)展帶來的是航空裝備材料與制造技術(shù)的快速進步，而航空裝備制造的復(fù)雜性與極端化使得其成為衡量整個高端制造業(yè)水平的一個標(biāo)準(zhǔn)。航空裝備相比一般機械裝備要求更高的可靠性、更高的耐久性。以T800 為代表的高強度模型碳纖維復(fù)合材料（T800 carbon fiber reinforced plastic，CFRP）因其比強度大、比剛度大、疲勞性能優(yōu)異等特點而成為新一代復(fù)合材料的主選增強材料[1-7]。與傳統(tǒng)金屬零件相比，碳纖維復(fù)合材料在飛機制造過程中需要大量的制孔及切邊加工。制孔通常是裝配前的最后一個環(huán)節(jié)，該過程出現(xiàn)零件缺陷將造成極大的損失，并影響裝配效率。

碳纖維材料各向異性、脆性大、層間強度低，在鉆削過程中都極易產(chǎn)生分層撕裂、纖維損失等缺陷，加工質(zhì)量難以保證[8-12]，復(fù)合材料制孔的技術(shù)難題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Wang 等[13]使用三尖鉆和多面鉆在普通鉆削（conventional drilling, CD）中對T700CFRP 材料進行了加工特性對比實驗分析。結(jié)果表明：在較低的主軸轉(zhuǎn)速下,多面鉆獲得的孔質(zhì)量要明顯優(yōu)于三尖鉆。Wang 等[14]對不同刃形、鋒角以及有無金剛石涂層的麻花鉆進行了研究，結(jié)果表明，無論是無涂層鉆頭還是金剛石涂層鉆頭，刀具形狀始終是影響鉆孔軸向力和加工質(zhì)量的決定性因素。Xu 等[15]進行了不同參數(shù)下匕首鉆和三尖鉆對傳統(tǒng)CFRP 材料的制孔實驗，結(jié)果表明：進給速度是影響孔表面質(zhì)量的主要因素，匕首鉆更適合對傳統(tǒng)CFRP 材料制孔。Qiu 等[16]研究表明，三尖鉆的尖端可以有效抑制傳統(tǒng)CFRP 材料入口層的缺陷，但對出口側(cè)的分層現(xiàn)象抑制效果較差。 Li 等[17]采用金剛石涂層的硬質(zhì)合金麻花鉆進行變進給量的制孔實驗研究，結(jié)果表明，在制孔的最后2 mm 降低進給速度可以在對加工效率產(chǎn)生較小影響的情況下降低孔的出口損傷。陳五一等[18]對T300 復(fù)合材料制孔的孔出口缺陷進行了實驗研究。結(jié)果表明：撕裂和毛邊是CFRP 孔出口的主要損傷形式，產(chǎn)生的主要原因是橫刃的連續(xù)擠壓與滾卷作用；此外，撕裂缺陷的程度與進給速度成正相關(guān)，而與鉆頭轉(zhuǎn)速成負(fù)相關(guān)，將切削速度與進給速度比值控制在3000～4000 以下,可以有效地減小撕裂值。

