疊層材料低頻振動(dòng)制孔工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

聶鵬 馬義迪 李海偉 張鍇鋒 李正強(qiáng)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

文摘 CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)在一體化制孔的過(guò)程中易出現(xiàn)復(fù)合材料分層、撕裂、灼傷和孔出口毛刺等制孔缺陷。本文基于低頻振動(dòng)輔助鉆削技術(shù)，進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)二次優(yōu)化后得到最優(yōu)加工參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速400 r/min、進(jìn)給量12 mm/min、振幅75 μm 與轉(zhuǎn)速500 r/min、進(jìn)給量21 mm/min、振幅75 μm 兩組加工參數(shù)下的制孔質(zhì)量較好，使用較高轉(zhuǎn)速和較大進(jìn)給量能夠提高加工效率。

0 引言

近年來(lái)，在各類航空航天產(chǎn)品的一直升級(jí)進(jìn)步中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1-2］。CFRP 有著優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在滿足航空航天產(chǎn)品性能要求的同時(shí)，能夠有效減輕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)質(zhì)量。鈦合金相比于目前廣泛使用的合金鋼，擁有更高的力學(xué)強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及更好的抗腐蝕性，在重量上相較于合金鋼也更具優(yōu)勢(shì)［3-4］。

疊層材料將兩種材料的優(yōu)異性能結(jié)合在一起，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)滿足了航空航天產(chǎn)品輕量化的要求［5-6］。由CFRP 和鈦合金組成的疊層材料目前多應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件、構(gòu)架和機(jī)身蒙皮，其連接方式多為螺栓連接或鉚接，需要在結(jié)構(gòu)裝配之前鉆制大量的預(yù)制孔，而疊層材料的制孔需要較高的精確性，通常使兩種材料疊層放置加工來(lái)提高孔的位置精確性［7］。但制孔過(guò)程中易出現(xiàn)鉆削力大、鉆削溫度偏高、排屑困難等問(wèn)題，會(huì)有材料分層、撕裂、毛邊和灼傷等制孔缺陷產(chǎn)生，難以一次性加工出高質(zhì)量高精度的裝配孔，缺陷形式如圖1所示［8］。

圖1 疊層材料制孔損傷示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole making damage in laminated materials

本文基于低頻振動(dòng)輔助鉆削技術(shù)對(duì)疊層材料進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，得到最優(yōu)加工參數(shù)，可以有效抑制制孔損傷，提高制孔精度，對(duì)航空航天器的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用VCM-850E 數(shù)控加工中心，配合安裝法國(guó)MITIS PG8040 振動(dòng)刀柄（圖2）。刀具采用型號(hào)為W6K303WY1100T0 硬質(zhì)合金長(zhǎng)桿鉆頭，雙切削刃，規(guī)格：8 mm×26 mm×150 mm，刀具的頂角為115°，螺旋角為25°。測(cè)量?jī)x器采用?？怂箍等鴺?biāo)測(cè)量?jī)x、VHX-1000三維顯微鏡、粗糙度測(cè)量?jī)x。

圖2 低頻振動(dòng)刀柄及安裝Fig.2 Low frequency vibration tool and installation

1.2 材料

疊層材料工件CFRP厚度為2 mm，纖維牌號(hào)T300，鋪層順序［0°/45°/-45°/90°］，鈦合金板厚度3 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)上海交通大學(xué)王昌贏［9］進(jìn)行疊層材料普通鉆削實(shí)驗(yàn)，當(dāng)鉆入順序?yàn)镃FRP→Ti 時(shí)，加工參數(shù)對(duì)制孔精度影響非常明顯，當(dāng)鉆入順序?yàn)門i→CFRP時(shí)，加工參數(shù)對(duì)制孔精度的影響并不明顯。因此本實(shí)驗(yàn)選擇的鉆入順序?yàn)镃FRP→Ti。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，分別是正交實(shí)驗(yàn)與二次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)低頻振動(dòng)鉆削加工通常使用的轉(zhuǎn)速參數(shù)，確定正交實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為400 r/min，其余參數(shù)見(jiàn)表1。每組通過(guò)低頻振動(dòng)鉆削得到10個(gè)加工孔，并檢測(cè)制孔質(zhì)量，綜合正交實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果初步確定一組優(yōu)化參數(shù)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table.1 Orthogonal experiment parameter table

