王 許 丁 凱 徐銘洲 劉 盛

(江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州213001)

碳纖維增強(qiáng)基樹(shù)脂材料是以樹(shù)脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。其具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性和阻尼減震性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在體育器材、汽車(chē)和建筑等領(lǐng)域[1-2]。為滿(mǎn)足裝配和使用要求，CFRP一般要進(jìn)行機(jī)械加工，由于其各向異性特性，使得加工難度較大，并且工件加工后易出現(xiàn)毛刺、撕裂、分層以及孔內(nèi)壁缺陷等現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了深入的研究[3-10]。

賀虎等[3]采用釬焊金剛石套料鉆開(kāi)展了CFRP鉆削實(shí)驗(yàn)，分析了鉆削過(guò)程中不同參數(shù)下孔的出入口質(zhì)量，結(jié)果表明出入口質(zhì)量與加工參數(shù)密切相關(guān)。牟娟等[4]選用釬焊金剛石套料鉆和金剛石涂層麻花鉆進(jìn)行了CFRP鉆削實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了兩種刀具在加工過(guò)程中的切削力以及加工質(zhì)量，認(rèn)為套料鉆加工性能優(yōu)于麻花鉆。肇啟迪等[5]研究了鉆削參數(shù)對(duì)CFRP孔質(zhì)量的影響，認(rèn)為在入口處進(jìn)給速度越大，孔上部纖維剝落越嚴(yán)重，易產(chǎn)生毛刺；而在出口處隨進(jìn)給速度增大，層合板彎曲變形、分層現(xiàn)象呈惡化趨勢(shì)。

超聲輔助鉆削是一種集振動(dòng)與普通鉆削為一體的加工方式[6-10]。Geng D X等[6]采用釬焊金剛石套料鉆開(kāi)展了CFRP超聲輔助鉆削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在相同的加工參數(shù)下超聲輔助鉆削出入口質(zhì)量?jī)?yōu)于普通鉆削，并且在接近孔出口處時(shí)鉆削速度對(duì)孔分層影響遠(yuǎn)小于進(jìn)給速度對(duì)孔分層的影響。Liu J等[7]研究了CFRP橢圓振動(dòng)加工的可行性，結(jié)果表明在振動(dòng)加工時(shí)套料鉆中料芯更容易推出，使得在鉆削至底層時(shí)出口處不因卡芯而出現(xiàn)撕裂等問(wèn)題。邵振宇等[8]在CFRP超聲輔助鉆削缺陷抑制機(jī)理的研究中提出，普通鉆削時(shí)孔內(nèi)壁缺陷較為明顯，且纖維損失是孔壁缺陷的主要形式；而在超聲輔助鉆削時(shí)，孔內(nèi)壁纖維損失明顯少于普通鉆削時(shí)。袁松梅等[9]采用金剛石套料鉆開(kāi)展了CFRP超聲輔助鉆削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明進(jìn)給量在0.01 mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min提升到4 000 r/min，超聲振動(dòng)鉆削孔出口處的毛刺和撕裂明顯減少。Kumaran S T等[10]在研究超聲輔助鉆削時(shí)，認(rèn)為超聲輔助鉆削在3 000 r/min時(shí)材料發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致粗糙度值降低。現(xiàn)有研究對(duì)于鉆削加工CFRP具有重要指導(dǎo)意義，但超聲振動(dòng)作用對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響規(guī)律仍有待于進(jìn)一步研究。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，采用金剛石套料鉆，對(duì)CFRP開(kāi)展了超聲輔助鉆削與普通鉆削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩種方法下孔出入口質(zhì)量、內(nèi)壁形貌的對(duì)比分析，研究了超聲振動(dòng)作用對(duì)CFRP鉆削加工孔質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

超聲輔助鉆削實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)勝特爾加工中心上進(jìn)行，如圖1所示。超聲輔助鉆削試驗(yàn)時(shí)采用由南京航空航天大學(xué)研制的超聲振動(dòng)裝置，該超聲裝置包括3部分，分別為超聲電源、原邊線圈以及超聲刀柄。原邊線圈固定在主軸上，通過(guò)電源線連接超聲電源。套料鉆通過(guò)彈簧夾頭、螺帽固定在超聲刀柄上，進(jìn)行普通鉆削時(shí)，關(guān)閉超聲電源即可。