在現(xiàn)有的研究中，國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料制孔過程中的切削參數(shù)、刀具角度進行了優(yōu)化，取得了一定的效果，但提升效果有限。近年來國內(nèi)外學(xué)者開始利用超聲振動技術(shù)輔助鉆孔（ultrasonic vibration assisted drilling, UVAD），在鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、高溫合金等難加工材料方面都取得了較好的效果[19-27]。Makhdum 等[21]利用硬質(zhì)合金麻花鉆進行了超聲振動輔助制孔CFRP 的相關(guān)工藝實驗，結(jié)果表明：超聲振動輔助鉆削技術(shù)可以有效降低切削過程中的切削力和扭矩，并提升孔表面質(zhì)量，降低分層等缺陷。Halim 等[22]采用麻花鉆對CFRP 進行超聲制孔，發(fā)現(xiàn)超聲振動鉆削的孔表面形貌、表面粗糙度明顯優(yōu)于普通鉆削方式。Huang 等[23]采用麻花鉆進行超聲加工和普通加工對比實驗研究，結(jié)果表明，超聲振動輔助制孔可以在獲得更優(yōu)表面質(zhì)量的情況下提升刀具壽命，并對可延長刀具壽命的切削參數(shù)進行了推薦。Wu 等[25]應(yīng)用套料鉆研究了傳統(tǒng)鉆孔和超聲輔助鉆孔過程中加工條件對CFRP 孔壁分層、撕裂的影響，發(fā)現(xiàn)在低進給、高轉(zhuǎn)速的條件下采用超聲振動輔助制孔可以明顯提升孔壁質(zhì)量。余婷[26]研究了加工參數(shù)對超聲振動鉆削CFRP 的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速是影響切削力、扭矩和表面粗糙度的關(guān)鍵參數(shù)。由以上分析可知，超聲振動鉆削CFRP 材料基本都是輔助傳統(tǒng)麻花鉆、套料鉆進行制孔，已經(jīng)取得了一定的工藝效果，但是先進刀具結(jié)構(gòu)與超聲振動切削方法的復(fù)合加工模式鮮見報道。

綜上所述，為提高傳統(tǒng)復(fù)合材料的加工質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)選加工參數(shù)、改良刀具角度、研究切屑形成等在制孔領(lǐng)域進行了大量的研究，為復(fù)合材料的制孔提供了一定的參考意義，但是對于國產(chǎn)T800 碳纖維復(fù)合材料的制孔加工特性研究目前尚待系統(tǒng)開展，因此，選擇合適的刀具結(jié)構(gòu)對國產(chǎn)T800 復(fù)合材料的高質(zhì)量加工是很有必要。本工作選用硬質(zhì)合金麻花鉆、三尖鉆和匕首鉆對國產(chǎn)高性能T800 復(fù)合材料進行制孔對比實驗研究。在優(yōu)選的刀具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，探索超聲振動輔助先進刀具結(jié)構(gòu)的制孔方法在進一步提升加工質(zhì)量方面的可行性。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

采用國產(chǎn)特種T800 復(fù)合材料板材，板材厚度為3.24 mm。T800 復(fù)合材料板的鋪層順序為[45o/0o/0o/0o/0o/45o/0o/0o/0o/0o/45o]s，其中45o為T800系織物，層數(shù)共21 層。復(fù)合材料板的基本力學(xué)性能如表1 所示。

表1 T800 CFRP 板力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of T800 CFRP panel

1.2 實驗刀具

選用硬質(zhì)合金麻花鉆、硬質(zhì)合金三尖鉆及硬質(zhì)合金匕首鉆對T800 復(fù)合材料進行制孔實驗研究，刀具直徑為?6 mm，三種刀具均無涂層，制孔刀具圖及實物圖如表2 所示。

表2 刀具結(jié)構(gòu)圖Table 2 Cutting tool structure picture

1.3 實驗平臺搭建和條件

圖1 為自行搭建的包含BV100 立式超聲加工中心、KISTLER 測力儀的實驗平臺。超聲加工中心中包含自行研制的超聲專用刀柄、非接觸式供電系統(tǒng)、超聲電源等。超聲電源把常規(guī)220 V、50 Hz電壓轉(zhuǎn)換為超聲頻正弦波電振蕩，通過非接觸式超聲感應(yīng)供電作用于超聲換能器，超聲換能器在壓電陶瓷的壓電效應(yīng)下將電能轉(zhuǎn)換為刀具末端一定振幅的超聲振動。通過在刀具上附加超聲振動，使普通加工的連續(xù)切削過程變?yōu)殚g斷、瞬間、往復(fù)的微觀分離切削過程，進而切削區(qū)被周期性打開，顯著降低切削力，從而提高加工質(zhì)量。為了減小更換機床刀柄對加工過程的影響，通過超聲電源的閉合實現(xiàn)普通鉆削和超聲振動鉆削模式的切換。利用KISTLER 9272 測力儀對鉆削過程鉆削力測量，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（KISTER 5679）對數(shù)據(jù)采集，經(jīng)電荷放大器（KISTLER 5070）對采集的數(shù)據(jù)放大后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中對數(shù)據(jù)進行處理。采用粗糙度儀（Talysurf 50, Taylor Hobson, England）對孔表面的粗糙度進行測量，采用RH2000 超景深顯微鏡觀察孔出入口缺陷，此外，采用Aberlink 三坐標(biāo)測量系統(tǒng)測量孔的孔徑偏差。

