冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)CFRP/鈦合金疊層制孔刀具磨損的影響*

孟祥軍，郭 南，陳 燕，晏超仁，錢 寧

（南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料 （Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，往往與鈦合金組成疊層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在各型飛機(jī)的承力部件上，以減輕飛機(jī)的重量，改善可靠性[1-3]。機(jī)械連接是飛機(jī)復(fù)合材料部件的主要連接方法之一[4]，需要在疊層構(gòu)件上加工大量的裝配孔，而制孔質(zhì)量是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和疲勞性能的關(guān)鍵因素，關(guān)系到飛機(jī)的使用壽命和安全性[5-6]。刀具磨損是影響制孔質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，CFRP 層的磨粒磨損和鈦合金層的粘結(jié)磨損交替作用使鉆頭鈍化，導(dǎo)致軸向力上升、加工溫度高和制孔質(zhì)量差，因此疊層材料制孔的刀具磨損依然是一個(gè)需要著重研究的問(wèn)題[7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)制孔的刀具磨損已經(jīng)展開(kāi)了廣泛的研究。Xu 等[7-8]研究了不同鉆頭和鉆削順序下的刀具磨損和鉆削性能，發(fā)現(xiàn)刀具磨損與制孔質(zhì)量有極大的相關(guān)性，加工溫度和切削黏附的耦合效應(yīng)是影響鉆頭磨損的重要因素。Shao[9]和王賢鋒[10]等發(fā)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)鉆削散熱條件差，鉆削溫度高，導(dǎo)致制孔質(zhì)量差。因此，溫度是影響刀具磨損和制孔質(zhì)量的重要因素，并且隨著加工孔徑的增大，溫度的影響越來(lái)越顯著，降低加工區(qū)域的溫度是各種冷卻潤(rùn)滑方式首要解決的問(wèn)題。

關(guān)于冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)加工溫度和刀具磨損的影響，目前已有一定的研究基礎(chǔ)。Wang 等[11]通過(guò)鈦合金正交車削試驗(yàn)獲得了刀具-切屑界面滑動(dòng)區(qū)域的平均摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)使用微量潤(rùn)滑技術(shù) （Minimum quantity lubrication，MQL）冷卻時(shí)摩擦角更??；Lu 等[12]使用高壓冷卻液進(jìn)行車削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)能有效抑制粘結(jié)磨損；Da Silva 等[13]在不同冷卻液壓力車削鈦合金的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)提高冷卻液壓力有利于提高刀具壽命和降低黏附傾向；Ge 等[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，使用MQL 時(shí)刀具磨損降低，而且低溫可以提高CFRP 的制孔質(zhì)量；Jessy 等[15]在鉆削GFRP 的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相比于干加工，冷卻液內(nèi)冷使溫度降低了76%，刀具壽命提高了43.75%。

低頻振動(dòng)制孔能夠降低加工溫度，提高制孔質(zhì)量。Pecat 等[16]在4.8 mm 孔徑的鉆削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)能顯著降低加工溫度和刀具磨損；Li 等[17]使用6.35 mm直徑的刀具進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆削與傳統(tǒng)加工的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明低頻振動(dòng)能將加工溫度降低47.9%；姚琦威[18]和Hussein[19]等也發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)制孔有利于降低加工溫度，提高制孔質(zhì)量。但隨著孔徑的增加，低頻振動(dòng)制孔的降溫效果減弱，且目前的研究集中于10 mm 以下孔徑的鉆削過(guò)程，缺少較大孔徑下不同冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)刀具磨損的研究。因此，本文在低頻振動(dòng)加工的方式下，使用不同冷卻潤(rùn)滑方式加工較大孔徑CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)裝配孔，研究了中心吹氣、MQL、水基冷卻液和液氮冷卻對(duì)鉆削溫度、軸向力和刀具磨損的影響。

