李遠(yuǎn)霄，焦鋒，張世杰，張順，王雪，童景琳

河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作 454000

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)和鈦合金由于其特殊的性能在航空航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)上應(yīng)用越來(lái)越廣[1-2]。CFRP具有高的比強(qiáng)度和比模量、可設(shè)計(jì)性和耐疲勞性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，極大地減輕了結(jié)構(gòu)重量，減少了能耗，提高了飛機(jī)的可靠性和飛行性能。鈦合金具有密度小，比強(qiáng)度大，耐腐蝕性、耐熱性優(yōu)異等特點(diǎn)，相比于鋼、鋁等金屬，鈦合金與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配性好[3-5]。由CFRP和鈦合金組成的疊層結(jié)構(gòu)既輕強(qiáng)度又高，國(guó)際上一些主要的飛機(jī)制造公司在設(shè)計(jì)新型飛機(jī)時(shí)，已經(jīng)采用復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬合金[6-7]。

典型的飛機(jī)復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)主要有CFRP/鈦合金，鈦合金/CFRP/鈦合金，CFRP/鈦合金/CFRP等[8-9]。在飛機(jī)裝配過(guò)程中需要制造大量的螺栓孔和鉚接孔進(jìn)行連接，由于CFRP和鈦合金均屬于難加工材料且2種材料的性能差異巨大，導(dǎo)致疊層結(jié)構(gòu)一體化制孔存在加工質(zhì)量差、切削溫度高、刀具壽命短等問(wèn)題[10-13]。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將振動(dòng)鉆削應(yīng)用到CFRP、鈦合金以及CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的制孔試驗(yàn)中。根據(jù)振動(dòng)頻率的不同，振動(dòng)鉆削分為高頻振動(dòng)鉆削和低頻振動(dòng)鉆削。鉆頭(或工件)振動(dòng)頻率在16 kHz以上的稱為高頻振動(dòng)鉆削，主要是利用超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以通常又稱為超聲振動(dòng)鉆削；鉆頭(或工件)振動(dòng)頻率在200 Hz以下的稱為低頻振動(dòng)鉆削，主要依靠機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。Sanda等[14]使用超聲振動(dòng)鉆削裝置分別對(duì)CFRP和Ti6Al4V進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在CFRP和Ti6Al4V鉆削過(guò)程中，超聲輔助振動(dòng)鉆削相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削可使軸向力降低30%左右，同時(shí)獲得更低的表面粗糙度，此外CFRP出口處的分層缺陷得到改善。當(dāng)選用較高的進(jìn)給速度時(shí)，超聲輔助振動(dòng)鉆削CFRP的溫度要低于普通鉆削。Onawumi等[15]進(jìn)行了超聲輔助振動(dòng)鉆削CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，結(jié)果同樣表明，相對(duì)于普通鉆削，超聲輔助振動(dòng)鉆削可以顯著地降低軸向力。同時(shí)，CFRP毛刺高度降低了50%左右。但是超聲輔助振動(dòng)鉆削的最高溫度稍高于普通鉆削。浦景威等[16]采用超聲振動(dòng)鉆孔工藝對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在加工單層復(fù)合材料時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削孔的質(zhì)量顯著好于普通鉆削，但是在加工疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，超聲振動(dòng)并不能顯著提高孔質(zhì)量，這主要是由于鈦合金切屑對(duì)復(fù)合材料層造成的撕裂損傷導(dǎo)致的。

