CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)制孔技術(shù)對比實驗

李云義 李樹健 李鵬南 王春浩 趙永鋒

（1 湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，永州 425000）

（2 湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

文 摘 因CFRP、TC4材料的物理性能差異較大，導致CFRP/TC4疊層構(gòu)件切削性能匹配性較差，鉆削過程中存在界面損傷、CFRP 孔壁損傷難以調(diào)控的問題。針對上述問題，本文采用變參數(shù)啄式鉆削工藝、變參數(shù)鉆削工藝和恒參數(shù)鉆削工藝對CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)進行了制孔實驗，并對不同工藝條件下的軸向力、界面質(zhì)量、TC4的切屑形態(tài)、CFRP 層孔壁質(zhì)量進行了對比分析。結(jié)果表明：相對于其他兩種鉆削工藝，在變參數(shù)啄式鉆削工藝條件下，TC4 材料層軸向力明顯較高，產(chǎn)生短帶狀和短螺旋狀切屑；CFRP 層出口和入口處的孔徑更接近于名義孔徑，孔壁缺陷較少，表面粗糙度相對較小。

0 引言

由CFRP和TC4鈦合金組成的CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)，在飛機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)裝配制造中應用廣泛。在對CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)進行鉆削制孔時，由于CFRP和TC4的材料物理性能存在較大差異，導致CFRP材料與TC4材料的切削性能匹配性較差。例如，CFRP層的切削速度和進給量可高達TC4鈦合金的十倍［1］。因此，在疊層結(jié)構(gòu)的一體化制孔中，采用同一鉆削參數(shù)難以滿足高精度制孔要求［2-3］。研究人員常利用界面分層、熱損傷、孔徑一致性差、CFRP孔壁損傷等加工缺陷衡量、評判CFRP/TC4疊層的制孔質(zhì)量。相關(guān)文獻表明，連續(xù)長帶狀的TC4切屑對CFRP孔壁形成的刮擦作用是導致疊層結(jié)構(gòu)界面、孔壁質(zhì)量難以保證的根本原因［4-5］。因此，TC4切屑也常作為CFRP/TC4疊層制孔質(zhì)量的衡量標準之一［6-8］。如何提高CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)制孔的TC4斷屑能力，降低CFRP 孔壁的二次損傷成為當前研究的熱點和難點［9-10］。

RAMULU等［11］研究表明，CFRP/TC4疊層板鉆削時會產(chǎn)生CFRP基體燒傷、TC4毛刺等加工缺陷。KIM等［12］通過對（Gr-Bi）/TC4疊層結(jié)構(gòu)開展鉆削實驗，指出鈦合金加工所產(chǎn)生的切削熱及切屑排出過程對界面加工有顯著影響，并會造成疊層界面的二次損傷。此外他們還發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速的增加易加劇刀具磨損和入、出口表面的毛刺缺陷形成，提高進給量可減少高溫鈦合金切屑引起的表面損傷，但會增加軸向鉆削力。BRINKSMEIER 等［13］研究表明，CFRP/TC4疊層板的切削速度越高制孔缺陷越嚴重。金曉波等［14］分別針對CFRP/TC4疊層板和CFRP單板進行鉆孔模擬，分析了切削參數(shù)對軸向力和加工質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的進給速度能夠降低CFRP層的軸向力，從而改善孔的加工質(zhì)量。南成根等［15］分析了TC4切屑對CFRP制孔質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，加工CFRP時應使用較高的切削速度，加工鈦合金時應使用較低的切削速度。DENKENA等［16］采用螺旋銑孔的方式對CFRP/TC4疊層板進行制孔研究，研究表明，與傳統(tǒng)鉆削方式相比，螺旋銑孔方式能夠降低出口毛刺和分層缺陷。董輝躍等［17］基于螺旋銑削變偏心距加工的特點，指出利用螺旋銑孔工藝可提高CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)的制孔精度。秦月等［18］采用自動進給鉆頭對TC4/復合材料疊層結(jié)構(gòu)進行了鉆、擴、鉸3次加工工序的制孔實驗，結(jié)果顯示制孔效率明顯提升。

本文基于前人的研究，以CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)鉆削軸向力、界面質(zhì)量、TC4 切屑形態(tài)、CFRP 孔壁損傷作為響應目標，探究變參數(shù)啄式鉆削工藝、變參數(shù)鉆削工藝和恒參數(shù)鉆削工藝下的CFRP/TC4 疊層鉆削性能，尋求CFRP/TC4疊層的高質(zhì)量制孔技術(shù)。

