何一，王惠萍，王偉鋒

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司 上海 200245

1 序言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡(jiǎn)稱CFRP）由于比強(qiáng)度高、比模量大且成型工藝好等優(yōu)異特性，被應(yīng)用于某型號(hào)衛(wèi)星的框架構(gòu)架生產(chǎn)中。該框架材料為Al/CFRP/Al疊層結(jié)構(gòu)，由于裝配孔具有較高的幾何公差及尺寸精度要求，兩種材料分別制孔再進(jìn)行裝配的方式無(wú)法保證加工質(zhì)量的一致性[1]。因此，該材料疊層制孔的研究勢(shì)在必行。

疊層制孔的加工方式一定程度上保證了后續(xù)裝配的孔位要求，但由于不同材料對(duì)于刀具及加工參數(shù)等加工條件的適應(yīng)程度不同，因此出現(xiàn)了孔徑超差、孔內(nèi)壁表面質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。當(dāng)孔徑增大，隨之變大的軸向力也暴露出工件剛度不足、變形較大等問(wèn)題，需要對(duì)加工參數(shù)及裝夾方式做進(jìn)一步的改進(jìn)，以保證加工質(zhì)量及精度[2]。

對(duì)于疊層材料制孔的缺陷控制及工藝優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究。于書(shū)宇等[3]采用兩種變頂角結(jié)構(gòu)的鉆頭對(duì)Ti/CFRP疊層構(gòu)件進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，得到了頂角變化對(duì)軸向力大小及孔壁質(zhì)量的影響規(guī)律。ZITOUNE等[4，5]在CFRP/Al疊層制孔試驗(yàn)中，研究了鉆頭直徑及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等加工參數(shù)對(duì)鋁合金切屑形態(tài)與鉆削軸向力的影響，通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)提高了加工質(zhì)量。王昌贏等[6]研究了PTFE/CFRP/Al在制孔過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)切削溫度及成屑形態(tài)的影響，通過(guò)控制溫度和切屑形態(tài)，抑制了CFRP表面劃傷，提高了鋁合金出口的加工質(zhì)量。

關(guān)于如何利用加工參數(shù)來(lái)控制切屑形態(tài)和刀具磨損，進(jìn)而抑制缺陷、提高加工質(zhì)量的研究，前人已經(jīng)做出了許多努力[7-9]，然而現(xiàn)有制孔質(zhì)量的研究中，孔徑均＜10mm，相較于本框架構(gòu)件裝配孔徑22mm有較大差距。刀具尺寸的變化會(huì)使刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到更多來(lái)自于工件的力矩作用，加之CFRP的各向異性導(dǎo)致刀具兩刃所受的切削力不均衡，形成了過(guò)大的離心力，使刀具在鉆削CFRP時(shí)穩(wěn)定性急劇下降，從而引發(fā)更多的孔壁缺陷，同時(shí)，隨刀具直徑增大而增大的軸向力也對(duì)零件剛度及裝夾穩(wěn)定性提出了更高的要求。

本文以雙頂角鉆頭對(duì)Al/CFRP/Al疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，先通過(guò)對(duì)切削過(guò)程中鉆削軸向力變化趨勢(shì)的分析，進(jìn)行裝夾穩(wěn)定性的改善，再通過(guò)不同切削參數(shù)條件下，對(duì)加工質(zhì)量與軸向力大小的分析，揭示切削參數(shù)對(duì)該疊層材料制孔質(zhì)量的影響規(guī)律，并給出較為合適的加工參數(shù)，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用的刀具為T(mén) i A l N涂層雙頂角麻花鉆，鉆頭直徑為22mm，鉆尖頂角為130°/150°，如圖1所示。采用DMU 60P五軸精密數(shù)控加工中心，該加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速為18000r/min，主軸額定功率為42.8kW，試驗(yàn)過(guò)程中采用Kistler9128AA型壓電測(cè)力儀收集并記錄鉆削軸向力的數(shù)據(jù)。為了不破壞CFRP材料的性能，試驗(yàn)中并未使用切削液，而采取干式切削的方式，并利用工業(yè)吸塵器對(duì)揚(yáng)起的CFRP切屑粉末進(jìn)行回收，裝夾形式如圖2所示。

圖1 雙頂角麻花鉆頭

圖2 裝夾形式

試驗(yàn)后，利用KH-7700型三維視頻顯微鏡對(duì)試件孔壁形貌及缺陷進(jìn)行細(xì)節(jié)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集，并用Mahr M1型便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行表面粗糙度值的測(cè)量與分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鉆削試驗(yàn)的切削參數(shù)見(jiàn)表1，同一轉(zhuǎn)速下使用一把刀具連續(xù)加工4個(gè)孔，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的變化來(lái)分析加工質(zhì)量的優(yōu)劣，并利用重復(fù)試驗(yàn)來(lái)判斷刀具的磨損程度。