由于低頻振動(dòng)鉆削相對(duì)于超聲振動(dòng)鉆削具有更大的振幅，易于實(shí)現(xiàn)斷屑，于是有學(xué)者將低頻振動(dòng)鉆削應(yīng)用于CFRP、鈦合金及其疊層結(jié)構(gòu)的制孔試驗(yàn)中。Okamura等[17]采用低頻振幅0.4 mm、頻率30 Hz輔助振動(dòng)鉆削鈦合金，研究表明，低頻輔助振動(dòng)鉆削大大地減小了鉆削溫度。同時(shí)，鉆頭的磨損率也得到顯著的降低。Pecat[18]和Hussein[19]等進(jìn)行了低頻輔助振動(dòng)鉆削CFRP/Ti6Al4V疊層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)鉆削過(guò)程的溫度相對(duì)于普通鉆削顯著降低。CFRP入口和出口處的分層缺陷明顯改善，原因在于Ti6Al4V切屑形態(tài)的改變和鉆削溫度的降低。此外還發(fā)現(xiàn)低頻輔助振動(dòng)鉆削能顯著降低刀具磨損，但是軸向力比普通鉆削要大。姚琦威等[20]針對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)，通過(guò)低頻振動(dòng)鉆削與傳統(tǒng)鉆削的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)鉆削平均軸向力隨著振幅的增大而減小，但最大軸向力增大，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削溫度有所下降，分層缺陷沒(méi)有改善，且有增大的趨勢(shì)，但對(duì)CFRP孔壁質(zhì)量有明顯的改善。

目前，針對(duì)CFRP、鈦合金及其疊層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)輔助鉆削研究多集中于超聲輔助振動(dòng)加工和低頻輔助振動(dòng)加工，大量研究表明相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削，超聲輔助振動(dòng)鉆削可以降低軸向力，延長(zhǎng)刀具壽命；低頻輔助振動(dòng)鉆削可以有效斷屑，降低鉆削溫度。本文基于超聲振動(dòng)鉆削和低頻振動(dòng)鉆削的優(yōu)勢(shì)，提出了一種超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的加工方法，并分析了其加工機(jī)理。采用一種自主研制的縱扭超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削裝置對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制孔試驗(yàn)，分析比較了普通鉆削、超聲鉆削、低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削4種方式下的切削力、鈦合金切屑形貌、切削溫度和孔加工質(zhì)量，為復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)的制孔加工提供了指導(dǎo)意義。

1 理論分析

1.1 運(yùn)動(dòng)特性

普通鉆削加工過(guò)程中，麻花鉆的運(yùn)動(dòng)可以分為2部分：沿加工方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和繞主軸的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？v扭超聲振動(dòng)鉆削是同時(shí)在進(jìn)給方向和周向旋轉(zhuǎn)方向施加超聲振動(dòng)；低頻振動(dòng)鉆削是在進(jìn)給方向施加軸向低頻振動(dòng)。而縱扭超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削是將縱扭超聲鉆削和軸向低頻振動(dòng)鉆削復(fù)合起來(lái)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示。圖中：R為麻花鉆半徑，n為主軸轉(zhuǎn)速，fr為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，fH為超聲振動(dòng)頻率，AH為超聲縱向振幅，TH為超聲扭轉(zhuǎn)振幅，fL為低頻振動(dòng)頻率，AL為低頻振動(dòng)振幅。以麻花鉆鉆心鉆入點(diǎn)所在水平面為基準(zhǔn)平面，進(jìn)給方向?yàn)閦軸負(fù)向，則麻花鉆主切削刃最外端P點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為(x,y,z)，可以得到其空間位置隨時(shí)間t的變化。

當(dāng)普通鉆削時(shí)，P點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

(1)

縱扭超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削相對(duì)普通鉆削，在進(jìn)給方向和周向疊加了超聲振動(dòng)，同時(shí)在進(jìn)給方向疊加了軸向低頻振動(dòng)，此時(shí)P點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

圖1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.1 Kinematic model

(2)

假設(shè)麻花鉆半徑為4 mm，A、B兩個(gè)主切削刃相位差為π，轉(zhuǎn)速為600 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.08 mm/r。為了對(duì)比更加清晰，假設(shè)超聲振動(dòng)頻率為2 kHz，軸向振幅為10 μm，周向振幅為0.014 rad； 低頻振動(dòng)頻率為30 Hz，軸向振幅為100 μm。通過(guò)MATLAB做出普通鉆削和縱扭超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削下麻花鉆轉(zhuǎn)動(dòng)1圈P點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 麻花鉆P點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Space motion tracks of Point P of twist drill

