振動輔助鉆削對CFRP/鈦合金疊層結構孔徑階差影響規律實驗研究

陳冒風 張 臣 方 軍 陳衛林 隨 磊

（1 南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

（2 安徽天航機電公司，蕪湖 241000）

文 摘 在飛機部件裝配過程中，CFRP/鈦合金疊層結構的連接十分常見，而由于兩種材料迥然不同的材料性能，導致制孔后存在孔徑階差，嚴重影響了CFRP/鈦合金結構的疲勞強度。本文開展了低頻軸向振動輔助鉆削的正交實驗，分析了低頻振動輔助鉆削工藝參數與切削力和切屑形態的關系以及工藝參數對CFRP/鈦合金孔徑階差的影響。結果表明，由于低頻振動輔助鉆削刀具的周期性進給，鈦合金切屑由連續長切屑變為扇形短屑，減少了對CFRP 的擴孔效應，鉆削區域切削熱降低，平均軸向力降低；另外，振幅和進給量對孔徑階差的影響較為顯著，而主軸轉速的影響較小，且孔徑階差隨著振幅的增大先減小后增大，隨著進給量的增大而增大。通過試驗驗證和分析，確定面向孔徑控制的最優工藝參數組合方案：主軸轉速為600 r/min、進給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。

0 引言

CFRP/金屬疊層構件制孔加工一直是航空航天裝配領域的工程難題之一，針對疊層構件制孔產生的孔徑階差現象也引起了廣泛的關注［1-4］。

在疊層制孔研究方面，于曉江等人［5］發現CFRP/鈦疊層構件加工后存在縮孔，刀具磨損程度加劇，出口孔的孔徑呈增大趨勢。WANG 等人［6］采用雙尖角金剛石涂層鉆頭對CFRP/Al 疊層材料進行了鉆孔試驗研究，結果表明：在不同工況下，CFRP 板連接孔孔徑總是大于鋁合金板連接孔孔徑，在較高的主軸轉速下，CFRP 板上所測的孔徑與鋁合金板所測的孔徑的差值較小。B.DENKENA 等人［7］進行了CFRP/鈦疊層材料的制孔試驗，發現CFRP 的裝配連接孔出現了擴孔現象，而鈦合金的連接孔出現了縮孔現象。M.MONTOYA 等人［8］采用涂層和非涂層兩種類型的硬質合金刀具對碳纖維CFRP/鋁合金疊層構件進行了鉆孔對比實驗，發現CFRP 板上的孔徑大于鋁合金板的孔徑。I.S.SHYHA 等人［9］對Ti/CFRP/Al 疊層構件在切削液和水噴霧環境下加工的制孔質量進行了分析，發現三種材料板上各孔的孔徑差異明顯，這很可能是由于疊層各相材料的力學性能不同，尤其是彈性模量不同造成的。南成根等人［10］研究了CFRP/鈦疊層鉆削時，鈦合金切屑對CFRP 板制孔質量的影響，研究發現：高溫、高硬度的鈦合金切屑在排屑過程中對CFRP 孔壁的劃傷是造成孔幾何尺寸超差的主要原因。V.KRISHNARAJ等人［11］發現鉆削參數及冷卻措施對CFRP 和鈦合金的連接孔孔徑也有一定的影響。

在振動輔助制孔研究方面，姚琦威［12］研究了鉆頭幾何參數對低頻振動鉆削CFRP/鈦合金軸向力和溫度的影響，發現振動鉆削有利于降低平均軸向力和切削溫度。O.PECAT 等人［13-14］采用低頻振動鉆削和傳統鉆削的方式對CFRP/鈦疊層結構進行了鉆削對比試驗，研究表明：由于施加了軸向低頻振動，有利于斷屑，產生較小的C 狀鈦合金切屑，提高了排屑性能，同時提高了CFRP 的加工孔表面質量；低頻振動鉆削的鉆削溫度相比傳統鉆削降低了40%，進而有效避免了CFRP 中樹脂基體的熱損傷。D.GENG等人［15］對CFRP/鈦疊層材料進行了橢圓超聲振動鉸孔，發現在這種新的低頻振動方式輔助下，CFRP 和鈦合金都可以獲得更優的孔徑精度和更低的孔壁表面粗糙度。A.SADEK 等人［16］進行了CFRP 低頻振動鉆削試驗研究，研究結果表明：相比于傳統鉆削，鉆削溫度降低了50%，軸向鉆削力降低了40%，同時孔壁表面質量更好。