1 試驗(yàn)及方法

鉆削試驗(yàn)使用的材料是多向鋪層的T800 型CFRP層合板，碳纖維體積分?jǐn)?shù)65%，鋪層方向?yàn)閇0/（45/90/-45/0）6]s，所用的鈦合金為TC4，均制備成200 mm×150 mm×10 mm 的試樣。為減少CFRP 的出口分層損傷，采用CFRP 板放置于鈦合金板上方的鉆削順序。在試樣的4 個(gè)角及中間分別加工出通孔并使用螺栓壓緊固定，試驗(yàn)工裝如圖1 所示。試驗(yàn)采用的刀具為KENNA CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)專用裝配刀具，鉆頭材料為無(wú)涂層的硬質(zhì)合金，刀具直徑12.7 mm。

圖1 試驗(yàn)工裝Fig.1 Experimental setup

鉆削試驗(yàn)在DMG 五軸加工中心上進(jìn)行，機(jī)床主軸功率80 kW，最大轉(zhuǎn)速20000 r/min。采用的低頻振動(dòng)刀柄為Mitis 專用刀柄，具體型號(hào)為PG 8045，固定頻轉(zhuǎn)比為2.5，振幅調(diào)節(jié)范圍0～200 μm。試驗(yàn)通過(guò)中心吹氣、MQL 內(nèi)冷、水基冷卻液內(nèi)冷和液氮外冷4 種冷卻潤(rùn)滑方法的對(duì)比來(lái)分析冷卻潤(rùn)滑方法對(duì)刀具壽命的影響，具體參數(shù)如表1 所示。內(nèi)冷時(shí)冷卻介質(zhì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入機(jī)床主軸，并通過(guò)刀具內(nèi)冷孔傳輸至切削區(qū)域，中心吹氣時(shí)則是使用壓縮空氣通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入機(jī)床主軸并通過(guò)刀具內(nèi)冷孔傳輸至加工區(qū)域；液氮冷卻時(shí)，為避免液氮-196 ℃的低溫對(duì)加工中心的精度和使用安全造成影響，故采用外冷的方式，使用液氮專用低溫噴嘴澆注至刀具和工件上，壓力為自增壓液氮罐的工作壓力。需要注意的是使用MQL 時(shí)只在加工鈦合金層時(shí)打開(kāi)MQL 潤(rùn)滑，而CFRP 層依舊為干加工狀態(tài)。為了比較不同冷卻潤(rùn)滑條件下的刀具性能和相應(yīng)的制孔質(zhì)量，所有試驗(yàn)均采用相同的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)前期的預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，為保護(hù)切削刃，在入鉆階段設(shè)置進(jìn)給速度為0.01 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，待到完全鉆入CFRP 層時(shí)進(jìn)給速度變?yōu)?.02 mm/r，即將鉆入鈦合金層時(shí)切換進(jìn)給速度為0.02 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min。

表1 冷卻潤(rùn)滑方式Table 1 Cooling and lubrication methods

在疊層結(jié)構(gòu)的鉆孔過(guò)程中，使用KISTLER 9272 型測(cè)力儀和5070A 電荷放大器采集切削力數(shù)據(jù)。每加工3 個(gè)孔使用KH 7700 顯微鏡拍攝刀具的表面形貌，測(cè)量后刀面最大磨損量（VBmax）以檢查刀具的磨損狀態(tài)。

鉆削溫度的測(cè)量使用K 型熱電偶和NI 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行，使用測(cè)溫夾具將熱電偶固定在工件材料側(cè)面（圖2），熱電偶距離孔壁1 mm，在這4 種冷卻潤(rùn)滑條件下分別進(jìn)行鉆削測(cè)溫試驗(yàn)以獲得各冷卻潤(rùn)滑條件下的加工溫度。

