王笑時(shí)，楊國(guó)林，董志剛，康仁科

（大連理工大學(xué)，精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

航空航天制造業(yè)是國(guó)家的戰(zhàn)略性行業(yè)，能夠衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的象征，而其中各類構(gòu)件的制造與裝配更是整個(gè)航空航天制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。鋁合金材料是航空航天領(lǐng)域使用最多的金屬材料之一，主要用于飛機(jī)蒙皮、機(jī)翼梁、地板梁、機(jī)身結(jié)構(gòu)件等零部件的制造[1-2]。在F35戰(zhàn)機(jī)中，各類鋁合金用量占整機(jī)質(zhì)量的30%；民用波音777客機(jī)中，各類鋁合金材料約占整機(jī)質(zhì)量的70%；國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)上各類鋁合金用量占比達(dá)65%[3-4]，因此，鋁合金構(gòu)件的加工是整個(gè)航空航天制造業(yè)的重中之重。

航空航天構(gòu)件裝配過(guò)程中，不同零部件間主要通過(guò)鉚釘或螺栓進(jìn)行連接，需要加工大量的連接孔，大型客機(jī)裝配需要的制孔總數(shù)通常在百萬(wàn)以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每架波音747客機(jī)需要加工300萬(wàn)個(gè)裝配孔，空客平均每年每條機(jī)翼裝配線上需加工4 000萬(wàn)個(gè)裝配孔，裝配孔的質(zhì)量與連接強(qiáng)度、抗疲勞性能直接相關(guān)[5]。

目前，航空航天制造業(yè)中裝配孔主要通過(guò)鉆削加工實(shí)現(xiàn)[6]。鋁合金材料在鉆削加工過(guò)程中，孔底材料會(huì)發(fā)生塑形變形，材料被擠出而不是被切除，導(dǎo)致出口毛刺的產(chǎn)生[7-8]。鋁合金鉆孔形成的典型出口毛刺如圖1所示[9]。

圖1 鋁合金鉆削典型出口毛刺[9]Fig.1 Typical exit burr of aluminum alloy drilling[9]

毛刺是影響裝配孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。出口毛刺的存在直接影響工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度，構(gòu)件的疲勞裂紋主要產(chǎn)生于孔出口毛刺附近，脫落的毛刺易引起電路的故障，蒙皮類零件間的間隙往往是出口毛刺所導(dǎo)致[10-11]。而去毛刺工序會(huì)極大地增加工時(shí)和成本，并且會(huì)引入新的影響工件表面質(zhì)量的因素[12]。隨著航空航天制造業(yè)的不斷發(fā)展和自動(dòng)化制孔技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)出口毛刺的要求在不斷提高，對(duì)部分構(gòu)件甚至提出了完全無(wú)出口毛刺的加工要求，針對(duì)毛刺控制的需求已越來(lái)越迫切[13]。

鋁合金鉆削出口毛刺的研究一直備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，相關(guān)的研究?jī)?nèi)容較為廣泛。作者團(tuán)隊(duì)針對(duì)航空航天鋁合金構(gòu)件裝配孔鉆削出口毛刺進(jìn)行研究，從出口毛刺的類型和測(cè)量方法、形成機(jī)理和高度預(yù)測(cè)、毛刺控制方法3方面進(jìn)行了系統(tǒng)的綜合性論述，以期為鋁合金出口毛刺的研究提供幫助。

1 鋁合金鉆削出口毛刺類型和測(cè)量方法

毛刺是指金屬材料在加工過(guò)程中，工件表面出現(xiàn)的各種不規(guī)則的銳利尖角、突起等，由切屑分離時(shí)一部分材料殘留在工件表面上形成，在金屬材料的加工過(guò)程中普遍存在。鋁合金材料鉆削加工時(shí)，受加工參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、加工條件等各方面因素的影響，會(huì)產(chǎn)生形狀、大小不同的毛刺。毛刺有正毛刺和負(fù)毛刺之分，正毛刺凸出成形面，負(fù)毛刺則以崩口等缺陷為特征[6,14]。ISO-13715標(biāo)準(zhǔn)將毛刺定義為與邊緣理想幾何形狀之外的偏差，但沒(méi)有給出毛刺類型的具體分類定義[15]。對(duì)不同類型的出口毛刺進(jìn)行分類，使用合理的測(cè)量方法對(duì)毛刺進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為毛刺的深入研究提供基礎(chǔ)。

1.1 鋁合金鉆削出口毛刺類型

在鋁合金材料鉆削加工過(guò)程中，刀具的切削刃與工件間發(fā)生擠壓和剪切，材料發(fā)生塑形變形，從而導(dǎo)致毛刺的產(chǎn)生，毛刺的形狀和大小受各方面因素的影響[16]。進(jìn)給方向切出的毛刺尺寸一般要比切入方向毛刺大很多，對(duì)制孔質(zhì)量影響最大，所以在理論研究和實(shí)際生產(chǎn)加工中，以研究出口毛刺為主[6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)毛刺類型的研究開(kāi)始較早，相關(guān)學(xué)者對(duì)于毛刺的類型進(jìn)行了較多研究。同時(shí)，隨著相關(guān)測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)出口毛刺的觀察分類也更加細(xì)致準(zhǔn)確。

金屬切削毛刺的研究是鉆削出口毛刺研究的基礎(chǔ)，有必要對(duì)其進(jìn)行一定的了解。奧島啟貳等[17]最早發(fā)現(xiàn)金屬加工中會(huì)產(chǎn)生毛刺，根據(jù)形狀對(duì)毛刺進(jìn)行了簡(jiǎn)單分類，將毛刺分為胡須狀、流出狀、規(guī)則狀、撕裂狀，并提出了若干控制毛刺形成的方法。GILLESPIE等[18]以塑形變形理論為基礎(chǔ)對(duì)毛刺進(jìn)行了分類，表征了毛刺的形成機(jī)理。NAKAYAMA等[19]進(jìn)一步以刀具切削刃和毛刺伸出方向?qū)γ踢M(jìn)行了劃分。王貴成[20]建立了基于切削運(yùn)動(dòng)-刀具-切削刃的毛刺分類體系，將毛刺劃分為兩側(cè)方向毛刺、進(jìn)給方向毛刺和切削方向毛刺，系統(tǒng)研究了毛刺形成變化的基本規(guī)律和毛刺形態(tài)轉(zhuǎn)換的基本界限條件。上述各分類方法都有其合理性以及一定的局限性。后續(xù)的鉆削出口毛刺分類都在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，以出口毛刺的形態(tài)、大小為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，出口毛刺形狀的確定方法分為試驗(yàn)觀察法和有限元仿真法等。

鋁合金鉆削出口毛刺的形態(tài)、大小受到諸多因素的影響，形狀復(fù)雜。石貴峰[6]根據(jù)鋁合金鉆削出口毛刺的形態(tài)，將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3種類型，如圖2所示。Ⅰ型毛刺向加工孔終端內(nèi)部凹陷，尺寸極小，對(duì)制孔質(zhì)量影響較??；Ⅱ型毛刺和Ⅲ型毛刺凸出加工孔，附著在孔出口周?chē)?，Ⅱ型毛刺高度H＜(1/2)d(孔徑)，厚度B＞0，Ⅲ型毛刺高度H≈(1/2)d，尺寸最大，生產(chǎn)中必須去除。朱云明等[21]利用一種基于磨削過(guò)程的鉆頭結(jié)構(gòu)模型，以材料失效準(zhǔn)則為切屑-工件分離判據(jù)，建立了鉆削毛刺形成的有限元模型，在不同的切削條件下仿真獲得了這3種形態(tài)的出口毛刺，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型毛刺，與石貴峰[6]研究劃分的毛刺類型相同，并通過(guò)試驗(yàn)獲得了對(duì)應(yīng)的毛刺形態(tài)，如圖3所示，毛刺形態(tài)與仿真結(jié)果基本一致。徐國(guó)勇[22]對(duì)鋁合金出口毛刺也采用了相同的分類方法。

圖2 出口毛刺類型[6]Fig.2 Exit burr type[6]

圖3 毛刺形態(tài)試驗(yàn)結(jié)果[21]Fig.3 Burr shape results[21]

針對(duì)出口毛刺的形態(tài)，另有相關(guān)研究不考慮負(fù)毛刺而對(duì)其進(jìn)行分類，將出口毛刺分為均勻毛刺、帶鉆帽的均勻毛刺、瞬態(tài)毛刺、冠狀毛刺[23]。因鋁合金材料的延展性較好，在加工中最常見(jiàn)的毛刺類型為帶鉆帽的均勻毛刺。肖曦輝等[24]根據(jù)出口毛刺圖像，將鉆削出口毛刺分成3類：均勻毛刺、帶鉆帽的均勻毛刺和冠狀毛刺。羅蒙[12]根據(jù)出口毛刺形貌將毛刺分為3種：均勻型毛刺、瞬態(tài)毛刺以及冠狀毛刺，均勻毛刺和瞬態(tài)毛刺尺寸相對(duì)較小，毛刺高度和厚度沿孔邊緣均勻分布；冠狀毛刺尺寸較大，沿孔邊緣不規(guī)則分布，是影響工件加工精度的主要原因之一。黃娟[25]對(duì)鋁合金進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)數(shù)碼顯微鏡觀察到了3種類型的毛刺：I型毛刺的高度和寬度基本一致，均布在孔的周?chē)譃閹с@帽和不帶鉆帽的形式；II型毛刺的尺寸比I型毛刺大且分布不均；III型毛刺的形成過(guò)程和I型毛刺類似，其斷裂過(guò)程發(fā)生在加工孔區(qū)域的邊緣，毛刺尺寸最大，如圖4所示。李曉峰[13]利用超景深三維顯微鏡觀察鋁合金鉆削出口毛刺，發(fā)現(xiàn)出口毛刺呈現(xiàn)均勻型，鉆頭頂處形成鉆帽。STEIN等[26]指出鉆削加工中形成的毛刺基本上可分為均勻毛刺、瞬態(tài)毛刺和冠形毛刺。均勻毛刺在孔的邊緣均勻地產(chǎn)生高度相似的毛刺，鉆帽是在鉆孔最后階段產(chǎn)生的圓形帽狀切屑，加工孔側(cè)面的斷裂是產(chǎn)生帶鉆帽撕裂均勻毛刺的主要原因；瞬態(tài)毛刺和冠形毛刺尺寸不均勻，高度通常較大，其是在均勻毛刺過(guò)渡到冠形毛刺時(shí)產(chǎn)生；冠形毛刺通常是由于孔中心發(fā)生的斷裂而形成的，材料在最終被推出而不是被切除。向勝華[27]利用基恩士VHX-600E型超景深顯微鏡對(duì)7050鋁合金鉆削出口毛刺的宏觀形貌情況進(jìn)行了觀察，對(duì)毛刺高度進(jìn)行了非接觸測(cè)量，其根部高度較小，毛刺沿孔鉆出端圓周均勻分布。鉆帽脫落的分為均勻毛刺，鉆帽未脫落的分為帶鉆帽的均勻毛刺；毛刺高度較大時(shí)，存在2個(gè)對(duì)稱的毛刺片連接在高度較大的毛刺上的為瞬態(tài)毛刺；不存在對(duì)稱的毛刺片，相比于瞬態(tài)毛刺，冠狀毛刺高度更高，如圖5所示。

