呂冬明，孫曉晗，董香龍，朱卓志，韋文東

(1.機械工業(yè)教育發(fā)展中心，北京 100055；2.鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院，鹽城 224051)

0 引言

FRP(纖維增強樹脂基復(fù)合材料)具有比強度高、比模量大、耐腐蝕以及性能可設(shè)計等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域[1-3]。在工程運用中時，常需要與其他零部件配合連接，需要大量孔加工。FRP增強纖維強度高、脆性大、力學(xué)性能各向異性及層間強度低，屬于典型的難加工材料[4]。FRP材料在傳統(tǒng)實心鉆頭的鉆削加工時[5-6]，軸向鉆削力較大因而容易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等加工損傷，不僅加工質(zhì)量難以保證，而且制孔效率低，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)件裝配的連接強度、疲勞壽命和生產(chǎn)效率。因此實現(xiàn)FRP材料的高質(zhì)量制孔加工，已成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點和難點之一。

近年來，振動輔助加工技術(shù)已被用于難加工材料的高效低損傷制孔加工，并獲得了良好的工藝效果[7-9]。SADEK等[10]運用低頻技術(shù)用WC鉆頭加工CFRP，低頻軸向振動鉆削時鉆削溫度比傳統(tǒng)方式降低50%，表面粗糙度值參數(shù)Ra的數(shù)值降低60%，分層缺陷降低80%。侯書軍等[11]采用無鍍層K10鎢鋼整體硬質(zhì)合金鉆頭對CFRP/鈦合金疊層板進行鉆孔對比實驗，結(jié)果表明軸向低頻振動輔助鉆孔方式，可有效打斷鈦合金切屑，鉆屑溫度比傳統(tǒng)鉆孔下降幅度可達(dá)45%左右。李哲等[12]采用縱向旋轉(zhuǎn)超聲振動方式對CFRP進行了無冷卻套孔加工研究，實驗結(jié)果表明，相比普通加工，旋轉(zhuǎn)超聲有效防止了金剛石工具加工時的磨屑粉塵粘刀和料芯堵塞現(xiàn)象，縱向超聲振動能降低鉆削力12%～20%和孔表面粗糙度33%～39%。綜上所述，振動輔助鉆削技術(shù)能夠顯著降低制孔過程中的鉆削力和鉆削溫度、減小加工損傷和改善孔壁質(zhì)量，而且有效解決了金剛石套孔工具加工過程中存在的磨屑粘刀和料芯堵塞問題。盡管目前國內(nèi)外的學(xué)者針對FRP材料振動套孔加工已做了不少研究，但大多集中于超聲振動，關(guān)于低頻振動輔助套孔加工技術(shù)的研究鮮有涉及。

鑒于此，以GFRP為加工對象，采用低頻軸向振動輔助加工，結(jié)合薄壁金剛石鉆頭套孔加工工藝，對其低頻軸向振動套孔加工技術(shù)進行理論與實驗研究。建立低頻軸向振動套孔加工運動學(xué)模型，分析單顆金剛石磨粒的運動特性，研究變速與沖擊效應(yīng)作用下的套磨機理，通過實驗，從軸向力、分層因子和孔壁表面形貌等方面分析低頻振動套孔加工工藝效果，并進行振幅參數(shù)優(yōu)選，為GFRP材料的高質(zhì)量制孔加工提供參考。

1 低頻軸向振動套孔加工原理及特性分析

圖1為低頻軸向振動套孔磨削原理示意圖。在低頻軸向振動套孔磨削過程中，金剛石套料鉆旋轉(zhuǎn)和進給的同時，沿其軸向施加低頻小振幅的振動，使套料鉆具有周期性接觸-分離的脈沖式動態(tài)磨削特性。

圖1 GFRP低頻振動套孔加工原理示意圖

圖2為金剛石磨粒在單個周期內(nèi)磨削運動軌跡圖，在一個完整的振動周期T內(nèi)，金剛石磨粒有效磨削加工時間為t1，此后的t2時間段內(nèi)處于空切狀態(tài)。

圖2 磨粒磨削過程運動軌跡示意圖

由圖1和圖2可知，金剛石套料鉆頭上的磨粒存在三種運動方式，分別為圓周運動、軸向進給運動和軸向正弦波振動。因此，低頻軸向振動套孔加工中單顆金剛石磨粒運動軌跡方程可以表示為：

(1)

式中，R為單顆磨粒到刀具軸線的垂直距離，mm；ω=2πn/60=πn/30為角速度，rad/s；fr為刀具相對于工件的進給速度，mm/s；t為時間，s；A為低頻振幅，mm；F為低頻振動頻率，Hz；n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為每轉(zhuǎn)進給量，mm/r。

傳統(tǒng)套孔加工中單顆磨粒運動軌跡可表示為：

(2)