由圖2可以看出，普通鉆削過(guò)程中，A、B兩個(gè)主切削刃在P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為2條水平的螺旋線，因此鉆削過(guò)程中切屑的厚度保持不變，其大小只與每轉(zhuǎn)進(jìn)給量有關(guān)?？v扭超聲-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削過(guò)程中，A、B兩個(gè)主切削刃在P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在進(jìn)給方向上整體呈正弦曲線，同時(shí)疊加了高頻的縱扭振動(dòng)。此時(shí)鉆削過(guò)程中切削的厚度由于高低頻復(fù)合振動(dòng)而發(fā)生顯著變化，這對(duì)于鉆削過(guò)程中的斷屑起到了關(guān)鍵作用。

1.2 加工機(jī)理

高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削過(guò)程中，麻花鉆A、B兩個(gè)切削刃在進(jìn)給方向上的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

(3)

式中：θ為刀具的周向角位移；ωH和ωL分別為超聲振動(dòng)和低頻振動(dòng)的頻轉(zhuǎn)比。

那么超聲縱扭-低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的瞬時(shí)切屑厚度s為

s=zA-zB=fr/2-

2AHcos[ωH(θ+THsin(ωHθ)+π/2)]·

sin(ωHπ/2)-

2ALcos[ωL(θ+THsin(ωHθ)+π/2)]·

sin(ωLπ/2)

(4)

其最小切削厚度smin為

smin=fr/2-|2AHsin(ωHπ/2)|-

|2ALsin(ωLπ/2)|

(5)

當(dāng)smin≤0時(shí)，切削層厚度周期性地變?yōu)?，刀具與工件周期性分離，實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑。因此理論斷屑條件為

(6)

由于超聲振動(dòng)的頻率在16 kHz以上，在加工時(shí)受到負(fù)載的作用會(huì)有一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，使得超聲振動(dòng)的頻轉(zhuǎn)比ωH時(shí)而為奇數(shù)，時(shí)而為偶數(shù)。當(dāng)ωH為奇數(shù)時(shí)，根據(jù)式(6)可以得到高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削在AL、fr、ωL參數(shù)下的U形曲線斷屑區(qū)域圖如圖3所示。

可以看到其斷屑區(qū)域范圍相對(duì)于單一低頻振動(dòng)鉆削增大，且AH/AL(一般0

圖3 斷屑區(qū)域圖Fig.3 Diagram of chip breaking area

切屑的幾何形態(tài)不僅與刀具運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)，也與未切削厚度有關(guān)，圖4為高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的二維切削過(guò)程示意圖。

圖4 高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削二維示意圖Fig.4 Two-dimensional schematic diagram of high and low frequency compound vibration- assisted drilling

由于超聲相對(duì)于低頻振動(dòng)的振幅較小，因此高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削過(guò)程中低頻振動(dòng)對(duì)切削厚度起主導(dǎo)作用。相對(duì)于單一低頻振動(dòng)鉆削，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削疊加的超聲振動(dòng)能夠使工件與刀具之間提前接觸和分離，使切屑提前達(dá)到斷裂強(qiáng)度，一定程度上減小了斷續(xù)切屑的長(zhǎng)度；超聲軸向振動(dòng)方向時(shí)而與低頻振動(dòng)方向相同，時(shí)而相反，使切削厚度和未切削厚度變化范圍和頻率更大，有利于形成尺寸更小的不連續(xù)切屑。在CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削過(guò)程中，小尺寸斷續(xù)切屑更容易快速排出孔外，一方面可以帶走更多的熱量，另一方面可以極大程度地降低切屑對(duì)已加工表面的二次損傷，對(duì)于提高加工質(zhì)量有著重要意義。

瞬時(shí)切削速度對(duì)加工過(guò)程也有一定的影響。根據(jù)鉆削的軌跡方程可以得到4種鉆削方法下切削刃最外側(cè)一點(diǎn)P的瞬時(shí)切削速度為

(7)