圖1 制孔實驗平臺Fig. 1 Drilling experimental platform

分別以切削速度、進給量為變量進行制孔實驗，T800 復(fù)合材料制孔實驗具體參數(shù)如表3 所示。制孔直徑為6 mm，孔深為碳纖維板材厚度3.24 mm，1～6 組實驗為普通加工中刀具對比實驗，第7 組實驗為應(yīng)用匕首鉆在超聲振動加工和普通加工形式下（第6 組）的對比實驗。超聲振動頻率為19250 Hz，振幅為10 μm。為避免實驗結(jié)果的偶然性，每組參數(shù)進行三次實驗，取三次實驗結(jié)果的平均值作為最終測試結(jié)果。此外，實驗過程采用干切削，采用大功率吸塵器吸收加工過程中產(chǎn)生的碳纖維粉末。

表3 T800 復(fù)合材料制孔參數(shù)Table 3 Drilling experimental conditions of T800 CFRP

2 結(jié)果與分析

2.1 T800 復(fù)合材料鉆削實驗分析

2.1.1 鉆削力

對切削過程平均軸向切削力進行統(tǒng)計，并對數(shù)據(jù)作圖分析，如圖2 所示。結(jié)果顯示三種鉆頭的軸向力都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而略有增加，與主軸轉(zhuǎn)速相比，進給速度對軸向切削力影響更為顯著，當(dāng)進給量由0.015 mm/r 增加到0.020 mm/r 時，切削力顯著增加，這主要是因為單位時間內(nèi)材料去除量快速增加，因此，在對T800 復(fù)合材料加工過程中應(yīng)選擇較低的進給量。在刀具刃形方面，匕首鉆前端是一種錐形漸變結(jié)構(gòu)，鉆孔直徑由小變大，具有階梯鉆削的優(yōu)點，因此，匕首鉆的加工過程中產(chǎn)生的軸向切削力要明顯低于其他兩種鉆頭。對于麻花鉆和三尖鉆，軸向力約為70～90 N，三尖鉆的軸向切削力略低于麻花鉆，這是因為三尖鉆與麻花鉆相比橫刃更小，緩解了橫刃負(fù)前角切削現(xiàn)象，從而三尖鉆在加工過程中產(chǎn)生較小的軸向切削力。從降低軸向切削力的角度來看，匕首鉆相比較其他三種刀具更有優(yōu)勢。

圖2 軸向切削力隨主軸轉(zhuǎn)速變化關(guān)系圖 （a）f=0.015 mm/r；（b）f=0.02 mm/rFig. 2 Variations of axial cutting forces with spindle speeds （a）f=0.015 mm/r；（b）f=0.02 mm/r

2.1.2 T800 孔徑偏差及出入口形貌

孔徑誤差表示測量直徑和目標(biāo)直徑（?6 mm）之間的相對誤差，在距加工孔入口和出口1 mm處，測量8 個點的坐標(biāo)計算孔徑誤差，測量結(jié)果如圖3 所示，可以觀察到，孔入口處的孔徑誤差大于孔出口處的孔徑誤差，這是因為隨著制孔深度的增加，已加工表面對刀具起到支撐作用，刀具偏轉(zhuǎn)減弱。此外，可以看出，相比于其他兩種鉆頭，三尖鉆進出口的孔徑偏差最小，小于10 μm；匕首鉆出口孔徑偏差最好，但入口孔徑偏差較大，這是因為在入口階段，匕首鉆由于刀尖的特殊形狀，定心能力較差。因此可以得出結(jié)論，在保證孔徑偏差方面，應(yīng)選擇三尖鉆對T800 復(fù)材進行制孔。

