李云義 李樹健 李鵬南 王春浩 趙永鋒

（1 湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，永州 425000）

（2 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

文 摘 因CFRP、TC4材料的物理性能差異較大，導(dǎo)致CFRP/TC4疊層構(gòu)件切削性能匹配性較差，鉆削過程中存在界面損傷、CFRP 孔壁損傷難以調(diào)控的問題。針對上述問題，本文采用變參數(shù)啄式鉆削工藝、變參數(shù)鉆削工藝和恒參數(shù)鉆削工藝對CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制孔實(shí)驗(yàn)，并對不同工藝條件下的軸向力、界面質(zhì)量、TC4的切屑形態(tài)、CFRP 層孔壁質(zhì)量進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：相對于其他兩種鉆削工藝，在變參數(shù)啄式鉆削工藝條件下，TC4 材料層軸向力明顯較高，產(chǎn)生短帶狀和短螺旋狀切屑；CFRP 層出口和入口處的孔徑更接近于名義孔徑，孔壁缺陷較少，表面粗糙度相對較小。

0 引言

由CFRP和TC4鈦合金組成的CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)裝配制造中應(yīng)用廣泛。在對CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆削制孔時(shí)，由于CFRP和TC4的材料物理性能存在較大差異，導(dǎo)致CFRP材料與TC4材料的切削性能匹配性較差。例如，CFRP層的切削速度和進(jìn)給量可高達(dá)TC4鈦合金的十倍［1］。因此，在疊層結(jié)構(gòu)的一體化制孔中，采用同一鉆削參數(shù)難以滿足高精度制孔要求［2-3］。研究人員常利用界面分層、熱損傷、孔徑一致性差、CFRP孔壁損傷等加工缺陷衡量、評判CFRP/TC4疊層的制孔質(zhì)量。相關(guān)文獻(xiàn)表明，連續(xù)長帶狀的TC4切屑對CFRP孔壁形成的刮擦作用是導(dǎo)致疊層結(jié)構(gòu)界面、孔壁質(zhì)量難以保證的根本原因［4-5］。因此，TC4切屑也常作為CFRP/TC4疊層制孔質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一［6-8］。如何提高CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)制孔的TC4斷屑能力，降低CFRP 孔壁的二次損傷成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［9-10］。

RAMULU等［11］研究表明，CFRP/TC4疊層板鉆削時(shí)會(huì)產(chǎn)生CFRP基體燒傷、TC4毛刺等加工缺陷。KIM等［12］通過對（Gr-Bi）/TC4疊層結(jié)構(gòu)開展鉆削實(shí)驗(yàn)，指出鈦合金加工所產(chǎn)生的切削熱及切屑排出過程對界面加工有顯著影響，并會(huì)造成疊層界面的二次損傷。此外他們還發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速的增加易加劇刀具磨損和入、出口表面的毛刺缺陷形成，提高進(jìn)給量可減少高溫鈦合金切屑引起的表面損傷，但會(huì)增加軸向鉆削力。BRINKSMEIER 等［13］研究表明，CFRP/TC4疊層板的切削速度越高制孔缺陷越嚴(yán)重。金曉波等［14］分別針對CFRP/TC4疊層板和CFRP單板進(jìn)行鉆孔模擬，分析了切削參數(shù)對軸向力和加工質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，采用大的主軸轉(zhuǎn)速和小的進(jìn)給速度能夠降低CFRP層的軸向力，從而改善孔的加工質(zhì)量。南成根等［15］分析了TC4切屑對CFRP制孔質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，加工CFRP時(shí)應(yīng)使用較高的切削速度，加工鈦合金時(shí)應(yīng)使用較低的切削速度。DENKENA等［16］采用螺旋銑孔的方式對CFRP/TC4疊層板進(jìn)行制孔研究，研究表明，與傳統(tǒng)鉆削方式相比，螺旋銑孔方式能夠降低出口毛刺和分層缺陷。董輝躍等［17］基于螺旋銑削變偏心距加工的特點(diǎn)，指出利用螺旋銑孔工藝可提高CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)的制孔精度。秦月等［18］采用自動(dòng)進(jìn)給鉆頭對TC4/復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鉆、擴(kuò)、鉸3次加工工序的制孔實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示制孔效率明顯提升。