二次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)是基于正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)初步優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即在制孔效果較好的參數(shù)值附近選擇其他參數(shù)再次試驗(yàn)，得到更精確的優(yōu)化參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析

正交實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)下，得到CFRP 復(fù)合材料及鈦合金板的加工結(jié)果及鈦合金切屑形狀如圖3所示。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)CFRP 的孔徑誤差與孔壁粗糙度以及鈦合金的孔徑誤差與切屑角度進(jìn)行測(cè)量，鈦合金切屑形狀為扇形，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為扇形角度的大小，測(cè)量的結(jié)果計(jì)算10個(gè)孔的平均值，如圖4、圖5所示。

圖3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及鈦合金切屑角度示意圖Fig.3 Orthogonal experimental results and diagram of titanium alloy chip size

圖4 CFRP制孔質(zhì)量測(cè)量Fig.4 CFRP hole quality measurement

圖5 鈦合金孔徑誤差及切屑角度測(cè)量Fig.5 Measurement of hole diameter error and chip angle of titanium alloy

由圖4 可知，CFRP 的孔徑誤差隨進(jìn)給量的增大逐步增大，使用Pearson 函數(shù)對(duì)進(jìn)給量與孔徑精度、表面粗糙度進(jìn)行相關(guān)性分析得到，相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到0.9 以上，具有強(qiáng)相關(guān)性。分析原因認(rèn)為，鉆削過(guò)程中增大機(jī)床每轉(zhuǎn)進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致軸向鉆削力的增大，增加了刀具與材料的摩擦，加工時(shí)的溫度逐漸升高，從而加重了CFRP 孔徑表面的灼燒現(xiàn)象，使復(fù)合材料孔徑表面粗糙度與孔徑誤差變大。

對(duì)參數(shù)分析可得，振幅為50、75 μm 以及進(jìn)給量為12、21 mm/min 時(shí)，CFRP 的孔徑表面粗糙度較小，而在振幅為75 μm 的孔徑誤差較小，加工效果較好。因此得到在振幅為75 μm，進(jìn)給量為12、21 mm/min時(shí)，CFRP取得較好的制孔效果。

由圖5可知，鈦合金的孔徑誤差隨每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大先減小后增大，扇形切屑角度隨進(jìn)給量的增大而增大，使用Pearson 函數(shù)對(duì)進(jìn)給量與鈦合金孔徑誤差、切屑角度進(jìn)行相關(guān)性分析得到，進(jìn)給量與切屑角度的相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.9以上，具有強(qiáng)相關(guān)性。分析原因認(rèn)為，在鈦合金切屑排出孔外的過(guò)程中，尺寸大、溫度高的切屑會(huì)對(duì)加工孔表面進(jìn)行二次切削，使鈦合金的孔徑精度受到了一定的影響，但在進(jìn)給量逐漸增大的過(guò)程中，切屑達(dá)到了較好的排出角度，減小了二次切削的影響，使孔徑誤差減小。對(duì)參數(shù)分析可得，在振幅為75 μm、進(jìn)給量為21 mm/min 時(shí)，鈦合金加工質(zhì)量相對(duì)較好。

基于對(duì)制孔缺陷的產(chǎn)生機(jī)理以及正交實(shí)驗(yàn)的制孔結(jié)果分析，綜合考慮CFRP 的孔徑誤差、孔壁粗糙度和鈦合金的孔徑誤差、切屑角度，得出，在振幅為75 μm 以及進(jìn)給量分別為12 和21 mm/min 時(shí)的加工效果相對(duì)較好，因此選擇這兩組參數(shù)為正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果，在此結(jié)果上進(jìn)行二次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2 二次優(yōu)化試驗(yàn)分析

