李 哲 王 超 朱雁南 萬 青 張樂軍

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076）

文摘 概括總結(jié)了刀具類型及工藝方法對纖維增強復(fù)合材料（FRC）制孔加工質(zhì)量影響的最新研究進(jìn)展。首先介紹了FRC 的分類、特性及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及傳統(tǒng)麻花鉆制孔刀具及工藝存在的加工缺陷及問題；其次，概述了FRC制孔的分層缺陷形成及評價；再次，從制孔刀具類型及工藝方法兩方面，分別概述了FRC 制孔加工質(zhì)量的研究進(jìn)展，并總結(jié)了改善制孔加工質(zhì)量的新刀具、新工藝和新方法；最后，分析總結(jié)了刀具類型及工藝方法對FRC制孔加工質(zhì)量效果的影響，同時對未來發(fā)展趨勢和未來工作研究可能方向進(jìn)行了展望。

0 引言

纖維增強復(fù)合材料（FRC），主要包括碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料（GFRP），具有密度小、比強度高、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、阻尼減震性好、性能及結(jié)構(gòu)可設(shè)計、復(fù)雜部件易成型等特點及優(yōu)勢，近年來，F(xiàn)RC的使用量日益漸增，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，如飛機蒙皮及骨架、發(fā)動機機匣及葉片、火箭及導(dǎo)彈整流罩與艙段等結(jié)構(gòu)中，例如：波音787 客機的復(fù)合材料使用量達(dá)到50%、F35 和F22 戰(zhàn)斗機的復(fù)合材料使用量分別達(dá)到35%和25%［1-15］。

FRC 在使用過程中，需要預(yù)先加工出大量孔以便于與其他結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行連接和裝配，因此其制孔過程是必不可少的［14-17］。然而，由于FRC 自身的特點，使其屬于典型的難加工硬脆材料，它的制孔技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點［1-9］。

在FRC的傳統(tǒng)制孔過程中，采用傳統(tǒng)麻花鉆進(jìn)行普通鉆孔，由于鉆削力較大、切削溫度較高、刀具幾何參數(shù)不佳、切削工藝參數(shù)影響大等，導(dǎo)致存在多種加工質(zhì)量缺陷、加工效果較差等問題，例如：復(fù)合材料孔分層、撕裂、毛刺、纖維拔出及表面質(zhì)量差，復(fù)合材料切削熱損傷大、層間結(jié)合力下降及承載能力下降、切屑黏刀及孔加工效率低，鉆頭刀具易磨損、使用壽命短，切屑粉塵多、環(huán)境污染嚴(yán)重等；另外，相比于復(fù)合材料孔撕裂、毛刺及纖維拔出等一般缺陷，分層缺陷對于孔質(zhì)量影響更為嚴(yán)重并作為孔失效破壞的主要模式，分層缺陷將降低孔表面完整性、層間結(jié)合強度、孔疲勞強度及承載性能、孔徑公差等［18-29］。這極不滿足高質(zhì)、高效、低成本加工的可持續(xù)性發(fā)展要求。

為改善以上問題，已發(fā)表的一些文獻(xiàn)對FRC 中CFRP 和GFRP的制孔加工質(zhì)量分別在刀具類型和工藝方法方面進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了部分改進(jìn)效果［3-9，18-25］。但還沒有文獻(xiàn)全面綜合性概述關(guān)于FRC（CFRP 和GFRP）制孔過程中刀具類型及工藝方法對制孔加工質(zhì)量效果的影響研究。

本文首次全面系統(tǒng)地概述相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于加工刀具類型及工藝方法對FRC（CFRP 和GFRP）制孔加工質(zhì)量的影響研究，分析總結(jié)FRC 制孔過程降低或抑制加工缺陷形成、改善制孔加工質(zhì)量效果的機理和方法，并對未來發(fā)展趨勢及研究方向可能性進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 FRC鉆孔過程分層缺陷形成和評價

1.1 分層類型及形成機理

在FRC 傳統(tǒng)鉆孔過程中，鉆頭受到由軸向鉆削力、切向力、徑向力之和形成扭矩作用。由于鉆頭橫刃中心線速度為零產(chǎn)生向下純擠壓推擠作用、橫刃為負(fù)前角切削產(chǎn)生向下切削推力、主切削刃受軸向鉆削力作用產(chǎn)生向下切削推力并且受到切向力形成扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力，在FRC 入口鉆削過程未切削層相對已切削層較厚使得孔底承載能力較強、孔口承載能力較差，從而形成入口張開型和撕開型裂紋的剝離分層，并且以扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力的撕開型裂紋為主，如圖1（a）所示。在FRC 出口鉆削過程中，未切削層相對已切削層較薄使得孔底承載能力較差、較厚的已切削層對主切削刃受扭矩作用產(chǎn)生向上切削推力具有較強承載作用，從而形成出口張開型和滑移型裂紋的頂出分層，并且以向下推擠力和鉆削力產(chǎn)生向下切削推力作用形成的張開型裂紋為主，同時出口會伴有撕裂和毛刺，如圖1（b）所示［6，19，30-33］。此外，鉆削力與分層呈線性關(guān)系、鉆削力越大分層越嚴(yán)重，并且鉆削力主要受切削參數(shù)中進(jìn)給率的影響較大［20，34-38］，如圖2和3所示。

圖1 FRC鉆孔過程入口和出口的分層機理及損壞模式［6，19，30-33］Fig.1 Mechanism and damage mode of delamination in drilling FRC［6，19，30-33］

圖2 FRC鉆孔過程鉆削力與分層形成關(guān)系［34］Fig.2 The relationship of thrust force and delamination formation in drilling FRC［34］

圖3 基于麻花鉆的CFRP鉆孔過程鉆削力與轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率的關(guān)系［38］Fig.3 The relationship of thrust force，spindle speed and feed rate in drilling CFRP using twist drill［38］

在圖2中，H為FRC工件厚度，h為工件未鉆削層厚度，Rdl為鉆孔的分層裂紋半徑，F(xiàn)T為麻花鉆軸向鉆削力并且以集中載荷作用在麻花鉆端刃，Rt為麻花鉆半徑，F(xiàn)CT為麻花鉆制孔出現(xiàn)分層時的臨界鉆削力。由圖2的FRC鉆孔過程中鉆削力與分層形成關(guān)系示意圖可知，由于麻花鉆的橫刃較寬、軸向鉆削力作用到鉆尖刃部為集中載荷，鉆尖中心線速度近于零導(dǎo)致接近擠壓效果并非切削效果，使得FRC孔底局部載荷集中、擠壓力較大，從而容易引發(fā)分層裂紋，只要制孔的軸向鉆削力FT大于臨界鉆削力FCT，就會產(chǎn)生分層裂紋現(xiàn)象，并且軸向鉆削力越大，載荷局部作用越集中將導(dǎo)致分層越嚴(yán)重，分層程度與鉆削力近似呈線性關(guān)系，產(chǎn)生Rdl時的麻花鉆臨界鉆削力FCT可表達(dá)為［34］：