綜上所述，目前對于疊層構件制孔后孔壁質量和振動輔助鉆削過程的鉆削力和鉆削溫度已經有了相關研究。然而，采用振動輔助鉆削方法解決疊層構件孔徑階差問題的研究還比較有限。因此，本文進行低頻軸向振動輔助鉆削正交實驗，研究了振動輔助鉆削對CFRP/鈦合金疊層結構孔徑階差影響規律。

1 實驗

1.1 材料

試驗所使用的疊層構件試驗板由CFRP 板和鈦合金板組成，CFRP 板以及鈦合金板尺寸規格分別為180 mm×100 mm×5.8 mm 和180 mm×100 mm×5 mm。CFRP 板是由32 層厚度為0.18 mm 的單向預浸料堆疊而成的層合板，鋪層順序為［0°/-45°/90°/45°］3s，預浸料由12K 東麗T700 碳纖維和TDE-85 耐高溫環氧樹脂組成，預浸料的質量分數為200 g/m2，纖維體積分數為60%。鈦合金板是航空用鈦合金Ti6Al4V，CFRP和Ti6Al4V的基本物理力學性能見表1。

表1 材料性能參數Tab.1 CFRP material performance parameters

1.2 設備及方案

本試驗搭建的CFRP/鈦合金疊層構件低頻振動鉆削試驗平臺由數控加工中心、低頻振動刀柄、鉆削力測量系統、專用夾具、計算機及其他檢測設備組成。如圖1所示，本試驗采用美國赫克公司生產制造的VMX42Ui型立式加工中心。

圖1 低頻振動輔助制孔實驗Fig.1 Low-frequency vibration assisted hole making experiment

本試驗使用的低頻振動刀柄由法國MITIS 公司提供，具體型號為PG804C2_BT40_ER32，其最大轉速為8 000 r/min，固定頻轉比為1.5 osc/r，振幅可調范圍為0～250 μm。本試驗采用的低頻振動刀柄的機械式凸輪在垂直方向布置，可以實現軸向振動。

本文試驗所采用的刀具為整體硬質合金麻花鉆，麻花鉆由M.A.FORD 公司生產制造，刀具直徑6 mm，頂角118°，螺旋角21°，橫刃斜角45°，橫刃長度1.07 mm，橫刃厚度0.76 mm。選用該鉆頭幾何參數主要基于以下考慮：鉆削鈦合金需要較大的鉆削力并且產生的切削熱較高；而鉆削復合材料需要控制鉆削力以減少分層損傷。因此，需要在將刀具的幾何參數設置在鉆削兩種材料的專用刀具之間，根據加工經驗將刀具參數設計為前文所述。選取硬質合金作為刀具材料是因為其優異的物理性能既適用于鉆削鈦合金的高溫環境又適用于鉆削硬度較高的復合材料。

本試驗所用鉆削力測量系統由Kistler9272AG 型測力儀、Kistler5070型電荷放大器和數據采集卡和計算機四部分組成。通過RH-2000型超景深三維光學顯微鏡對切屑形貌進行觀察，采用Mitutoyo526-150型數顯內徑千分表對試驗板孔徑進行測量，其測量范圍為3.7～7.3 mm，測量精度為4 μm。

在CFRP/鈦合金疊層構件低頻振動鉆削過程中，不同工藝參數對鉆削力、切屑形態及孔徑有不同程度的影響。故本試驗以主軸轉速、進給量、振幅為變量，參考傳統鉆削試驗參數設置［17-19］，采用正交試驗法，設計三因素四水平正交試驗，共分為16組。試驗過程中實時測量鉆削軸向力信號，試驗后采用相關儀器分別觀察切屑形貌以及測量疊層孔徑數據。為了驗證低頻振動鉆削工藝的可靠性及實用性，本試驗還設置了4 組不同鉆削參數的傳統鉆削試驗作為對照組，具體參數設置見表2，其他條件設置均與低頻振動鉆削試驗組保持相同。

表2 低頻振動鉆削試驗組正交試驗Tab.2 Orthogonal test of low frequency vibration drilling test group

