董香龍　鄭雷　韋文東　孫曉晗　劉子文　孫衍濤　何智偉

關(guān)鍵詞 低頻軸向振動；套孔加工；軸向力；燒焦概率；自動落料

中圖分類號 TG58; TG71; TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0082-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0053

收稿日期 2022-04-19 修回日期 2022-08-08

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（fiber reinforced plastics，F(xiàn)RP）、工程陶瓷及其層疊構(gòu)件因其特殊性能在航空航天設(shè)備、坦克裝甲等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在工程實踐中，常以陶瓷/FRP 疊層材料作為新型坦克裝甲車輛的復(fù)合裝甲，其應(yīng)用前景極其廣闊；而玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（glass fiber reinforced plastic， GFRP） 因其良好的沖擊韌性和經(jīng)濟(jì)性，常作為層疊復(fù)合裝甲的支撐背板。鑒于現(xiàn)有成形工藝的制約，復(fù)合材料成形時無法精確預(yù)留用于裝配的各種孔、槽等，裝配時不可避免地需要進(jìn)行二次機(jī)械加工，尤其是孔槽的加工[1-2]。加工過程中因鉆削力較大復(fù)合材料極易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，輕則影響其制孔質(zhì)量和效率，重則嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度和疲勞壽命[3-4]。因此，如何實現(xiàn)該類難加工材料的高質(zhì)量制孔，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點和難點。

針對工程陶瓷、FRP、層疊復(fù)合裝甲等難加工材料，傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)很難指導(dǎo)其加工。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了大量新工藝的探索，比如使用電火花加工、激光加工、超聲波振動輔助加工和磨料水射流加工等，其中以超聲振動輔助加工的應(yīng)用最為廣泛，效果最為突出。楊宇輝等[5] 以氧化鋯陶瓷為對象，分析了超聲振動加工硬脆材料時脆塑轉(zhuǎn)變的條件，結(jié)果表明超聲振動可以增大塑性域加工范圍，提高陶瓷表面質(zhì)量。WANG 等[6] 在DMG 超聲振動機(jī)床上借助電鍍金剛石套料鉆對石英玻璃進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超聲孔加工，其切削力大幅減少，表面粗糙度顯著減低。邵振宇等[7]結(jié)合超聲振動加工技術(shù)分析了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbonfibre reinforced plastics， CFRP） 的缺陷抑制原理，相比常規(guī)鉆削，其切削力和扭矩降低近50%，且出口分層、撕裂等缺陷大為減少。王東等[8] 研究了麻花鉆縱向超聲鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的動態(tài)沖擊效應(yīng)，通過試驗驗證了刀工系統(tǒng)動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，并獲得了較好的超聲振動鉆削效果。GENG 等[9] 研究了橢圓旋轉(zhuǎn)超聲工藝條件下釬焊金剛石套料鉆加工CFRP 的磨損機(jī)理，橢圓振動加工時的磨粒微破碎磨損多，鉆頭自銳性好，平均鉆削力小，磨屑黏附少，鉆頭壽命可延長28%。ZHENG 等[10] 采用低頻軸向振動輔助加工Al₂O₃/GFRP 疊層復(fù)合裝甲的孔，分析了工藝參數(shù)和振動參數(shù)對鉆削力、孔口質(zhì)量及其表面粗糙度的影響。由此可見，振動輔助加工在工程陶瓷和FRP、CFRP 等難加工材料領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的工藝優(yōu)勢，而關(guān)于GFRP 低頻軸向振動制孔的研究鮮有報道。

鑒于此，以GFRP 為加工對象，建立低頻軸向振動制孔的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型，分析其軸向力的變化趨勢及套料鉆的壽命及落料方式，探討低頻振動加工技術(shù)在GFRP 上的應(yīng)用，以期在GFRP、陶瓷 /FRP 層疊構(gòu)件等材料上加工出高質(zhì)量的孔。