式中：VP、VH、VL、VF分別為普通、超聲、低頻振動(dòng)、高低頻復(fù)合振動(dòng)4種鉆削方法下P點(diǎn)的瞬時(shí)切削速度。

由于超聲振動(dòng)和低頻振動(dòng)的疊加使得高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的最大瞬時(shí)切削速度相對(duì)于普通鉆削、超聲振動(dòng)鉆削和低頻振動(dòng)鉆削都要高，具有高速切削的特征，對(duì)于降低軸向力有積極影響。

在CFRP縱扭超聲振動(dòng)鉆削過(guò)程中，較大的瞬時(shí)切削速度和能量可以使刀具鋒利性得到提升，有利于纖維絲的切斷，同時(shí)降低了鉆削軸向力，有效改善了CFRP入口的分層缺陷。在鈦合金縱扭超聲振動(dòng)鉆削過(guò)程中，切削刃與工件不斷的沖擊可能導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生局部短時(shí)高溫，且溫度會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)鉆削的極值[21]，但是在切削區(qū)由于超聲減摩作用及切屑變形減小，使切削刃承受的切削力和扭矩降低，散熱條件得到改善[22]。采用高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削時(shí)，一方面可以發(fā)揮超聲振動(dòng)鉆削的優(yōu)勢(shì)，另一方面由于疊加的低頻振動(dòng)振幅較大，容易改變切屑形態(tài)，能夠有效地降低鉆削溫度，彌補(bǔ)了超聲振動(dòng)鉆削溫度較高的缺陷。

綜上，采用高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的工藝方法，根據(jù)實(shí)際加工情況選擇合適的加工參數(shù)，充分發(fā)揮超聲與低頻振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，降低切削力，有效斷屑排屑，降低鉆削溫度，對(duì)鉆削CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)具有積極意義。

2 試 驗(yàn)

試驗(yàn)采用自主研制的高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削裝置，如圖5所示。裝置將低頻振動(dòng)系統(tǒng)和高頻振動(dòng)系統(tǒng)集成于BT40刀柄中，可以直接安裝在立式加工中心VMC-850E進(jìn)行加工使用。高頻振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波電源、無(wú)線傳輸裝置、換能器和變幅桿；低頻振動(dòng)系統(tǒng)主要包括正弦斷面凸輪(激勵(lì)機(jī)構(gòu))、滑塊機(jī)構(gòu)(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))和環(huán)狀柔性鉸鏈(彈性回復(fù)機(jī)構(gòu))。通過(guò)它們的相互協(xié)調(diào)作用，能夠?qū)崿F(xiàn)縱扭超聲(頻率35 kHz，軸向振幅2 μm，縱扭比2∶1)和軸向低頻(固定頻轉(zhuǎn)比5，振幅0～100 μm，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié))的復(fù)合和獨(dú)立振動(dòng)。

圖5 高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of high and low frequency compound vibration-assisted drilling device

試驗(yàn)材料選用CFRP(T700-12K/AG80)和鈦合金(Ti6Al4V)疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，CFRP和鈦合金的成分組成及性能參數(shù)分別如表1～表4所示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖6所示，CFRP與鈦合金之間采用螺釘聯(lián)接構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)，CFRP板在上，鈦合金板在下。鉆削過(guò)程中采用三向壓電陶瓷測(cè)力儀(KISTLER 9257B)對(duì)軸向力進(jìn)行采集，采樣頻率為20 kHz。采用K型熱電偶夾絲法檢測(cè)鉆削鈦合金時(shí)距鈦合金孔壁0.5 mm處的溫度，并通過(guò)快速響應(yīng)熱電偶采集儀(HR-USB-T008)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)于制孔質(zhì)量采用超景深三維顯微鏡對(duì)CFRP孔的出入口進(jìn)行觀測(cè)，然后將CFRP孔壁剖開(kāi)采用掃描電子顯微鏡對(duì)孔壁進(jìn)行觀測(cè)。

表1 T700-12K/AG80 CFRP組成成分Table 1 Composition of T700-12K/AG80 CFRP

表2 T700-12K/AG80性能參數(shù)Table 2 Properties of T700-12K/AG80 CFRP

表3 鈦合金(Ti6Al4V)化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of Ti6Al4V alloy