本文基于前人的研究，以CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)鉆削軸向力、界面質(zhì)量、TC4 切屑形態(tài)、CFRP 孔壁損傷作為響應(yīng)目標(biāo)，探究變參數(shù)啄式鉆削工藝、變參數(shù)鉆削工藝和恒參數(shù)鉆削工藝下的CFRP/TC4 疊層鉆削性能，尋求CFRP/TC4疊層的高質(zhì)量制孔技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

采用CFRP/TC4疊層板（CFRP為T700/LT-03A，鈦合金為TC4）為試驗(yàn)材料，CFRP和TC4的厚度分別為3和10 mm。試驗(yàn)刀具為整體硬質(zhì)合金麻花鉆（K10），直徑為6 mm，鉆頭頂角為130°，螺旋角為25°。

鉆削加工實(shí)驗(yàn)平臺由KVC800/1 立式加工中心、三向壓電式測力系統(tǒng)等組成，如圖1所示。使用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX-500FE）、表面結(jié)構(gòu)測量儀（Mar Surf M 300）、掃描電子顯微鏡（JSMIT100 JEOL）等對制孔質(zhì)量進(jìn)行檢測和表征。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 Experimental device and data acquisition system

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

（1）變參數(shù)啄式鉆削工藝

采用主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.025 mm/r的加工參數(shù)來加工CFRP 層。當(dāng)CFRP 層完全鉆出時(shí)停止鉆削，鉆頭后退至工件上表面，繼續(xù)采用主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.05 mm/r對TC4 鈦合金層進(jìn)行鉆削，鉆削層深分別為Q=0.1、0.3、0.5、1 mm，直至TC4 層完全鉆穿。在此過程中，TC4 層每鉆削一個(gè)層深Q，將刀具抬起，然后繼續(xù)循環(huán)相應(yīng)操作。待加工完成后收集鈦合金切屑，并用吸塵器將CFRP切屑清理干凈。

（2）變參數(shù)鉆削工藝

采用主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.025 mm/r 鉆削CFRP 層。采用主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.05 mm/r 加工鈦合金層。當(dāng)鉆頭鉆穿CFRP 層時(shí)，退刀至工件上表面，并改變鈦合金層加工參數(shù)為：n=600 r/min，f=0.05 mm/r，鉆削至TC4層完全鉆穿。

（3）恒參數(shù)鉆削工藝

采用恒定主軸轉(zhuǎn)速n=600 r/min，恒定每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.05 mm/r 對CFRP/TC4 疊層板進(jìn)行恒參數(shù)鉆削加工，直至疊層板被完全鉆穿。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸向鉆削力

不同加工工藝條件下的CFRP 層、TC4 層的軸向鉆削力如圖2所示。

圖2 不同鉆削工藝下的軸向鉆削力Fig.2 Drilling axial force under different drilling processes

可以發(fā)現(xiàn)，較高轉(zhuǎn)速下CFRP 層的軸向鉆削力明顯降低。而對于TC4 鈦合金層，當(dāng)采用變參數(shù)啄式鉆削工藝時(shí)，其軸向力相對較高。這是因?yàn)椋谶M(jìn)行變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削時(shí)，刀具與工件材料會(huì)發(fā)生持續(xù)的接觸和力學(xué)載荷，導(dǎo)致鉆削溫度相對較高，此時(shí)鈦合金材料會(huì)存在溫度升高趨勢，甚至產(chǎn)生熱軟化而易于加工，從而導(dǎo)致軸向鉆削力降低。

