Al/CFRP疊層結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)輔助鉆削工藝研究*

王帥飛，王福吉，栗盛開，王小韃，賈振元

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基(CFRP)復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異特性，已廣泛地應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域中[1，2]。但是為了保證結(jié)構(gòu)件能夠承受大的復(fù)雜交變載荷，仍需要在連接和支撐部位使用金屬零件，這樣結(jié)構(gòu)件中就形成了大量的復(fù)材金屬疊層結(jié)構(gòu)。例如在B787、A350XWB等飛機(jī)中復(fù)合材料用量高達(dá)50%，其中蒙皮使用復(fù)合材料，主框架仍使用鋁合金，形成大量鋁合金、復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)[3，4]。

這些疊層結(jié)構(gòu)在服役過程中往往需要承受巨大、復(fù)雜的交變載荷，為了保證其可靠性和承載性能，研究人員通常采用鉚接、螺接等機(jī)械方式連接。因此，制孔是疊層結(jié)構(gòu)加工中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于大的零部件來說，工件剛性差、易變性，分別對(duì)零件加工再進(jìn)行裝配連接時(shí)，由于二次裝夾以及加工誤差，易導(dǎo)致組成零件之間孔的位置偏差，強(qiáng)行裝配時(shí)極易引發(fā)碳纖維復(fù)合材料的損傷甚至失效，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和效率。

因此，為了保證加工效率和加工精度，疊層結(jié)構(gòu)件通常采用整體裝夾配鉆。配鉆過程中，由于兩種材料的性能差異巨大，難以同時(shí)保證兩種材料的加工質(zhì)量，尤其是CFRP作為出口材料時(shí)，缺乏支撐，極易產(chǎn)生分層、撕裂等加工損傷。因此，目前加工CFRP作為出口材料的疊層構(gòu)件時(shí)通常選用適用于CFRP材料加工的刀具，保證下層CFRP材料加工質(zhì)量。但加工CFRP材料的刀具通常難以實(shí)現(xiàn)金屬斷屑，形成長切屑纏繞在刀具上，不僅會(huì)造成孔壁的劃傷，還會(huì)對(duì)入口金屬表面形成嚴(yán)重的刮擦，影響加工質(zhì)量。

為了解決疊層材料加工過程中金屬斷屑問題，有學(xué)者提出引入低頻振動(dòng)輔助工藝。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于低頻振動(dòng)輔助加工已有較多的研究，主要有：不同工藝下(振幅和頻率)低頻振動(dòng)輔助工藝對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響，低頻振動(dòng)對(duì)金屬切屑的控制，以及低頻振動(dòng)對(duì)疊層構(gòu)件加工質(zhì)量的影響。如SADEK A等人[5]探究了不同振幅和頻率下，低頻振動(dòng)對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)小振幅高頻率可以減少每次循環(huán)切削的切削量，進(jìn)而減小切削力，從而提高加工質(zhì)量。PECAT O等人[6]探究了低頻振動(dòng)輔助鉆削鋁合金，理論計(jì)算并試驗(yàn)驗(yàn)證了低頻振動(dòng)對(duì)鋁合金切屑的控制，設(shè)定合適的參數(shù)低頻振動(dòng)加工可以很好地實(shí)現(xiàn)金屬斷屑，減少切屑對(duì)孔壁的刮擦，提高加工質(zhì)量。南成根等人[7]探究了CFRP/鈦合金疊層的鉆孔過程，發(fā)現(xiàn)長切屑不利于入口和孔壁的加工質(zhì)量；侯書軍等人[8]探究了碳纖維復(fù)合材料和鈦合金疊層在普通、超聲、低頻振動(dòng)下的加工，發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)可以有效地?cái)嘈迹⒔档豌@削溫度，減輕了金屬切屑對(duì)CFRP損傷的影響，提高了疊層構(gòu)件加工質(zhì)量。