3.1 加工過(guò)程鉆削力分析

鉆削力是衡量鉆削質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，各方向鉆削力的變化能夠量化地體現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程，結(jié)合刀具磨損及缺陷的生成情況，能夠?qū)庸ぶ谐霈F(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的分析和評(píng)估。而軸向力作為各向鉆削力中的關(guān)鍵部分，在CFRP這種層合型復(fù)合材料和疊層構(gòu)件的加工中，更是產(chǎn)生分層和孔壁缺陷的關(guān)鍵因素[10]。

在本試驗(yàn)中，鉆頭主切削刃部分軸向長(zhǎng)度約3.4mm，如圖3所示。第一主切削刃直徑為6mm，鉆尖橫刃較小，故可知第一主切削刃末端到鉆尖橫刃的軸向長(zhǎng)度L1約為：L1＝d/（2 t a nα）＝6/[2 tan（130°/2）]＝1.4（mm）。

（1）主軸轉(zhuǎn)速為500r/min的鉆削過(guò)程 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí)，鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)如圖4所示，A點(diǎn)所示為鉆尖橫刃完全穿透鋁合金，尚未切削CFRP的節(jié)點(diǎn)。鉆削開(kāi)始后，軸向力在短暫的急劇上升后，進(jìn)入較為穩(wěn)定的變化過(guò)程，直至鋁合金層完全鉆透。此期間軸向力保持相同斜率持續(xù)上升，在經(jīng)過(guò)第一、第二主切削刃過(guò)渡點(diǎn)時(shí)也未出現(xiàn)明顯的斜率變化，說(shuō)明鉆削鋁合金時(shí)，軸向力對(duì)鉆尖頂角的變化并不敏感。

在經(jīng)過(guò)A點(diǎn)后，軸向力并未按照理論值持續(xù)上升，而是在小幅振蕩到B點(diǎn)后，迅速上升并進(jìn)入穩(wěn)定切削階段。鉆尖突破鋁合金后，進(jìn)入膠連部分并嘗試鉆入CFRP層，由于CFRP表面結(jié)構(gòu)不均，所以此時(shí)鉆尖失去穩(wěn)定的鉆入點(diǎn)。隨著刀具的運(yùn)動(dòng)，工件在軸向力的作用下發(fā)生彈性形變，呈拱形向下小幅彎曲，軸向力也沒(méi)有明顯增長(zhǎng)。

圖4 鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)（500r/min）

隨著工件向下?lián)隙鹊脑黾?，工件的反作用力逐漸增大，當(dāng)反作用力增大到某一臨界點(diǎn)后，鉆尖開(kāi)始正常鉆入CFRP，軸向力開(kāi)始上升（如圖4中點(diǎn)B到點(diǎn)C所示）。由于鉆頭向下運(yùn)動(dòng)與工件恢復(fù)形變的同時(shí)作用，鉆頭相對(duì)于工件的進(jìn)給量會(huì)大于設(shè)定值，出現(xiàn)過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象，軸向力以高于理論值的加速度迅速增大，孔壁加工質(zhì)量也隨著實(shí)際進(jìn)給量的增大而有所下降。通過(guò)對(duì)鉆頭的理論軸向位置進(jìn)行計(jì)算并與軸向力變化趨勢(shì)的時(shí)間軸對(duì)比，得知工件從鉆尖穿過(guò)鋁合金層時(shí)開(kāi)始發(fā)生形變，直至C點(diǎn)到D點(diǎn)期間進(jìn)入穩(wěn)定的全鉆切削過(guò)程，形變才逐漸恢復(fù)至正常加工狀態(tài)，過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象結(jié)束。

（2）裝夾方式改進(jìn)后的鉆削過(guò)程 為了證明上面得出的結(jié)論，將更厚的鋁合金層放置在鉆削出口、使用工裝裝夾并在工件底端加墊支承板，從而避免工件發(fā)生過(guò)多的形變影響實(shí)際加工質(zhì)量。將裝夾方式改進(jìn)后得到的軸向力變化趨勢(shì)如圖5所示。自A點(diǎn)鉆尖鉆入CFRP層直至C點(diǎn)切削刃完全進(jìn)入該層，切削力保持穩(wěn)定的加速度，持續(xù)增長(zhǎng)，在D點(diǎn)前維持穩(wěn)定的切削狀態(tài)。

圖5 裝夾改進(jìn)后的軸向力變化趨勢(shì)

將圖5與圖4的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比可知：軸向力變化至A點(diǎn)時(shí)，鉆尖穿透鋁合金層，經(jīng)過(guò)膠連層小幅回落后，軸向力迅速以穩(wěn)定的斜率增長(zhǎng)，直至鉆頭主切削刃完全進(jìn)入CFRP層后達(dá)到峰值平臺(tái)，并進(jìn)入全鉆穩(wěn)定切削階段。對(duì)比可知，圖4中軸向力由B點(diǎn)增大到C點(diǎn)的過(guò)程，持續(xù)時(shí)間短且斜率過(guò)大，確有過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象出現(xiàn)。