1 低頻軸向振動制孔理論分析

1.1 低頻軸向振動制孔運(yùn)動學(xué)模型

低頻軸向振動制孔是通過某種方式使工件與套料鉆之間產(chǎn)生相對的軸向往復(fù)運(yùn)動而鉆孔的。假設(shè)工件不動，套料鉆除了機(jī)床的軸向恒定進(jìn)給外，還有軸向振動位移施加在套料鉆上，如圖1 所示。李哲等[11] 研究發(fā)現(xiàn)：金剛石薄壁套料鉆在工程陶瓷和FRP 等難加工材料的加工中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，這種“以磨代鉆”的加工方式可有效減小軸向力，提高了制孔的質(zhì)量。考慮到復(fù)合材料的難加工特性，改進(jìn)套料鉆的結(jié)構(gòu)，在其工作部設(shè)計了高低錯落的波浪齒形，一方面便于冷卻液及時進(jìn)入工作部進(jìn)行冷卻，另一方面有助于磨屑的排出；同時選擇40Cr 為基體材料，使套料鉆具有良好的韌性和減振功能。

低頻軸向振動是由機(jī)械式振動刀柄提供的正弦運(yùn)動，其基本原理如圖2 所示。圖2 中：機(jī)床空轉(zhuǎn)時，環(huán)形平面與環(huán)狀正弦凸輪相互轉(zhuǎn)動，滾子沿著正弦凸輪的正弦曲線移動，在其軸向產(chǎn)生位移，從而推動套料鉆做簡諧振動。簡諧振動的振幅大小和機(jī)床每轉(zhuǎn)的振蕩頻率都取決于凸輪的結(jié)構(gòu)，且金剛石薄壁套料鉆振動鉆削時，實際的瞬時進(jìn)給量為機(jī)床進(jìn)給量和振動位移的矢量和。

套料鉆工作部的端部和內(nèi)外圓柱面都鑲有金剛石顆粒，加工時端部為主要磨削工作面，內(nèi)外圓柱面為輔助磨削工作面。為了便于分析套料鉆上金剛石的運(yùn)動特性，假設(shè)加工過程中的振幅和頻率不變，單顆磨粒在磨削過程中的大小及形狀不變，且被看成質(zhì)點處理，則單顆磨粒在軸線方向的位移為：

利用MATLAB 軟件畫出常規(guī)鉆削和振動鉆削工況下單顆磨粒的軌跡圖，如圖3 所示。其中：f_r=1/300 mm/r（10 mm/min），r = 4 mm，n = 3 000 r/min，A = 0.015 mm，f =125 Hz，頻轉(zhuǎn)比（套料鉆每旋轉(zhuǎn)1 周產(chǎn)生軸向往復(fù)振動的次數(shù)）w_f= 2.5 次/r。

由圖3 可以看出：常規(guī)鉆削中磨粒和工件始終保持接觸；而低頻軸向振動鉆削時，磨粒與工件時而接觸時而分離，這有利于套料鉆的冷卻，大大提高了套料鉆的壽命。

由于受低頻軸向振動的影響，鉆削時會產(chǎn)生一定的動態(tài)沖擊效應(yīng)，從而使鉆削力Fz 隨之改變。這種動態(tài)沖擊效應(yīng)在加工硬脆材料時會使材料產(chǎn)生更多、更深的裂紋， 進(jìn)而使材料去除更容易[13]。然而， GFRP復(fù)合材料是由樹脂基體和增強(qiáng)纖維體層疊形成的，樹脂容易遇熱軟化，大大降低其可切削性，從而加大鉆頭的磨損；且由圖3 可見低頻振動鉆削時，套料鉆Z 向的鉆削行程比常規(guī)鉆削時的大?；诖?，動態(tài)沖擊效應(yīng)不但沒有減小鉆削力，反而在一定程度上提高了GFRP鉆削時的鉆削力。

2 試驗裝置

試驗加工設(shè)備為MCV850-5 五軸加工中心， GFRP的整體鉆削試驗裝置如圖5 所示。利用低頻軸向振動刀柄 PG8040和直徑為8 mm 的新型薄壁金剛石套料鉆對厚度為10 mm 的GFRP 纖維板鉆孔，孔大小為8 mm，試驗鉆孔數(shù)量為46 個；通過 KISTLER 9 272 多分量測力儀測量軸向力的大小。在主軸轉(zhuǎn)速為3 020 r/min，進(jìn)給速度為12.5 mm/min，振幅為0.040 mm 時的軸向力曲線如圖6 所示，其Z 向鉆削力 Fz 呈明顯的周期性變化。鑒于試驗中的軸向力是不斷變化的，試驗所記錄的軸向鉆削力選取穩(wěn)定鉆削狀態(tài)時鉆孔的鉆削力平均值作為每次試驗軸向力的大小。探討超聲振幅、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響規(guī)律；借助基恩士 VK-X100激光掃描顯微鏡對套料鉆工作部進(jìn)行分析，揭示套料鉆磨損機(jī)理。

