李 哲 鄧琦鍵 楊志波 侯 博 王愛春

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

文 摘 針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在傳統(tǒng)鉆孔過程易出現(xiàn)分層缺陷，采用金剛石空心套刀和超聲振動(dòng)加工技術(shù)進(jìn)行了CFRP超聲振動(dòng)套孔分層抑制機(jī)理分析。理論分析了傳統(tǒng)麻花鉆鉆孔與金剛石套刀普通套孔過程的分層機(jī)理及評(píng)價(jià)，超聲振動(dòng)套孔對(duì)分層抑制的機(jī)理，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：相比于CFRP普通套孔，超聲振動(dòng)套孔能夠有效提高套刀切削性能和排屑效果，降低鉆削力12.5%～19.2%，抑制切屑粉塵黏附套刀和料芯堵塞套刀，抑制CFRP分層缺陷形成，改善孔表面質(zhì)量。

0 引言

近年來，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在航空航天領(lǐng)域的使用需求日益漸增，由于CFRP具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、阻尼減震性好、性能及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、復(fù)雜部件易成型等優(yōu)勢(shì)，例如：波音787客機(jī)和F35戰(zhàn)斗機(jī)的CFRP使用量分別達(dá)到50%wt和35%wt［1-5］。在CFRP零部件的使用過程，需要預(yù)先加工出大量孔以便于與其他零部件進(jìn)行連接和裝配，所以制孔過程是必不可少的工序；在傳統(tǒng)麻花鉆制孔過程，由于麻花鉆軸向鉆削力較大而極易出現(xiàn)CFRP孔分層和撕裂缺陷，同時(shí)由于CFRP的材料特性導(dǎo)致傳統(tǒng)麻花鉆容易磨損、刀具使用壽命短、切削性能不穩(wěn)定。CFRP孔的分層缺陷將極大影響孔連接承載性能、抗疲勞性能［1-12］。

為改善CFRP傳統(tǒng)麻花鉆制孔的分層缺陷，國內(nèi)外一些學(xué)者采用金剛石磨?？招奶椎哆M(jìn)行了CFRP普通套磨（common core drilling，簡(jiǎn)記CCD）制孔研究，可有效降低軸向鉆削力、CFRP孔分層缺陷程度及刀具磨損；但是，由于套刀排屑效果較差使得切屑粉塵易黏附套刀、切屑料芯易堵塞套刀，導(dǎo)致套刀切削性能急劇下降、鉆削力急劇增大，從而易引發(fā)CFRP普通套孔的分層缺陷并且會(huì)加劇分層缺陷形成的程度［13-21］。

超聲振動(dòng)套孔作為一種新工藝方法，近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者采用超聲機(jī)床、套磨鉆孔刀具結(jié)合氣液冷卻系統(tǒng)對(duì)CFRP進(jìn)行了超聲套孔試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果明顯提高了CFRP孔表面質(zhì)量、降低了孔分層缺陷形成，但在無冷卻干切削條件下的CFRP超聲套孔抑制分層形成方面的研究相對(duì)較少［22-24］。

本文針對(duì)CFRP普通套孔過程引發(fā)分層缺陷的問題，結(jié)合超聲振動(dòng)加工技術(shù)的良好工藝特性，并對(duì)比分析傳統(tǒng)麻花鉆鉆孔和普通套孔的分層機(jī)理，從超聲振動(dòng)套孔原理、分離切削運(yùn)動(dòng)特性及提高排屑效果方面，進(jìn)行了無冷卻干切削條件下的CFRP超聲振動(dòng)套孔分層抑制機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 CFRP傳統(tǒng)鉆孔與套孔的分層形成及評(píng)價(jià)分析