式中，E為FRC的彈性模量，ν為FRC的泊松比，GIC為單位面積上臨界分層裂紋擴展能量。

LI等［39］和KHASHABA等［40］進(jìn)行了不同進(jìn)給率參數(shù)的CFRP和GFRP鉆孔試驗研究，對比了不同進(jìn)給率對孔入口剝離分層、出口頂出分層、伴有出口撕裂與毛刺形成的影響程度，相比孔入口，孔出口頂出分層、撕裂與毛刺缺陷比較嚴(yán)重，并且隨進(jìn)給率增加而使得分層、撕裂與毛刺缺陷變得更加嚴(yán)重，如圖4和5所示。

圖4 不同進(jìn)給率的CFRP鉆孔分層、撕裂及毛刺缺陷圖［39］Fig.4 Photographs of delamination，tearing and burr defect after drilling CFRP using different feed rates［39］

圖5 不同進(jìn)給率的GFRP鉆孔分層、撕裂及毛刺缺陷圖［40］Fig.5 Photographs of delamination，tearing and burr defect after drilling GFRP using different feed rates［40］

1.2 分層評價方法

針對FRC 鉆孔的分層缺陷程度而言，相關(guān)文獻(xiàn)中研究人員進(jìn)行了不同的評價方法及對比分析研究［19，21，38，41-51］，提出采用鉆孔分層因子評價分層缺陷程度，如表1及圖6所示。在表1中，一般對于分層評價精度要求不高情況多采用一維分層因子Fd=DmaxDnom的簡便公式，而對于分層評價精度要求較高時，可采用二維分層因子、修正分層因子、等效分層因子及三維分層因子的計算公式，同時，分層因子Fd與軸向鉆削力之間呈線性關(guān)系，軸向力越大則分層因子越大，分層裂紋缺陷程度也就越嚴(yán)重。

表1 FRC鉆孔分層程度評價的常用方法Tab.1 The commonly used methods to quantify the delamination extent in drilling FRC

圖6 分層因子示意圖［19］Fig.6 Schematic of delamination factor［19］

2 刀具類型對孔加工質(zhì)量影響的研究進(jìn)展

因FRC 的自身特點，使得傳統(tǒng)類型刀具制孔過程易出現(xiàn)孔分層、撕裂及表面質(zhì)量差的加工缺陷，以及鉆削力大、切削溫度高、刀具磨損快、制孔效率低的問題。為改善這些制孔缺陷和存在的問題，需從制孔刀具材料、刀具幾何刃型、刀具結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，開發(fā)出高質(zhì)、高效的制孔刀具［2，32，52-58］。

2.1 刀具材料

在FRC 的制孔刀具材料研究方面，一般多采用硬質(zhì)合金鉆頭、聚晶金剛石PCD 鉆頭及涂層鉆頭。XU 等［38］采用PCD 鉆頭對CFRP 進(jìn)行鉆孔試驗研究，發(fā)現(xiàn)PCD 鉆頭的主要磨損形式為磨粒磨損與黏著磨損，相比硬質(zhì)合金與高速鋼材料鉆頭，PCD 鉆頭的鉆孔質(zhì)量及刀具壽命都有顯著提高。KARPAT 等［59-61］采用PCD 鉆頭進(jìn)行了CFRP的鉆孔試驗，獲得了較好的孔表面質(zhì)量、較少的孔出口毛刺撕裂及分層缺陷，極大提高了鉆頭耐磨性、延長了刀具使用壽命。CELIK 等［62］采用SiAlON 陶瓷鉆頭及WC-Co 硬質(zhì)合金鉆頭對CFRP 進(jìn)行了鉆孔對比試驗，表明刀具的耐磨性極大影響著鉆削力、孔分層撕裂缺陷及鉆孔質(zhì)量，并且硬質(zhì)合金鉆頭的耐磨性及抗沖擊性明顯好于陶瓷刀具，陶瓷刀具不適合FRP的鉆孔加工。

RAJ等［63］采用無涂層與金剛石涂層硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行了CFRP鉆孔的試驗研究。結(jié)果表明，相比無涂層鉆頭，金剛石涂層鉆頭極大降低了刀具磨損速度、提高了刀具耐用度及使用壽命，有效降低了孔出口毛刺、分層撕裂缺陷及孔表面粗糙度（Ra）值，明顯改善了CFRP鉆孔表面質(zhì)量及出口質(zhì)量。WANG等［64］采用無涂層、金剛石涂層與AlTiN涂層WC-Co硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行了CFRP的鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比無涂層鉆頭，涂層鉆頭具有較好的耐磨性、明顯降低了鉆頭磨損速度，并且超硬的金剛石涂層鉆頭耐磨性效果明顯優(yōu)于AlTiN 涂層鉆頭。REDOUANE 等［65］采用無涂層與nc-CrAlN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行了CFRP的鉆孔試驗。結(jié)果表明，相比無涂層鉆頭，納米涂層鉆頭有效降低鉆削力10%～15%，降低Ra值約50%，明顯改善了CFRP孔的表面質(zhì)量。LACALLE等［66］采用無涂層與不同厚度TiAlN涂層WC-Co硬質(zhì)合金多齒鉆頭進(jìn)行了CFRP鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比無涂層鉆頭，6% Co含量及4 μm厚度TiAlN涂層硬質(zhì)合金鉆頭的刀具耐用度及切削效果達(dá)到最佳。EL-HOFY等［67］采用PCD刀具與金剛石涂層WC硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了CFRP銑槽加工，對比試驗表明PCD刀具具有更高的刀具耐用度，且CFRP加工表面質(zhì)量更好。

相比PCD鉆頭，硬質(zhì)合金鉆頭的制造成本較低、韌性較好，結(jié)合鉆頭表面涂層優(yōu)勢，在FRP的鉆孔過程中一般多采用硬質(zhì)合金鉆頭或涂層硬質(zhì)合金鉆頭，在FRP鉆孔質(zhì)量要求較高情況時可考慮采用PCD鉆頭［66-67］。

2.2 刀具刃型幾何角度

在FRC 的制孔刀具幾何研究方面，鉆頭頂角及橫刃極大影響著鉆削力及鉆孔加工質(zhì)量，隨著頂角或橫刃的增大而使得鉆削力明顯增大，易出現(xiàn)FRP鉆孔的毛刺、分層及撕裂缺陷以及較差的孔表面質(zhì)量，導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量明顯下降［57，68-70］。GAITONDE等［71］采用85°、118°及135°頂角硬質(zhì)合金鉆頭對CFRP 進(jìn)行了鉆孔試驗研究，對比表明85°小頂角鉆頭能夠有效降低鉆孔分層、出口毛刺及撕裂缺陷，降低鉆削力。RUBIO 等［49］采用115°及85°頂角硬質(zhì)合金鉆頭對GFRP 進(jìn)行了鉆孔試驗研究，對比表明85°小頂角鉆頭能夠有效降低鉆孔分層、出口毛刺及撕裂缺陷。因此，適當(dāng)?shù)慕档豌@頭頂角及橫刃更加有利于提高制孔質(zhì)量。