由式(1)和式(2)得兩種加工方式的單顆磨粒運動軌跡，如圖3所示。傳統(tǒng)套孔加工時刀具與工件持續(xù)接觸，刀具上任一磨粒的運動軌跡為一條三維螺旋線，低頻軸向振動套孔加工附加的軸向振動使套料鉆與工件處于時切時離的狀態(tài)，持續(xù)接觸的穩(wěn)態(tài)加工方式轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖式動態(tài)磨削，實現(xiàn)了鉆頭與工件有規(guī)律地分離接觸，并不斷循環(huán)。

圖3 單顆磨粒運動軌跡圖

低頻軸向振動套孔加工過程中單顆磨粒的實時合加速度變化趨勢與實時速度相似，其大小也隨時間做周期性變化，方向始終與運動軌跡相切，因此就形成了低頻振動套孔加工的沖擊切削效應(yīng)?？梢姼郊拥妮S向振動使磨粒對工件材料保持極高的沖擊速度，將對工件形成沖擊切削效果，使得磨粒與工件周期性地接觸分離，軸向沖擊力周期性地加載和卸載，有助于材料加工。

2 實驗設(shè)備及方案

本實驗加工設(shè)備為MCV850-5五軸加工中心，主軸轉(zhuǎn)速范圍為50～10 000 rpm，最大主軸功率為11 kW，實驗工裝如圖4所示。振動刀柄選用某公司生產(chǎn)的PG8040機械式振動刀柄，如圖5所示，刀柄的最大可調(diào)振幅為0.25 mm，固定頻轉(zhuǎn)比為2.5。

圖4 實驗裝置圖 圖5 PG8040振動刀柄

工件采用圖6所示GFRP工件，增強纖維為高強度玻璃纖維，纖維由0°和90°雙向編織而成，單層層厚為0.25 mm，板材厚度為10 mm，纖維含量70%，基體為環(huán)氧樹脂，密度2 g/cm3，彎曲強度450 MPa，彎曲模量20 GPa。薄壁金剛石套料鉆頭如圖7所示，鉆頭工作部如圖8所示，鉆頭工作部外徑8 mm，壁厚0.4 mm。金剛石磨粒品級為SMD、粒度分別為70/80、80/100和100/120，并按1：1：1的比例混合。

圖8 套料鉆工作部結(jié)構(gòu)

鉆削軸向力數(shù)據(jù)通過Kistler 9272A測力儀和Kistler 5070A電荷放大器進行收集，加工過程中用乳化液進行加工區(qū)域的冷卻沖刷。實驗加工參數(shù)如表1所示,主軸轉(zhuǎn)速按照1.12等比遞增，進給速度按照1.25等比遞增。在實驗結(jié)束后，用VK-X100激光掃描顯微鏡對加工后的工件表面進行觀測。

表1 實驗加工參數(shù)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 軸向力分析

圖9～圖11為各加工參數(shù)對鉆削軸向力影響關(guān)系圖。從圖9、圖10可知，當(dāng)進給速度固定為12.5 mm/min時，鉆削軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速增加總體呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速固定為3380 r/min時，鉆削軸向力隨著進給速度增大總體呈現(xiàn)增大趨勢，且在相同工藝參數(shù)下，相對于傳統(tǒng)套孔加工，低頻軸向振動套孔加工的鉆削軸向力整體偏大。分析其原因：低頻軸向振動加工具有脈沖式動態(tài)磨削特性，套料鉆與工件接觸的短時間內(nèi)，低頻軸向套孔加工的瞬時進給量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)套孔加工，單位時間內(nèi)材料去除量增加，軸向力變大，同時，軸向振動的引入使得套料鉆在孔加工中上下運動，相較于傳統(tǒng)加工，低頻軸向振動的刀具運動軌跡更長，產(chǎn)生更多切削熱，導(dǎo)致樹脂熔化，降低了套料鉆的切削性能，進一步增大了鉆削軸向力。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對鉆削軸向力的影響 圖10 進給速度對鉆削軸向力的影響

圖11 振幅對鉆削軸向力的影響

由圖11可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和進給速度一定時，鉆削軸向力隨振動幅度增大總體呈現(xiàn)增大趨勢，這是由于振動幅度增加，磨粒的瞬時切削厚度增大，導(dǎo)致刀具和工件之間的相互沖擊作用增大，鉆削軸向力增加。

對比其他文獻(xiàn)GFRP制孔加工結(jié)果[13]可知，薄壁金剛石套料鉆孔加工的鉆削軸向力遠(yuǎn)小于麻花鉆，其原因為：薄壁金剛石套料鉆在孔加工時，通過工作部表面磨粒磨削制孔，相較于麻花鉆，這種“以磨代鉆”的磨削制孔方法，可以將集中麻花鉆主切削刃和橫刃上的切削力分散到工作部表面磨粒上，改善加工效果，且套料鉆薄壁中空的結(jié)構(gòu)，在孔加工時，材料去除量更少，因此，金剛石套料鉆在孔加工的軸向力整體較小。

