邵振宇，李 哲，張德遠(yuǎn)，耿大喜，姜興剛

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

碳纖維復(fù)合材料與鈦合金（Ti6Al4V）由于具有良好的綜合性能被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。其中，碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)中所占比重更成為衡量飛機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)[1-2]。但是，碳纖維復(fù)合材料和鈦合金均屬于難切削加工材料。碳纖維復(fù)合材料脆性大、強(qiáng)度高、碳纖維硬度大、導(dǎo)熱能力差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的1/10～1/5。碳纖維的高硬度導(dǎo)致其在加工時刀具磨損快，刀具耐用度低。另外，碳纖維復(fù)合材料各向異性、層間強(qiáng)度低，在切削時受切削力作用易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，在鉆孔時尤為嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證[3-4]。鈦合金的比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、加工硬化嚴(yán)重。由于其化學(xué)活性大，在一定溫度下易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生脆而硬的外皮，加工時的塑性和沖擊韌性劇烈下降，導(dǎo)致刀具磨損和破損情況嚴(yán)重，耐用度低，加工精度和表面質(zhì)量也難以保證，加工效率低[5]。因此，兩者疊加在一起所形成的疊層材料緊固孔的加工難度可想而知。

為了解決疊層材料鉆孔過程中由于軸向力過大而出現(xiàn)的復(fù)材分層、撕裂及鈦合金出口處毛刺嚴(yán)重等問題，波音公司采用的方法是監(jiān)控鉆削疊層材料時的軸向力，當(dāng)軸向力變大時降低工具轉(zhuǎn)速以便加工鈦合金[6]。國內(nèi)的飛機(jī)制造公司在加工緊固孔時大多采用的是將疊層材料分開鉆孔、疊合起來多步鉸孔的方式，故疊層材料中各材料都存在自身的鉆削缺陷，且工人技術(shù)要求高、工作量大、效率低[7]。

本文將超聲橢圓振動輔助加工方式引入復(fù)鈦疊層材料的緊固孔加工中，利用超聲加工降低切削力和切削溫度、改善孔表面粗糙度、減小孔出口毛刺高度、降低刀具磨損及改善斷屑和排屑效果特性，從而解決疊層材料緊固孔加工的難題，并通過與普通鉆削的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲橢圓振動鉆削能降低軸向力及扭矩、加工過程平穩(wěn)且加工精度與表面粗糙度均有明顯提升的結(jié)論。

1 超聲橢圓振動鉆削機(jī)理

刀具超聲橢圓振動制孔的運(yùn)動方式是：刀刃上任意一點(diǎn)Q在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動Vn和軸向進(jìn)給運(yùn)動Vf的基礎(chǔ)上，同時由于受到換能器的激勵而在徑向平面內(nèi)的X、Y二個垂直方向發(fā)生Asin（ωt）和Acos（ωt）正弦波振動的復(fù)合運(yùn)動模式[8-9]（圖1、圖2）。

圖1 刀具模型

圖2 刀具運(yùn)動模型

為了便于研究刀刃Q點(diǎn)在刀具徑向平面內(nèi)的運(yùn)動情況，將Q點(diǎn)的徑向平面剖面線沿圓周方向拉直定義為Y1軸，以O(shè)1點(diǎn)為新原點(diǎn)，X1軸與原X軸方向一致，則形成新的直角坐標(biāo)系O1X1Y1（圖3）。Q點(diǎn)在X1和Y1方向上分別為正弦波振動，即其振動運(yùn)動軌跡方程為：

式中：A為X1、Y1振動方向上的振幅，μm；ω 為振動角頻率，rad/s。

而Q點(diǎn)同時在Y1方向的線速度為原切向速度Vn，則其在Y1方向的運(yùn)動軌跡為：

故如圖 3 所示，由式（1）、式（2）可知，Q點(diǎn)在平面O1X1Y1內(nèi)的運(yùn)動軌跡為：

由式（3）可得刀具在平面O1X1Y1內(nèi)相對于工件的速度為：

圖3 刀刃運(yùn)動軌跡

超聲橢圓振動切削的分離特性，使刀具存在空切過程，這極大地降低了平均切削力與扭矩，有利于折斷切屑。由于超聲振動切削速度的周期性變化，刀具前刀面與切屑的摩擦力方向也會產(chǎn)生周期性變化，從而有利于切屑順利排出。