2.3 刀具結(jié)構(gòu)

在FRC的制孔刀具結(jié)構(gòu)研究方面，在近些年，出現(xiàn)了一些特殊幾何結(jié)構(gòu)的鉆孔刀具［72］，如圖7所示，包括階梯鉆（b）、三尖鉆或燭芯鉆（c）、匕首鉆或直槽鉆（d）、多面鉆（e）、空心鉆（f），不同程度降低了鉆削力、改善了鉆孔加工質(zhì)量。QIU等［33，73］對比麻花鉆設(shè)計制造了不同結(jié)構(gòu)階梯鉆，并進(jìn)行了CFRP鉆孔試驗研究，通過對鉆頭頂角、橫刃及階梯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，有效降低了鉆削力、分層與出入口毛刺及撕裂缺陷，改善了鉆孔表面質(zhì)量，提高了鉆削性能。ABRAO等［58］采用三尖鉆對比麻花鉆進(jìn)行了GFRP鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，三尖鉆有效降低了鉆削力、刀具磨損以及孔分層、撕裂與毛刺缺陷。XU等［20，38］采用匕首鉆與標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆對CFRP進(jìn)行鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比麻花鉆，發(fā)現(xiàn)匕首鉆獲得較小的孔出口毛刺高度與分層撕裂缺陷、較低的孔Ra值，獲得較好的鉆孔質(zhì)量。ZITOUNE等［74］、RAJ等［75］、LAZAR等［76］、KARPAT等［77］、KUMAR等［25，78］采用八面鉆對比麻花鉆進(jìn)行了CFRP及GFRP的鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比麻花鉆，八面鉆通過對鉆尖頂角、橫刃、切削刃及前后刀面的結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)，有效降低了鉆削力、孔表面粗糙度、刀具磨損、孔分層及撕裂毛刺缺陷，改善了鉆孔表面質(zhì)量。PAOLO等［79］、HOCHENG等［34，80-81］及TSAO等［82-84］設(shè)計制造了金剛石磨粒空心鉆并進(jìn)行了CFRP鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比麻花鉆的集中載荷鉆削力、鉆尖切削速度為零的不足，金剛石磨?？招你@為均布切削載荷并兼顧磨削效果，通過調(diào)整空心鉆端面及內(nèi)外側(cè)壁金剛石磨粒的粒徑及分布密度，可有效控制空心鉆的鋒利性及切削性能，明顯降低了鉆削力、鉆孔分層及毛刺撕裂的缺陷，改善了復(fù)合材料孔壁表面質(zhì)量。HOCHENG等［34，83，85］還基于彈塑性力學(xué)，分析了金剛石磨?？招你@（a）、鋸鉆（b）、傳統(tǒng)麻花鉆（c）、階梯鉆（d）和三尖鉆或燭芯鉆（e）這5種不同結(jié)構(gòu)特殊鉆頭對復(fù)合材料鉆孔分層影響的切削模型，如圖8所示。通過對比分析復(fù)合材料軸向鉆孔過程的切削力數(shù)學(xué)模型，表明空心鉆的軸向鉆削力最小且為環(huán)向均布載荷，空心鉆作為復(fù)合材料軸向鉆孔的最優(yōu)結(jié)構(gòu)刀具，有效降低了復(fù)合材料鉆孔的分層缺陷。

圖7 FRC鉆孔的一些特殊鉆頭示意圖［72］Fig.7 Schematic of some special drill bits used for FRC drilling［72］

圖8 不同結(jié)構(gòu)特殊鉆頭對復(fù)合材料鉆孔分層的影響［34，83，85］Fig.8 Effects of different structure special drills on drilling-induced delamination of composite materials［34，83，85］

近年來，又出現(xiàn)了一些新的特殊幾何結(jié)構(gòu)鉆頭，JA等［86-88］及WANG等［89］在匕首鉆或直槽鉆基礎(chǔ)上進(jìn)行了鉆頭幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，在第二主切削刃及副切削刃處設(shè)計增加鋸齒刃結(jié)構(gòu)改變了切削分力方向，將直槽改為螺旋槽結(jié)構(gòu)，如圖9所示。直槽匕首鉆（a）、螺旋槽匕首鉆（b）、帶有鋸齒結(jié)構(gòu)螺旋槽匕首鉆（c）及其切削力方向改變（d），通過對比普通匕首鉆和帶有鋸齒結(jié)構(gòu)匕首鉆進(jìn)行CFRP鉆孔試驗研究，表明改進(jìn)后鋸齒匕首鉆能夠有效降低孔分層、出口毛刺及撕裂缺陷。SU等［90］結(jié)合匕首鉆與三尖鉆或燭芯鉆結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，如圖10和圖11所示，設(shè)計制造了新結(jié)構(gòu)鉆頭［圖10（a）］，其中匕首鉆切削模型［圖10（b）］、三尖鉆切削模型［圖10（c）］、新結(jié)構(gòu)鉆頭切削模型［圖10（d）］，并對比分析了三種鉆頭的CFRP切削模型及鉆孔試驗研究，表明新設(shè)計改進(jìn)鉆頭的“V型刃”改變了切削分力方向、提高了鉆孔出口的材料支撐強度、產(chǎn)生了拉剪效果，相比普通匕首鉆及三尖鉆，新設(shè)計鉆頭有效降低了鉆削力、孔出口毛刺及分層撕裂缺陷（圖11）。LI等［91］采用設(shè)計制造的鉆擴鉸一體刀，見圖12，進(jìn)行了CFRP的鉆孔試驗研究，表明分階段制孔刀具能夠有效分散切削載荷、降低鉆削力、降低鉆孔損傷及分層撕裂缺陷，提高鉆孔質(zhì)量及孔徑精度。TSAO等［92］基于鉆擴鉸一體化刀具結(jié)構(gòu)及FRC磨削加工優(yōu)勢，設(shè)計制造了幾種復(fù)合階梯空心鉆，如圖13所示。（a）階梯空心麻花鉆、（b）階梯空心鋸鉆、（c）階梯空心三尖鉆，將傳統(tǒng)鉆孔工藝替換為底孔鉆削和金剛石磨?？招你@擴孔或鉸孔工藝，有效降低了鉆削力、孔分層撕裂及毛刺缺陷，提高了鉆孔表面質(zhì)量。BUTLERSMITH等［93］基于空心鉆結(jié)構(gòu)、多齒刀具及FRC鉆孔用PCD鉆頭切削優(yōu)勢，設(shè)計制造了一種PCD多齒空心鉆，見圖14，并進(jìn)行了CFRP鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)電鍍金剛石磨粒空心鉆，PCD多齒空心鉆能夠有效降低鉆孔分層、撕裂及毛刺缺陷，降低切削溫度11%、鉆削力26%及刀具切屑黏刀問題，極大延長了刀具使用壽命。

