王 小 韃， 王 福 吉*， 栗 盛 開， 王 帥 飛

( 1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點實驗室， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是由基體相樹脂和增強相碳纖維組合而成的輕質(zhì)高強的新型先進材料，在航空航天領(lǐng)域需求與應(yīng)用量巨大[1-2].復(fù)合材料制造過程中一個重要環(huán)節(jié)就是制孔.以國產(chǎn)大型飛機C919為例，其在尾翼翼盒處需要加工上萬個連接孔，同時在飛機翼根等承力部位存在大厚度復(fù)合材料板材，在該位置需要進行大量深徑比大于2的深孔鉆削，保證這些深孔的加工效率和質(zhì)量尤為關(guān)鍵[3-5]，由此可見，大厚度復(fù)合材料板深孔加工是航天大型構(gòu)件制造過程中極為重要的工序.

在大厚度復(fù)合材料板深孔加工過程中，當鉆頭完全沒入工件中時，封閉的鉆削空間使得散熱條件惡劣，纖維與刀具摩擦劇烈，產(chǎn)生大量熱量，使得溫度迅速升高[6-8].如果為了減少鉆削軸向力采用偏低的進給率，會導(dǎo)致刀具與材料摩擦次數(shù)增多，產(chǎn)熱增多，使得在鉆削出口位置溫度達300 ℃ 左右，而碳纖維復(fù)合材料中樹脂基體耐熱性較差，其玻璃化溫度為150～200 ℃[9-11]，超過這一溫度后，樹脂基體的力學(xué)性能會大幅度下降，其對纖維的包裹承載能力減弱，導(dǎo)致制孔過程中易產(chǎn)生孔壁以及出口損傷.而如果選用偏高的進給率來控制溫度，又會使得鉆削軸向力偏大，導(dǎo)致鉆削出口易產(chǎn)生分層撕裂等損傷[12-13].因此如何解決這一參數(shù)選取的矛盾，尋找一種合適的加工工藝方法來提高CFRP的加工質(zhì)量和效率，已成為大厚度CFRP板材深孔制孔過程中急需解決的關(guān)鍵問題.

國內(nèi)外學(xué)者在工藝參數(shù)對復(fù)合材料制孔質(zhì)量的影響方面開展了有益的探索.如張林波等[14]根據(jù)CFRP鉆削軸向力及鉆削臨界分層軸向力的理論模型，提出了可以提升制孔效率和質(zhì)量的混合變參數(shù)振動鉆削新工藝.楊兆軍等[15]分析了振動鉆削微孔過程中鉆入、鉆削和鉆出3個區(qū)段不同加工作用機理，采用分區(qū)段變參數(shù)振動加工工藝提升了微孔制孔質(zhì)量.王奔[11]研究了切削力和熱對C/E復(fù)合材料制孔損傷的影響機理，發(fā)現(xiàn)降低溫度和切削力能有效提升制孔質(zhì)量.Palanikumar[16]通過田口實驗方法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對鉆削參數(shù)進行了優(yōu)化，表明了進給率是影響鉆削過程的主要參數(shù).

上述研究主要關(guān)注的是不同鉆削工藝參數(shù)對制孔質(zhì)量的影響，針對大厚度CFRP板的制孔特點，單一的鉆削參數(shù)加工工藝方案不能很好地滿足要求，鉆削到不同位置時，需要匹配相應(yīng)的加工參數(shù)，才可以有效提升制孔質(zhì)量和效率，而由于在鉆削過程中的切削力和切削熱會對制孔質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，需要根據(jù)加工過程中不同區(qū)段的特性，將加工參數(shù)、力熱和制孔質(zhì)量聯(lián)系起來.本文對整個鉆削過程進行階段性的劃分，獲得不同階段加工參數(shù)、鉆削力熱和鉆削質(zhì)量之間的關(guān)系，找出各個階段的最佳鉆孔工藝參數(shù)，得出針對大厚度CFRP板深孔鉆削的變參數(shù)制孔工藝，為大厚度CFRP板高質(zhì)高效制孔加工提供參考.