圖2 測(cè)溫方式Fig.2 Temperature measurement method

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆削溫度

在CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的制孔過(guò)程中，加工區(qū)域的溫度對(duì)刀具磨損有重要影響。然而由于鉆削加工的切削區(qū)域相對(duì)封閉，加工溫度的測(cè)量十分困難。試驗(yàn)中使用嵌入式熱電偶測(cè)量了不同冷卻潤(rùn)滑方式下鉆削CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的溫度。圖3 為使用中心吹氣時(shí)加工溫度的變化過(guò)程，圖4 為不同冷卻潤(rùn)滑條件下加工第1 個(gè)孔時(shí)CFRP 層和鈦合金層最大溫度的統(tǒng)計(jì)。由于熱電偶的測(cè)溫位置位于工件的側(cè)面，距離孔壁1 mm，CFRP 的熱導(dǎo)率約為1.825 W/（m·K），鈦合金的熱導(dǎo)率約為7.955 W/（m·K）[10，20]，故測(cè)得的溫度數(shù)值相比于實(shí)際加工區(qū)域略微偏低。但由于本試驗(yàn)的目的是對(duì)比不同冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)溫度及刀具磨損的影響，研究重點(diǎn)不在于實(shí)際加工區(qū)域溫度的絕對(duì)值，不會(huì)影響到不同冷卻方式對(duì)加工溫度影響效果的對(duì)比，因此對(duì)本研究結(jié)論不會(huì)造成影響。加工時(shí)先鉆到CFRP 層，溫度逐漸上升，鉆到鈦合金層時(shí)CFRP 層的溫度逐漸下降而鈦合金層溫度逐漸上升。由圖4 可知，試驗(yàn)的整體溫度相比較于傳統(tǒng)加工是較低的，這是因?yàn)榈皖l振動(dòng)鉆削工藝可以降低加工溫度[21]。使用中心吹氣時(shí)的溫度最高，CFRP層的溫度達(dá)到了73.2 ℃，這是因?yàn)橹行拇禋獾睦鋮s方式缺少潤(rùn)滑且壓縮空氣的比熱容小，冷卻效果差；鈦合金層導(dǎo)熱系數(shù)小，散熱條件差，溫度更是達(dá)到了203.1℃。而使用MQL 時(shí)，由于有油霧的潤(rùn)滑作用，減小了加工區(qū)域的摩擦，產(chǎn)熱量較小，并且混合了潤(rùn)滑油的氣流對(duì)流，換熱效果較好[22]，故溫度低于中心吹氣時(shí)的加工溫度；但鈦合金層的溫度依然較高，達(dá)到了93 ℃，這是因?yàn)殁伜辖饘拥你@削產(chǎn)熱量比CFRP 層更大，MQL 油霧和氣流的冷卻效果有限。在使用水基冷卻液的情況下，CFRP 層和鈦合金層的溫度分別只有32.6 ℃和47.3℃，這是因?yàn)槔鋮s液可以充滿整個(gè)加工區(qū)域，并且比熱容大于壓縮空氣或者油霧，吸熱效果好，能夠有效降低加工區(qū)域的溫度。使用液氮冷卻時(shí)，冷卻劑的溫度達(dá)到了-196 ℃，直接降低了加工區(qū)域的溫度，因而CFRP 層的溫度達(dá)到了-6.2 ℃，即使在產(chǎn)熱量較大的鈦合金層，溫度也只有18.6 ℃，這說(shuō)明液氮對(duì)于12.7 mm 孔徑的鉆削加工降溫效果顯著。

圖3 中心吹氣時(shí)加工溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of processing temperature with time during center blowing

圖4 不同冷卻潤(rùn)滑方式下的加工溫度Fig.4 Machining temperature under diffe ent cooling methods

2.2 軸向力

軸向力的分析是研究制孔過(guò)程中刀具磨損的一個(gè)基本步驟。在中心吹氣冷卻條件下加工第1 個(gè)孔時(shí)，未經(jīng)濾波處理的鉆削軸向力信號(hào)隨時(shí)間的變化特征如圖5 所示。鉆削過(guò)程中記錄加工每個(gè)孔時(shí)的軸向力數(shù)據(jù)，分析其在CFRP 層和鈦合金層的最大軸向力，得到的結(jié)果如圖6 所示。