圖9 直槽、螺旋槽及鋸齒螺旋槽新結(jié)構(gòu)匕首鉆［86-89］Fig.9 Novel structure dagger drill with straight，helix and intermittent sawtooth flute［86-89］

圖10 匕首鉆、三尖鉆及新設(shè)計鉆的幾何結(jié)構(gòu)及CFRP切削模型［90］Fig.10 Geometry structure and cutting model of CFRP for the dagger，brad spur and novel designed drill［90］

圖11 匕首鉆、三尖鉆及新設(shè)計鉆的CFRP鉆孔鉆削力及分層毛刺［90］Fig.11 Thrust force and delamination and burr of CFRP drilling for the dagger，brad spur and novel designed drill［90］

圖12 鉆擴鉸一體刀具［91］Fig.12 Integrative tool of drilling，enlarging and reaming［91］

圖13 復(fù)合階梯空心鉆［92］Fig.13 Combination step-core drills［92］

圖14 PCD多齒空心鉆［93］Fig.14 PCD core drill with multiple cutting teeth［93］

總結(jié)以上可得出，在鉆孔質(zhì)量和刀具切削性能方面，涂層刀具要優(yōu)于無涂層刀具，涂層刀具價格雖偏高但應(yīng)用廣泛；PCD 刀具要優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，但PCD 刀具制造成本較高、韌性較差、不耐沖擊、易崩刃；對于鉆孔質(zhì)量要求較高時可采用PCD 刀具，而一般情況多采用涂層硬質(zhì)合金刀具；對比不同刃型鉆頭，較小的鉆頭頂角、橫刃及切削刃能有效降低鉆削力，進(jìn)而降低鉆孔分層、撕裂及毛刺加工缺陷和切削溫度；對比鉆頭刀具，金剛石磨粒空心鉆、PCD 多齒空心鉆的制孔優(yōu)勢更加明顯，但其制造成本高于鉆頭、空心鉆存在切屑黏刀問題，一般而言，空心鉆刀具的使用需結(jié)合冷卻、吸塵排屑及其他工藝方法輔助制孔。

3 制孔工藝方法對孔加工質(zhì)量研究進(jìn)展

在FRC 的制孔工藝方法方面，近年來，主要包括鉆孔、銑孔、套磨制孔、振動制孔、高速加工制孔、非傳統(tǒng)加工制孔、冷卻輔助制孔、變參數(shù)制孔等其他制孔工藝方法。其中，銑孔方法開發(fā)了螺旋銑孔、搖擺銑孔，套磨制孔方法開發(fā)了銑磨制孔、空心鉆套磨和套切制孔。通過制孔工藝方法的優(yōu)化改進(jìn)、新技術(shù)研發(fā)，降低FRC 制孔過程的鉆削力、切削溫度、刀具磨損，以降低FRC 鉆孔分層、撕裂、毛刺及表面質(zhì)量差的加工缺陷，提高制孔質(zhì)量和效率。

3.1 鉆削條件的優(yōu)化改進(jìn)

3.1.1 鉆削參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)

在FRC 的制孔工藝參數(shù)研究方面，主要有切削速度和進(jìn)給率的影響。ESHETU 等［94］采用PCD 八面鉆對CFRP 鉆孔工藝參數(shù)進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)鉆削力隨進(jìn)給率增大而增大、隨切削速度增大而降低，并且進(jìn)給率對鉆削力的影響明顯大于切削速度；當(dāng)采用較高的切削速度與較低的進(jìn)給率參數(shù)進(jìn)行鉆孔時，能夠獲得較少的孔出口分層撕裂缺陷、較低的鉆削力與孔Ra值，獲得較好的鉆孔質(zhì)量。FEITO 等［95］采用麻花鉆和階梯鉆對CFRP 鉆孔工藝參數(shù)與鉆孔質(zhì)量進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)鉆孔入口及出口分層程度隨切削速度或進(jìn)給率的增加而增大，并且隨進(jìn)給率的變化更加明顯于切削速度。PALANIKUMAR［96］采用田口法對GFRP 鉆孔參數(shù)切削轉(zhuǎn)速及進(jìn)給率進(jìn)行了試驗研究，分析切削速度及進(jìn)給率對鉆削力、孔表面粗糙度、孔分層的影響程度，研究表明進(jìn)給率的影響程度明顯大于切削速度，進(jìn)給率極大影響著鉆孔表面質(zhì)量。MOHAN 等［97］采用田口法和響應(yīng)面法對GFRP 鉆孔參數(shù)對分層的影響進(jìn)行了變量分析及試驗研究，并優(yōu)化了最佳鉆孔切削參數(shù)。研究結(jié)果表明，切削速度對鉆孔入口的剝離分層影響較大，進(jìn)給率對鉆孔出口的頂出分層影響較大。KRISHNARAJ等［98］采用變量分析、遺傳算法及多目標(biāo)優(yōu)化，進(jìn)行了CFRP 的高速鉆孔試驗研究及參數(shù)優(yōu)化，研究鉆孔工藝參數(shù)切削速度及進(jìn)給率對鉆孔質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，隨切削速度或進(jìn)給率的增加，使得入口剝離分層及出口頂出分層變得越來越嚴(yán)重，并且進(jìn)給率影響明顯大于切削速度、出口頂出分層明顯大于入口剝離分層，采用優(yōu)化后的高切削速度及低進(jìn)給率的鉆孔參數(shù)能夠極大改善鉆孔質(zhì)量、降低孔分層缺陷。以上試驗說明鉆削參數(shù)的優(yōu)化及合理搭配能夠明顯改善切削效果及鉆孔質(zhì)量。

3.1.2 變進(jìn)給率方法

在FRC（CFRP及GFRP）的鉆孔過程中，為了同時提高鉆孔效率、改善鉆孔質(zhì)量、降低鉆孔分層缺陷，研究人員提出鉆孔過程的變進(jìn)給率鉆孔方法，在孔入口、中間及出口各階段的鉆孔進(jìn)給參數(shù)采用最佳進(jìn)給率，如圖15所示。KHASHABA等［99］、LI等［39］、SORRENTINO等［100］及DURAO等［101］采用變進(jìn)給率參數(shù)控制方法，進(jìn)行了GFRP及CFRP鉆孔試驗研究，通過改變鉆孔過程入口、中間及出口的進(jìn)給率，在不影響鉆孔效率的同時，極大改善了鉆孔質(zhì)量，降低了鉆孔入口的剝離分層與出口的頂出分層，降低了鉆孔出口撕裂及毛刺等缺陷。

圖15 FRC鉆孔沿深度方向的變進(jìn)給率方法示意圖［99］Fig.15 Schematic of variable feed rate strategy along hole depth for drilling FRC［99］