目前，針對(duì)CFRP在出口工況下的疊層材料加工面臨許多加工問題，低頻振動(dòng)輔助工藝對(duì)于金屬，以及上層CFRP下層金屬的疊層材料的加工質(zhì)量具有較顯著的提升作用；但對(duì)于上層金屬下層CFRP的疊層材料作用效果尚不明晰。

針對(duì)鋁合金/CFRP疊層材料，筆者選用適合于CFRP低損傷加工的階梯微齒刀具，添加軸向低頻振動(dòng)輔助工藝，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低頻振動(dòng)對(duì)鋁合金和CFRP的加工影響，并探究不同振幅對(duì)鋁合金/CFRP疊層材料加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 振動(dòng)對(duì)切削過程影響分析

在疊層材料加工過程中存在多種加工工況，對(duì)于Al/CFRP疊層材料的加工，由于鋁合金在上層，CFRP在下層，金屬形成的切屑對(duì)下層的CFRP影響較小，本研究分別看低頻振動(dòng)工藝對(duì)兩種材料的影響，從理論上分析低頻振動(dòng)輔助工藝對(duì)兩種材料的作用效果，揭示低頻振動(dòng)輔助工藝對(duì)加工質(zhì)量的影響。

1.1 振動(dòng)對(duì)切削刃軌跡的影響

低頻振動(dòng)輔助加工是在原有的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)上疊加一個(gè)正弦運(yùn)動(dòng)，主要是機(jī)床提供恒定的主進(jìn)給速度，低頻振動(dòng)輔助裝置提供正弦振動(dòng)，疊加構(gòu)成刀具整體的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給和振幅，來控制鉆削過程，實(shí)現(xiàn)切屑的控制。鉆頭一般包含兩個(gè)主切削刃，相位角相差180°，假設(shè)切削刃1是由0°開始，360°結(jié)束一個(gè)周期，那么切削刃2就是以180°開始，180°結(jié)束周期[9]。

因此，兩個(gè)切削刃的實(shí)際位置分別為：

(1)

(2)

式中：X—鉆頭轉(zhuǎn)過的相位角，°；Y1—主切削刃1的進(jìn)給位移，mm；Y2—主切削刃2的進(jìn)給位移，mm；f—進(jìn)給率，mm/r；A—低頻振動(dòng)振幅，mm。

1.2 振動(dòng)對(duì)材料加工過程的影響

對(duì)于入口鋁合金材料來說，低頻振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)切削厚度的控制，使形成厚度不均勻的切屑，甚至可以使切削刃和工件間歇性分離，生成碎片狀切屑[10，11]，可以很好地避免產(chǎn)生長切屑，根除切屑纏刀，以及對(duì)孔壁和入口表面的刮擦問題。

對(duì)于出口CFRP材料，由于CFRP是由多層不同方向的纖維預(yù)浸料鋪放，然后高溫固化成型，是不均勻的各向異性材料，不存在長切屑問題，低頻振動(dòng)會(huì)使每次切削的厚度發(fā)生變化。根據(jù)CFRP的材料特性，可以將低頻振動(dòng)鉆削CFRP材料的運(yùn)動(dòng)分解為徑向和軸向兩個(gè)方向的切削運(yùn)動(dòng)。

從軸向上來說，相當(dāng)于是在勻速進(jìn)給的基礎(chǔ)上疊加正弦運(yùn)動(dòng)，使加工過程由勻速直角切削變?yōu)檎駝?dòng)直角切削。

振動(dòng)直角切削示意圖如圖1所示。

圖1 振動(dòng)直角切削示意圖

振動(dòng)造成刀具對(duì)工件的沖擊作用，增大了沖擊裂紋，加速了纖維斷裂[12，13]，同時(shí)也在一定程度上能夠增加最大軸向力；且隨著振幅的增加，軸向力越來越大。對(duì)于CFRP出口來說，當(dāng)最大軸向力超過臨界分層軸向力時(shí)，會(huì)加劇出口層纖維材料的層間分層缺陷[14]，加劇分層損傷，因此振幅需要限制在一定范圍內(nèi)，不能過大。