圖4 出口毛刺形態(tài)[25]Fig.4 Exit burr shape[25]

圖5 出口毛刺類型和形態(tài)[27]Fig.5 Exit burr type and shape[27]

1.2 鋁合金鉆削出口毛刺測(cè)量方法

為研究毛刺的形成機(jī)理，探究其影響因素，對(duì)毛刺的深入研究只有在獲得關(guān)于毛刺位置、毛刺類型以及毛刺尺寸等必要信息的情況下才能實(shí)現(xiàn)[9]。因此，有必要對(duì)毛刺的測(cè)量方法進(jìn)行歸納整理，從而為出口毛刺的研究提供必要的研究手段。

對(duì)出口毛刺進(jìn)行測(cè)量，需要確定毛刺的主要特征參數(shù)。金屬切削毛刺的形狀和主要特征參數(shù)如圖6所示，表征毛刺的特征參數(shù)主要有毛刺根圓半徑（R）、毛刺高度（H）、毛刺根部厚度（B）等[6]。H是工件終端面與毛刺輪廓在橫截面上的最大距離；B是理想已加工表面與毛刺輪廓在橫截面上的最大距離；R是毛刺輪廓的截面尺寸之一。對(duì)于鋁合金鉆孔出口毛刺的幾何形狀特征如圖7所示，包括入口毛刺高度（Bhi）、出口毛刺根部寬度（BRwe）、入口毛刺根部寬度（BRwi）、出口毛刺寬度（Bwe）、入口毛刺寬度（Bwi）、出口毛刺最大毛刺高度（EBhe）等[28]。其中，毛刺高度對(duì)于制孔質(zhì)量、裝配性能有著較大的影響，是影響裝配孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。綜合考慮測(cè)量的可行性，對(duì)裝配質(zhì)量影響的重要性等因素，通常以出口毛刺高度作為鋁合金鉆削出口毛刺的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，航空航天制造業(yè)中對(duì)于鋁合金出口毛刺的評(píng)價(jià)也以出口毛刺高度為標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 毛刺形狀和主要特征參數(shù)[6]Fig.6 Burr shape and main characteristic parameters[6]

圖7 毛刺幾何形狀特征[28]Fig.7 Geometric characteristics of burrs[28]

對(duì)于鋁合金鉆削出口毛刺的測(cè)量方法可以分為接觸式和非接觸式，按是否會(huì)破壞毛刺結(jié)構(gòu)分為破壞性和非破壞性測(cè)量方法。非破壞性方法主要包括光學(xué)測(cè)量方法，非接觸測(cè)量方法包括光學(xué)和電學(xué)方法等[29]。對(duì)于快速有效的毛刺測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)階段對(duì)鋁合金出口毛刺的測(cè)量基于光學(xué)的方法較多，采用非接觸的測(cè)量方法，能夠快速準(zhǔn)確地定量反映出毛刺的形態(tài)和各項(xiàng)指標(biāo)。機(jī)械、接觸測(cè)量方法由于會(huì)對(duì)毛刺產(chǎn)生破壞，接觸時(shí)的壓力引起的塑形變形可能會(huì)降低實(shí)際毛刺高度，不能完全反映毛刺的全部形貌，使用范圍有限。對(duì)于毛刺的測(cè)量應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、要求的測(cè)量精度和待測(cè)量的毛刺特性等合理的選擇測(cè)量評(píng)價(jià)方法。

非接觸的測(cè)量方法以光學(xué)方法為主。光學(xué)方法一般使用各種顯微鏡、相機(jī)、激光掃描電子顯微鏡來(lái)查看獲得的圖像，實(shí)現(xiàn)毛刺高度的非接觸測(cè)量，對(duì)工件表面沒(méi)有破壞，測(cè)量速度較快，精度較高，結(jié)果較為準(zhǔn)確，使用范圍較廣，開(kāi)發(fā)的測(cè)量方法較多，用于高精度微觀尺寸毛刺的檢測(cè)。岳瑋[30]對(duì)毛刺質(zhì)量、分類方法及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，歸納了微觀尺寸毛刺的檢測(cè)方法：（1）利用CCD顯微檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)相機(jī)使毛刺棱邊成像于面陣CCD，采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行觀察和測(cè)量；（2）利用掃描電子顯微鏡（SEM）實(shí)現(xiàn)精密或超精密測(cè)量。PULNY等[28]使用3D顯微鏡對(duì)毛刺高度進(jìn)行測(cè)量，使用光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量毛刺寬度，如圖8所示。將被測(cè)工件放置在專用階梯形夾具上，以避免毛刺的不規(guī)則邊緣造成光反射困難影響測(cè)量精度，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)毛刺的3D重建。

圖8 使用光學(xué)CMM測(cè)量毛刺特征[28]Fig.8 Measurement of burr characteristics using optical CMM[28]

BAHCE等[9]使用激光位移傳感器測(cè)量毛刺高度，并將該測(cè)量系統(tǒng)納入機(jī)器人制孔系統(tǒng)以提高制孔質(zhì)量。KO[31]開(kāi)發(fā)了一種毛刺測(cè)量系統(tǒng)，并分析了三角剖分法、錐形全息法和干涉法對(duì)毛刺幾何形狀測(cè)量有效性的影響，三角剖分法會(huì)在測(cè)量高坡度表面時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定信號(hào)，干涉法會(huì)在毛刺頂部的棱邊產(chǎn)生干涉圖像，錐光全息法是測(cè)量微毛刺最合適的方法。NAKAO等[32]開(kāi)發(fā)了一種基于圖像處理技術(shù)的鉆孔毛刺測(cè)量系統(tǒng)，使用位于待測(cè)試樣正上方的相機(jī)拍攝毛刺的圖像，測(cè)量了毛刺的高度。BAHCE等[9]開(kāi)發(fā)了一種基于3D掃描儀的毛刺測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)毛刺的高度、弧長(zhǎng)和面積等幾何特征進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。魯琦淵[33]使用基恩士的形狀測(cè)量激光顯微鏡（VK-X250K）及配套的分析軟件(VKH1XMC)對(duì)鋁合金出口毛刺進(jìn)行測(cè)量，該系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行深度焦點(diǎn)觀測(cè)與三維觀測(cè)，擺脫了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡對(duì)樣本體積和材質(zhì)的限制以及景深較小的不足，可以觀測(cè)并保存樣本的狀態(tài)、顏色、膜層形狀等信息，且無(wú)需對(duì)樣本進(jìn)行預(yù)處理，如圖9所示。AURICH等[15]開(kāi)發(fā)了用于毛刺檢測(cè)的激光三角測(cè)量系統(tǒng)，如圖10所示。

圖9 形狀激光顯微鏡及測(cè)量結(jié)果[33]Fig.9 Shape laser microscope and measurement results[33]

圖10 基于激光三角測(cè)量系統(tǒng)的毛刺非接觸測(cè)量[15]Fig.10 Non contact measurement of burr based on laser triangulation system[15]

ISLAM等[34]借助光學(xué)輪廓儀與金相顯微鏡進(jìn)行毛刺的測(cè)量。梁杰等[35]設(shè)計(jì)了一套基于線激光位移傳感器的孔毛刺測(cè)量系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)使用基恩士LJ-G030型2D激光位移傳感器測(cè)量毛刺，根據(jù)開(kāi)發(fā)的計(jì)算毛刺高度和根厚度的算法，實(shí)現(xiàn)了毛刺高度和根厚度沿孔圓周展開(kāi)的可視化，測(cè)量重復(fù)度＜ 0.8 μm，毛刺高度測(cè)量精度為5 μm。

圖11 線激光毛刺測(cè)量裝置[35]Fig.11 Line laser burr measuring device[35]

電學(xué)測(cè)量方法也是以傳感器通過(guò)非接觸的方法獲得毛刺尺寸的。曲海軍[36]開(kāi)發(fā)了一種利用電容傳感器的毛刺在線測(cè)量系統(tǒng)，在加工中心上安裝非接觸測(cè)量傳感器來(lái)測(cè)量工件的毛刺形態(tài)和尺寸。

由于與毛刺發(fā)生接觸，接觸力會(huì)破壞或推擠毛刺以及工件本身的剛度等原因，基于機(jī)械的毛刺測(cè)量方法的應(yīng)用范圍受限，測(cè)量方法較為宏觀，且一般只能用于測(cè)量毛刺高度[9]。SOKOLOWSKI[37]使用千分表測(cè)量毛刺的高度，沿孔邊緣取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量毛刺高度并計(jì)算均值。MONDAL等[38]使用游標(biāo)高度計(jì)測(cè)量了毛刺高度。BAHCE等[9]使用數(shù)字探針指示器測(cè)量鋁合金出口毛刺高度，將毛刺高度值認(rèn)為是3次測(cè)量結(jié)果的平均值。COSTA等[39]使用千分表和平板測(cè)量了孔端的毛刺高度，觸針首先接觸孔旁邊的曲面，然后將觸針緩慢地掃向孔的外圍，刻度盤(pán)上記錄的最大值作為該點(diǎn)的毛刺高度。

2 鋁合金鉆削出口毛刺形成機(jī)理及高度預(yù)測(cè)方法

在鋁合金出口毛刺類型和測(cè)量評(píng)價(jià)方法研究的基礎(chǔ)上，分析出口毛刺的形成機(jī)理，預(yù)測(cè)毛刺高度是實(shí)現(xiàn)出口毛刺控制方法研究的必要條件，有必要對(duì)其進(jìn)行研究總結(jié)。