圖3 孔徑偏差隨進給量和主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系 （a）入口區(qū)；（b）出口區(qū)；（1）f=0.015 mm/r；（2）f=0.02 mm/rFig. 3 Variations of hole diameter errors with spindle speeds and axial feed rates （a）hole entry；（b）hole exit；（1） f=0.015 mm/r；（2）f=0.02 mm/r

麻花鉆、三尖鉆和匕首鉆加工T800 CFRP 復(fù)合材料的孔出入口形貌如圖4 所示。隨著每齒進給量從0.015 mm/r 到0.02 mm/r 的變化，使用三種刀具加工孔入口形貌均變差，并存在一些劃痕。在進給量為0.015 mm/r 時，使用三尖鉆加工表面質(zhì)量較好，無明顯損傷，匕首鉆和麻花鉆的孔入口處存在一些殘留纖維。

圖4 T800 復(fù)合材料孔入口形貌圖 （a）硬質(zhì)合金麻花鉆；（b）硬質(zhì)合金三尖鉆；（c）硬質(zhì)合金匕首鉆；（1）f =0.015 mm/r；（2）f =0.02 mm/rFig. 4 T800 CFRP hole entry morphologies （a）carbide twist drill；（b）carbide candle stick drill；（c）carbide dagger drill；（1）f =0.015 mm/r；（2）f =0.02 mm/r

圖5 分別是麻花鉆、三尖鉆和匕首鉆加工T800 CFRP 復(fù)合材料的孔出口表面形貌。對于麻花鉆和匕首鉆，除一些碎屑和殘余材料外，沒有明顯缺陷，匕首鉆略優(yōu)于麻花鉆。分層撕裂缺陷較少是因為匕首鉆屬于漸進切削，最外層預(yù)浸料承受的切削力小且較穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的分層缺陷較少。對于三尖鉆，在兩種進給量下，三尖鉆的進出口形貌中，進口形貌較優(yōu)，相比其他兩種鉆頭產(chǎn)生的毛刺較少，這是因為三尖鉆存在周向鉆尖，周向鉆尖直接對孔的邊緣區(qū)復(fù)合材料進行切削，抑制了孔邊緣毛刺的產(chǎn)生。三尖鉆鉆削孔出口形貌出現(xiàn)明顯分層/撕裂，原因可能是三尖鉆兩側(cè)刀尖同時鉆出工件表面，造成鉆頭切斷纖維的能力變差。由此得出結(jié)論，從孔出入口形貌來看，使用匕首鉆對T800 復(fù)合材料加工可以得到最優(yōu)效果。

圖5 T800 復(fù)合材料孔出口形貌圖 （a）硬質(zhì)合金麻花鉆；（b）硬質(zhì)合金三尖鉆；（c）硬質(zhì)合金匕首鉆；（1）f =0.015 mm/r；（2）f =0.02 mm/rFig. 5 T800 CFRP hole exit morphologies （a）carbide twist drill；（b）carbide candle stick drill；（c）carbide dagger drill；（1）f =0.015 mm/r；（2）f =0.02 mm/r

2.1.3 表面粗糙度

表面粗糙度是衡量表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，采用Talysurf 50 表面輪廓儀測量已鉆孔表面的表面粗糙度Ra, 沿進給方向每個孔間隔90°測量5 次并取其平均值，采樣長度為2.4 mm。測量結(jié)果如圖6 所示。在所選的切削參數(shù)范圍內(nèi)，進給速度對Ra值影響較大，進給量增大，三種刀具加工下零件的表面粗糙度值均升高。對于三尖鉆，可以看出，Ra值均低于0.8 μm。對于麻花鉆和匕首鉆，Ra值約為0.3～1.1 μm，遠高于相同切削條件下的三尖鉆Ra值，這主要得益于三尖鉆周向鉆尖提升了切削刃的纖維切斷能力。因此，從孔壁表面質(zhì)量的角度來看，三尖鉆是較好的選擇。