1 實驗

1.1 材料和設(shè)備

采用CFRP/TC4疊層板（CFRP為T700/LT-03A，鈦合金為TC4）為試驗材料，CFRP和TC4的厚度分別為3和10 mm。試驗刀具為整體硬質(zhì)合金麻花鉆（K10），直徑為6 mm，鉆頭頂角為130°，螺旋角為25°。

鉆削加工實驗平臺由KVC800/1 立式加工中心、三向壓電式測力系統(tǒng)等組成，如圖1所示。使用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX-500FE）、表面結(jié)構(gòu)測量儀（Mar Surf M 300）、掃描電子顯微鏡（JSMIT100 JEOL）等對制孔質(zhì)量進行檢測和表征。

圖1 實驗裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 Experimental device and data acquisition system

1.2 實驗方案

（1）變參數(shù)啄式鉆削工藝

采用主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，每轉(zhuǎn)進給量f=0.025 mm/r的加工參數(shù)來加工CFRP 層。當CFRP 層完全鉆出時停止鉆削，鉆頭后退至工件上表面，繼續(xù)采用主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，每轉(zhuǎn)進給量f=0.05 mm/r對TC4 鈦合金層進行鉆削，鉆削層深分別為Q=0.1、0.3、0.5、1 mm，直至TC4 層完全鉆穿。在此過程中，TC4 層每鉆削一個層深Q，將刀具抬起，然后繼續(xù)循環(huán)相應操作。待加工完成后收集鈦合金切屑，并用吸塵器將CFRP切屑清理干凈。

（2）變參數(shù)鉆削工藝

采用主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，每轉(zhuǎn)進給量f=0.025 mm/r 鉆削CFRP 層。采用主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，每轉(zhuǎn)進給量f=0.05 mm/r 加工鈦合金層。當鉆頭鉆穿CFRP 層時，退刀至工件上表面，并改變鈦合金層加工參數(shù)為：n=600 r/min，f=0.05 mm/r，鉆削至TC4層完全鉆穿。

（3）恒參數(shù)鉆削工藝

采用恒定主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，恒定每轉(zhuǎn)進給量f=0.05 mm/r 對CFRP/TC4 疊層板進行恒參數(shù)鉆削加工，直至疊層板被完全鉆穿。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸向鉆削力

不同加工工藝條件下的CFRP 層、TC4 層的軸向鉆削力如圖2所示。

圖2 不同鉆削工藝下的軸向鉆削力Fig.2 Drilling axial force under different drilling processes

可以發(fā)現(xiàn)，較高轉(zhuǎn)速下CFRP 層的軸向鉆削力明顯降低。而對于TC4 鈦合金層，當采用變參數(shù)啄式鉆削工藝時，其軸向力相對較高。這是因為，在進行變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削時，刀具與工件材料會發(fā)生持續(xù)的接觸和力學載荷，導致鉆削溫度相對較高，此時鈦合金材料會存在溫度升高趨勢，甚至產(chǎn)生熱軟化而易于加工，從而導致軸向鉆削力降低。

2.2 疊層界面

按CFRP→TC4的切削加工順序，對不同加工工藝下的CFRP層出口形貌和TC4層入口形貌進行了采集分析，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削相比，變參數(shù)啄式鉆削時的CFRP出口處無損傷環(huán)、啃邊、毛刺等缺陷出現(xiàn)，出口質(zhì)量相對較好。這是因為，變參數(shù)啄式鉆削加工時鉆頭橫刃、主切削刃與工件之間存在周期性的“接觸-分離”運動。在鉆頭周期性向上運動的過程中，螺旋排屑槽面對連續(xù)的鈦合金切屑具有強制提拉力，易使切屑產(chǎn)生變形、斷裂，進而形成表面不連續(xù)的切屑，并沿刀具螺旋槽排出工件外。此時切屑不易侵入疊層界面區(qū)域，因而對CFRP層出口處的損傷較小。另外，由于所選擇的加工參數(shù)均較小，在CFRP層出口處未出現(xiàn)樹脂燒傷現(xiàn)象，TC4入口處較為光潔，無樹脂燒傷粘連現(xiàn)象。

圖3 不同加工工藝下CFRP層、鈦合金層界面形貌Fig.3 Interface morphology of CFRP layer and titanium alloy layer under different processing techniques

不同加工工藝條件下的CFRP 孔入口和出口孔徑、TC4層孔徑如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，變參數(shù)啄式鉆削工藝下（層深Q=0.1 mm）獲得的CFRP 層出口孔徑明顯小于其余兩種工藝條件下。這是因為，恒參數(shù)鉆削工藝采用的是低轉(zhuǎn)速直接鉆通TC4 層，而CFRP 層更適宜于較高的切削加工參數(shù)，從而使得CFRP 層孔徑增大。此外，由于TC4 切屑在排出時，切屑侵入疊層界面對CFRP 層的出口處造成二次損傷，導致變參數(shù)鉆削工藝條件下的CFRP 層出口孔徑明顯大于變參數(shù)啄式鉆削工藝。