2 結果與討論

宏觀上，部分不同加工工藝參數加工后的孔的圖片如圖2所示。在下文中詳細分析各工藝參數對孔徑階差以及孔損傷的影響機理。

圖2 部分不同加工工藝參數加工后的孔的圖片Fig.2 Holes processed with different processing parameters

2.1 切削力分析

由于在CFRP/鈦疊層構件鉆削過程中，垂直于軸向的X、Y方向上的鉆削力比較小，可忽略不計，故主要研究鉆削軸向力隨時間的變化特征。圖3（a）（b）展示了在主軸轉速1 200 r/min、進給量0.04 mm/r 下CFRP/鈦疊層構件兩種鉆削工藝條件下未經濾波處理的鉆削軸向力信號隨鉆削時間的變化特征。可以發現，由于在進給運動方向上施加了軸向振動，低頻振動鉆削工藝的鉆削軸向力的波動明顯比傳統鉆削工藝的大得多。另外，在150 μm 高振幅下鉆頭存在與工件周期性分離的情況，此時的鉆削軸向力會變為0。

圖3 CFRP/鈦合金疊層構件鉆削軸向力Fig.3 Drilling axial force of CFRP/titanium alloy laminate

為了對比兩種鉆削工藝下CFRP/鈦疊層構件平均和最大軸向力的區別，對軸向力數據進行處理，如表3所示，可知，相比于傳統鉆削工藝，低頻振動鉆削工藝的平均軸向力更低，而最大軸向力更高。這是因為相比于傳統鉆削，在低頻振動鉆削過程中：一方面，由于鉆頭受到振動引起的動態進給作用，振動時鉆頭對被切削材料形成了往復振動沖擊形成切屑折斷，所產生的切屑從容屑槽排屑過程更加順暢使鉆削過程穩定性提高，從而改善CFRP/鈦合金疊層結構孔徑階差的情況；另一方面，鉆頭的切削厚度會發生周期性變化，存在某一時刻的瞬時切削厚度會比傳統鉆削的切削厚度更大，這導致工件材料的加工變形抗力更大，從而最大鉆削軸向力也變大。

表3 鉆削軸向力對比Tab.3 Comparison of axial force in drilling

2.2 鈦合金切屑對CFRP的擴孔效應

在傳統鉆削加工過程中，由于材料去除余量較大，鈦合金切屑無法順利通過刀具的排屑槽排出，造成嚴重的排屑槽堵塞現象，如圖4（a）所示。在主軸轉速為1 200 r/min、進給量為0.04 mm/r下，傳統鉆削加工中的鈦合金切屑形態如圖4（b）所示，呈現為連續的圓錐形螺旋長切屑；低頻振動鉆削加工中的鈦合金切屑形態如圖4（c）所示，呈現為不連續的扇形單元切屑。原因是：在傳統鉆削過程中，切削厚度為進給量的一半且始終保持不變，為了保證加工精度，采用的進給量一般要控制在較小范圍內，當切削厚度較小時，鉆削力也較小，刀具不易斷屑，因而產生連續的長切屑，造成排屑槽堵塞；而在低頻振動鉆削過程中，刀具會與工件周期性分離，造成幾何斷屑，因而產生不連續的細碎切屑，穩定的碎屑能夠保證切屑更易沿著刀具排屑槽順利排出。

圖4 鈦合金切屑形態Fig.4 Chip morphology of titanium alloy

另外，在CFRP/鈦疊層構件鉆削過程中，當加工到下層板鈦合金時，產生的鈦合金切屑呈螺旋帶狀，在沿著刀具螺旋槽向外排出過程中會造成CFRP 已加工孔孔壁劃傷以及二次切削。表4展示了在主軸轉速為1 000 r/min下分別對CFRP單板和CFRP/鈦疊層板鉆削后，CFRP 的擴孔量隨進給量增加的變化規律。擴孔量指的是疊層板鉆削與單板鉆削后CFRP的孔徑差值。可以看到，疊層板鉆削后測得的CFRP孔徑要比單板鉆削后測得的大得多。造成這種現象主要有兩方面原因：一方面，在疊層板鉆削過程中，鋒利、熾熱的螺旋狀鈦合金切屑在排出過程中會對CFRP 孔壁造成了嚴重的損傷，帶走了孔壁上的部分材料，進而造成CFRP 的孔徑擴大；另一方面，在鉆削疊層板交界處時，刀具的劇烈振動造成CFRP 的制孔出口孔徑顯著擴大。此外，可以進一步觀察到，隨著進給量的增加，CFRP 的擴孔量也越來越大。如，當進給量從0.02 mm/r 增加到0.08 mm/r 時，切屑厚度增大了0.03 mm，擴孔量從190 μm 增加到335 μm。這是由于在不同進給量下，鈦合金切屑的幾何形貌及力學性能皆不相同，對CFRP 的孔壁造成的損傷程度不一致。圖5展示了在恒定主軸轉速為1 000 r/min，進給量分別為0.02、0.05、0.08 mm/r 下的鈦合金切屑形貌。可以發現，當進給量由0.02 mm/r 增加到0.08 mm/r 時，鈦合金切屑明顯變得又厚又短，即進給量會影響切屑的橫截面積及斷屑效果。只有切屑的厚度、折斷的長度以及卷曲形狀都適當時，才能保證排屑順暢，進而減少對CFRP孔壁的損傷。