2.1 鋁合金鉆削出口毛刺形成機(jī)理

工件的幾何形狀和表面處理情況、刀具的幾何形狀、加工孔徑和切削參數(shù)等多種因素以及各因素間的相互影響制約關(guān)系都直接影響著鋁合金出口毛刺的形成，其形成過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的工件材料彈塑性變形、切屑斷裂分離過(guò)程，涉及多個(gè)學(xué)科[40-41]。鋁合金鉆削出口毛刺的形成是多方面因素綜合作用的結(jié)果，當(dāng)剪切材料所需的能量大于材料發(fā)生塑性變形所需的能量時(shí)，待加工材料厚度變薄，工件材料缺少支撐，剩余材料抵抗變形的能力下降，材料持續(xù)發(fā)生塑性變形，使孔底材料被擠出而不是切除，達(dá)到斷裂極限而發(fā)生斷裂，剩余材料留在孔底形成出口毛刺，因而出口毛刺在本質(zhì)上是一種特殊的切屑。加工過(guò)程中的軸向力、切削溫度、材料的切除過(guò)程以及使用的刀具等都對(duì)毛刺形成有著重要的影響。軸向力越大，孔底材料受到向下擠壓的變形量越大，材料的塑性變形越大，出口毛刺越大；切削溫度越高，材料塑性越好，能夠以較低的力發(fā)生較大的變形；工件的支撐情況越差，材料抵抗變形的能力越差，越易發(fā)生變形；刀具的磨損會(huì)增大切削力和提高切削溫度，產(chǎn)生積屑瘤，影響毛刺的產(chǎn)生；但工件的厚度對(duì)于毛刺形成基本沒(méi)有影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋁合金出口毛刺形成機(jī)理進(jìn)行了大量研究，主要采用的方法有通過(guò)有限元仿真分析研究毛刺形成過(guò)程及影響因素，結(jié)合金屬材料的變形理論進(jìn)行微元法建模以及通過(guò)試驗(yàn)分析研究等。對(duì)鋁合金出口毛刺形成的過(guò)程進(jìn)行劃分并逐步分析，有助于理解毛刺的形成機(jī)理。胡力闖[8]將鋁合金鉆削出口毛刺的形成過(guò)程劃分為5個(gè)階段：（1）鉆頭橫刃接觸工件至鉆頭完全鉆入；（2）橫刃接觸最小未切削厚度前的穩(wěn)定鉆削階段；（3）鉆頭刀尖距離出口面一定距離，未切削的材料不是繼續(xù)被切削，而是在鉆頭的推動(dòng)下產(chǎn)生塑性變形；（4）未切削材料持續(xù)發(fā)生塑性變形階段；（5）未切削材料在出口面孔邊處發(fā)生斷裂，形成出口毛刺。毛刺形成過(guò)程如圖12所示。李哲等[42]采用不同的方法將出口毛刺的形成過(guò)程分為6步：（1）正常穩(wěn)定鉆削的出口臨界狀態(tài)；（2）孔底殘余材料在切削過(guò)程中開(kāi)始發(fā)生塑性變形且被頂出孔出口邊緣；（3）鉆頭繼續(xù)向下，使出口頂出的殘余材料持續(xù)發(fā)生塑性變形；（4）材料出現(xiàn)初始破裂且為拉伸斷裂；（5）隨著鉆孔過(guò)程進(jìn)行，裂縫擴(kuò)展；（6）當(dāng)鉆尖橫刃、主切削刃和副切削刃都完全超出孔出口邊緣時(shí)，形成毛刺。根據(jù)毛刺的形成過(guò)程，可以分析出各類毛刺的形成條件：當(dāng)材料具有較好的延展性時(shí)，鉆頭橫刃前未切削的材料發(fā)生塑性變形，隨著刀具的進(jìn)給，塑性變形區(qū)域從中心向邊緣擴(kuò)展，最終在鉆頭的推動(dòng)下在孔邊外發(fā)生斷裂形成鉆帽的均勻毛刺；當(dāng)材料的塑性變形能力有限時(shí)，在早期變形的材料中心區(qū)域發(fā)生初始斷裂，產(chǎn)生不帶鉆帽的均勻毛刺；當(dāng)鉆削力較大時(shí)，過(guò)早引起工件材料的塑性變形，使鉆頭下方更厚的材料層發(fā)生塑性變形，并在材料層中心區(qū)域產(chǎn)生更大的應(yīng)變，導(dǎo)致出口表面的中心區(qū)域材料產(chǎn)生斷裂，最終導(dǎo)致瞬態(tài)毛刺或冠狀毛刺的產(chǎn)生。

圖12 出口毛刺形成過(guò)程[8]Fig.12 Formation process of exit burr[8]

結(jié)合毛刺的形成過(guò)程，部分學(xué)者以加工過(guò)程中的材料變形為分析要點(diǎn)，對(duì)鋁合金鉆削出口毛刺的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。JIN等[29]指出了出口毛刺形成的6個(gè)常見(jiàn)條件：（1）材料發(fā)生橫向流動(dòng)，通常發(fā)生在工件受到擠壓時(shí)；（2）材料彎曲；（3）切屑從工件上撕裂；（4）多余的材料在孔出口邊緣聚集；（5）材料發(fā)生不完全切割；（6）材料流入裂縫。羅育果等[43]認(rèn)為鋁合金鉆削加工形成的出口毛刺是一種滾動(dòng)型毛刺，其產(chǎn)生的原因在于剪切材料所需的能量大于材料發(fā)生塑性變形所需能量。當(dāng)鉆頭前進(jìn)到出口附近時(shí)，鉆頭下待切削材料變薄，由于缺少工件材料的支撐，剩余材料抵抗變形的能力下降，出口部分開(kāi)始發(fā)生變形，變形材料不再參與切削，僅持續(xù)發(fā)生塑性變形，直到材料在切削邊緣達(dá)到斷裂極限，從而造成出口毛刺的產(chǎn)生。袁定新等[44]認(rèn)為在鉆削過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒呓咏壮隹诿鏁r(shí)，工件末端未切削材料的支撐強(qiáng)度降低，發(fā)生較大塑性變形，變形量大于切削厚度，部分材料未被切削而是在鉆削軸向力作用下被擠出，發(fā)生擠壓斷裂，剩余材料殘留在工件表面，在孔的邊緣形成毛刺。由相關(guān)研究可知，鉆削軸向力、工件材料剛度、材料的支撐情況是影響工件材料塑性變形量的直接因素。軸向力越大，工件材料剛度越小，工件支撐情況越差，工件材料的塑性變形越大，毛刺越大。

有限元分析方法是在出口毛刺形成機(jī)理分析中常用的方法，能夠模擬毛刺形成的過(guò)程以及毛刺的最終形貌，分析的重點(diǎn)在于需要綜合考慮模型中所有的影響因素。莫立揚(yáng)等[45]使用 Abaqus軟件對(duì)鉆削毛刺形成機(jī)理進(jìn)行有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)隨切削速度的增加，刀具與工件間摩擦加劇，鉆削區(qū)域溫度升高，未加工材質(zhì)軟化，硬度降低，工件撓曲變形量減小，毛刺尺寸隨之變小；隨著進(jìn)給量的增加，切削層厚度增加，使工件終端未完全切除，出口毛刺尺寸增大。徐曉霞等[46]通過(guò)三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)模擬分析了鉆削過(guò)程中出口毛刺的形成過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上分析了鉆削熱的分布與影響，其建立的模型結(jié)果與已有的理論較為符合。石貴峰[6]利用deform-3D軟件對(duì)鉆削毛刺的形成過(guò)程和刀具切削過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為麻花鉆加工過(guò)程中起主要作用的切削刃為2條主切削刃和1條橫刃，并用常規(guī)狀態(tài)下的金屬切削過(guò)程分析其剪切機(jī)制，將毛刺的形成分為5個(gè)階段：初始階段、發(fā)展階段、蓋帽形成階段、余量材料切除階段及毛刺最終形成階段，并通過(guò)實(shí)際加工試驗(yàn)對(duì)毛刺形成過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。劉慶倫等[47]基于Abaqus仿真軟件，對(duì)6063鋁合金鉆孔過(guò)程及毛刺形成進(jìn)行仿真，獲得的出口毛刺仿真結(jié)果如圖13所示。在鉆頭進(jìn)入工件材料瞬間，材料處于擠壓變形狀態(tài)，在鉆頭橫刃的旋轉(zhuǎn)擠壓力作用下，工件材料發(fā)生扭曲變形；當(dāng)鉆頭進(jìn)入材料內(nèi)部之后，主切削刃開(kāi)始對(duì)邊界材料進(jìn)行切削；當(dāng)鉆頭出孔時(shí)，剩余材料過(guò)薄，在鉆孔軸向力及橫刃的擠壓作用下，出孔位置形成明顯凸起，呈現(xiàn)擠壓破裂的狀態(tài)，破裂后的材料在軸向上因缺乏足夠的支撐力作用而向下彎曲，并最終形成較大毛刺。因此，認(rèn)為鋁合金出口毛刺的形成主要是由刀具向下擠壓破裂而成，毛刺尺寸呈現(xiàn)不均勻分布的狀態(tài)。

圖13 出口毛刺有限元仿真結(jié)果[47]Fig.13 Finite element simulation results of exit burr[47]

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)加工參數(shù)、切削過(guò)程中工件的狀態(tài)（包括切削力、切削溫度等因素）、刀具影響等對(duì)毛刺形成的影響進(jìn)行了大量的研究。朱兆聚[4]對(duì)鋁合金進(jìn)行鉆削加工，發(fā)現(xiàn)較高的主軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的出口毛刺高度較小，較高的進(jìn)給速度會(huì)產(chǎn)生較大的出口毛刺。STEIN等[26]發(fā)現(xiàn)毛刺形成的嚴(yán)重程度受較高的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速以及較差的刀具條件的影響。王威[48]認(rèn)為產(chǎn)生鉆削毛刺的主要原因是：（1）鉆削參數(shù)，包括切削速度、進(jìn)給速度和進(jìn)給量，當(dāng)切削速度較低和進(jìn)給速度較高時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤，從而導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生；（2）鉆孔刀具的影響。其軸向力和切削速度是影響毛刺的主要因素，減小軸向力和增大切削速度能夠抑制出口毛刺的形成。黃娟[25]針對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)生的毛刺尺寸單調(diào)下降，在相同的主軸轉(zhuǎn)速下，毛刺的寬度和高度隨著進(jìn)給量的增加同步增加，其變化趨勢(shì)基本一致。王昌贏等[49]使用類金剛石涂層硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行PTFE/CFRP/鋁合金疊層材料鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用較低的主軸轉(zhuǎn)速和較大的進(jìn)給量可獲得更好的鋁合金出口質(zhì)量。DEY等[50]研究了鉆孔孔徑、頂角和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鋁合金出口毛刺的影響，采用單因素3水平試驗(yàn)，確定了各參數(shù)對(duì)毛刺高度和厚度的影響規(guī)律。徐曉霞等[46]利用田口正交試驗(yàn)法，對(duì)鋁合金2024-T3和7075-T6組成的疊層材料進(jìn)行干式鉆削試驗(yàn)。結(jié)果表明：進(jìn)給量對(duì)毛刺的影響比主軸轉(zhuǎn)速的影響大，各參數(shù)對(duì)孔加工質(zhì)量影響程度的大小依次是：壓緊力、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速，且隨著進(jìn)給量的增大，毛刺增大。