前期試驗確定的鉆削試驗參數(shù)及范圍如表1 所示。

其中：常規(guī)鉆削試驗以常規(guī)BT40 刀柄進(jìn)行制孔，其振幅為0，所制孔大小與數(shù)量與低頻軸向振動刀柄PG8040時的相同；低頻軸向振動鉆削試驗用振動刀柄PG8040進(jìn)行制孔，其振幅分別選用0.015，0.040，0.065 和0.090 mm4 個值。

試驗用GFRP 纖維板中的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，密度為2 g/cm³，彎曲強(qiáng)度為450 MPa，彎曲模量為20 GPa。新型薄壁金剛石套料鉆如圖7 所示，其工作部采用釬焊與燒結(jié)復(fù)合工藝制造，既保證了套料鉆的金剛石濃度同時也兼顧了燒結(jié)套料鉆的多層結(jié)構(gòu)。金剛石選擇時，考慮孔壁粗糙度、刀具的鋒利程度及刀具壽命等，采取金剛石磨料混合的方式，金剛石磨料由粒度代號分別為70/80、80/100、100/120 的3 種金剛石按質(zhì)量比為1∶1∶1 的比例混合而成。表1 中所用的新型薄壁金剛石套料鉆1#、2#、3#皆用此金剛石混合粒度磨料制成，且彼此間性能基本無差別。該薄壁金剛石套料鉆避免了金剛石磨損后無法及時補(bǔ)充、新刃無法及時出刃、磨料把持強(qiáng)度低等問題，具有既降低鉆削力又持續(xù)提高工作時間的特性。在保證鉆結(jié)合強(qiáng)度和剛度的前提下，薄壁金剛石套料鉆的厚度為 （0.4 ± 0.1） mm，僅為常規(guī)金剛石套料鉆厚度的1/5 左右[14]，其中工作部外端的外圓直徑為8 mm，從而使制孔試驗中的孔徑為8 mm。

3 結(jié)果及分析

3.1 軸向力分析

鉆削加工GFRP 孔時，鉆削時的軸向力是造成孔壁分層、孔出口撕裂的主要原因之一，會直接影響復(fù)合材料的鉆孔質(zhì)量。圖8 是表1 中的1#條件下振幅對軸向鉆削力的影響。如圖8 所示：常規(guī)鉆削時的軸向力比低頻振動鉆削時的軸向力小很多，這和文獻(xiàn)[15] 中常規(guī)鉆削時采用新型金剛石薄壁套料鉆的軸向力大為減小一致；且在振動鉆削加工中，隨著振幅的增加鉆削力也隨之增加。低頻振動鉆削時每轉(zhuǎn)振動2.5 次（頻轉(zhuǎn)比w_f= 2.5 次/r），且振幅A 遠(yuǎn)超f_r（以n = 3380 r/min，v_f =12.5 mm/min 為例，其f_r= 12.5/3 380 mm/r = 0.003 7 mm/r；而振動鉆削時的每轉(zhuǎn)振動幅度在0.015 mm 到0.090 mm ，即4.05 ≤ A/f_r≤ 24.32 ）。因此，低頻軸向振動時的最大瞬時進(jìn)給量比常規(guī)鉆削時的大得多，單位時間內(nèi)切削纖維的數(shù)量增加，故低頻振動鉆削的軸向力比常規(guī)鉆削的軸向力大。同時，低頻振動鉆削有利于切削液更新，以冷卻套料鉆。但實際振動鉆削時套料鉆行程加大，GFPR 中軟化的樹脂會黏結(jié)在套料鉆表面，遇冷卻液后再次凝固而增大了摩擦力，從而也增大了鉆削力，而且振幅越大，這種增大現(xiàn)象越明顯。