1 實驗分析

一個完整的復(fù)合材料深孔鉆削過程分為3個階段，如圖1所示，分別為鉆入階段、穩(wěn)定鉆削階段以及鉆出階段，這3個階段對孔質(zhì)量的影響各不相同：鉆入階段主要影響鉆孔的定位精度，但由于復(fù)合材料相對于鉆頭剛度低，不易引起鉆尖錯位，所以該誤差可忽略[17]；穩(wěn)定鉆削階段會形成前中部分孔壁，鉆出階段形成后部孔壁及鉆削出口，孔壁和出口是復(fù)合材料鉆削過程中最容易引發(fā)損傷的部位，這兩個鉆削階段直接決定了制孔質(zhì)量[18].因此需要對大厚度復(fù)合材料板進行一系列深孔鉆削實驗，測量鉆削過程中的鉆削力熱，分析穩(wěn)定鉆削階段和鉆出階段的加工機理，尋找出這兩個階段最優(yōu)的加工工藝參數(shù).

圖1 鉆削過程中3個鉆削階段的劃分

2 實驗材料及方法

2.1 工件材料

實驗中選用的是T800級準各向同性CFRP層合板.層合板尺寸為150 mm×90 mm×20 mm.CFRP工件采用單向預(yù)浸料抽真空后高溫固化而成.其具體的力學(xué)性能如表1所示.

表1 預(yù)浸料力學(xué)性能

2.2 實驗刀具

為了排除刀具特殊結(jié)構(gòu)對制孔質(zhì)量產(chǎn)生的影響，選用帶內(nèi)冷孔的普通金剛石涂層麻花鉆作為制孔刀具，鉆頭直徑8 mm使得孔的深徑比大于2，熱電偶絲從內(nèi)冷孔中穿過，通過導(dǎo)熱膠將熱電偶絲頭部固定在刀具的后刀面內(nèi)冷孔出口處.

2.3 實驗裝置及加工參數(shù)

為了得到深孔鉆削過程中不同加工參數(shù)下的力熱影響規(guī)律，本實驗使用光洋GONA五軸加工中心進行鉆削制孔實驗，如圖2所示，鉆削過程中溫度采用螺旋測溫儀測量，其通過BT40刀柄安裝在機床主軸上，鉆頭上的熱電偶絲通過內(nèi)冷孔連接到螺旋測溫儀中，采樣頻率為1 Hz.鉆削過程中力的測量使用Kistler 9257B型測力儀，其水平安裝在機床卡盤上，在其上方使用專用夾具水平裝夾復(fù)合材料板，鉆頭進給方向豎直向下，采樣頻率為3 kHz.共進行21組全因素實驗，每組實驗重復(fù)3次，如表2所示，所有實驗均在干式切削的情況下進行，為減少刀具磨損的影響，每3次實驗更換一次刀具.

圖2 實驗設(shè)備布局

表2 鉆削實驗參數(shù)

3 穩(wěn)定鉆削階段結(jié)果分析

穩(wěn)定鉆削階段是鉆削過程中熱量的主要產(chǎn)生階段，因此對該過程中熱力變化對孔質(zhì)量的影響規(guī)律進行了分析，進而得出該階段合適的鉆削工藝參數(shù).

3.1 穩(wěn)定鉆削階段熱影響分析

單個孔制孔過程中，由于在穩(wěn)定鉆削階段鉆尖全部沒入板材中，切削過程中力的變化較小，變化的狀態(tài)量是溫度，通過比較不同溫度位置的孔壁質(zhì)量差異便可以得出溫度對孔壁質(zhì)量的影響.如圖3所示為轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，每齒進給量為0.05 mm/r的加工參數(shù)下，入口和出口的溫度與孔壁顯微形貌對比.