有研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)參數(shù)之間的相互作用也會(huì)對(duì)出口毛刺產(chǎn)生影響。KAMBOJ等[51]研究了切削速度、進(jìn)給量、步進(jìn)角、加工環(huán)境等因素對(duì)鋁合金制孔毛刺高度的影響，采用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析獲得結(jié)論：切削速度、進(jìn)給速度、步進(jìn)角以及切削速度與進(jìn)給速度之間的相互作用是影響毛刺高度的主要因素。各因素對(duì)毛刺高度的貢獻(xiàn)率分別為11.86%、31.79%、35.43%和10.74%。KUNDU等[52]使用田口正交法進(jìn)行鋁合金制孔試驗(yàn)，通過(guò)方差分析，確定了各工藝參數(shù)對(duì)毛刺高度的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度與切削條件之間的相互作用對(duì)毛刺高度有著重要的影響。

有學(xué)者認(rèn)為，毛刺本質(zhì)是一種特殊的切屑，并以此為思路進(jìn)行了毛刺形成機(jī)理的研究。林捷[53]認(rèn)為加工層材料在切除過(guò)程中形成切屑，在刀具即將離開(kāi)工件時(shí)，工件端部的材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形而延展，以刀尖點(diǎn)位旋轉(zhuǎn)形成毛刺，由于工件的終端部分支撐的強(qiáng)度不高產(chǎn)生塑性變形或塑性剪切滑移變形的情況，使部分切削層材料形成毛刺。羅蒙[12]認(rèn)為鋁合金的鉆削毛刺本質(zhì)上是一種特殊的切屑，只會(huì)形成于刀具出刀或者切削刃退出工件的時(shí)候。刀具正常切削時(shí)，會(huì)在刀尖附近形成3個(gè)變形區(qū)，而當(dāng)毛刺出現(xiàn)時(shí)，出現(xiàn)了第四變形區(qū)，即發(fā)生彈性變形、剪切、滑移的區(qū)域主要在切削層以下。在宏觀上，毛刺產(chǎn)生是由于切削過(guò)程中的第四變形區(qū)，微觀上是由于加工最末段的工件背靠支撐強(qiáng)度不夠，材料顆粒不斷發(fā)生滑移、位錯(cuò)，切屑圍繞某一點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而沒(méi)有折斷，殘留在工件上從而形成了毛刺。

刀具的磨損對(duì)于出口毛刺的形成也有一定的影響。MANDRA等[54]認(rèn)為鉆削力中包括刀具磨損所產(chǎn)生的摩擦力，并基于正交切削的滑移線場(chǎng)理論模型，建立了因刀具磨損所產(chǎn)生的摩擦力模型，利用力做功與材料變形之間的能量平衡，建立毛刺形成模型。對(duì)2種不同的鋁合金（Al 6061-T6、Al 7075-T6）進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)刀具磨損從0增加到25%時(shí)，毛刺高度增長(zhǎng)較慢；刀具磨損從25%增加至50%時(shí)，毛刺高度快速增加。當(dāng)?shù)毒吣p量為50%時(shí)，最大毛刺高度可以增加3倍，最大毛刺厚度可以增加1倍。因此，刀具磨損對(duì)鋁合金出口毛刺的形成有著重要的影響，工件厚度對(duì)毛刺形成的影響不大。

G?K?E等[55]考慮了切削熱對(duì)毛刺形成的影響，對(duì)5083 H116鋁合金進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)給速度的增加，毛刺高度增加，其原因在于進(jìn)給速度的增加使鉆削所需的功率增加，切削溫度也隨之增加。假設(shè)切削區(qū)產(chǎn)生的熱量不會(huì)被切屑帶走，而是散發(fā)到工件材料中，塑性變形以不受控制的方式在較低受力的情況下發(fā)生。熱量向孔出口聚集并集中在孔的邊緣，當(dāng)鉆頭靠近孔出口時(shí)，推動(dòng)擠壓材料形成出口毛刺。

在航空航天制造業(yè)中，存在大量的鋁合金疊層結(jié)構(gòu)件，疊層界面處的鉆孔質(zhì)量對(duì)裝配質(zhì)量有著重要的影響。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金層間毛刺的形成機(jī)理也進(jìn)行了大量的研究 。PARDO等[56]針對(duì)鋁合金疊層鉆孔毛刺的形成進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)層間間隙寬度和毛刺高度之間存在關(guān)聯(lián)，較大的層間間隙寬度會(huì)產(chǎn)生尺寸更大的層間毛刺，毛刺的大小在一定程度上取決于毛刺生成的可用空間。劉姿[5]采用毛刺高度疊加原理對(duì)鋁合金疊層板層間毛刺形成機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為層間毛刺的大小等于上層材料的出口毛刺高度與下層材料的入口毛刺高度之和，并由此進(jìn)行了層間間隙數(shù)學(xué)模型的建立。TIAN等[57]針對(duì)鋁合金鉆削出口毛刺的形成以及疊層鋁合金板鉆孔層間間隙對(duì)層間毛刺的影響進(jìn)行了研究，基于板殼理論和有限元方法，建立了層間間隙的數(shù)學(xué)模型，討論了層間間隙與層間毛刺之間的關(guān)系，如圖14所示。當(dāng)間隙足夠時(shí)，出口毛刺和入口毛刺完全獨(dú)立形成且無(wú)接觸，層間毛刺高度小于層間間隙；當(dāng)出口毛刺剛好接觸入口毛刺時(shí)，層間毛刺總高度等于層間間隙；當(dāng)層間間隙較小時(shí)，出口毛刺在完全形成前與入口毛刺接觸，出口毛刺向內(nèi)生長(zhǎng)，總層間毛刺高度大于層間間隙，獲得的預(yù)緊力與毛刺高度間關(guān)系如圖15所示。預(yù)壓力是控制毛刺形成的有效方法，進(jìn)給速度對(duì)于層間毛刺高度有著顯著的影響。

圖14 層間間隙與層間毛刺關(guān)系[57]Fig.14 Relationship between interlayer gap and interlayer burr[57]

圖15 預(yù)緊力與層間毛刺高度間關(guān)系[57]Fig.15 Relationship between preload and interlayer burr height[57]

2.2 鋁合金鉆削出口毛刺高度預(yù)測(cè)方法

只有在獲得關(guān)于毛刺位置、毛刺類型和毛刺尺寸等必要信息的前提下才能開(kāi)發(fā)有效的毛刺控制方法。在航空航天制造業(yè)中，為保證裝配時(shí)零部件上大量的孔都能夠正確一一對(duì)應(yīng)，通常會(huì)將多個(gè)零件堆疊在一起進(jìn)行制孔，這使得對(duì)出口毛刺的測(cè)量和觀察變得復(fù)雜困難[7]。因此，進(jìn)行鋁合金出口毛刺高度的預(yù)測(cè)研究是十分有意義的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，采用的研究方法眾多，主要有以下幾方面：通過(guò)有限元仿真預(yù)測(cè)出口毛刺的高度和形貌；通過(guò)試驗(yàn)建立毛刺高度的擬合公式，預(yù)測(cè)毛刺高度；結(jié)合毛刺形成機(jī)理，建立毛刺高度預(yù)測(cè)模型。

部分學(xué)者將有限元分析和理論建模的思路結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行了毛刺高度預(yù)測(cè)模型的建立。吳丹等[58]針對(duì)2024-O鋁合金材料，通過(guò)試驗(yàn)獲得麻花鉆主切削刃和橫刃在不同進(jìn)給量作用下受到的軸向力數(shù)值，建立鉆削軸向力經(jīng)驗(yàn)公式：采用有限元法對(duì)單層板的變形進(jìn)行仿真，進(jìn)而預(yù)測(cè)毛刺生成的初始位置；運(yùn)用能量法建立層間毛刺高度的理論模型，預(yù)測(cè)誤差在30%以內(nèi)，誤差主要來(lái)自仿真過(guò)程中設(shè)定的邊界條件與實(shí)際工況的差異和建模時(shí)對(duì)切削過(guò)程和材料特性的簡(jiǎn)化。毛刺高度實(shí)測(cè)值與理論預(yù)測(cè)值呈現(xiàn)相同的規(guī)律，模型具有一定的意義。胡力闖等[59]進(jìn)行了基于工件剛度的毛刺高度數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為制孔位置不同，工件的剛度不同，工件產(chǎn)生的撓曲變形不同，對(duì)毛刺高度有著一定的影響。采用經(jīng)典薄板彎曲理論求解鉆削薄板任意一點(diǎn)處時(shí)的材料變形量，計(jì)算加工過(guò)程中鉆削力所做的功，并考慮兩板間的變形回彈，獲得了7075鋁合金疊層板上、下層板的出口毛刺高度模型。上層板出口毛刺高度預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在13%以內(nèi)，下層板毛刺高度預(yù)測(cè)相對(duì)誤差在12%以內(nèi)。HU等[60]研究了復(fù)雜條件下工件的撓度，采用迭代法確定層間接觸區(qū)域及其對(duì)鉆削過(guò)程中撓度的影響，建立了疊層鉆削層間毛刺高度預(yù)測(cè)模型，對(duì)7075-T6和2024-T3鋁合金疊層板進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得的毛刺高度與分析模型預(yù)測(cè)值吻合良好。WANG等[61]采用軸向定位法，在單獨(dú)的低頻軸向振動(dòng)鉆削中準(zhǔn)確地獲得了內(nèi)、外切削點(diǎn)，從而準(zhǔn)確計(jì)算了振動(dòng)鉆削過(guò)程中鉆頭的工作角度、切削力等參數(shù)，推導(dǎo)出了出口毛刺高度的理論計(jì)算公式。CHANG等[62]提出了一種毛刺高度預(yù)測(cè)模型，認(rèn)為只有切削力的正向部分和工件的彈性變形回彈有助于毛刺的形成，建立新的切削力模型，使用切削力正向均值確定材料的變形量，使用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行72次鉆孔試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。與改進(jìn)后的模型相比，現(xiàn)有模型精度提高了36%，與實(shí)測(cè)值平均值偏差在10%以內(nèi)。模擬值與實(shí)測(cè)值結(jié)果如圖16所示。