在表1 中的條件2#下，進(jìn)給速度對軸向力的影響如圖9 所示。由圖9 可知：主軸轉(zhuǎn)速不變時，隨著進(jìn)給速度增大，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 f_r也隨之增大，單位時間內(nèi)切削纖維的數(shù)量增加，使得軸向鉆削力增大；同時，切削區(qū)溫度升高會使GFRP 中的樹脂軟化并黏附在套料鉆工作部位上，降低套料鉆的鋒利性，鉆削軸向力隨之增大。低頻軸向振動鉆削時，由于大振幅的引入，其最大鉆削在表1 中的條件2#下，進(jìn)給速度對軸向力的影響如圖9 所示。由圖9 可知：主軸轉(zhuǎn)速不變時，隨著進(jìn)給速度增大，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 fr 也隨之增大，單位時間內(nèi)切削纖維的數(shù)量增加，使得軸向鉆削力增大；同時，切削區(qū)溫度升高會使GFRP 中的樹脂軟化并黏附在套料鉆工作部位上，降低套料鉆的鋒利性，鉆削軸向力隨之增大。

在表1 中的條件3#下，主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響如圖10 所示。由圖10 可知：進(jìn)給速度不變時，主軸轉(zhuǎn)速越高，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 fr 越小，鉆削的軸向力呈減小趨勢。低頻振動鉆削初期，排屑、切削液及時更新，有益于套料鉆的冷卻；隨著低頻振動鉆削的進(jìn)行，磨粒的工作行程加大，且套料鉆與工件的摩擦增大，使其軸向鉆削力增大。但GFRP 的鉆削過程是一個復(fù)雜的加工過程，需要考慮的因素很多，如果在試驗過程中采用內(nèi)冷卻方法，使其排屑方便、冷卻充分，其軸向鉆削力隨著轉(zhuǎn)速增大而減小的趨勢或許更明顯，同時也會大大延長套料鉆的使用壽命。

3.2 套料鉆燒焦概率和磨屑落料方式分析

金剛石顆粒脫落與基體燒焦是金剛石套料鉆失效的最主要原因。為減少重復(fù)試驗次數(shù)，在保證樣本量充足的前提下，進(jìn)行變鉆削參數(shù)的制孔綜合統(tǒng)計[2]，以套料鉆燒焦概率來對比振動加工和常規(guī)加工時的刀具壽命。由此在表1 加工試驗的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)的組合方式，增加單因素試驗和全因素試驗，得到表2 所示的金剛石套料鉆工況統(tǒng)計表。對于振動加工而言，在主軸轉(zhuǎn)速n₁為3 020，3 380和3 790 r/min，進(jìn)給速度v_f為10.0，12.5 和15.6 mm/min，振幅A 為0.015，0.040 和 0.065 mm 時構(gòu)成全因素試驗；同時，在表1 中2#條件的基礎(chǔ)上增加振幅A=0.090 mm時的試驗。因此，振動制孔試驗次數(shù)是3³+3+4=34 次。對于常規(guī)加工， 在表1中2#條件的基礎(chǔ)上增加n1 =3 790 r/min 的試驗，同時試驗過程中的2 次試刀也計入統(tǒng)計，常規(guī)制孔試驗次數(shù)為7+3+2=12 次。根據(jù)文獻(xiàn)[2]進(jìn)行變鉆削參數(shù)套料鉆GFRP 制孔試驗，套料鉆的燒焦概率R₁為：

R₁= 套料鉆燒焦次數(shù)=試驗次數(shù)×100% （6）

此外，磨屑的落料方式是GFRP制孔加工中另一重要的質(zhì)量指標(biāo)。磨屑能否自動脫落或能簡便快捷地取出，是衡量能否連續(xù)批量化加工GFRP 制孔的一個重要因素。在鉆削Al₂O₃工程陶瓷及其層疊復(fù)合構(gòu)件時，需要停機(jī)手動從套料鉆側(cè)壁的狹長槽中取出磨屑，從而影響了批量化制孔加工的效率[10，15]。ZHENG 等[13]對Al₂O₃工程陶瓷進(jìn)行了新式套料鉆的低頻振動加工試驗，發(fā)現(xiàn)磨屑可以實現(xiàn)自動落料，但很少有對GFRP低頻振動磨屑落料方式的報道。為此，在進(jìn)行金剛石套料鉆鉆削GFRP 孔試驗時，統(tǒng)計未自動落料及自動落料次數(shù)，計算自動落料率R₂（自動落料次數(shù)與試驗總次數(shù)的百分比）。