圖5 中心吹氣時(shí)制孔軸向力變化Fig.5 Change of drilling thrust force during center blowing

圖6 鉆削過(guò)程中的最大軸向力隨加工孔數(shù)的變化Fig.6 Change of maximum thrust force during drilling as a function of the number of holes machined

可以發(fā)現(xiàn)，在CFRP/鈦合金疊層的鉆削過(guò)程中，鉆頭橫刃首先接觸CFRP 板，隨著鉆尖的深入，鉆削軸向力逐漸增大，當(dāng)鉆頭完全鉆入材料的時(shí)候，軸向力趨于穩(wěn)定，當(dāng)鉆頭接觸到疊層的分界面時(shí)，橫刃開(kāi)始接觸到鈦合金，軸向力急劇增加并達(dá)到最大值，之后隨著鉆頭的鉆出，軸向力減小并趨近于0；其中CFRP 層的兩個(gè)軸向力變小的區(qū)間為變參數(shù)時(shí)的停頓。在加工第1 個(gè)孔的時(shí)候，中心吹氣、MQL 和水基冷卻液條件下CFRP 層的最大軸向力分別為264.4 N、281.8 N 和229.8 N，而液氮冷卻的最大軸向力達(dá)到了321.2 N，分別是中心吹氣、MQL 和水基冷卻液的121.5%、114.0%和139.8%。這是因?yàn)橐旱牡蜏貢?huì)顯著提高復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度[23-24]，從而使軸向力增加，而使用水基冷卻液時(shí)由于潤(rùn)滑效果良好，故軸向力最低；使用MQL 時(shí)，由于油霧顆粒在CFRP 材料內(nèi)浸潤(rùn)性較差，因此在鉆削過(guò)程中的軸向力較大。鈦合金層在中心吹氣、MQL、水基冷卻液和液氮冷卻條件下的軸向力分別為962.8 N、886.4 N、843.3 N 和1068 N。其中，在使用MQL 和水基冷卻液時(shí)，由于較好的潤(rùn)滑，軸向力較??；在使用中心吹氣時(shí)，因缺少潤(rùn)滑，軸向力較大；在使用液氮時(shí)，由于缺少潤(rùn)滑和低溫下材料硬度增加的雙重作用，軸向力最大。

CFRP 層的軸向力如圖6（a）所示，發(fā)現(xiàn)在加工到第12 個(gè)孔的時(shí)候，液氮冷卻在CFRP 層的最大軸向力達(dá)到了1323 N，分別是中心吹氣、MQL 和水基冷卻液的169.5%、152.7%和209.4%，這是因?yàn)橐旱鋮s條件下的低溫環(huán)境不僅使工件材料的硬度增加[25]，刀具也發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致鉆削軸向力的急劇增加。而在水基冷卻液條件下，由于良好的潤(rùn)滑條件和較小的刀具磨損，軸向力增幅較慢。在加工前15 個(gè)孔時(shí)，MQL條件下的最大軸向力一直大于中心吹氣，而在15 個(gè)孔之后，中心吹氣條件下的軸向力接近甚至大于MQL 條件下的軸向力，這說(shuō)明中心吹氣條件下的刀具磨損更加劇烈，磨損趨勢(shì)快，使軸向力的增幅大于MQL 條件下軸向力的增幅，從而導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生。

如圖6（b）所示，在鈦合金層的鉆削過(guò)程中，鉆削到第12 個(gè)孔時(shí)液氮冷卻的最大軸向力達(dá)到了2756 N，僅為中心吹氣和MQL 的119.1%和122.8%，這說(shuō)明低溫使材料硬度增加造成的軸向力提高主要集中在CFRP層。而使用水基冷卻液鉆削鈦合金層時(shí)，相較于中心吹氣和MQL，在加工到第21 個(gè)孔時(shí)其軸向力僅為1856 N，是中心吹氣和MQL 的62.9%和62.8%，而在CFRP 層時(shí)的比值分別為76.3%和73.3%，這說(shuō)明水基冷卻液在為疊層結(jié)構(gòu)鉆削過(guò)程提供更好的冷卻潤(rùn)滑、降低軸向力的同時(shí)，對(duì)降低鈦合金層軸向力的效果更佳。中心吹氣和MQL 條件下的軸向力趨勢(shì)與CFRP 層的相似，說(shuō)明中心吹氣條件下的刀具磨損更快，導(dǎo)致軸向力增幅更大。