圖16 模擬值與實(shí)測(cè)值結(jié)果[62]Fig.16 Simulated and measured results[62]

MANDRA等[54]建立了一種考慮刀具磨損情況下出口毛刺的高度、厚度模型，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際毛刺高度大于模擬毛刺高度，實(shí)際毛刺厚度小于模擬模型的，高度誤差約為30%，厚度誤差約為20%，預(yù)測(cè)值和毛刺高度和厚度的試驗(yàn)值變化規(guī)律相同。HASSAN等[63]通過(guò)平均推力以及刀具的磨損監(jiān)測(cè)出口毛刺的高度，進(jìn)行了毛刺高度的預(yù)測(cè)。LI等[64]針對(duì)7075-T6鋁合金材料，基于材料的變形機(jī)制、低頻振動(dòng)輔助鉆削的運(yùn)動(dòng)模型以及受力分析，建立了低頻振動(dòng)輔助鉆削毛刺高度的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)誤差小于8%。胡力闖[8]通過(guò)有限元仿真，研究了鉆削毛刺的形成過(guò)程，得到了加工參數(shù)以及鉆頭幾何形狀等對(duì)毛刺的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)毛刺高度和毛刺類型的預(yù)測(cè)，并利用預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)從而獲得較小的毛刺。

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法研究的發(fā)展，毛刺高度預(yù)測(cè)在此基礎(chǔ)上也有了一定程度的發(fā)展。周越[65]構(gòu)建了基于深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制孔毛刺形成預(yù)測(cè)模型，引入批量標(biāo)準(zhǔn)化算法和正則化技術(shù)，有效提高了訓(xùn)練效率和訓(xùn)練精度，基于蟻群算法的啟發(fā)式整體調(diào)優(yōu)算法，完成模型的全局優(yōu)化，最后通過(guò)測(cè)試集得到了預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，在絕對(duì)預(yù)測(cè)精度上有較大提高。以工藝參數(shù)（制孔轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量）和主軸電流信號(hào)特征矩陣為輸入，預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為9.34%，能夠達(dá)到95%以上的準(zhǔn)確率[66]。G?K?E等[55]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）對(duì)出口毛刺高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)響應(yīng)，用神經(jīng)擬合工具評(píng)估試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用前饋-反向傳播執(zhí)行ANN模型，對(duì)5083 H116鋁合金毛刺高度的預(yù)測(cè)成功率為99.6%，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律如圖17所示。許敏俊等[67]建立了基于數(shù)字孿生的弱剛性鉆削毛刺控制系統(tǒng)及2種極端情況下的毛刺高度模型，利用 GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建毛刺預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)相對(duì)誤差約為 13%。

圖17 毛刺高度的試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果的比較[55]Fig.17 Comparison of the experimental and predicted results for the burr height[55]

還有部分學(xué)者采用通過(guò)試驗(yàn)獲得出口毛刺高度數(shù)據(jù)并建立擬合公式的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛刺高度的預(yù)測(cè)。THAKRE等[68]采用響應(yīng)曲面法建立了Al-SiC鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺高度、厚度模型，通過(guò)均值和方差分析，獲得了各工藝參數(shù)對(duì)毛刺高度影響的顯著性。魯琦淵[33]根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的超聲振動(dòng)輔助鉆削鋁合金出口毛刺高度的數(shù)值，依據(jù)最小二乘法，擬合出毛刺高度回歸方程，出口毛刺高度預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差為15.76%。馬文瑞[23]對(duì)鋁合金進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了基于響應(yīng)曲面法的毛刺高度和毛刺厚度回歸方程，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好。ABDELHAFEEZ等[69]基于響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)出口毛刺高度與各切削參數(shù)之間存在高度非線性關(guān)系，并由試驗(yàn)結(jié)果獲得了毛刺高度的擬合公式，獲得的毛刺出口高度與切削參數(shù)之間的關(guān)系如圖18所示。

圖18 出口毛刺高度與切削參數(shù)間關(guān)系[69]Fig.18 Relationship between exit burr height and cutting parameters[69]

根據(jù)現(xiàn)有研究資料，針對(duì)鋁合金出口毛刺高度預(yù)測(cè)方面的主要研究方向和進(jìn)展如表1所示。

表1 毛刺高度預(yù)測(cè)研究進(jìn)展Tab.1 Research progress of burr height prediction

3 鋁合金鉆削出口毛刺控制方法研究

通過(guò)對(duì)上述有關(guān)鋁合金鉆削出口毛刺類型、毛刺形成機(jī)理和毛刺高度的測(cè)量評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)方法的討論分析可知，切削參數(shù)、加工工藝、刀具結(jié)構(gòu)、加工條件等是影響加工過(guò)程中軸向力和材料塑性變形的主要因素，對(duì)出口毛刺有著重要的影響。目前，并沒(méi)有一種方法能夠直接解決毛刺的形成，無(wú)法完全避免出口毛刺的產(chǎn)生[70-71]。因此，最優(yōu)的解決方法是盡可能減少毛刺的形成，控制其尺寸，降低其對(duì)制孔質(zhì)量的影響[29]。開(kāi)展鋁合金鉆削出口毛刺控制方法的研究，可以從優(yōu)化切削加工參數(shù)，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)新的制孔加工工藝等幾方面開(kāi)展。

3.1 切削參數(shù)優(yōu)化

鋁合金鉆削加工中的切削參數(shù)直接影響出口毛刺的形成，若參數(shù)選擇不當(dāng)，易導(dǎo)致加工過(guò)程中軸向力過(guò)大，增大刀具磨損，使出口毛刺過(guò)大，產(chǎn)生劃傷等缺陷。各切削參數(shù)與毛刺高度間存在非線性關(guān)系，對(duì)出口毛刺影響的顯著性也不盡相同。通過(guò)切削參數(shù)優(yōu)化，可以有效地控制鋁合金出口毛刺的尺寸。目前的研究主要通過(guò)試驗(yàn)，如單因素試驗(yàn)、田口正交試驗(yàn)、響應(yīng)曲面試驗(yàn)等，或是通過(guò)建立的毛刺高度模型，分析加工參數(shù)對(duì)毛刺的影響，探究各因素對(duì)毛刺形成的作用，優(yōu)化加工參數(shù)，控制出口毛刺尺寸。

對(duì)于切削參數(shù)優(yōu)化方法的研究，多采用田口正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)或是響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，可以減小試驗(yàn)量并通過(guò)方差分析等方法，獲得不同參數(shù)下的顯著度，獲得對(duì)應(yīng)的最優(yōu)加工參數(shù)。向勝華[27]對(duì)7050鋁合金進(jìn)行了單因素鉆孔試驗(yàn)，獲得了不同加工參數(shù)下的毛刺形貌，如圖19所示。以毛刺高度和切屑長(zhǎng)度作為優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行分析，確認(rèn)了最優(yōu)的加工參數(shù)范圍。袁定新等[44]針對(duì)2Al2鋁合金使用硬質(zhì)合金三尖鉆，采用單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)鉆削參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)出口毛刺高度的影響較大，毛刺高度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得了最佳的制孔參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速，12 000 r/min；進(jìn)給量，0.025 mm/r；控制毛刺高度均值為0.103 mm。蘇海等[72]針對(duì)2A12-T4、7A09-T6鋁合金材料，通過(guò)正交試驗(yàn)分析了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量以及刀具鋒角對(duì)鋁合金疊層出口毛刺高度的影響。由極差分析得出影響制孔出口毛刺高度的主要因素依次為鉆頭鋒角、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速。進(jìn)給量越小，轉(zhuǎn)速越高，出口毛刺高度越小，獲得了最優(yōu)的加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，進(jìn)給量為0.2 mm/r，壓緊力為1 500 N，刀具頂角為140°，將出口毛刺高度控制在0.127 mm以下。

圖19 不同參數(shù)下出口毛刺情況[27]Fig.19 Exit burr under different parameters[27]

于淵等[73]對(duì)鉆尖頂角、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量進(jìn)行3水平正交試驗(yàn)，以鋁合金出口毛刺為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行極差分析，確定了最優(yōu)的加工參數(shù)范圍并進(jìn)行了驗(yàn)證。在頂角為120°，主軸轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，進(jìn)給量為0.10 mm/r的加工參數(shù)下，可將毛刺高度控制在0.15 mm以下。ABDELHAFEEZ 等[69]針對(duì)Al7010-T7451和Al2024-T351鋁合金鉆孔，采用了基于響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)出口毛刺高度與切削參數(shù)之間存在非線性關(guān)系，由試驗(yàn)結(jié)果建立了毛刺高度的擬合公式，獲得了最優(yōu)的加工參數(shù)：切削速度為150 m/min，進(jìn)給量為0.16 mm/r，使出口毛刺高度降低了75%。KAMBOJ等[51]采用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析獲得了最優(yōu)的加工參數(shù)，在切削速度為150.72 m/min，進(jìn)給量為0.05 mm/r，步進(jìn)角為90°時(shí)，出口毛刺最小為0.048 mm。KUNDU等[52]使用田口正交法進(jìn)行鋁合金制孔試驗(yàn)，通過(guò)方差分析，確定了最佳加工條件為：中等切削速度（20 m/min），低進(jìn)給（0.032 mm/r），水冷潤(rùn)滑，工件支撐良好，可將毛刺高度降低33%。HASSAN等[63]對(duì)CFRP/7075 T-6鋁合金疊層材料進(jìn)行試驗(yàn)，不同刀具、參數(shù)下鋁合金出口毛刺如圖20所示。發(fā)現(xiàn)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 600 r/min、進(jìn)給速度為0.05 mm/r，當(dāng)?shù)毒邘缀谓嵌仍诼菪菫?5°、隙角為8°、頂角為130°、橫刃斜角為30°時(shí)，鋁合金出口毛刺最小，毛刺高度為133.62 μm。

圖20 不同刀具參數(shù)、加工參數(shù)下鋁合金出口毛刺形態(tài)[63]Fig.20 Exit burr morphology of aluminum alloy under different tool parameters and machining parameters[63]