2 超聲橢圓振動鉆削復(fù)鈦疊層實(shí)驗(yàn)

復(fù)材分層、撕裂是疊層材料緊固孔加工的常見缺陷，主要原因是復(fù)材層間的強(qiáng)度低、鉆削軸向力過大。同樣，對于鈦合金制孔而言，降低鉆削軸向力能有效保證鉆削過程平穩(wěn)、減少刀具磨損和出口毛刺。因此，本文通過超聲橢圓振動加工和普通加工實(shí)驗(yàn)的對比，驗(yàn)證振動加工能降低軸向力的特性，從而抑制復(fù)材分層，提高鉆削鈦合金的加工效率，改善孔的加工精度及表面質(zhì)量。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的碳纖維復(fù)合材料板和鈦合金（Ti6Al4V）板的厚度均為10 mm，鈦合金材料的屬性見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)

如圖4所示，采用自行研制的超聲振動鉆削主軸和超聲電源，并利用BV100立式加工中心平臺進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料、鈦合金制孔實(shí)驗(yàn)。同時，采用9272A壓電測力系統(tǒng)測量復(fù)合材料、鈦合金在普通鉆削和超聲鉆削過程中的鉆削力和扭矩，采用LKG5000非接觸激光測量系統(tǒng)測量群鉆刀尖振幅（圖5），用內(nèi)徑千分尺和粗糙度測量儀分別測量孔徑尺寸及孔表面粗糙度。

使用普通鉆削和超聲橢圓振動鉆削分別對碳纖維復(fù)合材料、鈦合金進(jìn)行軸向力實(shí)驗(yàn)的參數(shù)條件見表2和表3。

表1 鈦合金工件材料屬性

圖4 超聲橢圓振動鉆削實(shí)驗(yàn)平臺

圖5 刀具鉆尖振幅的非接觸激光測量示意圖

表2 超聲橢圓振動鉆削復(fù)合材料的軸向力實(shí)驗(yàn)條件

表3 超聲橢圓振動鉆削鈦合金的軸向力實(shí)驗(yàn)條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 碳纖維復(fù)合材料鉆削對比實(shí)驗(yàn)

采用兩把新刀具分別以普通鉆削和超聲橢圓振動鉆削的方式各加工10個孔，測得的鉆削軸向力和扭矩見圖6。可見，超聲橢圓振動鉆削碳纖維復(fù)合材料的平均軸向力及扭矩均比普通鉆削時更低，降幅分別達(dá)16%～25%和36%～44%，且超聲橢圓振動鉆削時的平均軸向力曲線和扭矩曲線均較平穩(wěn)，表明超聲鉆削過程更穩(wěn)定。隨著制孔數(shù)目的增加，普通鉆削和超聲橢圓振動鉆削時的平均軸向力及扭矩均呈增大的趨勢，且普通鉆削時的增幅更大，分析原因：超聲橢圓振動具有分離切削的特性，刀具與工件周期性分離切削能有效降低切削力、扭矩及切削溫度，并減少刀具磨損，相較于普通鉆削過程更加平穩(wěn)；但隨著孔加工數(shù)量的增多，刀具磨損加劇，超聲橢圓振動鉆削將逐漸失去降低切削力及扭矩的特性。

圖6 兩種工藝鉆削碳纖維復(fù)合材料的平均軸向力及扭矩

3.2 鈦合金材料鉆削對比實(shí)驗(yàn)