1.2 材料與刀具

實(shí)驗(yàn)采用體積分?jǐn)?shù)為60%的CFRP層合板，纖維方向?yàn)?°、45°、90°和135°這4種，如圖2所示。碳纖維牌號(hào)為T(mén)800，CFRP板尺寸為300 mm×200 mm×5 mm，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 CFRP力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)所用刀具為電鍍金剛石套料鉆，如圖3所示。其基體材料為06Cr19Ni10，總長(zhǎng)50 mm，夾持端直徑6 mm，刀刃端直徑8 mm，內(nèi)孔直徑6 mm，金剛石粒度為60目。

1.3 工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所采用的工藝參數(shù)如表2所示。加工過(guò)程中不使用切削液。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.4 檢測(cè)方法

采用HIROX RH-2000三維視頻顯微鏡觀察孔出入口毛刺、撕裂等缺陷。由于孔徑較小，為分析孔出口處分層大小，采用HIROX RH-2000直接測(cè)量損傷區(qū)域最大直徑。在進(jìn)行孔內(nèi)壁表面質(zhì)量觀測(cè)前，使用金剛石線鋸沿孔軸心位置切開(kāi)，采用ZESS Sigma 500掃描電鏡觀察孔內(nèi)壁材料損傷形式，再用三維視頻顯微鏡沿進(jìn)給方向觀察孔內(nèi)壁形貌并測(cè)量孔內(nèi)壁表面粗糙度Ra。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 出入口質(zhì)量

圖4為超聲輔助鉆削與普通鉆削CFRP所獲得的孔入口形貌。從圖中可以看出：在相同工藝參數(shù)下，采用超聲輔助鉆削和普通鉆削所獲得的孔入口處質(zhì)量無(wú)明顯差異。這是因?yàn)殂@頭鉆削工件時(shí)面外剪切應(yīng)力較小，且CFRP板此時(shí)較厚，層間承載力較大，所以入口處缺陷不明顯。

圖5為超聲輔助鉆削與普通鉆削在不同加工參數(shù)下孔出口質(zhì)量對(duì)比。普通鉆削在主軸轉(zhuǎn)速n=4 000 r/min、進(jìn)給速度vf=20 mm/min時(shí)，出口位置有少量的毛刺，隨著工藝參數(shù)增大到5 000 r/min、20 mm/min，出口處出現(xiàn)大量毛刺和撕裂現(xiàn)象。保持進(jìn)給速度不變，轉(zhuǎn)速增大至6 000 r/min時(shí)，損傷程度有所緩解，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大后，每轉(zhuǎn)切削量減少，即切削至最低層時(shí)切削力較小，所以缺陷相對(duì)減少。超聲輔助鉆削時(shí)，當(dāng)工藝參數(shù)為n=4 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)，孔出口處有少量毛刺；而當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至5 000 r/min時(shí)，孔出口質(zhì)量有改善趨勢(shì)，此時(shí)孔出口處近乎無(wú)明顯缺陷；但是隨著工藝參數(shù)的繼續(xù)增大，孔出口處缺陷又開(kāi)始增多。

相比于普通鉆削，相同工藝參數(shù)條件下超聲輔助鉆削CFRP孔出口質(zhì)量明顯優(yōu)于普通鉆削出口質(zhì)量。鉆削CFRP時(shí)孔出口處易出現(xiàn)缺陷，是由于套料鉆的切削端鉆削至CFRP底部時(shí)，底板的層間結(jié)合強(qiáng)度小于金剛石磨粒產(chǎn)生的切削力，切削刃持續(xù)向下推擠引起工件產(chǎn)生大變形所致的。相對(duì)于普通鉆削加工，超聲輔助鉆削CFRP在鉆至工件邊緣時(shí)，在超聲振動(dòng)作用下，套料鉆末端端面上的相鄰磨粒對(duì)邊緣處同一位置進(jìn)行不同方向的磨削，這種鉆削方法有利于纖維的剪斷，另外套料鉆端面與CFRP待切面斷續(xù)切削，其有利于刀具的排屑，所以超聲輔助鉆削能夠有效改善孔出口質(zhì)量。