圖3 鉆削熱量累積對孔壁質(zhì)量的影響

在穩(wěn)定鉆削過程中，入口和出口溫度差異明顯，刀具剛剛鉆入時，入口的溫度上升很少，幾乎接近室溫，由于此時樹脂的模量較高，其對纖維的支撐能力強，使得纖維在被剪斷的過程中彎曲變形范圍較小，產(chǎn)生的凹坑也較??；而當溫度較高時，樹脂軟化使得其對纖維的包裹支撐性能也大大降低，特別是在135°纖維方向，纖維產(chǎn)生了更大范圍的彎曲變形，導(dǎo)致切削面以下開裂嚴重，纖維斷裂位置更深，產(chǎn)生了更深的凹坑，如圖4所示，因此導(dǎo)致出口處的孔壁粗糙度大于入口[19].

(a) 常溫

(b) 高溫

為了降低孔壁粗糙度，需要盡量降低穩(wěn)定鉆削過程中熱量的累積.如圖5所示，在轉(zhuǎn)速相同時，隨著刀具每齒進給量f的提高，鉆削出口溫度逐漸降低，這是因為隨著每齒進給量的提高，切削次數(shù)會減少，刀具與材料的摩擦次數(shù)變少，使得產(chǎn)熱量減少.當每齒進給量相同時，隨著刀具的轉(zhuǎn)速降低，鉆削出口位置的溫度降低，這是由于鉆削過程中高溫的切削區(qū)域會與刀具、加工板材以及空氣產(chǎn)生換熱，熱量會向外界散出；而轉(zhuǎn)速降低會使得切削時間變長，散出的熱量更多，進而使得溫度降低.由此可以看出，每齒進給量和轉(zhuǎn)速都對熱量的累積起著關(guān)鍵性作用，采用大的每齒進給量和小的轉(zhuǎn)速可以很好地減少穩(wěn)定鉆削過程中的溫度累積，減少溫度對孔壁的影響.

圖5 鉆削參數(shù)和鉆削出口溫度的關(guān)系

3.2 穩(wěn)定鉆削階段力影響分析

用不同參數(shù)鉆削不同的孔時，各個孔在穩(wěn)定鉆削階段的初始階段切削區(qū)溫度接近，變化的狀態(tài)量是鉆削軸向力，通過比較不同加工參數(shù)下各個孔入口處位置孔壁的質(zhì)量，便可以得到孔壁質(zhì)量與鉆削軸向力之間的關(guān)系.如圖6所示，隨著每齒進給量增加，孔壁粗糙度先減小，接下來在一定范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定，而當每齒進給量增加到 0.20 mm/r時，孔壁粗糙度又開始迅速上升，這是因為每齒進給量偏大會使得軸向力過高，當此力超過碳纖維與樹脂基體的結(jié)合力時，會造成纖維和樹脂剝離，使得材料在內(nèi)部發(fā)生分層，產(chǎn)生凹坑開裂等缺陷，降低了孔壁表面質(zhì)量.同時可以看出并不是每齒進給量越小越好，這是因為當每齒進給量小于刀具的鈍圓半徑時，將會導(dǎo)致不同的切削過程.此時刀具通過擠壓耕籬作用而不是剪切作用去除材料，擠壓耕籬作用會對碳纖維產(chǎn)生牽拉作用力，使得纖維產(chǎn)生了更大的變形，進而導(dǎo)致了更多的撕裂損傷，不利于材料的去除.

圖6 鉆削參數(shù)和穩(wěn)定鉆削階段初始位置孔壁粗糙度的關(guān)系

3.3 穩(wěn)定鉆削階段參數(shù)選取

綜上可知，每齒進給量越高，轉(zhuǎn)速越低，切削區(qū)域熱量累積越少，對孔壁的熱影響也就越小，但每齒進給量過高時會因為軸向力過大而對孔壁造成損傷，所以選擇在容許軸向力范圍內(nèi)的最大每齒進給量0.20 mm/r，選擇低轉(zhuǎn)速，考慮到提升加工效率的因素，可選擇轉(zhuǎn)速在1 000～3 000 r/min.