3.1.3 預(yù)鉆導(dǎo)向底孔

在FRC（CFRP及GFRP）的鉆孔過程中，為了降低鉆頭橫刃對鉆削力及分層的影響，WAN等［102］提出鉆孔過程的預(yù)鉆導(dǎo)向底孔方法，如圖16所示。WANG等［103］、TSAO等［82，104-105］及WON等［106］采用麻花鉆對比進(jìn)行了CFRP有、無預(yù)鉆導(dǎo)向底孔的鉆孔質(zhì)量試驗研究。結(jié)果表明，相比無預(yù)鉆導(dǎo)向底孔的麻花鉆鉆孔方法，帶有預(yù)鉆導(dǎo)向底孔的麻花鉆鉆孔方法在不同進(jìn)給率下均能夠有效降低鉆削力、孔出口頂出分層程度及撕裂與毛刺缺陷，但對于孔入口的剝離分層影響效果不明顯。此外，采用預(yù)鉆導(dǎo)向底孔降低鉆頭橫刃對鉆削力及分層的方法，也促進(jìn)了研究人員提出不同結(jié)構(gòu)特殊鉆孔刀具的發(fā)展，如階梯鉆、三尖鉆或燭芯鉆、匕首鉆或直槽鉆、多面鉆、空心鉆等。

圖16 FRC工件鉆孔的預(yù)鉆導(dǎo)向底孔方法示意圖［102］Fig.16 Schematic of pre-drilled pilot hole strategy for drilling FRC workpiece［102］

3.1.4 孔出口支撐方法

在FRC（CFRP及GFRP）的鉆孔過程中，為了降低鉆孔出口的頂出分層、撕裂及毛刺缺陷，研究人員提出了孔出口支撐鉆削的方法，以提供孔出口鉆削的反向支撐力，提高鉆孔出口孔底材料剛性、降低出口孔底材料的向外推出或頂出的彎曲延伸變形，改善鉆頭在接近孔出口時的切削性能、材料去除量及鉆孔質(zhì)量，如圖17所示。EDOARDO等［107］及LIU等［108］采用出口支撐板的方法，對GFRP進(jìn)行了出口有、無支撐鉆削的對比試驗研究。研究結(jié)果表明，相比無支撐鉆削，帶有出口支撐鉆削的GFRP孔出口分層、撕裂及毛刺缺陷得到極大降低，出口支撐鉆削有效抑制了出口材料鉆削過程的向外推出或頂出變形，極大改善了出口鉆孔質(zhì)量。HOCHENG及TSAO等［30，109-111］采用出口支撐板和磁吸力支撐的方法，對比麻花鉆、鋸鉆、金剛石磨?？招你@、階梯鉆與三尖鉆或燭芯鉆，對CFRP進(jìn)行了出口有、無支撐鉆削的理論研究及試驗研究。研究結(jié)果均表明，帶有出口支撐鉆削的CFRP孔出口分層、撕裂及毛刺缺陷都得到有效抑制，極大降低了孔出口鉆孔缺陷。DOGRUSADIK等［112］及WANG等［113］采用出口支撐板及阻尼器支撐的方法，對CFRP進(jìn)行了出口有、無支撐鉆削的試驗研究。結(jié)果仍然表明，帶有出口支撐鉆削的CFRP孔出口分層、撕裂及毛刺缺陷都得到有效降低，改善了鉆孔出口質(zhì)量。

圖17 FRC工件鉆孔的出口支撐方法示意圖［107］Fig.17 Schematic of exit support method for drilling FRC workpiece［107］

目前，該方法在工程實踐及研究中均得到廣泛應(yīng)用，鉆孔出口質(zhì)量較好，操作簡便、易于實現(xiàn)。

3.1.5 冷卻輔助制孔

在FRC（CFRP及GFRP）鉆孔過程中，為了降低鉆孔過程的切削溫度、刀具因磨損或切屑黏刀致使鉆削力增大以及刀具切削性能下降的問題，以便降低鉆孔分層、撕裂及毛刺缺陷，改善孔表面質(zhì)量。為此，研究人員提出了多種冷卻輔助鉆孔方法，常用冷卻介質(zhì)包括冷空氣、水溶性切削液和液氮，并通過高壓噴霧和澆注的方式進(jìn)行鉆削過程的低溫冷卻，極大改善了FRC鉆孔的切削條件與鉆孔質(zhì)量。XIA等［114］、SIDDHARTH等［115］及RAJ等［116］采用液氮作為冷卻介質(zhì)并以高壓噴霧和澆注方式進(jìn)行了CFRP低溫冷卻輔助鉆孔研究。結(jié)果表明，相比無冷卻干切鉆削，采用麻花鉆及帶有高壓液氮冷卻鉆削，能夠有效降低鉆孔切削溫度、出口分層與撕裂及毛刺缺陷、Ra以及刀具磨損，改善孔表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命，但高壓液氮冷卻鉆削在一定程度上增大了鉆削力。RAMESH等［117］采用水溶性切削液作為冷卻介質(zhì)并以高壓澆注方式進(jìn)行了GFRP低溫冷卻輔助鉆孔研究。結(jié)果表明，相比無冷卻干切鉆削，采用麻花鉆及帶有切削液冷卻鉆削，仍然能夠有效降低鉆孔切削溫度、分層缺陷以及Ra值，改善孔表面質(zhì)量。CONG等［118-119］采用水溶性切削液和冷空氣作為冷卻介質(zhì)并以高壓噴霧和澆注方式進(jìn)行了CFRP低溫冷卻輔助鉆孔研究。結(jié)果表明，相比無冷卻干切鉆削，采用金剛石磨?？招你@及帶有高壓水冷和氣冷鉆削，能夠有效降低鉆孔切削溫度、鉆削力、出口分層與撕裂及毛刺缺陷、Ra值以及刀具磨損，改善孔表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命；同時，高壓水冷方式的鉆孔效果明顯優(yōu)于氣冷方式。

目前，該冷卻輔助制孔方法在科研生產(chǎn)及工程實踐中均廣泛應(yīng)用，極大改善切削工況，獲得較好的切削效果及鉆孔質(zhì)量。

3.2 振動輔助制孔

為了解決FRC（CFRP 及GFRP）傳統(tǒng)鉆孔存在的加工問題及加工缺陷，近年來，振動輔助制孔技術(shù)得到了快速發(fā)展和研究應(yīng)用，主要包括超聲振動輔助鉆削制孔、超聲振動輔助磨削制孔、超聲振動輔助銑削制孔，以及低頻振動輔助鉆削制孔技術(shù)。

振動輔助制孔技術(shù)的原理示意圖如圖18所示，從圖中可見，刀具切削刃運動軌跡由刀具自轉(zhuǎn)、刀具沿著縱向和橫向相對于工件的進(jìn)給運動、刀具沿著縱向和橫向的高低頻小振幅的振動復(fù)合而成，并且為周期性接觸、分離的脈沖式動態(tài)切削。

圖18 FRC工件的振動輔助制孔技術(shù)示意圖［120-121，128，137，139-140，142，144］Fig.18 Schematic of vibration-assisted hole-making technology for FRC workpiece［120-121，128，137，139-140，142，144］