2.3 刀具磨損

不同冷卻潤(rùn)滑條件下的刀具壽命如圖7 所示，后刀面最大磨損量 （VBmax）隨加工孔數(shù)的變化如圖8 所示?？梢钥闯?，在使用水基冷卻液時(shí)的刀具壽命最長(zhǎng)，達(dá)到了165 min；而使用液氮冷卻時(shí)軸向力最大，刀具壽命最短，只有30 min，僅為中心吹氣和MQL 的57%。

圖7 不同冷卻潤(rùn)滑條件下的刀具壽命Fig.7 Tool life under diffe ent cooling and lubrication conditions

圖8 不同冷卻潤(rùn)滑條件下刀具最大磨損量VBmax 隨加工孔數(shù)的變化Fig.8 Variation of VBmax with the number of machined holes under diffe ent cooling and lubrication conditions

不難發(fā)現(xiàn)，在相同的刀具加工孔數(shù)下，由于水基冷卻液良好的潤(rùn)滑性，使用水基冷卻液情況下的刀具磨損量遠(yuǎn)小于其他3 種情況，這也解釋了使用水基冷卻液時(shí)軸向力較低的原因；使用MQL 情況下的刀具磨損量次之，因?yàn)橹行拇禋夂鸵旱饫涞那闆r下缺少潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致后刀面與已加工表面的摩擦增加，所以刀具磨損更快。而加工結(jié)束時(shí)液氮情況下的后刀面磨損量雖然只有164.34 μm，但出口毛刺高度已經(jīng)達(dá)到加工結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)0.5 mm，這是液氮外冷時(shí)缺少潤(rùn)滑，刀具劇烈的粘結(jié)磨損導(dǎo)致的。

鉆削過(guò)程中的刀具磨損是熱載荷和機(jī)械載荷耦合作用的結(jié)果，不同冷卻潤(rùn)滑條件下加工區(qū)域的實(shí)際情況不同，刀具磨損機(jī)理存在差異，從而影響了刀具的使用壽命。圖9 所示為不同冷卻潤(rùn)滑情況下鉆削3 個(gè)孔、12個(gè)孔 （液氮為6 個(gè)孔）和最后一個(gè)孔后的刀具后刀面的表面情況。

圖9 不同冷卻潤(rùn)滑情況下的后刀面形貌Fig.9 Flank topography under diffe ent cooling and lubrication conditions