DIRHAMSYAH等[74]研究了鋁合金微小孔鉆削加工毛刺的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)出口毛刺隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的增加而增加。G?K?E等[55]采用田口正交試驗(yàn)法對(duì)5083 H116鋁合金進(jìn)行了干切削條件下的加工試驗(yàn)，采用響應(yīng)曲面法（RSM）建立數(shù)學(xué)模型，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)方差分析發(fā)現(xiàn)對(duì)出口毛刺高度影響最大的因素為進(jìn)給速度，最佳的加工參數(shù)為：切削速度為40 m/min、進(jìn)給量為0.025 mm/r，此時(shí)出口毛刺高度為0.18 mm。ISLAM等[34]以主軸轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑和冷卻介質(zhì)為研究對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)冷條件下，低主軸轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給時(shí)，形成均勻毛刺，毛刺高度較小；高主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，形成瞬態(tài)毛刺或冠狀毛刺，毛刺高度較大。水冷條件下，傳遞到工件的熱量較小，形成均勻毛刺，毛刺高度較小。MONDAL等[40]以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和支承內(nèi)深度為研究對(duì)象，建立基于響應(yīng)曲面法的毛刺高度和毛刺厚度回歸方程，采用BBO優(yōu)化方法以毛刺高度和厚度最小化為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為 320 r/min、進(jìn)給量為0.08 mm/r，出口毛刺為0.567 mm。GAITONDE等[75]研究了一種鉆削加工多目標(biāo)田口優(yōu)化方法，通過(guò)均值分析（ANOM）和方差分析（ANOVA）證明了方法的有效性，在給定的加工參數(shù)范圍內(nèi)獲得了最小化毛刺高度和厚度的最優(yōu)加工參數(shù)。BAH?E等[76]使用不同的出口表面角度、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度參數(shù)對(duì)Al7075鋁合金進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，通過(guò)田口、方差分析和NLR統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估結(jié)果，確定了最佳鉆孔參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為2 300 r/min、進(jìn)給量為0.1 mm/r，毛刺高度為0.175 3 mm。

3.2 刀具幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆削是金屬切削加工幾種類型中最難的工序之一，其原因在于制孔精度由鉆頭結(jié)構(gòu)直接決定。在加工時(shí)，刀刃一直在孔內(nèi)，切削溫度高，冷卻困難；切屑由排屑槽從孔內(nèi)排出，易發(fā)生堵塞[77]。在鉆削過(guò)程中，鉆頭的使用率僅為35%[55]。鉆削的加工特性和麻花鉆的結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致鋁合金鉆孔出口產(chǎn)生毛刺。對(duì)刀具的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（包括使用合適的涂層、切削刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型刀具的研制等）有助于減小鋁合金鉆孔出口毛刺的尺寸。

傳統(tǒng)麻花鉆的結(jié)構(gòu)如圖21所示[78]，主要結(jié)構(gòu)包括前刀面、主切削刃、副切削刃、橫刃、主后刀面、副后刀面等。麻花鉆按結(jié)構(gòu)可分為整體式鉆頭、焊接式鉆頭；按鉆頭刃數(shù)分為二刃鉆、三刃鉆、多刃鉆；按鉆頭鉆尖分為S型、X 型、波型等；按鉆頭階梯分為單級(jí)鉆、階梯鉆、成形鉆等。麻花鉆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各切削刃對(duì)切削過(guò)程有著重要的影響。鉆尖部分主切削刃作為切削的關(guān)鍵部位，與工件材料直接發(fā)生作用，其刃型結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)決定著鉆削加工中軸向力、力矩及溫度分布，直接影響著出口毛刺的形成。麻花鉆的幾何結(jié)構(gòu)（包括頂角、螺旋角、分屑槽、切削刃形狀等）、刀具的基體材料、涂層等都會(huì)影響出口毛刺的形成。從這些方面進(jìn)行刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)都可以控制毛刺的產(chǎn)生。已經(jīng)有大量抑制出口毛刺的刀具被研制出來(lái)，包括多尖刃鉆頭、雙頂角鉆頭、階梯鉆頭等。針對(duì)航空航天制造業(yè)的具體工況，結(jié)合加工工藝，研制高性能的專用刀具，優(yōu)化刀具角度，改善涂層工藝是未來(lái)刀具優(yōu)化研究的重點(diǎn)。

圖21 麻花鉆結(jié)構(gòu) [78]Fig.21 Twist drill structure[78]

部分學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)麻花鉆結(jié)構(gòu)如頂角、螺旋角等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制出口毛刺的產(chǎn)生。蘇海等[72]發(fā)現(xiàn)鉆頭的頂角越大，出口毛刺高度越小。劉姿[5]從橫刃長(zhǎng)度、頂角、螺旋角3方面對(duì)鉆頭幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了三尖麻花鉆和傳統(tǒng)麻花鉆制孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三尖麻花鉆的切削性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)麻花鉆的，小頂角和大前角結(jié)構(gòu)有助于增加刀具的鋒利度，減小鋁合金孔的出口毛刺，鉆頭的雙棱邊設(shè)計(jì)減小了鉆頭與已加工表面的接觸面積，減小了刀具與孔壁的摩擦。郭偉民[79]針對(duì)二重頂角、分屑槽和圓弧刃這3種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于減少鉆削毛刺的作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)二重頂角鉆頭隨頂角減小，刀尖角增大，刀尖強(qiáng)度改善，刀具切削能力增強(qiáng)，有助于減小毛刺；分屑槽鉆頭中分屑槽能將切削過(guò)程中產(chǎn)生的大塊切屑分成2個(gè)或多個(gè)，使排屑更流暢，減小摩擦，降低切削力，從而減少甚至避免出口毛刺；外凸型圓弧刃鉆頭在外緣轉(zhuǎn)角處用圓弧光滑過(guò)渡，減小了主偏角，使軸向力減小，有一定的副后角，可減小摩擦和發(fā)熱，有利于減少毛刺的產(chǎn)生。3種鉆頭結(jié)構(gòu)如圖22所示。

圖22 3種抑制出口毛刺的結(jié)構(gòu)[79]Fig.22 Three structures for suppressing outlet burr[79]

DORNFELD等[80]指出，麻花鉆的幾何結(jié)構(gòu)（螺旋角、頂角）對(duì)鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺高度和厚度有顯著影響。黃娟[25]為抑制毛刺產(chǎn)生，對(duì)刀具的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將鉆頭主切削刃修整成圓弧狀的前切削刃和后切削刃，中間增加頂角為0°的過(guò)渡切削刃。優(yōu)化后的刀具切削刃上不同點(diǎn)的頂角不同，離鉆尖越遠(yuǎn)頂角越小，同時(shí)切削刃長(zhǎng)度增加，鉆削厚度減小、鉆削寬度增加，使單位切削刃長(zhǎng)度上的載荷減輕、軸向進(jìn)給分力減小，工件材料終端受鉆頭軸向力的作用而產(chǎn)生的撓曲變形減??；副切削刃采用較大螺旋角使排屑順暢，軸向進(jìn)給分力隨之減小，工件終端材料的撓曲變形量會(huì)相應(yīng)減小，并且前切削刃對(duì)材料進(jìn)行切除后，后切削刃繼續(xù)切削，可將前切削刃鉆削中產(chǎn)生的毛刺進(jìn)一步去除，優(yōu)化的刀具結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)近無(wú)出口毛刺。FRANCZYK等[81]在麻花鉆鉆頭邊緣上做了一個(gè)特定長(zhǎng)度和角度的倒角（l3=2 mm，k2=2°），如圖23所示。優(yōu)化的刀具結(jié)構(gòu)能夠顯著降低軸向切削力（22%～23%）和毛刺高度（10%～22%），優(yōu)化后可降低出口毛刺，如圖24所示。施志輝等[82]發(fā)現(xiàn)麻花鉆主切削刃的前角決定著切除材料的難易程度和切屑排出時(shí)在前刀面上的摩擦阻力大小。主切削刃前角大小與螺旋角大小相關(guān)，螺旋角越大，前角越大，可以減小切削扭矩和軸向力，使排屑較容易，從而減小出口毛刺的形成。曾騰輝[83]分析了不同刃口形貌對(duì)麻花鉆切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)圓弧形刃口的后刀面磨損量小于負(fù)倒棱刃口的，有負(fù)倒棱刃口形貌的麻花鉆在前刀面刃口處均勻磨損、無(wú)明顯崩刃及積屑瘤，制孔質(zhì)量明顯優(yōu)于圓弧形刃口形貌麻花鉆的。

圖23 修改鉆頭結(jié)構(gòu) (l3=2 mm，k2=2°)[81]Fig.23 Modified drill (l3=2 mm，k2=2°)[81]

圖24 刀具優(yōu)化前后毛刺高度對(duì)比[81]Fig.24 Comparison of burr height before and after tool optimization[81]

在新型刀具的研制上，LIANG等[84]發(fā)現(xiàn)雙頂角鉆頭和階梯鉆相比于傳統(tǒng)麻花鉆制孔質(zhì)量更好，毛刺更小。其原因在于：階梯鉆第一階段為預(yù)鉆，第二階段完成鉆孔，改善了排屑環(huán)境，降低了加工過(guò)程中的切削力；雙頂角鉆頭具有推力小、毛刺少的優(yōu)點(diǎn)。郭偉民等[85]發(fā)現(xiàn)雙頂角鉆頭有助于減少毛刺的產(chǎn)生，雙重頂角減小了切削過(guò)程中受到的軸向力，降低了單齒的切削厚度，提高了斷屑能力，使切削阻力減小。朱兆聚[4]設(shè)計(jì)并研制了多尖刃鉆頭，階梯刃鉆頭和雙錐角鉆頭3種新型刀具，鉆頭刃型如圖25所示，研制的刀具如圖26所示。進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：多尖刃鉆頭和階梯刃鉆頭產(chǎn)生的切削力大，產(chǎn)生熱量多，材料易軟化，導(dǎo)致塑性變形大易形成較大毛刺；雙錐角鉆頭可以減小切削力，改善斷屑情況，使切屑厚度減小，減小毛刺尺寸。產(chǎn)生的毛刺對(duì)比如圖27所示。但3種鉆頭結(jié)構(gòu)，都存在排屑性能下降，切削溫度增加，從而影響毛刺形成的問(wèn)題[86]。

圖25 鉆頭刃型[86]Fig.25 Bit edge type[86]