2.2 分層缺陷量化分析

為直觀地對(duì)比不同條件下孔出口的損傷程度，采用撕裂因子法[11]對(duì)孔出口處的分層現(xiàn)象進(jìn)行量化分析。其原理如圖6所示。

式中：Dm為孔出口處分層最大直徑；D為孔設(shè)計(jì)直徑；S為撕裂因子。

圖7為超聲輔助鉆削和普通鉆削時(shí)工藝參數(shù)對(duì)撕裂因子的影響。從圖中可以看出，普通鉆削工藝參數(shù)為n=6 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)撕裂因子最小，最小值為1.08；隨著進(jìn)給速度的不斷增大，撕裂因子也隨之增大。工藝參數(shù)n=4 000 r/min、vf=80 mm/min時(shí)撕裂因子最大，此時(shí)最大值為1.16。在超聲輔助鉆削時(shí)，加工參數(shù)n=5 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)撕裂因子最小，最小值為1.04；而在n=4 000 r/min、vf=80 mm/min時(shí)撕裂因子最大為1.15。另外可以看出，進(jìn)給速度對(duì)撕裂因子的影響最為顯著。對(duì)比普通鉆削，相同工藝參數(shù)條件下，超聲輔助鉆削時(shí)撕裂因子均小于普通鉆削時(shí)，即超聲輔助鉆削時(shí)的孔出口處分層現(xiàn)象弱于普通鉆削時(shí)。

2.3 孔內(nèi)壁形貌

圖8為普通鉆削在n=5 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)所獲得的內(nèi)壁微觀形貌。從圖8a中可以看到孔內(nèi)壁上存在大量纖維脫落導(dǎo)致的凹坑，而從圖8b中可以清楚的看到孔壁表面有大量纖維露出和纖維拔出現(xiàn)象且纖維切口處不平整，可推斷在普通鉆削時(shí)纖維斷裂形式主要為拉伸破壞。圖9為超聲輔助鉆削在n=5 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)所獲得的內(nèi)壁微觀形貌，由圖9a可看出，超聲輔助鉆削時(shí)，孔內(nèi)壁幾乎無(wú)大范圍纖維脫落區(qū)域，孔壁表面相對(duì)光滑。而從圖9b中可以看出，孔壁表面纖維露出量明顯較少，且未出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象，碳纖維切口相對(duì)平整，由此可推斷在超聲輔助鉆削時(shí)纖維斷裂形式主要為剪切破環(huán)。

圖10為兩種加工方式下工藝參數(shù)對(duì)孔內(nèi)壁粗糙度值的影響規(guī)律。由圖可知，在普通鉆削時(shí)，孔內(nèi)壁粗糙度值隨著進(jìn)給速度的增大而增大，并且在n=5 000 r/min、vf為20～40 mm/min時(shí)出現(xiàn)急劇變化現(xiàn)象，在6 000 r/min時(shí)粗糙度增幅相對(duì)平緩；在超聲輔助鉆削時(shí)，粗糙度值總體趨勢(shì)與普通鉆削下相似。在n=6 000 r/min、vf=20 mm/min時(shí)表面粗糙度最低為Ra1.008 μm。

對(duì)比普通鉆削和超聲輔助鉆削，在相同的工藝參數(shù)下，超聲輔助鉆削粗糙度始終小于普通鉆削粗糙度。這是因?yàn)槌曒o助鉆削時(shí)，套料鉆末端可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的斷續(xù)切削，可有效避免金剛石磨粒對(duì)碳纖維連續(xù)的擠壓；另外，超聲輔助鉆削時(shí)金剛石磨粒對(duì)工件材料的切削形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，由普通鉆削的拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐模沟每妆诒砻嫣祭w維切口平整，從而可有效提高表面質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)下，相較于普通鉆削，超聲輔助鉆削CFRP出口處毛刺、撕裂等缺陷明顯減少。具體而言，普通鉆削出口處撕裂因子為1.08～1.16；超聲輔助鉆削出口處撕裂因子為1.05～1.15。

(2)普通鉆削CFRP時(shí)，孔內(nèi)壁碳纖維斷裂形式主要為拉伸破壞，且切口不平整，并伴有纖維拔出現(xiàn)象；在超聲輔助鉆削CFRP時(shí)，孔內(nèi)壁碳纖維斷裂形式主要為剪切破壞，纖維切口處較為平整，無(wú)明顯纖維拔出現(xiàn)象。

(3)相同的工藝參數(shù)下，超聲輔助鉆削時(shí)孔內(nèi)壁粗糙度值小于普通鉆削時(shí)。在實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)內(nèi)，普通鉆削所獲得的孔內(nèi)壁粗糙度為Ra1.160～1.812 μm，超聲輔助鉆削所獲得的孔內(nèi)壁粗糙度為Ra1.008～1.751 μm。