可見(jiàn)，在使用中心吹氣的冷卻方法時(shí)，在加工到第12個(gè)孔時(shí)外緣處出現(xiàn)了面積0.0314 mm2的熱影響區(qū)域，隨著加工的進(jìn)行，熱影響區(qū)域不斷擴(kuò)大，到第21 個(gè)孔時(shí)熱影響區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)大到切削刃上，面積達(dá)到了0.3386 mm2，并且出現(xiàn)了點(diǎn)狀的不規(guī)則區(qū)域，這說(shuō)明使用中心吹氣時(shí)加工區(qū)域的溫度超過(guò)了正常加工的范圍，會(huì)影響到刀具的狀態(tài)。使用MQL 時(shí)，加工后的刀具表面布滿了油污，使用超聲波清洗機(jī)清洗并用高濃度酒精和無(wú)紡棉簽擦拭后，依然可以在加工3 個(gè)孔和12 個(gè)孔時(shí)的圖像上觀察到黑色的污點(diǎn)，分析發(fā)現(xiàn)是在加工過(guò)程中油霧與碳纖維碎屑混合后因高溫高壓而粘結(jié)在后刀面上；在第21 個(gè)孔之后也觀察到了熱影響區(qū)域，不過(guò)面積小于中心吹氣的情況，僅為0.0558 mm2，這說(shuō)明MQL 對(duì)降低加工區(qū)域溫度有一定的作用，但相比于小的孔徑，試驗(yàn)中12.7 mm 孔徑的鉆削加工產(chǎn)熱量更大，MQL 潤(rùn)滑減少產(chǎn)生的熱量和切屑、油霧帶走的熱量已經(jīng)不能很好地降低加工區(qū)域的溫度。使用水基冷卻液加工時(shí)，總體來(lái)看刀具表面的清潔度最高，水基冷卻液能夠帶走絕大部分的碎屑，具有良好的排屑效果，但在后刀面上也觀察到了變色區(qū)域，與中心吹氣時(shí)的熱影響區(qū)域不同，這種變色區(qū)域并非熱損傷，后刀面中間部分的熱影響區(qū)域在加工到第66 個(gè)孔之后甚至已經(jīng)消失，分析認(rèn)為這里的變色區(qū)域中黑灰色部分是加工CFRP 層時(shí)粉末狀碳纖維切屑在切削區(qū)的機(jī)械和熱耦合作用粘結(jié)在后刀面上的某一部分形成的，而黑灰色周圍的變色區(qū)域則是少量粘結(jié)在光學(xué)顯微鏡下的碎屑折射出的顏色變化，這種情況下的變色區(qū)域并未影響到鉆削過(guò)程的正常進(jìn)行，并且切削刃比較平整，未出現(xiàn)鈦合金黏附造成的凹凸不平現(xiàn)象，所以軸向力增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩慢，刀具壽命最長(zhǎng)。而液氮冷卻時(shí)，由于使用澆注式外部冷卻，雖然無(wú)法直接施加到鉆削區(qū)域進(jìn)行降溫，但相比于其他冷卻潤(rùn)滑方式，其加工溫度被控制在較低的范圍內(nèi)，所以未形成熱影響區(qū)域。

加工完成后不同冷卻潤(rùn)滑條件下刀具不同位置的微觀形貌如圖10 所示。

圖10 加工完成后不同冷卻潤(rùn)滑條件下刀具各位置的微觀形貌Fig.10 Micro-morphology of each position of the tool under diffe ent cooling and lubrication conditions after machining