1.1 分層形成分析

在CFRP傳統(tǒng)鉆孔過程，鉆頭受到軸向鉆削力、切向力、徑向力和形成扭矩作用。由于鉆頭橫刃中心線速度為零產(chǎn)生向下純擠壓推擠作用、橫刃為負(fù)前角切削產(chǎn)生向下切削推力、主切削刃受軸向鉆削力作用產(chǎn)生向下切削推力并且受到切向力形成扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力，在CFRP入口鉆削過程未切削層相對(duì)已切削層較厚使得孔底承載能力較強(qiáng)、孔口承載能力較差，從而形成入口張開型和撕開型裂紋的剝離分層，并且以扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力的撕開型裂紋為主，如圖1（a）所示。在CFRP出口鉆削過程未切削層相對(duì)已切削層較薄使得孔底承載能力較差、較厚的已切削層對(duì)主切削刃受扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力具有較強(qiáng)承載作用，從而形成出口張開型和滑開型裂紋的推出分層，并且以向下推擠力和鉆削力產(chǎn)生向下切削推力作用形成的張開型裂紋為主，如圖1（b）所示［14，20，25-26］。

圖1 CFRP鉆孔過程入口和出口的分層機(jī)理及損壞模式Fig.1 Mechanism and damagemode of delamination at hole entrance and exit in drilling CFRP

圖2為CFRP套孔及刀具不同位置金剛石磨粒的切削模型，以便分析不同位置金剛石磨粒的切削作用及其對(duì)分層形成的影響?？梢?，空心套磨刀具表面金剛石磨粒即作為套刀切削刃，該套刀由套刀端面主刃區(qū)域磨粒A、端面和內(nèi)外壁側(cè)面過渡區(qū)域磨粒B和C、內(nèi)外壁側(cè)面副刃區(qū)域磨粒D和E三個(gè)部分組成，并經(jīng)過焊料與套刀刀體進(jìn)行連接；同時(shí)，套孔過程將傳統(tǒng)鉆頭鉆孔的切削刃集中載荷切削力分解為空心套刀端面刃部的環(huán)形均布載荷切削力，這能夠有效降低CFRP套孔過程各位置局部切削載荷和分層程度。金剛石空心套磨刀具各區(qū)域磨粒作用如下，首先，磨粒A最先接觸材料進(jìn)行入口切削、孔底切削和出口切削；其次，磨粒B對(duì)孔底料芯表面材料進(jìn)行修磨和縮徑、磨粒C對(duì)孔底孔壁表面材料進(jìn)行修磨和擴(kuò)孔；最后，磨粒D和E進(jìn)一步分別對(duì)已形成的料芯表面材料進(jìn)行修磨和縮徑，對(duì)孔壁表面材料進(jìn)行修磨和擴(kuò)孔，并且形成最終孔和料芯的直徑、表面形貌和表面質(zhì)量。

根據(jù)圖2可知，套磨過程對(duì)鉆削力、分層形成大小起主要影響的切削刃在套刀端面刃部磨粒A和B、C位置，因此要保證磨粒A和B、C位置的刃部鋒利性和均勻性，以實(shí)現(xiàn)均勻高效切削、較低的切削力，并且要保證磨粒與套刀刀體的連接強(qiáng)度以防止磨粒脫落。

圖2 CFRP套孔及刀具不同位置金剛石磨粒的切削模型Fig.2 Cuttingmodel of CFRP core drilling and diamond grain at different tool positions

圖3為CFRP鉆孔與套孔的鉆削力對(duì)分層形成分析示意圖［13-15］。圖中H為工件厚度，h為工件未鉆削層厚度，Rdl為鉆孔和套孔的分層裂紋半徑，F(xiàn)T為麻花鉆軸向鉆削力并且以集中載荷作用在麻花鉆端刃，Rt為麻花鉆半徑，F(xiàn)C為空心套刀軸向鉆削力，Ric為套刀內(nèi)側(cè)半徑，Roc為套刀外側(cè)半徑，t為套刀壁厚，q為套刀軸向鉆削力作用在套刀端刃的軸向環(huán)形均布載荷。