4 鉆出階段結(jié)果分析

鉆削出口位置材料由于無軸向支撐，非常容易產(chǎn)生撕裂和毛刺損傷，因此分析了該階段溫度和軸向力對出口質(zhì)量的影響規(guī)律，進而得出合適的工藝參數(shù).

4.1 鉆出階段熱影響分析

碳纖維復(fù)合材料中纖維之間依靠樹脂進行黏接，鉆出階段最后一層纖維材料由于無軸向支撐，軸向力大部分需要由層與層之間樹脂來承擔，而樹脂的黏接強度會隨著溫度的上升而降低，因此溫度過高會使出口位置樹脂更容易被破壞，進而產(chǎn)生撕裂及毛刺損傷[6].

在鉆出階段開始時，溫度會由于穩(wěn)定鉆削階段熱量累積達到峰值，然而接下來的鉆出過程中，鉆尖會刺破并伸出工件，與空氣進行熱量交換，熱量開始耗散，因此鉆出階段鉆削參數(shù)對溫度影響不大，其溫度主要受穩(wěn)定鉆削階段熱量累積量的影響，根據(jù)3.3節(jié)選擇穩(wěn)定鉆削階段參數(shù)，便可很好地降低出口溫度.因此該階段需主要關(guān)注如何通過調(diào)整鉆削參數(shù)來控制鉆削軸向力，進而減少出口位置的毛刺及撕裂損傷.

4.2 鉆出階段軸向力影響分析

在鉆出階段，出口處材料為弱約束狀態(tài)，當軸向力超過其能承受的最大臨界分層軸向力時，就會產(chǎn)生出口撕裂以及毛刺損傷.鉆削軸向力為影響出口質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，所以如果想要保證良好的出口質(zhì)量，必須將鉆削的出口軸向力控制在一定的范圍之內(nèi).

魏良耀[20]發(fā)現(xiàn)，在CFRP鉆削出口的損傷類型中，撕裂損傷對構(gòu)件性能的影響非常大.本文采用撕裂因子來衡量撕裂損傷程度，撕裂因子Ld=Dmax/D，其中Dmax是撕裂損傷的最大直徑，而D則為加工孔終孔的實際直徑，如圖7所示.

圖7 撕裂因子測量

如圖8所示為鉆削參數(shù)與鉆削出口軸向力Fa和出口撕裂損傷之間的關(guān)系，隨著每齒進給量的提高，鉆削出口位置的軸向力會隨之升高，出口撕裂因子也隨之增加，然而，轉(zhuǎn)速對鉆削出口位置軸向力以及出口撕裂的影響不大，由此可見，想保證低的出口位置軸向力，需要采用小的每齒進給量，進而減少出口撕裂損傷.

圖8 鉆削參數(shù)與出口撕裂損傷和鉆削出口軸向力關(guān)系

圖9顯示了出口毛刺占比R和鉆削參數(shù)之間的關(guān)系，可以看出，每齒進給量和轉(zhuǎn)速對出口毛刺殘留量都有一定的影響，進給量越小，轉(zhuǎn)速越高，出口毛刺占比越小，這是由于每齒進給量低，減小了出口位置軸向力，同時高轉(zhuǎn)速更容易將殘留的毛刺打斷，使得殘留毛刺數(shù)量減少.

4.3 鉆出階段參數(shù)選取

綜上所述，當每齒進給量為0.01 mm/r時，出口處的撕裂損傷最小.然而當每齒進給量過小時，由于每齒進給量小于刀具鈍圓半徑，會對出口處孔壁造成影響，所以選擇稍大于刀具鈍圓半徑的每齒進給量0.03 mm/r，保證出口孔壁質(zhì)量，減少撕裂損傷，同時選擇高轉(zhuǎn)速5 000 r/min以減少出口毛刺數(shù)量.