圖6 孔表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速變化關(guān)系 （a）f= 0.015 mm/r；（b）f= 0.02 mm/rFig. 6 Variations of surface roughness with spindle speeds （a）f = 0.015 mm/r；（b）f = 0.02 mm/r

通過以上分析，得出結(jié)論，應(yīng)用不同的刀具在不同的加工方式下對孔加工、孔表面的損傷形式不同?？椎牟煌u價指標(biāo)下推薦加工刀具及參數(shù)如表4 所示。

表4 加工參數(shù)及刀具推薦表Table 4 Machining parameters and tool recommendation table

2.2 T800 復(fù)合材料超聲振動鉆削實驗分析

以上刃型對比實驗表明，從復(fù)合材料損傷的角度考慮，匕首鉆加工損傷最小，但是加工精度，特別是入口孔徑精度較差。因此，選取匕首鉆進行超聲制孔鉆削實驗，超聲振動頻率為19250 Hz，振幅為10 μm。加工參數(shù)均為切削速度5000 r/min, 軸向進給量為0.02 mm/r。

2.2.1 切削力對比

對實驗過程中鉆削CFRP 的軸向力進行了測量，選取典型參數(shù)的切削力測量結(jié)果如圖7 所示，切削力的變化可分為三個階段：（1）入鉆階段，該階段刀具開始與CFRP 接觸，切削力逐漸上升；（2）CFRP 穩(wěn)定鉆削階段，該階段鉆頭完全進入CFRP，切削力存在一定程度的下降，產(chǎn)生了穩(wěn)定的CFRP鉆削力；（3）鉆出階段，匕首鉆鉆尖首先鉆穿工件，切削力急劇下降并逐漸下降至0。

圖7 切削力對比圖Fig. 7 Comparison of cutting forces

在相同參數(shù)下，普通鉆削最大軸向切削力為62.7 N，而超聲鉆削的最大軸向切削力為45.4 N，切削力下降了約27.6%，超聲制孔的軸向力小于普通制孔中的軸向力，超聲制孔減小切削力的原因主要是以下幾個方面：首先，如圖8 所示，在超聲輔助鉆削過程中，實現(xiàn)了沿軸向方向的間歇切削加工模式，單個振動周期內(nèi)超聲制孔的平均切削力顯著小于普通制孔中的切削力。其次，相比于普通鉆孔形成的連續(xù)切屑，超聲振動輔助鉆孔形成的切屑更小，這也為制孔過程提供了更好的切屑排出環(huán)境，避免了切屑堵塞和加工表面摩擦形成的摩擦力。此外，間歇切削模式提供了一個合適的刀-工接觸環(huán)境，在刀具-工件界面之間形成空氣膜，在一定程度上減少了摩擦力。最后，在超聲振動鉆削過程時，附加的超聲振動可以使刀具獲得更高的切削速度和加速度，可以實現(xiàn)切削刃的沖擊切削，促進切削過程中的纖維斷裂，減小了纖維斷裂所需的能量，進而降低了切削力。

2.2.2 T800 孔徑偏差及出入口形貌

圖9 為超聲振動加工和普通加工孔徑偏差對比圖，超聲制孔入口孔徑偏差為6 μm，出口孔徑偏差為3 μm，相比普通加工入口孔徑偏差為30 μm，出口孔徑偏差為?1 μm，超聲振動輔助匕首鉆進一步提升了制孔精度。首先，這是由于超聲振動產(chǎn)生的脈沖式切削力可以提高入鉆時鉆尖的穩(wěn)定性，對孔徑誤差表現(xiàn)出良好的糾偏效果；此外，入鉆最大切削力降低幅度達到27.5%，促使累積的刀具徑向偏轉(zhuǎn)量減少，可以有效避免刀具的大角度偏移。最后，超聲振動鉆削能夠降低切削力和切削溫度，這減小了已加工表面的變形，從而提高了孔的精度。因此，在超聲輔助加工下，獲得了較小的孔徑誤差。由以上分析可知，超聲振動輔助匕首鉆制孔可以有效降低孔徑偏差，提高孔徑精度。