圖3 CFRP鉆孔與套孔的鉆削力對(duì)分層形成分析Fig.3 Delamination analysis caused by thrust force for drilling and core drilling of CFRP

根據(jù)圖3可知，由于麻花鉆的軸向鉆削力作用到鉆尖刃部為集中載荷，鉆尖中心線速度幾乎為零導(dǎo)致接近擠壓效果并非切削效果，使得CFRP孔底局部載荷集中、擠壓力較大，從而容易引發(fā)分層裂紋；然而，空心套刀將其軸向鉆削力均勻分解為套刀端刃的軸向環(huán)形均布載荷，并且套刀端刃各位置線速度均不為零，能夠?qū)崿F(xiàn)局部小載荷的均勻切削效果。因此可知，在相同軸向鉆削力作用下，相比麻花鉆制孔，空心套刀的制孔過程能夠有效降低CFRP孔分層裂紋程度。

根據(jù)文獻(xiàn)［13-15］可知，只要制孔的軸向鉆削力大于臨界鉆削力，就會(huì)產(chǎn)生分層裂紋現(xiàn)象，并且軸向鉆削力越大，力載荷局部作用越集中將導(dǎo)致分層越嚴(yán)重。產(chǎn)生Rdl時(shí)的麻花鉆臨界鉆削力FCT和空心套刀臨界鉆削力FCC分別表達(dá)為：

式中，E為CFRP的彈性模量，υ為CFRP的泊松比，GIC為單位面積上臨界分層裂紋擴(kuò)展能量，S＝Roc／Rdl，β＝t／Roc。

因此，綜上分析，相比于CFRP傳統(tǒng)鉆孔分層模型，可得CFRP套孔的微小分層模型，可分為入口的微小剝離分層和出口的微小推出分層（圖4）。

圖4 CFRP套孔過程入口和出口的微小分層模型Fig.4 Model of small delamination at hole entrance and exit in core drilling CFRP

1.2 分層評(píng)價(jià)分析

對(duì)于CFRP鉆孔的分層程度，一般可采用分層因子Fd＝Dmax／Dnom進(jìn)行評(píng)價(jià)，Dmax為分層面積最大直徑，Dnom為孔直徑，如圖5所示。同時(shí)，分層因子Fd與軸向鉆削力之間存在線性關(guān)系，軸向力越大則分層因子越大，分層裂紋程度也就越嚴(yán)重［27-30］。

圖5 分層因子示意圖Fig.5 Schematic of delamination factor（F d）

2 CFRP超聲振動(dòng)套孔分層抑制機(jī)理分析

2.1 CFRP超聲套孔原理及運(yùn)動(dòng)對(duì)分層抑制分析

圖6建立了CFRP超聲振動(dòng)套孔（ultrasonic vibration core drilling，簡(jiǎn)記UVCD）原理以及刀具分離切削運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，可見，金剛石套磨刀具由端面主切削刃磨粒和內(nèi)外壁副切削刃磨粒組成，在超聲振動(dòng)套孔過程套刀自轉(zhuǎn)、沿軸向進(jìn)給以及高頻小振幅超聲波振動(dòng)，形成周期性接觸-分離的脈沖式動(dòng)態(tài)切削。

圖6 CFRP超聲振動(dòng)套孔原理及刀具分離切削運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Schematic of UVCD of CFRP and separated cuttingmotion trajectory of tool

從圖6可知，超聲振動(dòng)套孔的刀具切削刃上任一點(diǎn)的切削運(yùn)動(dòng)軌跡為一條帶有正弦波振動(dòng)的三維螺旋曲線，可表示為：

式中，R為套刀切削刃任一點(diǎn)處半徑，ω為旋轉(zhuǎn)角速度且ωt＝θ與θ為旋轉(zhuǎn)角，n為轉(zhuǎn)速，t為時(shí)間；vf為刀具相對(duì)于工件的軸向進(jìn)給速度且A為振幅，F(xiàn)為超聲振動(dòng)頻率，f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