圖9 鉆削參數(shù)與出口毛刺占比關(guān)系

5 變參數(shù)位置分析

根據(jù)復(fù)合材料理論可知，CFRP板材為層疊結(jié)構(gòu)，其層與層之間是靠樹脂基體進行連接的，這就導(dǎo)致其層間結(jié)合力遠遠小于層內(nèi)結(jié)合力，當鉆頭由入口鉆向出口時，由于后部的材料越來越少，其能提供的背部支撐也越來越少，從而導(dǎo)致在軸向力的作用下層間材料易發(fā)生開裂，即形成分層損傷，通常認為在層間材料之間存在一個臨界軸向力，當鉆頭施加在層間的作用力小于這個臨界軸向力時，不會發(fā)生分層損傷.

如圖10所示為鉆削過程中鉆削軸向力和材料可承受臨界軸向力的關(guān)系[14]，可以看出，當選用每齒進給量為0.20 mm/r時，鉆削軸向力約為140 N，出口位置可承受此軸向力而不產(chǎn)生分層的最小層數(shù)為4層，此時將每齒進給量減小為0.03 mm/r，使得出口位置軸向力小于臨界軸向力，進而降低出口損傷.

圖10 單一參數(shù)和變參數(shù)鉆削的軸向力與臨界軸向力關(guān)系

6 變參數(shù)加工工藝方案驗證

分別采用分段變參數(shù)和定參數(shù)的鉆削工藝方法進行實驗，對比其加工效果.加工參數(shù)如表3所示，變參數(shù)工藝中，在鉆尖距離板材出口0.5 mm時變速.

表3 驗證試驗鉆削參數(shù)

如圖11所示為兩種不同加工工藝出口質(zhì)量和出口附近孔壁質(zhì)量的對比，在變參數(shù)加工狀態(tài)下，前半段采用低轉(zhuǎn)速高進給量，熱量累積明顯降低，鉆削到出口位置時溫度在170 ℃左右，相比于全程恒定進給量時的鉆削溫度240 ℃降低了70 ℃ 左右，沒有超過樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因此使得樹脂對纖維的黏結(jié)支撐能力較強，減少了凹坑的產(chǎn)生，孔壁質(zhì)量有所提升，并且減少了制孔用時，提升了效率.后半段采用高轉(zhuǎn)速低進給量，減小了出口位置的軸向力，控制其不超過出口位置的臨界分層軸向力，減少了出口撕裂，同時較高的轉(zhuǎn)速可增大將毛刺打斷的概率，進一步減少了毛刺的數(shù)量，共同作用使得制孔質(zhì)量有一定的提升.

圖11 恒定參數(shù)與變參數(shù)孔壁和出口形貌

7 結(jié) 論

(1)在穩(wěn)定鉆削階段，每齒進給量需要控制在一定范圍內(nèi)，過小會使得每齒進給量小于刀具鈍圓半徑，改變了材料去除方式，造成孔壁損傷，過大會使得鉆削軸向力過大，引起材料內(nèi)部分層撕裂，同樣會損傷孔壁.

(2)在穩(wěn)定鉆削階段，一定范圍內(nèi)增加每齒進給量在提升加工效率的同時能顯著降低熱量的累積，減弱切削區(qū)域高溫產(chǎn)生的不利影響，提升孔壁質(zhì)量.

(3)每齒進給量為影響鉆削軸向力的主要因素，對出口質(zhì)量的影響很大，鉆出段需采用低每齒進給量加工參數(shù)，使得鉆削軸向力小于出口分層臨界軸向力，進而保證鉆削出口質(zhì)量.

(4)本文工藝根據(jù)鉆削過程中力熱特征的變化，劃分了加工階段并給出各階段合適的鉆削參數(shù)范圍，一定程度上減少了制孔損傷，相比于恒定參數(shù)加工，不僅提升了加工效率，同時兼顧了孔壁質(zhì)量和出口質(zhì)量，是一種行之有效的加工工藝方案.