表4 鈦合金材料性能參數(shù)Table 4 Properties of Ti6Al4V alloy

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test site

試驗(yàn)分別采用了普通鉆削、超聲鉆削、低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削4種加工方式，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，依次改變每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，對(duì)CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3次重復(fù)鉆削試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表5所示。

表5 試驗(yàn)條件Table 5 Tests conditions

3 結(jié)果分析

3.1 鉆削軸向力

如圖7所示，在CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削過(guò)程中，隨著鉆頭的進(jìn)給，可以分為以下5個(gè)鉆削階段，本文只對(duì)第2階段和第4階段進(jìn)行分析，分別為鉆削CFRP和鈦合金的穩(wěn)定階段。

圖7 CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削過(guò)程Fig.7 Drilling process of CFRP/titanium alloy laminated structure

4種鉆削方法在第2和第4階段中1 s內(nèi)的軸向力曲線如圖8所示，圖9為4種鉆削過(guò)程中的頻域圖。

圖8 鉆削穩(wěn)定階段的軸向力Fig.8 Thrust force in stable drilling stage

圖9 4種加工方法頻域圖Fig.9 Diagram of frequency domain of four processing methods

從圖8可以看出超聲、低頻和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的軸向力波動(dòng)要大于普通鉆削，特別是鈦合金鉆削穩(wěn)定階段。圖9(a)中普通鉆削的軸向力波動(dòng)主要來(lái)自機(jī)床振動(dòng)、CFRP的纖維方向以及加工材料的不均勻性等因素。而超聲、低頻和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的軸向力波動(dòng)主要是由于刀具周期性的振動(dòng)使其與工件之間產(chǎn)生了一定的沖擊作用，同時(shí)切削厚度不斷變化，從而導(dǎo)致較大的軸向力波動(dòng)。由于測(cè)力儀采樣頻率達(dá)不到超聲頻率，因此圖9(b)中的高頻振動(dòng)信號(hào)可能為測(cè)力儀的固有頻率。從圖9(c)中可以明顯看到低頻振動(dòng)頻率為33.33 Hz，與裝置采用的低頻振動(dòng)頻率相同，因此低頻振動(dòng)鉆削過(guò)程中力的波動(dòng)主要來(lái)源于低頻振動(dòng)的沖擊。同樣，圖9(d)中的低頻信號(hào)與圖9(c)中相同，同時(shí)存在高頻振動(dòng)信號(hào)，說(shuō)明了高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削過(guò)程中力的波動(dòng)是低頻和超聲振動(dòng)共同作用的結(jié)果。

4種加工方法中高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的軸向力波動(dòng)最大，這是由于在超聲和低頻復(fù)合振動(dòng)加工時(shí)，超聲的振動(dòng)方向與低頻振動(dòng)的方向時(shí)而相同，時(shí)而相反，當(dāng)二者振動(dòng)方向相同時(shí)，縱向振動(dòng)速度疊加，二者振動(dòng)方向相反時(shí)，縱向振動(dòng)速度互相抵消，瞬時(shí)沖擊力變化較大，導(dǎo)致軸向力波動(dòng)很大。

圖10為4種加工方法在鉆削CFRP和鈦合金穩(wěn)定階段的平均鉆削軸向力隨每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的變化趨勢(shì)。在CFRP和鈦合金的鉆削穩(wěn)定階段，相對(duì)于普通鉆削，超聲振動(dòng)鉆削、低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削都在一定程度上降低了平均鉆削軸向力。當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量相同時(shí)，普通鉆削方式下的平均鉆削軸向力最大，超聲振動(dòng)鉆削方式下的平均鉆削軸向力最小，這主要是由于超聲振動(dòng)的減摩作用以及切屑的變形程度降低，使得切削過(guò)程所消耗的能量更少。超聲振動(dòng)鉆削在 CFRP鉆削平穩(wěn)階段的平均軸向力降幅最大為38.89%，在鈦合金鉆削平穩(wěn)階段的平均軸向力降幅最大為30.01%。