圖5給出了變參數(shù)啄式鉆削工藝下，不同鉆削層深時的CFRP 層出口形貌和TC4 層入口形貌。可以看出，采用啄式鉆削工藝所獲的疊層界面出口、入口形貌均無較大加工缺陷。當層深為0.5 和1 mm 時CFRP 層出口處存在細小毛刺。層深為1 mm 時CFRP 層出口處有部分區(qū)域出現(xiàn)錐形孔壁。CFRP 層孔出口均未出現(xiàn)樹脂燒傷或TC4 燒傷等缺陷，可見層深對鈦合金出口處表面形貌影響較小。

圖5 不同鉆削層深度CFRP層、鈦合金層界面形貌Fig.5 Interface morphology of CFRP layer and titanium alloy layer at different drilling depths

對不同啄鉆層深度的CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)界面處孔徑進行測量，如圖6所示。隨著啄式鉆削層深的增大，CFRP層出口直徑呈逐漸增大的趨勢，且均大于鈦合金層直徑。這是因為，隨著鉆削層深的增大，TC4切屑長度逐漸增大，對CFRP層出口處的損傷及其對應的孔壁刮擦作用逐漸加劇。但CFRP層入口孔徑和鈦合金層孔徑較穩(wěn)定，基本不隨鉆削層深的變化而變化。當層深Q=0.1 mm時，CFRP層出口、入口、鈦合金層的孔徑分別為：6.05、6.04、6.02 mm，分別大于孔的名義直徑0.05、0.04、0.02 mm。在恒參數(shù)鉆削時，CFRP層出口、入口、鈦合金層的孔徑分別為：6.28、6.17、6.09 mm，分別大于孔的名義直徑0.28、0.17、0.09 mm。上述相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，變參數(shù)啄鉆工藝所獲得的制孔精度要遠高于恒參數(shù)鉆削工藝。

圖6 啄式鉆削工藝下不同層深時的孔出入口直徑Fig.6 The diameter of the entrance and exit of the hole at different depths under the pecking drilling process

2.3 切屑形態(tài)

圖7為CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)在不同鉆削工藝條件下的TC4 切屑形貌。在變參數(shù)啄式鉆削工藝下，切屑形態(tài)為規(guī)則的短帶狀和短螺旋狀切屑，在另外兩種鉆削工藝下，切屑均為長帶狀和長螺旋狀。且由于切屑在排出時，鈦合金切屑受到刀具和孔壁的擠壓、摩擦作用，會由于嚴重的擠壓變形而卷曲，此時切屑堅硬而鋒利，在沿著刀具螺旋槽上升過程中，極易對CFRP層已加工孔壁造成嚴重劃傷。

圖7 不同加工工藝下的切屑形態(tài)Fig.7 Chip shape diagram under different processing technology

啄式鉆削加工工藝在空間上實現(xiàn)了刀具沿其軸線方向上的間歇式進給鉆削過程，如圖8所示。在啄式鉆削過程中，鉆削鈦合金層時產(chǎn)生的切屑厚度、切削寬度和切屑長度可由式（1）-（3）計算。

圖8 啄式鉆削刀具路徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of pecking drilling tool path

式中，D為刀具直徑；f為每轉(zhuǎn)進給量；ξh為切屑變形系數(shù)；φ為鉆尖半鋒角；Q為啄鉆層深；d為切屑的排屑退刀量，其值的大小由系統(tǒng)參數(shù)確定。

可知，啄式鉆削工藝的層深與進給速度直接決定鈦合金切屑的長度，采用更小的層深可以獲得長度更短的切屑。但層深越小，鉆削加工效率也越低，因此，選擇進給速度時應折中考慮。另外，切屑厚度主要由進給速度決定，進給速度越大，鈦合金切屑也越厚。啄式鉆削工藝通過調(diào)整啄鉆層深控制刀具與工件材料接觸時間的長短，可實現(xiàn)對切屑長度的主動控制。圖9 展示的是不同啄鉆層深下的鈦合金切屑形貌。Q=0.1 mm 時，鈦合金切屑長度極短，接近刀具直徑，刀具每旋轉(zhuǎn)2 轉(zhuǎn)強制提刀斷屑一次，鈦屑呈碎屑狀，在排出時不易堵塞刀具螺旋槽。在啄鉆層深Q=0.3、0.5、1 mm 時，刀具分別每旋轉(zhuǎn)6 轉(zhuǎn)、10轉(zhuǎn)、20 轉(zhuǎn)斷屑一次，此時鈦合金切屑已逐步呈現(xiàn)螺旋狀。