以普通鉆削、超聲橢圓振動鉆削的方式對鈦合金進(jìn)行制孔的軸向力和扭矩對比見圖7。可見，兩種鉆削方式的平均軸向力在鉆入和鉆出的階段有所差異，超聲振動鉆削在鉆入與鉆出的階段能更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證加工精度與質(zhì)量。在穩(wěn)定切削階段，超聲振動鉆削的平均軸向力遠(yuǎn)小于普通鉆削，降幅達(dá)40%，且鉆削過程波動較小，超聲振動鉆削的扭矩相較于普通鉆削時也有所下降。

采用普通鉆削與超聲橢圓振動鉆削分別連續(xù)鉆削3個孔，并用內(nèi)徑千分尺與粗糙度測量儀分別檢測其孔徑精度和孔表面粗糙度（終孔的表面粗糙度），結(jié)果見表4?？梢?，超聲橢圓振動鉆削所得的孔徑精度更高，孔的表面質(zhì)量更好。

表4 孔徑及孔表面粗糙度的測量結(jié)果

圖7 兩種工藝鉆削鈦合金的平均軸向力及扭矩

兩種鉆削工藝的切屑效果見圖8?？梢姡暀E圓振動鉆削的切屑均勻、形狀規(guī)則，而普通鉆削的切屑形狀各異，且厚度不同。分析原因：超聲橢圓振動鉆削過程中軸向力小，鉆削過程較平穩(wěn)，且由于其周期性分離的特性，切屑能被周期性折斷；而普通鉆削時軸向力大，鉆削過程波動較大，且易出現(xiàn)“卡刀”現(xiàn)象，導(dǎo)致切屑呈現(xiàn)形狀不一、薄厚明顯不同的情況。

圖8 兩種工藝鉆削鈦合金的切屑對比圖

因此，相比于普通鉆削，采用超聲橢圓振動鉆削能獲得良好的斷屑效果，改善了切屑的排出效果和切削過程的穩(wěn)定性，降低了鉆削的軸向力及扭矩，可有效防止復(fù)材分層、撕裂，減少鈦合金材料的孔出口毛刺，提升了孔的加工精度和表面質(zhì)量，同時能有效地降低刀具、切屑、工件之間的摩擦效應(yīng)，延長刀具的使用壽命。

4 結(jié)論

本文針對復(fù)鈦疊層制孔中因軸向力過大導(dǎo)致的復(fù)材分層、撕裂及鈦合金鉆削過程波動較大、刀具磨損嚴(yán)重、出口毛刺較高等問題，將超聲橢圓振動加工引入復(fù)鈦疊層緊固孔的鉆削加工中，通過對超聲橢圓振動鉆削過程進(jìn)行分析，得到了降低切削力的機(jī)理，并進(jìn)行了與普通鉆削的對比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）通過對超聲橢圓振動鉆削過程進(jìn)行分析得到其運(yùn)動軌跡方程，并初步揭示了超聲橢圓振動鉆削降低切削力及扭矩、改善斷屑和排屑效果的機(jī)理，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）復(fù)材鉆削的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動鉆削復(fù)合材料時的平均軸向力及扭矩均明顯降低，降幅分別達(dá)16%～25%和36%～44%，且超聲橢圓振動鉆削的平均軸向力和扭矩變化波動較小，表明鉆削過程更平穩(wěn)。

（3）鉆削鈦合金測力對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動鉆削的軸向力下降約40%，且超聲橢圓振動鉆削時平穩(wěn)的切削力及扭矩曲線表明其鉆孔切削過程較穩(wěn)定，且切屑的厚度均勻、呈節(jié)狀，超聲振動鉆削的孔徑精度和孔表面粗糙度明顯優(yōu)于普通鉆削，有效改善了普通鉆削鈦合金制孔的難加工問題。

因此，與普通鉆削相比，超聲橢圓振動鉆削的分離斷續(xù)脈沖式切削特性使其明顯增強(qiáng)了鉆頭切削能力，降低了切削力及扭矩，能有效防止復(fù)合材料分層、撕裂，并改善鈦合金鉆孔過程中的鉆削困難等情況，提升了切削加工穩(wěn)定性，減小了孔出口毛刺高度，獲得了良好的斷屑和排屑效果，提高了加工效率和孔表面質(zhì)量。