圖26 研制鉆頭[86]Fig.26 Development bits[86]

圖27 不同刀具產(chǎn)生毛刺對(duì)比[86]Fig.27 Comparison of burr produced by different cutting tools[86]

REZENDE等[87]研究了4種新型鉆頭幾何形狀對(duì)抑制毛刺的影響，刀具結(jié)構(gòu)如圖28所示，并使用研制的刀具和麻花鉆進(jìn)行試驗(yàn)，如圖29所示。研究發(fā)現(xiàn)使用平頭尖嘴的鉆頭可以獲得最低的毛刺高度。多種鉆頭的出口毛刺如圖30所示。QIU等[88]使用傳統(tǒng)麻花鉆、雙頂角鉆頭、燭桿鉆進(jìn)行試驗(yàn)，刀具刃型如圖31所示，發(fā)現(xiàn)燭桿鉆的外尖角結(jié)構(gòu)可以抵消主刃產(chǎn)生的部分徑向切削力，可明顯降低毛刺高度，毛刺高度為麻花鉆的1/6～1/8。

圖28 刀具結(jié)構(gòu)[87]Fig.28 Tool structure[87]

圖29 試驗(yàn)刀具[87]Fig.29 Test tool[87]

圖30 試驗(yàn)結(jié)果[87]Fig.30 Experimental result[87]

圖31 刀具結(jié)構(gòu)[88]Fig.31 Tool structure[88]

KO等[89]認(rèn)為階梯鉆可以達(dá)到抑制毛刺產(chǎn)生的作用，前刃第一次切削時(shí)形成的毛刺可在階梯刃第二次切削時(shí)去除。JIA等[90]設(shè)計(jì)了新的階梯鉆結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制階梯直徑比抑制加工缺陷，所設(shè)計(jì)的階梯鉆結(jié)構(gòu)能夠有效地減少毛刺的產(chǎn)生，刀具如圖32所示。張觀福等[91]研究了V 型鉆尖鉆頭（鉆尖120°，尖端部分大）和E型鉆尖鉆頭（鉆尖120°，尖端部分小并含有部分平鉆切削刃）對(duì)出口毛刺的影響，V型鉆頭在孔即將鉆通時(shí)先將待加工表面頂破，刀具不能有效切削，將材料擠向孔邊緣產(chǎn)生毛刺；E 型鉆尖鉆頭在孔即將鉆通時(shí)，平鉆切削刃部分可以有效切削，通過(guò)兩側(cè)平切削刃把材料切除，能夠抑制毛刺的形成。劉凱[92]針對(duì)鋁合金加工需求設(shè)計(jì)了鉆锪專用刀具。王彬杰[93]研制了一種鋁合金加工用變導(dǎo)程鉆頭，可以解決鋁合金加工中出現(xiàn)的粘刀、排屑難、出口毛刺大等問(wèn)題。劉澍彬等[94]采用變導(dǎo)程鉆頭加工鋁合金材料，刀具材料選用WC-Co類硬質(zhì)合金牌號(hào)YG6X，結(jié)果表明在加工鋁合金材料時(shí)，變導(dǎo)程鉆頭的切削性能優(yōu)于恒導(dǎo)程鉆頭的，在一定程度上很好地解決了加工鋁合金材料時(shí)出現(xiàn)的粘刀、排屑難，被加工材料的表面質(zhì)量差、出口毛刺大等問(wèn)題。

圖32 研制階梯鉆[90]Fig.32 Development of step drill[90]

此外，也有學(xué)者對(duì)刀具基體材料、涂層種類對(duì)毛刺的影響進(jìn)行了研究。林濤等[95]分析了含鈷高速鋼、硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金3種刀具材料對(duì)制孔的影響。結(jié)果表明：含鈷高速鋼麻花鉆產(chǎn)生的毛刺高度小，出入口較為光整，細(xì)小毛刺少。王共冬等[96]使用硬質(zhì)合金（無(wú)涂層） 、類金剛石涂層、金剛石涂層等3種不同的刀具進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)類金剛石涂層刀具的切削效率高，制孔質(zhì)量好；而金剛石涂層會(huì)隨著鉆孔數(shù)量增加脫落速度較快，導(dǎo)致制孔質(zhì)量下降，毛刺增大。

3.3 制孔工藝優(yōu)化

針對(duì)傳統(tǒng)麻花鉆鉆削制孔出口毛刺尺寸較大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)改變加工工藝的方法來(lái)達(dá)到減小或抑制毛刺產(chǎn)生的目的，主要的工藝方向包括振動(dòng)輔助、低溫潤(rùn)滑、預(yù)緊等。

3.3.1 振動(dòng)輔助

振動(dòng)鉆削技術(shù)是在鉆削技術(shù)和振動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種新型鉆削加工方法[97]，在鉆削加工過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生規(guī)律而可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使切削用量按照一定規(guī)律變化，以達(dá)到改善切削性能的作用。當(dāng)鉆頭（工件）的振動(dòng)頻率達(dá)到16 kHz以上時(shí)稱為高頻振動(dòng)鉆削，一般通過(guò)超聲波發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)，又被稱為超聲振動(dòng)輔助鉆削；振動(dòng)頻率在16 kHz以下時(shí)被稱為低頻振動(dòng)輔助鉆削。振動(dòng)輔助制孔能夠減小鋁合金出口毛刺的尺寸，是一種有效控制出口毛刺的策略。目前，加工設(shè)備是限制超聲振動(dòng)輔助制孔技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要障礙，針對(duì)航空航天構(gòu)件裝配孔加工需求，結(jié)合實(shí)際工況，研制性能更穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)更緊湊的超聲振動(dòng)制孔專用設(shè)備是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

振動(dòng)輔助鉆削技術(shù)通過(guò)刀具的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和高頻振動(dòng)復(fù)合成切削運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)方向可分為軸向振動(dòng)鉆削、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆削以及軸向扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)鉆削，其原理如圖33所示[98]。在麻花鉆上施加的周期性振動(dòng)改變了刀具和工件之間的作用，改善了切削刃的加工狀況，有效降低了孔底殘余材料向下的塑性變形流動(dòng)，能夠較早的實(shí)現(xiàn)鉆孔出口過(guò)程中殘余材料的破裂，有效降低了鉆孔過(guò)程的切削變形、切削力和切削溫度，從而降低毛刺形成的高度。

圖33 振動(dòng)制孔原理[98]Fig.33 Principle of ultrasonic vibration drilling[98]

對(duì)于超聲振動(dòng)輔助制孔，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。李哲等[42]將超聲鉆孔出口毛刺的形成過(guò)程劃分為：（1）孔底未切削殘余材料準(zhǔn)備切削狀態(tài)；（2）孔底殘余材料切削的初始塑性小變形且被頂出孔出口邊緣；（3）頂出材料出現(xiàn)較早的初始破裂且為剪切斷裂；（4）隨超聲鉆孔過(guò)程進(jìn)行，裂縫擴(kuò)展；（5）孔出口邊緣殘余材料基本都被切除，毛刺預(yù)形成；（6）鉆尖橫刃、主切削刃和副切削刃都完全超出孔出口邊緣時(shí)最終形成小毛刺。建立的超聲振動(dòng)鉆削原理圖，如圖34所示。超聲振動(dòng)鉆削鉆頭的切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡由鉆頭自轉(zhuǎn)、沿軸向或縱向相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和高頻小振幅的超聲波縱向振動(dòng)復(fù)合而成。進(jìn)行的八面鉆超聲振動(dòng)制孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比普通鉆削，超聲鉆削能夠降低鉆削力16%～20%，降低切削溫度 18%～21%，降低出口毛刺高度82%～89%。

圖34 超聲振動(dòng)鉆孔原理圖[42]Fig.34 Schematic diagram of ultrasonic vibration drilling[42]

馬文瑞[23]開(kāi)展了超聲振動(dòng)輔助鉆削制孔質(zhì)量的研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助制孔可以實(shí)現(xiàn)鋁合金材料較好的斷屑效果，避免連續(xù)型切屑的產(chǎn)生，降低了出口毛刺的尺寸，可使帽狀毛刺有效脫落，對(duì)于均勻毛刺也可起到一定的抑制作用；出口毛刺高度對(duì)加工參數(shù)的敏感程度依次為主軸轉(zhuǎn)速、超聲振幅、進(jìn)給速度。毛刺尺寸隨著超聲振幅的增加而減小，隨進(jìn)給速度增大呈直線增加。李曉峰[13]開(kāi)展了鋁合金超聲振動(dòng)鉆削工藝參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于超聲振動(dòng)改變了鉆頭的運(yùn)動(dòng)形式，刀具的軸向振動(dòng)使橫刃比普通鉆削更早的鉆出工件，橫刃鉆出后的出口殘余厚度比普通鉆削的大，出口殘余材料剛性較強(qiáng)，沿進(jìn)給方向的變形減小，毛刺高度降低。魯琦淵[33]開(kāi)展了機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲鉆削質(zhì)量研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)制孔的出口毛刺高度比普通鉆削毛刺高度降低20%，毛刺高度隨進(jìn)給速度增大而增大。但主軸轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，刀具和工件的接觸時(shí)間增大，會(huì)使超聲效應(yīng)弱化，降低超聲制孔對(duì)毛刺的抑制作用，如圖35所示。LIANG等[84]通過(guò)仿真和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助制孔可以大大降低切削力和切削熱，降低出口毛刺高度；刀尖角度的增加將導(dǎo)致軸向力和切削熱不同程度地增加。ZAI等[99]采用超聲輔助鉆削技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行微孔鉆削，結(jié)果證明：該方法能有效地提高出口毛刺的高度，在微孔鉆削中，振幅與毛刺高度呈負(fù)相關(guān)，主軸轉(zhuǎn)速與毛刺高度呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)給速度與毛刺高度呈正相關(guān)。胡力闖[8]研制了專用超聲刀柄和超聲電源（如圖36所示），進(jìn)行鋁合金鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲鉆削技術(shù)可以顯著降低機(jī)器人的軸向鉆削力，從而對(duì)鉆削毛刺產(chǎn)生抑制作用，鉆削力和毛刺高度結(jié)果如圖37所示。

圖35 不同切削參數(shù)下超聲振動(dòng)鉆削和普通鉆削毛刺高度對(duì)比[33]Fig.35 Burr height of ultrasonic vibration drilling and ordinary drilling under different cutting parameters[33]

圖36 超聲刀柄和超聲電源[8]Fig.36 Ultrasonic tool holder and ultrasonic power supply[8]