圖9 孔徑偏差對比圖Fig. 9 Comparison of hole diameter errors

圖10 和圖11 為普通加工和超聲振動加工出入口形貌及其局部放大對比圖。在CFRP 入口層，普通制孔復(fù)合材料入口處存在明顯的未切斷纖維材料，超聲制孔表面存在較小的毛刺，超聲振動鉆削下CFRP 的孔入口處的表面形貌明顯優(yōu)于普通鉆削。這是因為超聲振動產(chǎn)生的沖擊切削效應(yīng)可以使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生局部快速斷裂。此外，普通制孔入口表面產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的燒傷，而超聲制孔入口表面燒傷較少，這是因為超聲振動鉆削能夠降低切削力和切削溫度，從而降低了入口損傷。在孔的出口處，超聲振動鉆孔的孔邊緣表面光滑，普通鉆孔邊緣存在毛刺。由以上分析得出結(jié)論，應(yīng)用超聲振動輔助匕首鉆加工可以進一步提升孔表面的形貌。

圖10 制孔入口形貌圖 （a）UVAD；（b）CDFig. 10 Hole entry morphologies （a）UVAD；（b）CD

圖11 制孔出口形貌圖 （a）UVAD；（b）CDFig. 11 Hole exit morphologies （a）UVAD；（b）CD

2.2.3 表面粗糙度

超聲鉆孔平均表面粗糙度Ra為0.903 μm，普通鉆孔平均表面粗糙度Ra為0.962 μm，在相同條件下，在超聲振動鉆孔中獲得了更平滑的孔表面，超聲振動有利于獲得更好的表面質(zhì)量。首先，超聲振動鉆削的超聲頻沖擊運動能夠增強鉆頭切削刃的切削能力，并促使碳纖維產(chǎn)生局部斷裂，從而提高了孔的表面質(zhì)量。其次，切削刀具與工件的完全分離、斷續(xù)切削也降低了鉆削軸向力、鉆削溫度，從而減小了鉆削過程中力熱耦合作用對孔表面質(zhì)量的影響。此外，高頻縱向振動使切削刃對孔表面進行修整，使加工孔表面更加光滑。在超聲鉆削中通過刀具運動獲得修整效果，有利于去除未切削的纖維并減少表面不均勻性，進而降低了孔表面粗糙度（如圖12 所示）。因此，超聲振動輔助匕首鉆制孔可以獲得更低的孔表面粗糙度。

圖12 超聲加工切削刃光整作用Fig. 12 Finishing effect of cutting edge in UVAD

3 結(jié)論

（1）三尖鉆的軸向鉆削力和麻花鉆相當(dāng)，均比匕首鉆高，但是三尖鉆的周向鉆尖提升了對纖維的切斷能力，使得三尖鉆在制孔過程中可以產(chǎn)生較小的孔表缺陷，從而獲得更低的孔表面粗糙度值。

（2）匕首鉆因切削刃軸向呈漸變結(jié)構(gòu)，具有階梯鉆削的優(yōu)點，從而產(chǎn)生較低的軸向切削力，在加工T800 復(fù)合材料時可以獲得更好的孔出口質(zhì)量，但因無橫刃定心導(dǎo)致入口孔徑精度較差。

（3）超聲振動輔助匕首鉆制孔可以顯著提升入鉆穩(wěn)定性和定心能力，改善了匕首鉆定心能力差的問題，使得超聲振動輔助制孔的孔徑偏差明顯優(yōu)于普通制孔。此外，高頻的超聲縱向振動對孔壁表面進行修磨，使得超聲振動輔助匕首鉆制孔獲得更優(yōu)的孔表面質(zhì)量。

（4）使用超聲振動輔助匕首鉆的方式對T800復(fù)合材料制孔，可以在獲得更高精度和更優(yōu)表面質(zhì)量的同時提升制孔效率。