對(duì)于徑向同一層纖維來說，低頻振動(dòng)不影響徑向運(yùn)動(dòng)速度，但是低頻振動(dòng)會(huì)造成同一層材料的切削不均勻，形成勻速間斷切削。

振動(dòng)對(duì)同一層纖維去除影響如圖2所示。

圖2 振動(dòng)對(duì)同一層纖維去除影響

圖2顯示：(1)無低頻振動(dòng)時(shí)，隨著刀具沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)，同一層材料被一圈一圈地去除，最終達(dá)到終孔直徑，每次切削時(shí)都有環(huán)形的材料支撐，分步均勻去除：(2)低頻振動(dòng)時(shí)，切削沿徑向方向觀察，同一層材料先是有一部分被去除，然后有一段與工件分離，然后再接觸切割，循環(huán)斷續(xù)切割，每次切削時(shí)后部支撐會(huì)減少，因此，在一定程度上會(huì)增加纖維的損傷。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

筆者采用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證低頻振動(dòng)輔助工藝對(duì)Al/CFRP疊層材料加工質(zhì)量的影響規(guī)律；采用能夠減少出口CFRP損傷的刀具，配合不同振幅的低頻輔助振動(dòng)，得出振幅對(duì)疊層材料的作用規(guī)律。

2.1 工件材料

實(shí)驗(yàn)中選用的是7075鋁合金和T800級(jí)準(zhǔn)各向同性CFRP層合板；CFRP工件通過采用單向預(yù)浸料，按照[90/0/0/0/45/90/45/(0/0/0/90)2/(0/0/0/45)2/0/0/0/90]S方向鋪放，抽真空后高溫固化而成，其中預(yù)浸料纖維體積分?jǐn)?shù)約為60%；層合板尺寸為150 mm×89 mm×10 mm。

預(yù)浸料的具體力學(xué)性能如表1所示。

表1 預(yù)浸料力學(xué)性能表

2.2 試驗(yàn)刀具

在鋁合金和CFRP疊層中，CFRP更易產(chǎn)生加工損傷，且CFRP在出口側(cè)無支撐。因此，要優(yōu)先保證CFRP的加工質(zhì)量。制孔刀具的結(jié)構(gòu)對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響尤其顯著，是決定最終加工質(zhì)量的重要因素。在對(duì)于CFRP制孔刀具的研究中發(fā)現(xiàn)，采用階梯結(jié)構(gòu)能夠有效地減小軸向力，在副切削刃上開微齒結(jié)構(gòu)可以有效地提高CFRP出口質(zhì)量[15，16]。

筆者采用的階梯微齒雙刃帶鉆頭如圖3所示。

圖3 階梯微齒雙刃帶鉆頭

鉆頭直徑為6.36 mm，刀具材料為K44UF硬質(zhì)合金，無涂層，WC顆粒粒度為0.7 mm，第一階梯直徑4.20 mm。

階梯微齒雙刃帶鉆頭參數(shù)如表2所示。

表2 階梯微齒雙刃帶鉆頭參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

低頻振動(dòng)制孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 低頻振動(dòng)制孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

筆者在光洋CONA五軸加工中心上進(jìn)行鉆削制孔實(shí)驗(yàn)，通過在主軸上安裝mitis振動(dòng)夾頭，可實(shí)現(xiàn)軸向低頻振動(dòng)鉆孔，振幅范圍0～0.25 mm，頻率2.5次/轉(zhuǎn)；加工工件采用專用夾具裝夾，通過螺栓連接緊固在測力儀裝夾平面上。

實(shí)驗(yàn)中，使用kistler9257B型測力儀采集切削力信號(hào)，并通過電荷放大器和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將切削力信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)；測力儀通過螺栓裝夾在機(jī)床工作臺(tái)上，保證整個(gè)鉆削和測力過程準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