圖37 旋轉(zhuǎn)超聲鉆削和普通鉆削下毛刺高度對(duì)比[8]Fig.37 Comparison of drilling burr height between rotary ultrasonic drilling and general drilling[8]

對(duì)于低頻振動(dòng)鉆削，部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。LI等[64]針對(duì)7075-T6鋁合金建立了低頻振動(dòng)鉆削毛刺預(yù)測(cè)模型，認(rèn)為低頻振動(dòng)鉆削可以抑制出口毛刺的形成，進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果如圖38所示。在低頻振動(dòng)鉆削中，鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和軸向振動(dòng)的疊加，如圖39所示。出口處的材料變形減小，從而導(dǎo)致切削力和毛刺尺寸減小。徐國(guó)勇等[97]針對(duì)L5鋁合金進(jìn)行了振動(dòng)鉆削加工試驗(yàn)，獲得了振幅與毛刺高度間的關(guān)系，如圖40所示。振動(dòng)鉆削過(guò)程中，對(duì)于不同的切削條件，通過(guò)選擇合理的振動(dòng)參數(shù)，能夠減小切出進(jìn)給方向的毛刺尺寸，甚至完全抑制毛刺的產(chǎn)生。

圖38 普通鉆削與低頻鉆削出口毛刺對(duì)比[64]Fig.38 Comparison of outlet burr between ordinary drilling and low frequency drilling[64]

圖39 振動(dòng)輔助加工[64]Fig.39 Vibration-assisted machining [64]

圖40 振動(dòng)鉆削出口毛刺高度[97]Fig.40 Vibration drilling exit burr height[97]

3.3.2 冷卻、潤(rùn)滑

冷卻介質(zhì)、潤(rùn)滑條件等都會(huì)對(duì)鋁合金鉆削加工過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。目前航空航天制造業(yè)中，受加工條件的限制多采用干式鉆削，在鉆削中不提供切削液進(jìn)行冷卻或潤(rùn)滑，刀具與工件之間的摩擦劇烈，切削溫度較高，工件材料塑形變形較大，易產(chǎn)生出口毛刺。采用低溫鉆削、微量潤(rùn)滑等技術(shù)對(duì)毛刺的控制有著積極的作用。低溫切削加工可以降低加工過(guò)程中的切削溫度，降低工件材料的塑性變形；微量潤(rùn)滑技術(shù)能夠有效減小切屑與刀具間的黏連，提高刀具的切削能力，降低切削溫度，從而抑制毛刺的形成。

低溫切削加工是利用液氮、液體二氧化碳等低溫介質(zhì)，使工件、刀具或切削區(qū)處于冷卻狀態(tài)來(lái)進(jìn)行切削加工的方法；微量潤(rùn)滑是指將壓縮氣體與極微量潤(rùn)滑液混合后，汽化噴射到加工區(qū)域進(jìn)行潤(rùn)滑的方法。相關(guān)學(xué)者針對(duì)冷卻潤(rùn)滑方法對(duì)出口毛刺的影響進(jìn)行了一定的研究。楊淇耀等[100]對(duì)鈦合金/鋁合金疊層進(jìn)行了低溫與干式鉆削試驗(yàn)研究，利用超臨界二氧化碳作為冷卻介質(zhì)，采用內(nèi)冷方式進(jìn)行低溫鉆削試驗(yàn)。結(jié)果表明：在低溫條件下，金屬材料的塑性變形能力下降，不易發(fā)生熱軟化或熱燒蝕，從而有效地改善了表面粗糙度，有利于維持更穩(wěn)定的切削狀態(tài)；同時(shí)，低溫提高了工件的硬度，使出口邊緣在受到刀具和切屑的摩擦?xí)r更不易磨損和變形，從而減小了出口毛刺高度。NAM等[101]研究了在微鉆過(guò)程中空冷、MQL和納米流體MQL對(duì)鉆削特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)MQL和納米流體MQL均可以減少切屑與刀具黏結(jié)，延長(zhǎng)刀具使用壽命。在納米流體MQL條件下，孔加工質(zhì)量提高，毛刺幾乎被完全消除。BIERMANN等[102]使用二氧化碳作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行制孔試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖41所示，獲得了不同冷卻條件下的毛刺高度，相比干式鉆削，低溫鉆削毛刺高度大大下降，證明了冷卻類型對(duì)鋁合金鉆削出口毛刺的影響。張玉璽等[103]發(fā)現(xiàn)干式鉆削條件下加工CFRP/Al疊層更易形成積屑瘤，增大毛刺尺寸，半程微量潤(rùn)滑方式能夠獲得更好的制孔質(zhì)量。

圖41 低溫鉆削試驗(yàn)裝置[102]Fig.41 Cryogenic cooling drilling experimental setup[102]

3.3.3 預(yù)緊

航空航天制造業(yè)中的構(gòu)件多為薄壁弱剛度工件，增加預(yù)緊力能夠有效增加制孔加工系統(tǒng)的剛性和穩(wěn)定性，同時(shí)減小壁板零件間的間隙，抑制毛刺的產(chǎn)生。在工件不發(fā)生塑性撓性變形的前提下，預(yù)壓緊力越大，對(duì)毛刺的抑制作用越好[104]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)緊對(duì)出口毛刺的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。袁定新等[44]發(fā)現(xiàn)，壓力作為工藝試驗(yàn)的一項(xiàng)參數(shù)，對(duì)于出口毛刺的高度有著顯著的影響，并針對(duì)2Al2鋁合金材料進(jìn)行試驗(yàn)獲得了壓緊力與毛刺高度間的關(guān)系，如圖42所示，并給出了最優(yōu)的壓緊力參數(shù)。盧志軍[105]進(jìn)行了鋁合金薄板疊層結(jié)構(gòu)單向預(yù)壓緊鉆孔試驗(yàn)，以彈性力學(xué)、板殼理論為基礎(chǔ)，分析了壓緊力對(duì)鋁合金鉆孔質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)增大單向預(yù)緊力以及減小鉆削過(guò)程中的夾層間隙能夠控制層間毛刺的形成，并提供了最優(yōu)壓緊力策略的建議。李源等[106]針對(duì)7075-T6和2024-T3鋁合金疊層薄板進(jìn)行干式鉆削試驗(yàn)，建立了可調(diào)預(yù)壓緊力鉆孔試驗(yàn)系統(tǒng)原理及實(shí)物，如圖43所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)施加預(yù)壓緊力能夠顯著抑制層間毛刺的高度，不同壓緊力下的毛刺情況如圖44所示。但預(yù)緊力對(duì)毛刺厚度和毛刺根厚度的影響并不顯著。宋堯[107]進(jìn)行了預(yù)緊力 PID 控制及疊層板層間毛刺控制方法驗(yàn)證。通過(guò)鋁合金疊層板鉆削試驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)緊力對(duì)毛刺生長(zhǎng)的抑制作用。徐曉霞等[46]研究發(fā)現(xiàn)：軸向預(yù)加載壓緊力可以有效地抑制層間毛刺。在工件不發(fā)生塑性撓曲變形的前提下，預(yù)加載壓緊力越大，抑制層間毛刺的效果越好。吳丹等[58]發(fā)現(xiàn)，層間毛刺高度隨進(jìn)給量的增加而增大，隨壓緊力的增加而減小。劉雪鋒等[108]分析疊層薄壁工件層間毛刺的產(chǎn)生原理，利用簡(jiǎn)化的梁模型研究壓緊力對(duì)層間間隙的影響，利用有限元仿真和函數(shù)擬合，提出基于有限元的壓緊力理論預(yù)測(cè)方法，認(rèn)為施加壓緊力能有效地減小層間毛刺，但無(wú)法完全消除層間毛刺。

圖42 壓緊力對(duì)出口毛刺高度影響[44]Fig.42 Influence of pressing force on exit burr height[44]

圖43 可調(diào)預(yù)壓緊力鉆孔系統(tǒng)[106]Fig.43 Adjustable preload drilling system[106]

圖44 不同壓緊力下毛刺形貌[106]Fig.44 Burr morphology under different pressing forces[106]

4 展望

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，針對(duì)鋁合金構(gòu)件裝配孔鉆削出口毛刺的研究已經(jīng)有了較為成熟的體系，包含了出口毛刺的類型、測(cè)量評(píng)價(jià)、形成機(jī)理、預(yù)測(cè)方法、抑制策略等，對(duì)保證航空航天裝配孔質(zhì)量有著重要的作用。隨著航空航天制造業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化制孔技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及各種新型飛行器的研制，對(duì)于出口毛刺的要求必然會(huì)不斷提高。未來(lái)，針對(duì)航空航天鋁合金構(gòu)件裝配孔鉆削出口毛刺的研究可以從以下3個(gè)方面加以關(guān)注：

（1）已有測(cè)量加工技術(shù)的深化與優(yōu)化?，F(xiàn)有的測(cè)量、加工技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)有了較為雄厚的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，與生產(chǎn)緊密結(jié)合。在滿足當(dāng)前對(duì)于出口毛刺加工要求的同時(shí)，進(jìn)行技術(shù)的深化與優(yōu)化，從而為航空航天制造業(yè)的不斷發(fā)展提供技術(shù)支撐。

（2）新型測(cè)量、制造技術(shù)專業(yè)設(shè)備的研制。各種新型測(cè)量、制造技術(shù)已具有一定的理論基礎(chǔ)，但相關(guān)的專用設(shè)備和工藝流程開(kāi)發(fā)尚未成熟，缺少實(shí)際生產(chǎn)中技術(shù)可靠性和穩(wěn)定性的深入考核評(píng)價(jià)，這成為阻礙新型制孔加工技術(shù)大規(guī)模投入使用的最大障礙。以理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行專用設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制是未來(lái)的關(guān)注重點(diǎn)。

（3）智能化、數(shù)學(xué)化制造車(chē)間的開(kāi)發(fā)。將智能化、數(shù)字化技術(shù)融入航空航天鋁合金構(gòu)件裝配孔鉆削過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)出口毛刺進(jìn)行的形成、測(cè)量、評(píng)估、控制進(jìn)行分析，自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化加工工藝，以實(shí)現(xiàn)鋁合金裝配孔鉆削質(zhì)量的最優(yōu)加工。進(jìn)行智能化、數(shù)字化制造車(chē)間的開(kāi)發(fā)，以提高自動(dòng)化制造水平，降低研發(fā)制造成本，是未來(lái)航空航天制造業(yè)發(fā)展的必然方向。