然而，普通套孔的刀具切削刃上任一點(diǎn)的切削運(yùn)動(dòng)軌跡僅為一條普通三維螺旋曲線，可表示為：

根據(jù)方程式（3）可得，超聲振動(dòng)套孔的軸向進(jìn)給速度vF可表達(dá)為：

然而，根據(jù)方程式（4）可得，普通套孔的軸向進(jìn)給速度v0可表達(dá)為：根據(jù)式（5）式（6）可知，普通套孔的軸向進(jìn)給速度為恒定值，而超聲振動(dòng)套孔的軸向進(jìn)給速度為周期性變化，為變速切削。相比于普通套孔，超聲振動(dòng)套孔的vF明顯大于v0，這增加了超聲振動(dòng)套孔的實(shí)際切削速度和刀具切削能力，更容易切斷CFRP纖維和樹脂基質(zhì)，同時(shí)形成了周期性接觸-分離的斷續(xù)切削模式，有助于降低摩擦力和鉆削力，提高切屑粉塵和料芯的排屑效果，進(jìn)而有效降低因鉆削力增大而引起的CFRP孔分層缺陷產(chǎn)生。

2.2 CFRP超聲振動(dòng)套孔提高排屑對(duì)分層抑制分析

圖7（a）（b）分別建立了CFRP普通套孔和超聲振動(dòng)套孔的套刀端面刃部單磨粒切削與排屑模型，圖中，F(xiàn)′f、F′op分別為普通套孔的切屑與磨粒之間摩擦力、切屑在孔中擠壓力，F(xiàn)f、Fop、Fus分別為超聲套孔的切屑與磨粒之間摩擦力、切屑在孔中擠壓力、超聲瞬態(tài)分離力。根據(jù)超聲鉆孔的分離切削特性［31-32］，可知Ff＝μFop小于F′f＝μF′op，F(xiàn)op也小于F′op，F(xiàn)us遠(yuǎn)大于Ff和Fop。

從圖7（a）可見，普通套孔的連續(xù)切削過程排屑效果較差，導(dǎo)致切削區(qū)切屑堆積而易引起切屑黏附套刀。然而，從圖7（b）可見，在超聲振動(dòng)套孔的周期性接觸-分離的分離斷續(xù)切削過程，切削區(qū)實(shí)現(xiàn)周期性打開-閉合而加快切屑排出，降低切屑堆積。同時(shí)套刀受到超聲波高頻激勵(lì)振動(dòng)，使得超聲波能量在切削區(qū)套刀刀體、切削刃磨粒及CFRP切屑這3種差異較大的不同聲阻材料之間產(chǎn)生超聲波能量動(dòng)態(tài)反射，形成了套刀刃部表面的超聲彈射效應(yīng)（即產(chǎn)生較大瞬態(tài)分離力），從而使得套刀表面切屑被及時(shí)彈射排開而起到防黏的功效。

圖8建立了CFRP超聲振動(dòng)套孔的套刀內(nèi)部料芯切削與排出模型。

圖7 普通套孔和超聲振動(dòng)套孔過程套刀端面單磨粒切削與排屑模型Fig.7 Models of single grain cutting and chip removal of core drill end face in CCD and UVCD

圖8 超聲振動(dòng)套孔過程料芯切削和排出模型Fig.8 Cutting and removalmodel of rod in UVCD

圖8可見，超聲振動(dòng)套孔過程的周期性分離切削模式、超聲彈射效應(yīng)，使得套刀內(nèi)表面與料芯表面之間始終保持松動(dòng)、并且在料芯出口邊緣切掉后被彈射或噴射排出，有效防止了切屑料芯卡緊和堵塞套刀問題。

綜上分析可知，超聲振動(dòng)套孔過程具有更好的排屑效果，防止切屑粉塵黏附套刀和料芯堵塞套刀的功效，有效降低了套刀因切屑粉塵黏附和料芯堵塞造成切削能力下降導(dǎo)致的增大切削力，進(jìn)而可有效降低套孔過程因鉆削力較大引起的分層。