2.2.1 進(jìn)給量?jī)?yōu)化試驗(yàn)

在振幅75 μm、轉(zhuǎn)速 400 r/min 條件下，進(jìn)給量?jī)?yōu)化試驗(yàn)孔徑誤差如圖6 所示。CFRP 孔壁粗糙度與鈦合金切屑角度如圖7 所示?？芍?，當(dāng)進(jìn)給量為12 mm/min 時(shí)，CFRP 的孔徑誤差較小且孔壁粗糙度較低，鈦合金的孔徑誤差與切屑角度也相對(duì)較小。因此得到結(jié)果，在轉(zhuǎn)速400 r/min、進(jìn)給量12 mm/min、振幅75 μm 加工參數(shù)下可以取得較好的制孔質(zhì)量。

圖6 CFRP與鈦合金孔徑誤差測(cè)量Fig.6 Measurement results of aperture error for CFRP and titanium alloys

圖7 CFRP孔壁粗糙度與鈦合金切屑角度測(cè)量Fig.7 Measurement results of CFRP hole wall roughness and titanium alloy chip angle

2.2.2 轉(zhuǎn)速優(yōu)化試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速參數(shù)的優(yōu)化基于進(jìn)給量 21 mm/min 和振幅 75 μm，在初始設(shè)定的 400 r/min 轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到轉(zhuǎn)速參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9 所示。CFRP 的孔徑誤差、粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，鈦合金孔孔徑誤差與切屑角度也具有相同變化趨勢(shì)。

圖8 CFRP與鈦合金孔徑誤差測(cè)量Fig.8 Measurement results of aperture error for CFRP and titanium alloys

圖9 CFRP孔壁粗糙度與鈦合金切屑角度測(cè)量Fig.9 Measurement results of CFRP hole wall roughness and titanium alloy chip angle

分析原因認(rèn)為，在加工過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速增大，鉆削力會(huì)有一定程度的減小，減少了刀具與材料之間的摩擦，使孔徑精度有所提升。隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，加工的熱量會(huì)不斷聚集，孔徑發(fā)生熱損傷，使制孔質(zhì)量降低。同時(shí)，轉(zhuǎn)速的不斷增加影響了斷屑效果，使扇形切屑角度變大。對(duì)參數(shù)分析可得，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min、進(jìn)給量21 mm/min、振幅75 μm 時(shí)，CFRP 和鈦合金的孔徑精度較高，粗糙度與鈦合金的切屑角度也相對(duì)較小，得到較好的加工質(zhì)量。

3 結(jié)論

基于低頻振動(dòng)輔助鉆削技術(shù)，進(jìn)行了CFRP/Ti疊層材料的鉆孔工藝試驗(yàn)，主要獲得以下結(jié)論：

（1）在不同進(jìn)給量參數(shù)條件下，得到以下兩組最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)速400 r/min、進(jìn)給量12 mm/min、振幅75 μm；轉(zhuǎn)速500 r/min、進(jìn)給量21 mm/min、振幅75 μm。

兩組參數(shù)振幅相同，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量不同，均可以取得較好的制孔質(zhì)量。第一組參數(shù)的制孔質(zhì)量稍優(yōu)于第二組參數(shù)，第二組參數(shù)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量參數(shù)較大，可以節(jié)約制孔時(shí)間，提高制孔效率。

（2）在保持主軸轉(zhuǎn)速和低頻振動(dòng)振幅不變時(shí)，增大機(jī)床每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，伴隨軸向鉆削力的增大，造成低頻振動(dòng)鉆削溫度上升，使刀具與材料的摩擦力增大，產(chǎn)生的熱量積聚在加工區(qū)域，使材料發(fā)生熱損傷，影響制孔質(zhì)量。此外，在加工鈦合金材料時(shí)，扇形切屑角度隨每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增加而變大，使振動(dòng)鉆削的排屑效果下降，進(jìn)一步影響加工效果。