CFRP 及GFRP 的超聲縱向振動輔助鉆削制孔的相關(guān)研究［120-127］表明，相比普通鉆孔，超聲縱向振動鉆孔能夠有效降低鉆削力、扭矩、分層缺陷、撕裂及毛刺缺陷、孔Ra值、孔直徑及圓度誤差，改善鉆孔入口質(zhì)量、表面質(zhì)量、出口質(zhì)量及孔徑精度。

LI等［128-130］、CONG等［118，131-135］、KISHORE等［136］采用金剛石磨?？招你@對比進(jìn)行了有無冷卻條件下CFRP及GFRP的超聲縱向振動輔助磨削制孔研究。結(jié)果表明，相比普通磨削制孔，超聲縱向振動磨削制孔有效提高材料去除率、改善切屑粉塵與料芯的排屑效果、抑制金剛石磨粒刀具的切屑粉塵粘刀及料芯堵屑等問題，極大降低了鉆削力、分層缺陷、撕裂及毛刺缺陷、Ra值，改善了制孔質(zhì)量、孔徑精度及刀具切削性能。

GENG 等［137］采用金剛石磨粒磨棒進(jìn)行了無冷卻條件下CFRP 的Φ3.0 mm 小孔超聲縱向振動輔助螺旋磨削制孔研究。結(jié)果表明，相比普通螺旋磨削制孔，超聲縱向振動螺旋磨削制孔仍然能夠有效降低縱向鉆削力及橫向切削力、孔Ra值、分層與撕裂及毛刺缺陷，改善制孔質(zhì)量。

LIU等［138］、GENG等［139-141］采用金剛石磨?？招你@進(jìn)行了無冷卻條件下CFRP的超聲橫向橢圓振動輔助磨削制孔研究。結(jié)果表明，相比普通磨削制孔，超聲橫向橢圓振動磨削制孔能夠有效降低鉆削力、切削溫度、孔Ra值、分層與撕裂及毛刺缺陷、刀具磨損、切屑粉塵及料芯的黏刀堵屑問題，改善制孔質(zhì)量。

ISHIDA等［142］采用硬質(zhì)合金球頭端銑刀進(jìn)行了有無液氮低溫冷卻條件下的CFRP超聲縱向振動輔助螺旋銑削制孔研究。高航等［143］采用硬質(zhì)合金直柄銑刀進(jìn)行了無冷卻條件下的GFRP超聲縱向振動輔助螺旋銑削制孔研究。結(jié)果均表明，相比普通螺旋銑削，超聲縱向振動螺旋銑削能夠有效降低縱向鉆削力、切削溫度、孔Ra值、出口分層與撕裂及毛刺缺陷，并且采用低溫冷卻與超聲制孔的工藝結(jié)合會使得制孔切削效果更好。

CFRP及GFRP的機械式或壓電式低頻縱向振動輔助鉆削制孔的相關(guān)研究［144-150］表明相比普通鉆孔，小振幅的低頻縱向振動鉆削制孔仍然能夠有效降低鉆削力、分層缺陷、撕裂及毛刺缺陷，改善鉆孔質(zhì)量。

3.3 螺旋銑孔和擺動銑孔

為了減少FRC（CFRP 及GFRP）傳統(tǒng)鉆孔存在的加工缺陷，近年來，在傳統(tǒng)銑削技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了螺旋銑孔和擺動銑孔技術(shù)和應(yīng)用研究，其原理示意圖如圖19 和圖20 所示，在銑孔過程中刀具與工件切削表面實現(xiàn)偏心斷續(xù)切削，改善了切削散熱效果、切屑粉塵排屑效果，將傳統(tǒng)鉆孔鉆尖部位的半封閉切削區(qū)打開為開敞切削區(qū)。

圖19 FRC工件的螺旋銑孔技術(shù)原理圖［151-152］Fig.19 Schematic of helical milling or orbital drilling hole technology for FRC workpiece［151-152］

圖20 FRC工件的搖擺銑孔技術(shù)原理圖［153］Fig.20 Schematic of wobble milling hole technology for FRC workpiece［153］

SADEK 等［151］、DENKENA 等［152，155］、WANG 等［154］采用硬質(zhì)合金銑刀和傳統(tǒng)麻花鉆分別進(jìn)行了CFRP的螺旋銑孔和鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔能夠有效降低鉆削力、切削溫度、分層及撕裂與毛刺缺陷、刀具磨損、孔Ra值、孔徑誤差，改善孔表面質(zhì)量，提高排屑效果。

ALI 等［156］采用硬質(zhì)合金銑刀和傳統(tǒng)麻花鉆分別進(jìn)行了GFRP 的螺旋銑孔和鉆孔試驗研究。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔仍然能夠有效降低鉆削力、分層及撕裂與毛刺缺陷、孔Ra值、孔徑誤差，改善孔表面質(zhì)量。

SCHULZE 等［153］采用側(cè)刃多齒銑刀進(jìn)行了CFRP的五軸機床搖擺銑孔試驗研究。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)鉆孔，搖擺銑孔仍然能夠有效降低鉆削力、分層及撕裂與毛刺缺陷、孔Ra值，改善孔表面質(zhì)量，但搖擺銑孔制孔后為圓錐形孔。

3.4 高速鉆孔

為進(jìn)一步改善FRC（CFRP 及GFRP）傳統(tǒng)鉆孔存在的加工缺陷、鉆孔效率低及加工成本高等問題，近年來，高速鉆孔工藝得到研究和應(yīng)用，主要通過增加切削速度以降低鉆削力，進(jìn)而降低FRC 鉆孔分層等加工缺陷、提高鉆孔質(zhì)量和效率。

GAITONDE等［157］和KARNIK等［158］采用變量分析及響應(yīng)面法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對CFRP高速鉆孔進(jìn)行了研究，分析了鉆孔切削速度及進(jìn)給率參數(shù)對分層的影響，研究表明，較高的切削速度與較低的進(jìn)給率能夠有效降低鉆孔分層缺陷；相比進(jìn)給率參數(shù)變化，較高的切削速度對降低鉆孔分層起到主要作用。KRISHNARAJ等［159］采用變量分析及遺傳算法對CFRP高速鉆孔進(jìn)行了研究，分析了鉆孔切削速度及進(jìn)給率對鉆孔質(zhì)量與效果的影響，并優(yōu)化了高速鉆孔最佳切削參數(shù)。研究表明，較高的切削速度與較低的進(jìn)給率能夠有效降低鉆削力、鉆孔分層缺陷、孔圓度誤差，但由于高速鉆孔過程切削溫度較高導(dǎo)致孔徑變大。RAWAT等［160-161］的CFRP高速鉆孔研究也表明，干切削條件下，高速鉆孔引起的較高切削溫度加劇了刀具磨損而引起刀具鉆孔效果下降，進(jìn)而增大了鉆削力、切削力及孔分層缺陷，降低了刀具使用壽命、孔表面質(zhì)量、孔徑精度。RUBIO等［162］與BABU等［163］對CFRP高速鉆孔的分層程度進(jìn)行研究和評價，通過分層因子對分層程度進(jìn)行綜合評價，并給出不同分層因子計算公式。