圖10 平均軸向力的變化Fig.10 Variation of average thrust force

低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削過(guò)程中由于低頻振動(dòng)的沖擊作用較大，增大了切屑變形程度，導(dǎo)致平均切削力相對(duì)于超聲振動(dòng)增加，但由于低頻振動(dòng)的分離作用，使得它們的平均軸向力均低于普通鉆削。

3.2 鈦合金切屑形貌

圖11為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.06 mm/r下，4種加工方式所產(chǎn)生的鈦合金切屑。

普通鉆削過(guò)程中，由于切削是連續(xù)的，切屑厚度基本保持不變，鈦合金切屑很難斷開(kāi)，多呈現(xiàn)螺旋帶狀連續(xù)型切屑，如圖11(a)所示。高溫連續(xù)帶狀切屑在螺旋槽內(nèi)不能及時(shí)排出，隨著鉆削的深入，在增加鉆削溫度的同時(shí)，極易對(duì)CFRP已加工孔壁造成二次切削，影響CFRP加工質(zhì)量。

超聲鉆削的軸向振幅很小，當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量較大時(shí)，不容易使鈦合金切屑完全斷開(kāi)，但超聲振動(dòng)使得切屑的厚度周期性地改變，使切屑形貌發(fā)生變化，如圖11(b)所示，一定程度上增加了斷屑的可能性。

圖11 鈦合金切屑形貌Fig.11 Chip morphology of titanium alloy

低頻振動(dòng)鉆削的軸向振幅較大，產(chǎn)生的多為不連續(xù)的扇形切屑，如圖11(c)所示，斷續(xù)的切屑能夠迅速地沿著螺旋槽排出，帶走大量的切削熱，降低切削溫度。

高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削是超聲振動(dòng)與低頻振動(dòng)的疊加，刀具鉆削過(guò)程中所產(chǎn)生的疊加振動(dòng)使切屑的厚度變化區(qū)間更大，導(dǎo)致切屑產(chǎn)生更多的薄弱部分，一方面使切屑更加容易斷開(kāi)，產(chǎn)生尺寸更小的切屑，如圖11(d)所示，能更加高效地排出孔外，降低切屑對(duì)CFRP的二次熱損傷和機(jī)械損傷；另一方面，小尺寸切屑單位體積下與空氣的接觸面積增加，加速了切屑熱量的散失，可以進(jìn)一步降低鉆削溫度。

3.3 鉆削溫度

圖12為4種加工方法下鉆削鈦合金的溫度變化曲線，由于熱電偶絲位于鈦合金板處，因此當(dāng)鉆頭開(kāi)始鉆削鈦合金時(shí)，溫度開(kāi)始大幅度變化。圖13為鉆削鈦合金過(guò)程中的最高溫度。

圖12 鈦合金鉆削溫度曲線Fig.12 Drilling temperature curves of titanium alloy

從圖12和圖13可以看出4種加工方法鉆削鈦合金過(guò)程中的最高溫度都隨著進(jìn)給速度的增加而增大。相對(duì)于普通鉆削，當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.03 mm/r 時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削的溫度沒(méi)有明顯的降低，甚至最高溫度高于普通鉆削，這是因?yàn)槌曊駝?dòng)使切削刃與工件不斷的沖擊可能導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生局部短時(shí)高溫，同時(shí)超聲振動(dòng)本身也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量；當(dāng)進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削的溫度降低約34.13%，這是由于超聲振動(dòng)的減摩作用減小切屑變形，使切削刃承受的切削力和扭矩降低，減緩了刀具的磨損，從而降低了鉆削溫度。