在鉆尖處，使用中心吹氣和液氮時(shí)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的耕犁區(qū)域，耕犁現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)殂@頭的后刀面與工件已加工表面發(fā)生摩擦使鈦合金大量黏附，而使用MQL 和水基冷卻液時(shí)沒(méi)有觀察到明顯的耕犁區(qū)域是因?yàn)闈?rùn)滑效果好，摩擦?xí)r少有鈦合金黏附在這一位置。在顯微圖像中可以看到，后刀面磨損處大致可以分為靠近切削刃的粘結(jié)磨損區(qū)、暗黑色的磨粒磨損區(qū)和可以觀察到刀具加工痕跡的未磨損區(qū)3 個(gè)部分。很明顯地，在粘結(jié)磨損區(qū)域使用液氮和中心吹氣時(shí)，粘結(jié)磨損區(qū)呈現(xiàn)出凹凸不平的特點(diǎn)，這是因?yàn)檫@兩種冷卻方式缺少潤(rùn)滑，后刀面與已加工表面的摩擦大，在鈦合金黏附時(shí)沒(méi)有潤(rùn)滑而受到刀具運(yùn)動(dòng)的拉扯作用，形成了沿切削刃方向凹凸不平的磨損形貌；而使用水基冷卻液和MQL 時(shí)，由于有潤(rùn)滑油的存在，粘結(jié)磨損區(qū)域比較平整。在磨粒磨損區(qū)域，這部分的形成機(jī)理是粉末狀碳纖維顆粒充當(dāng)磨料磨削刀具表面及刀具表面黏附的鈦合金形成的，可以發(fā)現(xiàn)，在使用水基冷卻液時(shí)這部分的區(qū)域最小，只有32.90 μm，這是因?yàn)橄啾扔谄渌鋮s方法時(shí)的氣流，水基冷卻液能夠較好地沖洗并帶走碳纖維切屑，使較少的碳纖維顆粒參與磨損，從而減小了磨粒磨損；而使用液氮時(shí)磨粒磨損最大，達(dá)到了51.20 μm，這是因?yàn)槭褂昧送獠坷鋮s，對(duì)切削區(qū)的切屑排除幫助不大；MQL 時(shí)的磨粒磨損大于中心吹氣時(shí)的情況是因?yàn)橛挽F與碳纖維碎屑混合，容易附著在刀具和加工區(qū)域上，增加了排出難度。在第二后刀面上也發(fā)現(xiàn)了鈦合金黏附，特別是在中心吹氣和液氮冷卻下，黏附的鈦合金幾乎布滿了整個(gè)拍攝區(qū)域內(nèi)的第二后刀面上，這也是缺少潤(rùn)滑產(chǎn)生的，使用MQL 和水基冷卻液時(shí)由于潤(rùn)滑效果較好，所以僅有少量的鈦合金黏附。值得注意的是，使用液氮外冷時(shí)，在橫刃、主切削刃和第二后刀面上出現(xiàn)了大量的鈦合金黏附，嚴(yán)重影響了鉆頭的切削性能，并且相較于中心吹氣時(shí)第二后刀面上的鈦合金黏附，液氮外冷時(shí)第二后刀面上的鈦合金黏附更加嚴(yán)重，分析認(rèn)為對(duì)于20 mm 厚度的疊層結(jié)構(gòu)，液氮在室溫環(huán)境下迅速氣化，不能充分滲入到鈦合金層的加工區(qū)域，因而對(duì)鈦合金層的冷卻效果較差，而測(cè)溫時(shí)測(cè)溫點(diǎn)位于工件的側(cè)壁，受到液氮?dú)饣偷蜏氐挠绊?，?dǎo)致測(cè)溫結(jié)果偏小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同冷卻潤(rùn)滑方式下CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的鉆削試驗(yàn)，研究了冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)刀具壽命的影響，并建立了刀具磨損形式與制孔質(zhì)量之間的關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下。

（1） 使用中心吹氣方法加工時(shí)溫度最高，鈦合金層達(dá)到了203.1 ℃；MQL 次之；使用水基冷卻液時(shí)的鈦合金層的溫度僅為47.3 ℃，CFRP 層為32.6 ℃；而使用液氮冷卻時(shí)溫度最低，鈦合金層的溫度為18.6 ℃，CFRP 層的溫度甚至達(dá)到- 6.2 ℃。

（2） 液氮冷卻時(shí)的軸向力最大，使用水基冷卻液時(shí)的軸向力最小，開(kāi)始加工時(shí)MQL 的軸向力略大于中心吹氣時(shí)的軸向力，但由于中心吹氣時(shí)刀具磨損較快，最后幾個(gè)孔時(shí)中心吹氣的軸向力逐漸大于MQL 的軸向力。

（3） 使用水基冷卻液時(shí)的刀具壽命最長(zhǎng)，達(dá)到了66個(gè)孔；中心吹氣和MQL 時(shí)為21 個(gè)孔；而使用液氮時(shí)的刀具壽命最短，僅加工了12 個(gè)孔。

（4） 使用中心吹氣和MQL 時(shí)后刀面有明顯的熱影響區(qū)域，而液氮冷卻可以很好地避免這一現(xiàn)象；刀具主要磨損形式為粘結(jié)磨損和磨粒磨損。鉆尖和切削刃處的鈦合金黏附在中心吹氣和液氮冷卻的情況下最為嚴(yán)重，而MQL 和水基冷卻液由于較好的潤(rùn)滑作用，抑制了鈦合金黏附的產(chǎn)生。