RUBIO 等［164］和SHAHKHOSRAVI 等［165］采用不同刃型鉆頭對GFRP 高速鉆孔進(jìn)行研究，分析了鉆孔切削速度及進(jìn)給率對分層的影響。研究也表明，較高的切削速度與較低的進(jìn)給率能夠有效降低鉆孔分層缺陷，并得到與CFRP高速鉆孔的相似結(jié)論。

3.5 非傳統(tǒng)制孔

除了以上FRC（CFRP及GFRP）制孔工藝外，近年來，還發(fā)展了一些非傳統(tǒng)制孔工藝方法，包括磨粒磨料水切割制孔、電化學(xué)制孔、激光切削制孔、沖孔等，如圖21所示，并得到了初步研究和應(yīng)用，但仍需要做進(jìn)一步技術(shù)研究和參數(shù)優(yōu)化，以提高FRC的加工質(zhì)量。

圖21 FRC工件的非傳統(tǒng)制孔技術(shù)原理圖［166，174-175，181］Fig.21 Schematic of nontraditional hole making technology for FRC workpiece［166，174-175，181］

ALBERDI等［166-167］、UNDE等［168］及THONGKAEW等［169］設(shè)計制造了CFRP的磨粒磨料水切割制孔設(shè)備，采用變量分析法及響應(yīng)面法對加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并進(jìn)行了制孔過程分析及可行性試驗研究。結(jié)果表明，CFRP的磨粒磨料水切割制孔的分層程度、材料去除率、Ra及孔徑尺寸主要受噴管頭與工件表面距離、磨粒磨料水壓及流動速率的影響。ALI 等［170-171］、SRIKANTH等［172］及VIGNESHWARAN等［173］對GFRP進(jìn)行了磨粒磨料水切割制孔研究，采用田口法及變量分析法對加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并進(jìn)行了制孔試驗。研究結(jié)果仍然表明，GFRP的磨粒磨料水切割制孔的分層程度、Ra及孔徑尺寸主要受噴管頭與工件表面距離、磨粒磨料水壓及流動速率的影響。

RAVINDER 等［174］對CFRP 進(jìn)行了電化學(xué)鉆小孔可行性研究，采用Φ120 μm 硬質(zhì)合金電極作為鉆孔刀具、不同電壓及電容、不同刀具轉(zhuǎn)速及進(jìn)給率進(jìn)行了CFRP 鉆小孔試驗研究。結(jié)果表明，相比CFRP 傳統(tǒng)鉆孔易出現(xiàn)分層及纖維拔出缺陷，電化學(xué)鉆CFRP小孔獲得了較好的表面質(zhì)量及較高的材料去除率。

PARANDOUSH 等［175］、SALAMA 等［176］、PATEL等［177］、ROMOLI等［178］、CHOUDHURY 等［179］及陳等［180］對CFRP 及GFRP 進(jìn)行了激光切削制孔原理、數(shù)值仿真計算及試驗研究，分析了激光鉆孔參數(shù)對材料去除率及孔表面質(zhì)量的影響，并進(jìn)行了激光切削質(zhì)量的評價。結(jié)果表明，激光切削制孔的材料去除率及切削質(zhì)量主要受激光功率、切削速度、氣壓、激光束直徑及激光束條數(shù)等參數(shù)影響較大，激光切削過程產(chǎn)生的較高熱量將引起材料基質(zhì)的熱損傷、分解退化及分層缺陷，需控制切削熱量。

ABDULLAH 等［181］、CHAN 等［182］、GHAFFAR等［183］、LAMBIASE 等［184］及ZAIN 等［185］對CFRP 及GFRP 進(jìn)行了沖孔原理及試驗研究，分析了不同沖孔刀具沖頭幾何結(jié)構(gòu)、沖孔切削參數(shù)、沖孔模具結(jié)構(gòu)對沖孔表面質(zhì)量、孔分層及撕裂程度、孔徑精度、沖孔切削力的影響，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化與質(zhì)量控制研究。結(jié)果表明，沖頭幾何結(jié)構(gòu)、沖孔切削參數(shù)及沖孔模具結(jié)構(gòu)這三方面因素決定了沖孔加工質(zhì)量、沖孔切削效果及材料去除率，需合理設(shè)計沖頭及沖模的幾何結(jié)構(gòu)并且匹配適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)。此外，對比傳統(tǒng)鉆孔，沖孔僅存在出口頂出分層缺陷，不存在入口剝離分層缺陷，并且沖孔效率較高。

綜述以上內(nèi)容可分析概括得出如下結(jié)論。

（1）在FRC制孔過程中，由于進(jìn)給率對鉆削力的正比例影響程度明顯大于切削速度，制孔缺陷隨鉆削力增大而變得嚴(yán)重，一般建議采用較高的切削速度、較低的進(jìn)給率或變進(jìn)給率進(jìn)行鉆孔，以獲得較低的鉆削力及Ra值，較低的制孔分層、撕裂及毛刺等加工缺陷，較好的表面質(zhì)量。

（2）結(jié)合預(yù)鉆導(dǎo)向底孔方法，能夠降低鉆頭橫刃及主切削刃部分長度產(chǎn)生的鉆削力，以降低鉆孔分層缺陷；結(jié)合鉆孔出口支撐方法，提高鉆孔出口材料支撐剛性，能夠有效降低出口分層、撕裂及毛刺的加工缺陷；結(jié)合冷卻輔助方法，能夠有效降低切削溫度、切削力及刀具磨損，改善刀具切削性能及排屑效果，進(jìn)一步提高制孔質(zhì)量；結(jié)合振動輔助制孔工藝，能夠在傳統(tǒng)鉆孔工藝現(xiàn)有刀具、工具及設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升加工質(zhì)量及切削性能。

（3）相比于廣泛應(yīng)用的鉆削制孔工藝，螺旋銑孔及擺動銑孔工藝的技術(shù)較為復(fù)雜并且應(yīng)用較少，但其銑孔工藝能夠使刀具與工件切削界面的斷續(xù)切削以改善散熱效果、切削熱損傷、排屑效果及切削力，有效降低孔加工分層、撕裂及毛刺缺陷。

（4）相比于傳統(tǒng)鉆削制孔工藝，高速鉆孔工藝能夠進(jìn)一步提高鉆孔效率及鉆孔質(zhì)量，降低切削力及加工缺陷，但由于高速鉆孔過程切削溫度較高、存在熱損傷及刀具快速磨損等影響，需結(jié)合冷卻輔助方法進(jìn)行高速制孔，同時對高速制孔刀具、工具及設(shè)備等要求較高。

此外，近年來還發(fā)展的磨粒磨料水切割制孔、電化學(xué)制孔、激光切削制孔及沖孔等非傳統(tǒng)制孔工藝，其初步試驗研究表明，相比于傳統(tǒng)鉆孔，非傳統(tǒng)制孔能夠降低孔分層缺陷、提高材料去除率和制孔效率、改善孔表面質(zhì)量，但其設(shè)備系統(tǒng)及技術(shù)復(fù)雜、理論研究不足并且實踐中應(yīng)用較少。