圖13 鉆削鈦合金的最高溫度Fig.13 Maximum temperature of drilling titanium alloy

低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削相對(duì)于普通鉆削，鉆削溫度都有顯著的降低。這是因?yàn)樵阢@削過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量將傳遞到工件、刀具、切屑以及周?chē)目諝庵?，低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削中刀具始終周期性地進(jìn)行振幅較大的軸向低頻振動(dòng)，使切削厚度不斷變化，減緩了切削熱的連續(xù)積累，同時(shí)產(chǎn)生的不連續(xù)型切屑，能夠更容易地沿著螺旋槽快速排出，帶走大量的切削熱，從而大大降低了切削區(qū)的溫度。當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.03 mm/r時(shí)，低頻振動(dòng)鉆削最高溫度降低約45.51%，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削最高溫度降低約60.73%；當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，低頻振動(dòng)鉆削最高溫度降低約43.83%，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削最高溫度降低約60.12%。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的方法比低頻振動(dòng)鉆削降低切削溫度的作用更加顯著，這是由于超聲振動(dòng)與低頻振動(dòng)的疊加，一方面，使瞬時(shí)切削厚度的變化頻率和范圍更大，產(chǎn)生切屑整體尺寸更小，更加容易排出孔外，帶走大量的切削熱；另一方面，超聲振動(dòng)的減摩作用減小了切屑變形，降低了切削力，改善了散熱條件，同時(shí)減緩了刀具磨損，隨著鉆孔數(shù)量的增加，降溫作用會(huì)更加顯著。

3.4 CFRP孔加工質(zhì)量

在CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削過(guò)程中，CFRP的孔加工質(zhì)量一方面受自身加工因素的影響，另一方面也與鉆削鈦合金溫度和鈦合金切屑形貌有關(guān)，本文針對(duì)CFRP的孔出入口及孔壁質(zhì)量進(jìn)行了分析。

為了分析和比較CFRP的孔出入口質(zhì)量，將撕裂因子Φd作為孔出入口質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖14 所示，用比面積法來(lái)表征撕裂因子[23]，其表達(dá)式為

(8)

式中：AD為撕裂區(qū)域所占的總面積；Ad為孔的面積。

圖14 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Fig.14 Evaluation standard

CFRP孔入口的損傷主要是刀具主切削刃的剝離作用和高溫鈦合金切屑的劃傷作用共同形成的。4種加工方式下CFRP的孔入口形貌如圖15所示。

圖15 CFRP入口形貌Fig.15 Entrance morphology of CFRP

CFRP孔出口的損傷主要是鈦合金切削高溫和鈦合金切屑劃傷的共同作用形成的。4種加工方式下CFRP的孔出口形貌如圖16所示。

圖16 CFRP出口形貌Fig.16 Exit morphology of CFRP

4種加工方式下CFRP孔出入口的撕裂因子隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的變化如圖17和圖18所示。

圖17 入口撕裂因子變化Fig.17 Variation of tear factor of entrance

圖18 出口撕裂因子變化Fig.18 Variation of tear factor of exit

由于CFRP是各向異性材料，在單向板鉆削過(guò)程中，刀具與纖維之間的角度時(shí)刻發(fā)生著變化，如圖19所示，不同纖維方向角處切削的形式不同，導(dǎo)致孔壁表面在不同角度呈現(xiàn)出不同的形貌。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維方向角在90°附近時(shí)，切削過(guò)程主要依靠刀具對(duì)纖維和樹(shù)脂的垂直剪切應(yīng)力，孔壁加工質(zhì)量相對(duì)較好[24]。因此，沿垂直纖維方向?qū)FRP孔剖開(kāi)，噴金處理后采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比分析了每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.06 mm/r 時(shí)4種加工方式下，纖維方向角≥90°附近的孔壁表面形貌，如圖20所示。

圖19 不同位置的纖維方向角度Fig.19 Fiber orientation angle at different positions

圖20 CFRP孔壁形貌Fig.20 Surface morphology of CFRP drilled hole

由圖17和圖18可以看出，CFRP的孔入口撕裂因子整體大于孔出口撕裂因子，這是因?yàn)殂@削過(guò)程中，位于CFRP板下的鈦合金起到了很好的支撐作用，降低了孔出口處的分層缺陷。此外，4種加工方式的孔出入口撕裂因子整體都隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大而增大。對(duì)于孔入口撕裂因子，普通鉆削整體最大且增大速度較快，接著是超聲振動(dòng)鉆削和低頻振動(dòng)鉆削，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的孔入口撕裂因子整體較小且增加速度較緩；對(duì)于孔出口撕裂因子，普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削相對(duì)較大，當(dāng)進(jìn)給量為0.04 mm/r時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削孔出口撕裂因子顯著大于普通鉆削，但是其增長(zhǎng)速度緩慢，當(dāng)進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)要低于普通鉆削，低頻振動(dòng)鉆削的孔出口撕裂因子次之，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削孔出口撕裂因子整體最低。