表4 進給量對擴孔量的影響Tab.4 The effect of feeding rate on hole reaming

圖5 不同進給量下的鈦合金切屑形貌Fig.5 Titanium alloy chip morphology under different feed rates

2.3 工藝參數對孔徑階差的影響

將CFRP/鈦合金孔徑階差作為響應數據輸入到商業數據分析軟件Minitab 當中，從“Minitab 主界面→統計→DOE→田口→分析田口設計”進入，對其進行直觀分析。分別得到低頻振動鉆削工藝參數對孔徑階差的影響主次順序結果（表5）以及相關趨勢圖（圖6）。

由表5可以看出，主軸轉速、進給量、振幅的Delta 值分別為135、245、252，因此，可以得到各個工藝參數對孔徑階差的影響主次順序為：振幅、進給量、主軸轉速。由于孔徑階差值越趨近0 越好，故可以得到對于孔徑階差的最優工藝參數組合為：主軸轉速為600 r/min、進給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。由圖6可以看出，在CFRP/鈦疊層構件低頻振動鉆削過程中，隨著振幅的提高，孔徑階差呈現先下降后增大的趨勢，造成這種變化趨勢的原因是：隨著振幅增大，刀具的斷屑能力增強，這使得鈦合金切屑的排屑過程更流暢，對CFRP 孔壁的損傷減小，進而孔徑也減小；然而，由于振幅的增加也會使得最大瞬時切屑厚度變大，進而導致單個切屑碎片剛性增強，切屑損傷孔壁引起的擴孔效應也更加顯著，當振幅超過一定閾值（約為150 μm）時，隨著振幅的繼續增大，這類擴孔效應開始占主導作用，故而使得孔徑值迅速增大。

表5 低頻振動鉆削工藝參數對孔徑階差的影響結果Tab.5 Effect of low-frequency vibration drilling process parameters on the difference of aperture steps

圖6 低頻振動鉆削工藝參數與孔徑階差的相關趨勢圖Fig.6 Related trend diagram of low-frequency vibration drilling process parameters and aperture difference

3 結論

（1）相比于傳統鉆削，低頻振動鉆削的軸向力波動更大，平均軸向力分別降低了23.6%、9.5%，最大軸向力分別增大了為50.1%、25.2%，斷屑效果更好，排屑的流暢性以及切削過程的穩定性更好。

（2）在低頻振動鉆削過程中，由于施加了軸向振動，鉆頭會與工件周期性分離，進而斷屑。鈦合金切屑在排出過程中會對CFRP 孔壁造成二次切削作用，導致CFRP 的孔徑擴大，而鈦合金的孔徑無變化，進而形成孔徑階差。且隨著切屑厚度的增大，切屑的剛性增強，對CFRP孔的損傷越嚴重，導致CFRP的孔徑增大，孔徑階差加劇。如，當進給量從0.02 mm/r增加到0.08 mm/r 時，切屑厚度的增大了0.03 mm，擴孔量從190 μm增加到335 μm。

（3）振幅和進給量對孔徑階差的影響較為顯著，而主軸轉速的影響較小，且孔徑隨著振幅的增大先減小后增大，隨著進給量的增大而增大。通過綜合考量和試驗驗證，確定面向孔徑控制的最優工藝參數組合方案：主軸轉速為600 r/min、進給量為0.02 mm/r、振幅為150 μm。