4 展望

制孔刀具類型及工藝方法直接決定FRC（CFRP及GFRP）制孔加工質(zhì)量，本文全面系統(tǒng)地概述總結(jié)了不同制孔刀具類型及工藝方法對孔加工質(zhì)量影響的研究進(jìn)展和研究方向，為今后的科研工作、工程實踐和航空航天產(chǎn)品大量應(yīng)用FRC 的制孔工藝技術(shù)及加工質(zhì)量控制提供了重要參考與方向，并得到以下主要結(jié)論和未來研究可能方向。

（1）FRC 鉆削制孔影響因素。FRC 制孔過程中出現(xiàn)的分層、撕裂、毛刺及纖維拔出等加工質(zhì)量缺陷，其主要受鉆削力的影響較大，并且隨鉆削力的增大而缺陷變得嚴(yán)重；同時，鉆削力的增大將引起切削溫度升高，切削溫度的升高將導(dǎo)致FRC 復(fù)合材料層間黏接強度的下降，進(jìn)而加劇質(zhì)量缺陷的嚴(yán)重性。此外，鉆削力主要受刀具材料及耐磨性、幾何刃型及結(jié)構(gòu)、切削工藝參數(shù)、切削冷卻條件及排屑效果、切削工藝方法的影響，同時切削工藝參數(shù)中進(jìn)給率的影響較大，隨進(jìn)給率的增大而鉆削力增大。

（2）FRC 傳統(tǒng)鉆削制孔工藝改進(jìn)。傳統(tǒng)制孔刀具和制孔工藝經(jīng)過刀具材料及涂層改進(jìn)、刃型參數(shù)優(yōu)化、幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)、以磨代鉆的切削方式改變和制孔切削工藝及參數(shù)優(yōu)化，研發(fā)了多種新材料刀具、特殊刀具、復(fù)合刀具和先進(jìn)制孔工藝及變參數(shù)加工方法，極大改善了制孔切削環(huán)境及切削條件，并且在FRC（CFRP 及GFRP）的制孔過程中已獲得較好的加工質(zhì)量和切削效果。

（3）FRC 冷卻輔助制孔工藝。FRC 的空氣冷卻、水冷或切削液冷卻、液氮冷卻等多種低溫冷卻輔助制孔工藝方法，已進(jìn)行了廣泛研究，并取得了較好的制孔加工質(zhì)量及切削效果，其中水冷或切削液冷卻的低溫冷卻方式應(yīng)用較為廣泛。

（4）FRC 超聲振動鉆削制孔工藝。相比FRC 傳統(tǒng)鉆孔，超聲振動鉆孔工藝方法得到廣泛研究及應(yīng)用并已取得較好制孔質(zhì)量，為進(jìn)一步提升超聲振動制孔質(zhì)量及切削效果，結(jié)合水冷或切削液冷卻的FRC 超聲振動鉆孔工藝方法得到深入研究及推廣應(yīng)用。然而，在空氣冷卻及液氮冷卻條件下的FRC 超聲振動鉆孔工藝雖然得到廣泛研究且取得較好制孔質(zhì)量，但是受冷卻系統(tǒng)復(fù)雜性、切屑粉塵的環(huán)境影響與回收裝置的限制，導(dǎo)致該冷卻方式應(yīng)用較少，未來可進(jìn)一步開展裝置系統(tǒng)研發(fā)。

（5）FRC 銑孔工藝。相比于FRC 的鉆削制孔工藝，銑刀螺旋銑孔工藝雖得到廣泛研究，并且能夠有效降低切削力、切削溫度、排屑效果及制孔質(zhì)量，但由于該工藝方法及設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜、價格較高而在實踐中應(yīng)用較少，未來可進(jìn)一步開展該方法及設(shè)備系統(tǒng)的優(yōu)化及研發(fā)；擺動銑孔工藝從基礎(chǔ)理論、工藝研究、設(shè)備系統(tǒng)及實踐應(yīng)用均很少，未來可進(jìn)一步研究該方向；此外，采用金剛石磨粒制備的磨削刀具開展的螺旋銑孔工藝方法有較少的科研人員進(jìn)行了理論及試驗研究，取得了較好的加工效果，但該方向研究還很少且不充分，未來有待進(jìn)一步廣泛研究及實踐轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究。

（6）FRC 超聲振動銑孔及套孔工藝。相比FRC的超聲振動鉆孔，目前，銑刀超聲振動銑孔、磨削刀具超聲振動銑磨孔或套磨孔、銑刀或磨削刀具的超聲振動螺旋銑孔或銑磨孔等先進(jìn)復(fù)合工藝方法的研究較少，已報道文獻(xiàn)初步研究獲得了較好的制孔質(zhì)量及切削效果，但仍需要進(jìn)一步對切削機理、工藝參數(shù)、制孔質(zhì)量控制及工藝方法做深入研究，以提升該工藝技術(shù)成熟度和今后工程應(yīng)用的可能性。

（7）FRC 高速鉆孔及高速超聲振動鉆孔工藝。相比于FRC 的傳統(tǒng)鉆孔工藝，近年來，高速鉆孔工藝方法已得到科研人員的廣泛工藝試驗研究，而理論研究較少、設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)復(fù)雜且昂貴，該技術(shù)方法能夠進(jìn)一步提高鉆孔效率、鉆孔質(zhì)量及切削效果，降低切削力及加工缺陷，但由于高速鉆孔過程切削溫度較高、熱損傷較大及刀具磨損快等問題，目前結(jié)合低溫冷卻、超聲振動切削輔助的高速鉆孔工藝研究較為廣泛；同時，相比FRC 的低溫冷卻輔助的普通高速鉆孔工藝，低溫冷卻的高速超聲振動鉆孔工藝的制孔質(zhì)量及切削效果更加優(yōu)越，但其高速超聲振動鉆孔的工藝方法及切削機理較為復(fù)雜，切削界面機理研究更加復(fù)雜且對設(shè)備系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及刀具性能要求均較高，目前高速超聲振動鉆孔技術(shù)研究及實踐應(yīng)用研究仍然不充分，未來可進(jìn)一步開展該技術(shù)領(lǐng)域的深入研究及設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)。

（8）非傳統(tǒng)制孔工藝。相比FRC 的傳統(tǒng)制孔，非傳統(tǒng)制孔工藝方法已得到初步研究，并已經(jīng)在一定程度上獲得較好的制孔質(zhì)量及制孔效果，但其設(shè)備系統(tǒng)及技術(shù)方法復(fù)雜、理論研究不足并且實踐中應(yīng)用較少，仍需進(jìn)一步研究改進(jìn)非傳統(tǒng)制孔技術(shù)目前存在的部分問題、分析其制孔機理、優(yōu)化其制孔工藝參數(shù)，以更好地實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量及高效率的制孔技術(shù)。