圖9 CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)啄式鉆削工藝下的鈦合金切屑形態(tài)Fig.9 Titanium alloy chip morphology under CFRP/TC4 stacks structure pecking drilling process

2.4 CFRP層孔壁質(zhì)量

圖10 為不同加工工藝下的CFRP 層孔壁形貌?？梢钥闯觯儏?shù)啄式鉆削工藝下的CFRP 層孔壁質(zhì)量相對其他兩種工藝較好，劃痕較淺且表面凹坑減少。變參數(shù)鉆削工藝和傳統(tǒng)直鉆工藝的CFRP 層孔壁表面均存在大小不一的凹坑，但恒參數(shù)鉆削下的CFRP 層表面凹坑面積更大，劃痕更深。其原因為：一方面，啄式鉆削工藝斷屑能力強，強制提刀斷屑使得TC4 切屑短而規(guī)則，從而更易排出，減輕了TC4 屑對CFRP 層已加工孔壁的二次損傷；另一方面，相對于恒參數(shù)鉆削工藝，采用變參數(shù)啄式鉆削工藝時，CFRP 層所取的高主軸轉(zhuǎn)速和低進給速度，更適用于CFRP 的鉆削加工，因而可有效降低因鉆削參數(shù)不匹配所導致的損傷。

圖10 不同加工工藝下CFRP孔壁形貌圖Fig.10 Morphology of CFRP and titanium alloy hole walls under different processing techniques

通過對不同鉆削工藝的CFRP層、TC4層孔壁表面粗糙度進行測量，發(fā)現(xiàn)變參數(shù)啄式鉆削工藝獲得的CFRP層孔壁表面粗糙度較其他兩種工藝更小，孔壁表面相對更為光潔平整。TC4層的孔壁表面粗糙度同樣小于其他兩種工藝。其原因為：一方面，變參數(shù)啄式鉆削工藝相對于其他兩種工藝屬于間歇式切削，啄式鉆削的層深越小，鉆頭切削刃每次與TC4相互作用接觸的時間越短，并且提刀的次數(shù)越多，鉆頭在空氣中得到冷卻的次數(shù)增加，有利于鉆削溫度的降低而減少樹脂燒傷等熱損傷；另一方面，變參數(shù)啄式鉆削工藝使得TC4切屑呈短碎屑狀，不易堵塞螺旋槽，易于切屑排出，從而減輕了TC4切屑對孔壁的二次損傷。

圖11給出了不同啄鉆層深下，疊層結(jié)構(gòu)界面區(qū)域CFRP層孔壁損傷的形貌。可以看出，隨著鉆層深的增大，CFRP層表面缺陷逐漸增多，凹坑面積增大劃痕程度增加。當啄鉆層深Q=0.1 mm時，CFRP層孔壁表面僅有少量凹坑和輕微鈦合金切屑劃痕，表面較為平整，此時表面粗糙度值為1.86 μm。在啄鉆深層Q=0.3、0.5、1 mm時，CFRP層孔壁表面存在局部較深的表面凹坑，所對應的表面粗糙度值分別為2.016、2.456、3.136 μm。由此可見，啄鉆層深越小，所形成的鈦合金切屑尺寸越小，從而可降低鈦合金切屑對CFRP層孔壁的損傷，有效提高CFRP層孔壁表面質(zhì)量。

圖11 層深對CFRP層已加工孔壁的影響Fig.11 The effect of layer depth on the processed hole wall of CFRP layer

3 結(jié)論

（1）與變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削相比，變參數(shù)啄式鉆削時的CFRP 出口處無損傷環(huán)、啃邊、毛刺等缺陷出現(xiàn)，出口質(zhì)量相對較好。

（2）變參數(shù)啄式鉆削工藝下的TC4 切屑為短帶狀和短螺旋狀，有利于TC4 切屑的排出，而其他兩種工藝的切屑較長且有一定程度的變形，堵塞刀具螺旋槽嚴重損害制孔質(zhì)量。啄鉆層深越小，TC4切屑越短，疊層界面處加工質(zhì)量越好，相較于其他兩種傳統(tǒng)工藝，對孔壁質(zhì)量有明顯提高。

（3）變參數(shù)啄式鉆削工藝的CFRP 層出、入口處直徑更接近于孔的名義尺寸，孔壁缺陷少、表面粗糙度更低。