CFRP的孔壁質(zhì)量一方面與自身的加工缺陷有關(guān)，另一方面，高溫鈦合金切屑會(huì)對(duì)其造成較大的影響。從圖20可以看出，普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削的孔壁表面有大量的切屑劃傷痕跡，低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的孔壁質(zhì)量相對(duì)好于普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削，其中，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的孔壁相對(duì)缺陷較少，表面更為平整。

普通鉆削方式下孔出入口的撕裂因子整體較大，孔壁質(zhì)量較差。這是由于普通鉆削方式下鉆削鈦合金溫度最高，熱量將直接傳遞到CFRP板，所產(chǎn)生的高溫螺旋連續(xù)帶狀鈦合金切屑隨著螺旋槽高速旋轉(zhuǎn)排出的同時(shí)，不斷地刮擦CFRP已加工表面，對(duì)CFRP孔出入口及孔壁造成較大的損傷。

超聲振動(dòng)鉆削在進(jìn)給量為0.04 mm/r時(shí)，出入口的撕裂因子均大于普通鉆削，這是因?yàn)榇藭r(shí)超聲振動(dòng)鉆削的溫度要稍高于普通鉆削，熱損傷較大。在進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，出入口的撕裂因子低于普通鉆削，這是由于超聲振動(dòng)的減摩作用，減緩了刀具的磨損，從而降低了鉆削溫度，減小了CFRP的熱損傷。但由于超聲鉆削的軸向振幅很小，隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大，很難使鈦合金切屑完全斷開(kāi)，對(duì)CFRP的二次損傷依舊很大，因此CFRP孔出入口的撕裂損傷仍然較大，孔壁質(zhì)量較差。

低頻振動(dòng)鉆削相對(duì)于普通和超聲振動(dòng)鉆削，孔出入口的撕裂因子更小，撕裂損傷程度明顯降低，孔壁質(zhì)量較好。這是因?yàn)榈皖l振動(dòng)鉆削的溫度更低，同時(shí)形成斷續(xù)的扇形鈦合金切屑，能夠沿螺旋槽快速排出，對(duì)CFRP孔壁刮擦大大減小，從而顯著地降低了CFRP孔出入口的撕裂程度，孔壁質(zhì)量也相應(yīng)提高。

高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的孔出入口撕裂因子在這4種加工方法中整體上最小，孔壁加工質(zhì)量最好。這是由于高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削鈦合金時(shí)的溫度最低，形成斷續(xù)的扇形鈦合金切屑整體尺寸最小，可以更加高效地排出孔外，使得鉆削鈦合金時(shí)對(duì)CFRP的熱損傷和刮擦損傷都得到有效的降低，顯著提高了CFRP的孔加工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1) 相對(duì)于普通鉆削，無(wú)論是鉆削CFRP還是鈦合金，超聲鉆削、低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削都在一定程度上降低了平均鉆削軸向力，但增大了軸向力的波動(dòng)范圍。超聲鉆削的平均軸向力相對(duì)最小，高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的軸向力波動(dòng)性相對(duì)最大。

2) 鉆削鈦合金時(shí)，相對(duì)于普通鉆削，低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削均能明顯地降低鉆削溫度，其中高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削方式降低切削溫度的作用最顯著。

3) 普通鉆削和超聲鉆削的鈦合金切屑大多為連續(xù)帶狀切屑。低頻振動(dòng)鉆削和高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的切屑整體為不連續(xù)扇形切屑，但高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削相對(duì)于低頻振動(dòng)鉆削的切屑尺寸更小。

4) 4種加工方法下CFRP孔出入口的撕裂因子均隨著每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的增大而增大，其中高低頻復(fù)合振動(dòng)鉆削的方法對(duì)CFRP孔出入口及孔壁損傷的抑制效果最為明顯。