2.2 疊層界面

按CFRP→TC4的切削加工順序，對不同加工工藝下的CFRP層出口形貌和TC4層入口形貌進(jìn)行了采集分析，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削相比，變參數(shù)啄式鉆削時(shí)的CFRP出口處無損傷環(huán)、啃邊、毛刺等缺陷出現(xiàn)，出口質(zhì)量相對較好。這是因?yàn)椋儏?shù)啄式鉆削加工時(shí)鉆頭橫刃、主切削刃與工件之間存在周期性的“接觸-分離”運(yùn)動(dòng)。在鉆頭周期性向上運(yùn)動(dòng)的過程中，螺旋排屑槽面對連續(xù)的鈦合金切屑具有強(qiáng)制提拉力，易使切屑產(chǎn)生變形、斷裂，進(jìn)而形成表面不連續(xù)的切屑，并沿刀具螺旋槽排出工件外。此時(shí)切屑不易侵入疊層界面區(qū)域，因而對CFRP層出口處的損傷較小。另外，由于所選擇的加工參數(shù)均較小，在CFRP層出口處未出現(xiàn)樹脂燒傷現(xiàn)象，TC4入口處較為光潔，無樹脂燒傷粘連現(xiàn)象。

圖3 不同加工工藝下CFRP層、鈦合金層界面形貌Fig.3 Interface morphology of CFRP layer and titanium alloy layer under different processing techniques

不同加工工藝條件下的CFRP 孔入口和出口孔徑、TC4層孔徑如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，變參數(shù)啄式鉆削工藝下（層深Q=0.1 mm）獲得的CFRP 層出口孔徑明顯小于其余兩種工藝條件下。這是因?yàn)?，恒參?shù)鉆削工藝采用的是低轉(zhuǎn)速直接鉆通TC4 層，而CFRP 層更適宜于較高的切削加工參數(shù)，從而使得CFRP 層孔徑增大。此外，由于TC4 切屑在排出時(shí)，切屑侵入疊層界面對CFRP 層的出口處造成二次損傷，導(dǎo)致變參數(shù)鉆削工藝條件下的CFRP 層出口孔徑明顯大于變參數(shù)啄式鉆削工藝。

圖5給出了變參數(shù)啄式鉆削工藝下，不同鉆削層深時(shí)的CFRP 層出口形貌和TC4 層入口形貌?？梢钥闯觯捎米氖姐@削工藝所獲的疊層界面出口、入口形貌均無較大加工缺陷。當(dāng)層深為0.5 和1 mm 時(shí)CFRP 層出口處存在細(xì)小毛刺。層深為1 mm 時(shí)CFRP 層出口處有部分區(qū)域出現(xiàn)錐形孔壁。CFRP 層孔出口均未出現(xiàn)樹脂燒傷或TC4 燒傷等缺陷，可見層深對鈦合金出口處表面形貌影響較小。

圖5 不同鉆削層深度CFRP層、鈦合金層界面形貌Fig.5 Interface morphology of CFRP layer and titanium alloy layer at different drilling depths

對不同啄鉆層深度的CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)界面處孔徑進(jìn)行測量，如圖6所示。隨著啄式鉆削層深的增大，CFRP層出口直徑呈逐漸增大的趨勢，且均大于鈦合金層直徑。這是因?yàn)?，隨著鉆削層深的增大，TC4切屑長度逐漸增大，對CFRP層出口處的損傷及其對應(yīng)的孔壁刮擦作用逐漸加劇。但CFRP層入口孔徑和鈦合金層孔徑較穩(wěn)定，基本不隨鉆削層深的變化而變化。當(dāng)層深Q=0.1 mm時(shí)，CFRP層出口、入口、鈦合金層的孔徑分別為：6.05、6.04、6.02 mm，分別大于孔的名義直徑0.05、0.04、0.02 mm。在恒參數(shù)鉆削時(shí)，CFRP層出口、入口、鈦合金層的孔徑分別為：6.28、6.17、6.09 mm，分別大于孔的名義直徑0.28、0.17、0.09 mm。上述相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，變參數(shù)啄鉆工藝所獲得的制孔精度要遠(yuǎn)高于恒參數(shù)鉆削工藝。