3.2 分層比質(zhì)量分析

在孔入口處，材料整體剛性高，抵抗變性能力較強，套孔加工初始階段金剛石磨?？赏耆袛嗬w維，套料鉆也能有效降低軸向力，減少了入口處缺陷的出現(xiàn)，因此傳統(tǒng)套孔加工和低頻軸向振動套孔加工都可以獲得較好的入口質(zhì)量，如圖12所示。

(a) 傳統(tǒng)制孔入口表面 (b) 低頻振動制孔入口表面

但在孔出口處，無論傳統(tǒng)套孔加工還是低頻軸向振動套孔加工都出現(xiàn)了一定程度的加工缺陷，如圖13所示。其原因為：套料鉆磨削深度增加，材料未加工的厚度逐漸減小，孔出口處材料受到內(nèi)側(cè)的粘接作用逐漸減弱，承載能力變?nèi)?，而懸空裝夾的方式，導(dǎo)致套料鉆鉆出時，材料底部支撐力不夠，加工不充分，因此在孔出口處容更容易產(chǎn)生毛刺、撕裂和分層等損傷。此外，隨著磨削深度的加深，鉆頭冷卻不充分，磨損加重，致使磨粒鋒利度下降，導(dǎo)致玻璃纖維沒有被完全切斷進而造成毛刺和撕裂的產(chǎn)生。

(a) 撕裂 (b) 毛刺

通過分層比γ對分層缺陷進行表征，分析套孔加工時，振動幅度對分層缺陷的影響。如圖14所示，分層比γ定義為鉆削產(chǎn)生分層的圓的最大直徑與鉆削孔直徑之比，其計算方法為：

(3)

式中，Lmax為鉆削產(chǎn)生分層的最大圓直徑；L0為孔加工直徑。

GFRP低頻實驗在不同振幅下的出口分層比影響如圖15所示。低頻振動套孔加工的分層比隨振幅的增大而增大，可見低頻軸向套孔加工時，軸向振動的引入，使得瞬時切削厚度變大，導(dǎo)致更大的鉆削軸向力，進而增大了GFRP出口的缺陷。

圖14 分層比示意圖 圖15 振幅對出口分層比的影響

3.3 表面粗糙度分析

孔壁表面粗糙度能較好的反映已加工表面的微觀質(zhì)量，通過VK-X100激光掃描顯微鏡對孔壁表面粗糙度進行觀察檢測。圖16為3020 r/min，進給速度10 mm/min時，不同振幅對孔壁表面粗糙度的影響規(guī)律。

圖16 振幅對孔壁表面粗糙度的影響

從圖中可知，隨著振幅的增大，粗糙度有明顯降低趨勢。其原因主要為：隨振動幅度增大，套料鉆頭的瞬時切削厚度變大，切削溫度升高，使得樹脂基體軟化或者熔化，受金剛石磨粒擠壓作用影響，這些軟化的樹脂會粘貼在工件已加工表面上，冷卻后凝固成一層新的樹脂層，孔壁表面粗糙度降低。

4 結(jié)論

本文采用低頻加工技術(shù)結(jié)合薄壁金剛石鉆頭，對GFRP的高質(zhì)量制孔加工技術(shù)進行研究。分析了低頻軸向振動套孔加工中的運動學(xué)特性和加工機理，研究了軸向力、分層因子和表面粗糙度等的影響規(guī)律。主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)低頻軸向振動套孔技術(shù)的加工方式為脈沖式切削，金剛石磨粒能夠產(chǎn)生較大的動能，且具有變速、變向和加速度沖擊效應(yīng)，極大地改善了工件材料的切削性能，有利于刀具切斷玻璃纖維與樹脂基體，減小孔壁損傷，提升制孔效率。

(2)與傳統(tǒng)套孔加工相比，低頻振動套孔加工的軸向力隨著振幅的提高而增大。由于振動套孔加工過程中，刀具瞬時切削厚度與鉆削軸向力變大，導(dǎo)致材料分層損傷較大于普通加工。為改善孔出口質(zhì)量，可在工件下方放置墊板或提高裝夾的穩(wěn)定性，但不宜采用較大的振幅。

(3)相比較于傳統(tǒng)套孔加工，采用低頻軸向振動套孔加工可減少玻璃纖維的不規(guī)則破碎，纖維斷裂處比較整齊一致且斷口平滑，樹脂涂覆表面整潔光滑，沒有大面積的纖維樹脂破碎，孔壁表面質(zhì)量得到提高。

(4)雖然較大的振幅能夠減小孔壁劃傷，提高加工表面質(zhì)量，但是振幅的增大將導(dǎo)致軸向力增加，加劇出口分層缺陷，因此振幅選取不宜過大。綜合考慮低頻軸向振動套孔加工時振幅取值為0.040 mm，有利于實現(xiàn)GFRP高質(zhì)量制孔加工。