筆者采用階梯微齒鉆頭合適的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，軸向進(jìn)給為150 mm/min[17]；MITIS刀柄振幅分別調(diào)節(jié)為0、0.025 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm；為了減少刀具磨損對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者在改變振幅的同時(shí)更換新刀具，每把刀具鉆削相同數(shù)量的孔。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

筆者主要從切削力、入口和出口質(zhì)量、以及孔壁質(zhì)量3個(gè)方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，分析低頻振動(dòng)振幅對(duì)Al/CFRP疊層構(gòu)件加工質(zhì)量的影響規(guī)律，進(jìn)而得出適用于Al/CFRP疊層構(gòu)件加工的最佳低頻振動(dòng)輔助加工工藝。

3.1 振動(dòng)對(duì)軸向力的影響

筆者使用MITIS低頻振動(dòng)刀柄，在振幅為0、0.025 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm分別使用新刀具制孔，工件安裝在測力儀上，測力儀Z軸方向力FZ即為鉆削過程中材料承受的軸向力。

鉆削過程中軸向力變化如圖5所示。

圖5 鉆削過程軸向力變化

由圖5可知：低頻振動(dòng)改變了刀具軸向進(jìn)給的形式，使刀具進(jìn)給疊加了循環(huán)變化的加速度，造成刀具和工件的間歇性接觸，軸向力也處于循環(huán)往復(fù)變化；且CFRP出口部位由于缺乏支撐極易產(chǎn)生損傷。

鉆尖在材料內(nèi)部時(shí)，低頻振動(dòng)對(duì)軸向力影響較大，但第一階梯鉆出后，低頻振動(dòng)對(duì)軸向力的增加作用明顯減弱，因此小振幅下對(duì)出口撕裂影響不大；但隨著振幅的增加，鉆頭對(duì)出口材料沖擊作用逐漸增強(qiáng)，會(huì)對(duì)出口造成越來越嚴(yán)重的損傷，因此振幅不宜過大。

3.2 振動(dòng)對(duì)出、入口質(zhì)量影響

由于低頻振動(dòng)改變了主切削刃的行走軌跡，造成切削過程的改變，可以通過調(diào)節(jié)振幅來實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑的控制。

實(shí)驗(yàn)中筆者采用最小振幅0.025 mm時(shí)產(chǎn)生的切屑為不連續(xù)切屑，這是由于刀具與工件未分離，形成厚薄不均勻的長切屑，切屑的薄弱區(qū)域在外界作用下極易折斷，因此形成長短不均勻的碎切屑。隨著振幅繼續(xù)增大，刀具振動(dòng)幅度增加，在一個(gè)小階段內(nèi)刀具進(jìn)給距離小于振動(dòng)回縮距離，刀具會(huì)暫時(shí)離開工件，不參與切削，然后再回到工件繼續(xù)切削，整個(gè)過程循環(huán)往復(fù)，因此產(chǎn)生形狀、厚度均勻的切屑；同時(shí)由于是雙階梯鉆,會(huì)有扇形和錐形兩種切屑。

對(duì)于鋁合金入口，無振動(dòng)輔助加工時(shí)隨著加工孔數(shù)的增加，刀具纏屑越來越多，纏在刀具上的切屑不僅會(huì)對(duì)金屬孔壁造成刮擦，而且對(duì)入口表面刮擦越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和加工效率。而加入低頻輔助振動(dòng)后，不再產(chǎn)生長切屑，刀具不存在纏屑問題，入口表面也完全沒有刮擦。

對(duì)于出口CFRP材料，魏良耀等人[17]研究發(fā)現(xiàn)，撕裂損傷對(duì)CFRP構(gòu)件的整體性能影響較大。筆者采用撕裂因子來衡量撕裂損傷程度。

撕裂因子測量如圖6所示。

圖6 撕裂因子測量

撕裂因子的計(jì)算公式為：

Ld=Dmax/D

(3)