圖6 啄式鉆削工藝下不同層深時(shí)的孔出入口直徑Fig.6 The diameter of the entrance and exit of the hole at different depths under the pecking drilling process

2.3 切屑形態(tài)

圖7為CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)在不同鉆削工藝條件下的TC4 切屑形貌。在變參數(shù)啄式鉆削工藝下，切屑形態(tài)為規(guī)則的短帶狀和短螺旋狀切屑，在另外兩種鉆削工藝下，切屑均為長帶狀和長螺旋狀。且由于切屑在排出時(shí)，鈦合金切屑受到刀具和孔壁的擠壓、摩擦作用，會(huì)由于嚴(yán)重的擠壓變形而卷曲，此時(shí)切屑堅(jiān)硬而鋒利，在沿著刀具螺旋槽上升過程中，極易對CFRP層已加工孔壁造成嚴(yán)重劃傷。

圖7 不同加工工藝下的切屑形態(tài)Fig.7 Chip shape diagram under different processing technology

啄式鉆削加工工藝在空間上實(shí)現(xiàn)了刀具沿其軸線方向上的間歇式進(jìn)給鉆削過程，如圖8所示。在啄式鉆削過程中，鉆削鈦合金層時(shí)產(chǎn)生的切屑厚度、切削寬度和切屑長度可由式（1）-（3）計(jì)算。

圖8 啄式鉆削刀具路徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of pecking drilling tool path

式中，D為刀具直徑；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；ξh為切屑變形系數(shù)；φ為鉆尖半鋒角；Q為啄鉆層深；d為切屑的排屑退刀量，其值的大小由系統(tǒng)參數(shù)確定。

可知，啄式鉆削工藝的層深與進(jìn)給速度直接決定鈦合金切屑的長度，采用更小的層深可以獲得長度更短的切屑。但層深越小，鉆削加工效率也越低，因此，選擇進(jìn)給速度時(shí)應(yīng)折中考慮。另外，切屑厚度主要由進(jìn)給速度決定，進(jìn)給速度越大，鈦合金切屑也越厚。啄式鉆削工藝通過調(diào)整啄鉆層深控制刀具與工件材料接觸時(shí)間的長短，可實(shí)現(xiàn)對切屑長度的主動(dòng)控制。圖9 展示的是不同啄鉆層深下的鈦合金切屑形貌。Q=0.1 mm 時(shí)，鈦合金切屑長度極短，接近刀具直徑，刀具每旋轉(zhuǎn)2 轉(zhuǎn)強(qiáng)制提刀斷屑一次，鈦屑呈碎屑狀，在排出時(shí)不易堵塞刀具螺旋槽。在啄鉆層深Q=0.3、0.5、1 mm 時(shí)，刀具分別每旋轉(zhuǎn)6 轉(zhuǎn)、10轉(zhuǎn)、20 轉(zhuǎn)斷屑一次，此時(shí)鈦合金切屑已逐步呈現(xiàn)螺旋狀。

圖9 CFRP/TC4疊層結(jié)構(gòu)啄式鉆削工藝下的鈦合金切屑形態(tài)Fig.9 Titanium alloy chip morphology under CFRP/TC4 stacks structure pecking drilling process