如表2 所示：常規(guī)鉆削在第6 次鉆孔時出現(xiàn)了燒焦現(xiàn)象， 套料鉆的燒焦概率為8.33%， 自動落料率為75.00%；而低頻振動鉆削試驗共進(jìn)行了34 次，GFRP 制孔過程中未出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，僅有4 次未自動落料，其自動落料率為88.24%。

利用VK-X100 激光掃描顯微鏡對金剛石套料鉆工作部的外側(cè)面放大觀察，結(jié)果如圖11 所示。圖11a的常規(guī)鉆削中，表層和下層的金剛石已全部脫落，且在鉆削過程中鉆頭基體部分與工件發(fā)生劇烈摩擦，基體表面已磨平；在圖11b 的低頻振動鉆削時，在34 次制孔（表2）后套料鉆雖未出現(xiàn)燒焦失效，但工作部的基體部分已出現(xiàn)擦傷，其表層金剛石有脫落，部分下層金剛石逐步出刃而參與磨削。因此，新型薄壁套料鉆利用低頻軸向振動技術(shù)在GFRP 上制孔的優(yōu)勢明顯，可大大降低套料鉆燒焦的概率，因而延長套料鉆壽命。究其原因，是在低頻軸向振動鉆削時，振動鉆削的鉆削力雖比常規(guī)鉆削時的大，但由于在振動周期內(nèi)磨粒間斷性地參與鉆削加工過程，只有一半時間參與鉆削，給鉆頭的冷卻提供了幫助，從而延長了其使用壽命。

由表2 還可知：在12 次常規(guī)鉆削和34 次振動鉆削過程中，新型薄壁金剛石套料鉆表現(xiàn)出很好的優(yōu)勢，自動落料率分別高達(dá)75.00% 和88.24%，且振動鉆削時的較高。究其原因是套料鉆工作部壁薄，高低錯落的波浪齒形使得容屑空間增大，磨屑未大量黏附在套料鉆內(nèi)壁，因而摩擦力較小。此外，在套料鉆釬焊時，采用了細(xì)粒度的金剛石顆粒，產(chǎn)生的磨屑小且不易堵塞容屑空間；加之低頻軸向振動加工使得工作部內(nèi)壁對磨屑的外圓柱面進(jìn)行軸向重復(fù)間斷性磨削，此時冷卻較為充分，降低了兩者間的摩擦，有利于磨屑的排出。同時，周期性地軸向低頻振動引起慣性力作用，有助于磨屑自動脫落，提高了其自動落料率。

4 結(jié)論

采用新型薄壁金剛石套料鉆結(jié)合低頻軸向振動加工技術(shù)對GFRP 制孔，分析低頻軸向振動套孔加工中的運(yùn)動學(xué)特性、動力學(xué)特性和加工機(jī)理，試驗研究制孔中的軸向力變化規(guī)律，并對套料鉆的燒焦概率及磨屑的自動落料率進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)鉆削，低頻振動套孔加工時的瞬時進(jìn)給量比常規(guī)鉆削時的大，其軸向鉆削力較常規(guī)鉆削時的大，且隨超聲振幅的增大，其軸向鉆削力也隨之增大。

（2）當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不變時，隨著進(jìn)給速度的增大，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量也隨之增大，單位時間內(nèi)切削纖維的數(shù)量增加，使得軸向鉆削力增大；當(dāng)進(jìn)給速度不變時，主軸轉(zhuǎn)速越高，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量越小，其鉆削力呈現(xiàn)減小的趨勢。但2 種情況下的鉆削力都比常規(guī)鉆削時的大。

（3）在低頻軸向振動鉆削時，套料鉆磨粒間斷性地參與磨削過程，金剛石逐步出刃，未出現(xiàn)燒焦及基體劇烈磨損現(xiàn)象，提高了套料鉆壽命；而常規(guī)鉆削時，套料鉆的基體幾乎被磨平，其燒焦概率為8.33%。

（4）常規(guī)鉆削時的磨屑自動落料率為75.00%，而低頻軸向振動鉆削時的磨屑自動落料率高達(dá)88.24%，可實現(xiàn)GFRP 的連續(xù)批量制孔。