3 CFRP超聲振動(dòng)套孔分層抑制實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與條件

根據(jù)圖2分析，套磨過程對(duì)鉆削力、分層形成大小起主要影響的切削刃在套刀端面刃部磨粒A和B、C位置，因此要保證A和B、C位置的刃部鋒利性及均勻性以實(shí)現(xiàn)良好的切削效果與排屑效果、較低的切削力、較好的CFRP孔表面質(zhì)量，并保證磨粒與套刀基體的連接強(qiáng)度以防止磨粒脫落。實(shí)驗(yàn)中所用金剛石釬焊技術(shù)制備的套刀，如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)中金剛石套刀Fig.9 Diamond core drill in experiment

圖10為CFRP超聲振動(dòng)套孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中采用超聲振動(dòng)氣鉆結(jié)合車床平臺(tái)進(jìn)行套孔，并采用Kistler 9272A測(cè)力儀進(jìn)行鉆削力測(cè)量。實(shí)驗(yàn)條件見表1。

圖10 CFRP超聲振動(dòng)套孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental set-up of UVCD of CFRP

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 切削性能對(duì)比

圖11對(duì)比了CFRP普通套孔和超聲套孔的排屑效果，可見，超聲套孔能夠更有效抑制CFRP切屑粉塵黏刀和料芯堵刀現(xiàn)象，并且排出料芯完整、不存在料芯因堵刀卡緊造成分辦碎裂現(xiàn)象，極大提高了排屑效果和套刀切削性能，降低了套刀因切屑黏刀和料芯堵刀引起的刀具提前失效、切削力增大的問題，進(jìn)而可有效抑制CFRP套孔過程的分層。

圖12對(duì)比了CFRP普通套孔和超聲套孔的鉆削力穩(wěn)定切削階段的平均值。可見，超聲套孔更有效降低了鉆削力12.5%～19.2%，并且鉆削力曲線平穩(wěn)，這表明超聲套孔過程套刀切削性能明顯強(qiáng)于普通套孔，可歸因于超聲套孔過程分離切削特性以及良好排屑效果。

圖11 CFRP普通套孔和超聲套孔的排屑對(duì)比Fig.11 Comparison for the chip removal effects in CCD and UVCD of CFRP

圖12 CFRP普通套孔和超聲套孔的鉆削力Fig.12 Thrust force in CCD and UVCD of CFRP

3.2.2 孔表面質(zhì)量對(duì)比

圖13可見，相比于普通套孔的明顯分層缺陷表面，超聲套孔后表面平整且沒有分層缺陷，有效抑制了套孔過程分層缺陷的形成，獲得了良好的孔加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)麻花鉆的CFRP鉆孔，金剛石套磨刀具的CFRP套孔，能夠有效降低鉆孔切削力，降低CFRP孔分層缺陷的形成程度。

（2）金剛石套磨刀具的磨粒結(jié)構(gòu)位置、磨粒分布均勻性、磨粒被焊料包覆高度、磨粒與套刀刀體連接強(qiáng)度，極大影響著套刀鋒利性、切削效果和使用壽命，進(jìn)而影響著CFRP套孔的切削力大小和分層缺陷程度。

（3）通過對(duì)CFRP超聲振動(dòng)套孔的原理、分離切削運(yùn)動(dòng)特性、排屑效果以及實(shí)驗(yàn)分析，表明CFRP超聲振動(dòng)套孔能夠有效抑制切屑粉塵黏附套刀、料芯堵塞套刀問題，提高切屑排屑效果，增強(qiáng)套刀切削性能、保持套刀自潔并延長(zhǎng)套刀使用壽命，降低鉆削力12.5%～19.2%，降低CFRP套孔后分層缺陷的形成程度，提高孔表面質(zhì)量。