2.4 CFRP層孔壁質(zhì)量

圖10 為不同加工工藝下的CFRP 層孔壁形貌。可以看出，變參數(shù)啄式鉆削工藝下的CFRP 層孔壁質(zhì)量相對其他兩種工藝較好，劃痕較淺且表面凹坑減少。變參數(shù)鉆削工藝和傳統(tǒng)直鉆工藝的CFRP 層孔壁表面均存在大小不一的凹坑，但恒參數(shù)鉆削下的CFRP 層表面凹坑面積更大，劃痕更深。其原因?yàn)椋阂环矫?，啄式鉆削工藝斷屑能力強(qiáng)，強(qiáng)制提刀斷屑使得TC4 切屑短而規(guī)則，從而更易排出，減輕了TC4 屑對CFRP 層已加工孔壁的二次損傷；另一方面，相對于恒參數(shù)鉆削工藝，采用變參數(shù)啄式鉆削工藝時(shí)，CFRP 層所取的高主軸轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度，更適用于CFRP 的鉆削加工，因而可有效降低因鉆削參數(shù)不匹配所導(dǎo)致的損傷。

圖10 不同加工工藝下CFRP孔壁形貌圖Fig.10 Morphology of CFRP and titanium alloy hole walls under different processing techniques

通過對不同鉆削工藝的CFRP層、TC4層孔壁表面粗糙度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)變參數(shù)啄式鉆削工藝獲得的CFRP層孔壁表面粗糙度較其他兩種工藝更小，孔壁表面相對更為光潔平整。TC4層的孔壁表面粗糙度同樣小于其他兩種工藝。其原因?yàn)椋阂环矫?，變參?shù)啄式鉆削工藝相對于其他兩種工藝屬于間歇式切削，啄式鉆削的層深越小，鉆頭切削刃每次與TC4相互作用接觸的時(shí)間越短，并且提刀的次數(shù)越多，鉆頭在空氣中得到冷卻的次數(shù)增加，有利于鉆削溫度的降低而減少樹脂燒傷等熱損傷；另一方面，變參數(shù)啄式鉆削工藝使得TC4切屑呈短碎屑狀，不易堵塞螺旋槽，易于切屑排出，從而減輕了TC4切屑對孔壁的二次損傷。

圖11給出了不同啄鉆層深下，疊層結(jié)構(gòu)界面區(qū)域CFRP層孔壁損傷的形貌?？梢钥闯?，隨著鉆層深的增大，CFRP層表面缺陷逐漸增多，凹坑面積增大劃痕程度增加。當(dāng)啄鉆層深Q=0.1 mm時(shí)，CFRP層孔壁表面僅有少量凹坑和輕微鈦合金切屑劃痕，表面較為平整，此時(shí)表面粗糙度值為1.86 μm。在啄鉆深層Q=0.3、0.5、1 mm時(shí)，CFRP層孔壁表面存在局部較深的表面凹坑，所對應(yīng)的表面粗糙度值分別為2.016、2.456、3.136 μm。由此可見，啄鉆層深越小，所形成的鈦合金切屑尺寸越小，從而可降低鈦合金切屑對CFRP層孔壁的損傷，有效提高CFRP層孔壁表面質(zhì)量。

圖11 層深對CFRP層已加工孔壁的影響Fig.11 The effect of layer depth on the processed hole wall of CFRP layer

3 結(jié)論

（1）與變參數(shù)鉆削和恒參數(shù)鉆削相比，變參數(shù)啄式鉆削時(shí)的CFRP 出口處無損傷環(huán)、啃邊、毛刺等缺陷出現(xiàn)，出口質(zhì)量相對較好。

（2）變參數(shù)啄式鉆削工藝下的TC4 切屑為短帶狀和短螺旋狀，有利于TC4 切屑的排出，而其他兩種工藝的切屑較長且有一定程度的變形，堵塞刀具螺旋槽嚴(yán)重?fù)p害制孔質(zhì)量。啄鉆層深越小，TC4切屑越短，疊層界面處加工質(zhì)量越好，相較于其他兩種傳統(tǒng)工藝，對孔壁質(zhì)量有明顯提高。

（3）變參數(shù)啄式鉆削工藝的CFRP 層出、入口處直徑更接近于孔的名義尺寸，孔壁缺陷少、表面粗糙度更低。