式中：Dmax—撕裂損傷的最大直徑；D—加工孔的實(shí)際直徑。

在每種振幅下，筆者取第2、3、4個(gè)孔進(jìn)行測量，并求取其平均值。

CFRP出口撕裂因子隨振幅變化如圖7所示。

圖7 CFRP出口撕裂因子隨振幅變化

由圖7可知：當(dāng)振幅較小時(shí)，低頻振動(dòng)對(duì)孔的撕裂因子影響并不明顯，但隨著振幅的增大，撕裂因子逐漸增加，并且制孔質(zhì)量變得不穩(wěn)定。

3.3 振動(dòng)對(duì)孔壁質(zhì)量的影響

低頻振動(dòng)可以抑制長切屑的產(chǎn)生，避免了切屑纏刀造成的對(duì)孔壁的刮擦，不僅可以提升上層鋁合金材料的孔壁質(zhì)量，還可以控制其孔徑偏差；同時(shí)由于CFRP在下方，受鋁合金切屑影響不大。

但是低頻振動(dòng)本身對(duì)CFRP加工會(huì)產(chǎn)生一定的影響，同一層材料鉆削，145°纖維切削最容易產(chǎn)生損傷，微觀表現(xiàn)為纖維拔出，形成凹坑；低頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致徑向切削時(shí)的不均勻，切削徑向支撐減弱，在一定程度上會(huì)加重?fù)p傷。

筆者分別觀察鋁合金和CFRP孔壁，得到孔壁的質(zhì)量對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 孔壁質(zhì)量對(duì)比

由圖8可知，低頻振動(dòng)輔助工藝使得CFRP孔壁表面凹坑的數(shù)量減少，但是深度會(huì)增加；對(duì)于鋁合金來說，低頻振動(dòng)能夠明顯地減少孔壁上的刮痕，使表面更加平整。

為了定量地表征低頻振動(dòng)對(duì)孔壁加工質(zhì)量的影響，筆者采用InfiniteFocus G5三維掃描共聚焦顯微鏡對(duì)相同位置孔壁進(jìn)行掃描，得出三維形貌，并測量出三維面粗糙度值Sa。

孔壁三維面粗糙度隨振幅變化如圖9所示。

圖9 孔壁三維面粗糙度隨振幅變化

由圖9可知：(1)當(dāng)振幅小于0.05 mm時(shí)，低頻振動(dòng)對(duì)CFRP的孔壁質(zhì)量影響不明顯，但隨著振幅的繼續(xù)增加，表面粗糙度急劇升高；(2)低頻振動(dòng)能提高鋁合金的孔壁質(zhì)量。

4 結(jié)束語

針對(duì)Al/CFRP疊層材料加工時(shí)易出現(xiàn)的加工問題，筆者引入了低頻振動(dòng)輔助工藝，先從理論上分析了低頻振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量的作用形式，然后從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)比了不同振幅對(duì)加工過程及加工質(zhì)量的影響，最終得出如下結(jié)論：

(1)相對(duì)于常規(guī)鉆削，低頻振動(dòng)輔助可以有效地實(shí)現(xiàn)鋁合金切削斷屑，避免切屑纏刀，能夠很好地提高鋁合金孔壁粗糙度，并且減少對(duì)入口的刮擦；

(2)采用不同振幅的低頻振動(dòng)加工對(duì)于出口CFRP材料均有一定影響，振幅小于0.1 mm時(shí)，出口撕裂因子也保證在較小范圍內(nèi)，隨著振幅的繼續(xù)增加，出口撕裂也變得嚴(yán)重；

(3)振幅小于0.05 mm時(shí)，孔壁粗糙度變化不明顯，隨著振幅的繼續(xù)增加，CFRP的孔壁粗糙度明顯變大。因此，CFRP材料不適合大振幅的振動(dòng)輔助加工；

(4)對(duì)于Al/CFRP材料的加工過程，為了更好地避免效率降低和切屑纏刀造成的質(zhì)量損傷，可以采用低頻振動(dòng)輔助加工；同時(shí)，為了保證入口鋁合金和出口CFRP材料的加工質(zhì)量，振幅應(yīng)該保持在較小的范圍內(nèi)。