（3）主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min的鉆削過(guò)程 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí)，鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)如圖6所示。轉(zhuǎn)速的提高進(jìn)一步降低了鉆頭的穩(wěn)定性，這使得CFRP表面結(jié)構(gòu)不均的影響被放大，在鉆尖嘗試鉆入CFRP層時(shí)，兩者接觸產(chǎn)生了短時(shí)極大的軸向力，更易造成CFRP的層間分層缺陷。

圖6 鉆削過(guò)程軸向力變化趨勢(shì)（1500r/min）

轉(zhuǎn)速的提高也加劇了切削刃外緣與工件之間的相互作用，鉆頭外緣在經(jīng)過(guò)CFRP層出口側(cè)時(shí)，與碳纖維產(chǎn)生拉扯，導(dǎo)致軸向力回升并形成毛刺缺陷，導(dǎo)致孔壁質(zhì)量嚴(yán)重下降。

（4）主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)鉆削軸向力的影響 圖7及圖8展示了主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量的變化對(duì)鉆削CFRP及鋁合金時(shí)軸向力的影響。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響非常小，不論是鉆削CFRP還是鉆削鋁合金，主軸轉(zhuǎn)速都幾乎沒(méi)有引起軸向力的變化。進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響基本上呈線性關(guān)系，在控制過(guò)大進(jìn)給量對(duì)分層缺陷形成影響的情況下，可以適當(dāng)增加進(jìn)給以提高效率。

重復(fù)試驗(yàn)表明，刀具磨損對(duì)鋁合金的影響較小，而對(duì)于鉆削CFRP的影響顯而易見(jiàn)。刀具磨損無(wú)論是涂層剝落還是前刀面及刃口的磨損，都會(huì)導(dǎo)致刀具切削能力的下降，從而在切削CFRP的過(guò)程中，加大切斷碳纖維的困難程度，最終體現(xiàn)為軸向力的增長(zhǎng)。

圖7 CFRP層鉆削軸向力

圖8 鋁合金層鉆削軸向力

3.2 加工質(zhì)量分析

（1）表面粗糙度分析 表面粗糙度是評(píng)價(jià)表面加工質(zhì)量最重要、最明顯的指標(biāo)之一，本試驗(yàn)中利用表面粗糙度值定量地衡量加工表面質(zhì)量。對(duì)于CFRP，雖然存在各向異性和碳纖維取向的問(wèn)題，不能完全依賴表面粗糙度進(jìn)行衡量，但是由于鋪層相同，可采用每個(gè)孔4個(gè)固定角度位置的表面粗糙度測(cè)量值取平均數(shù)的方法，通過(guò)橫向?qū)Ρ葋?lái)評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的高低。

本試驗(yàn)中表面粗糙度的采集方式有三種，第一種為上層鋁合金的表面粗糙度測(cè)量，采樣長(zhǎng)度為1.75mm，用以衡量上層鋁合金的加工質(zhì)量。第二種為C F R P層的表面粗糙度測(cè)量，采樣長(zhǎng)度為5.60mm用以衡量CFRP層的加工質(zhì)量。第三種為上層鋁合金和CFRP層的表面粗糙度連帶測(cè)量，采樣長(zhǎng)度為5.60mm，采樣起始位置為入口處軸向向下約0.50mm處，用以衡量上兩層連接處的加工質(zhì)量。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響

圖9為主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)表面加工質(zhì)量的影響。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的改變對(duì)表面質(zhì)量沒(méi)有太大影響，鋁合金的表面粗糙度在各轉(zhuǎn)速下都依然保持了相當(dāng)不錯(cuò)的水平。對(duì)于CFRP來(lái)說(shuō)，進(jìn)給量是最大的影響因素，進(jìn)給量的增加導(dǎo)致在碳纖維的剪切斷裂中，無(wú)法形成穩(wěn)定一致的剪切斷口，表面質(zhì)量的下降非常明顯，同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的上升導(dǎo)致鉆削穩(wěn)定性下降，對(duì)表面粗糙度也有一定的影響。

（2）加工缺陷分析 疊層材料常見(jiàn)的層間毛刺在本工件的加工中由于層間的膠連得以避免[11，12]，由于入口側(cè)和出口側(cè)均由加工性較好的鋁合金構(gòu)成，所以入口和出口也并未出現(xiàn)明顯的加工缺陷。加工缺陷主要集中在以下幾個(gè)方面。

1）上層連接處附近的鋁合金和CFRP表面加工質(zhì)量下降：在鉆削過(guò)程中，鉆頭的軸向推擠引發(fā)了過(guò)進(jìn)給現(xiàn)象，導(dǎo)致上層連接處附近的鋁合金和CFRP加工質(zhì)量都有明顯下降，如圖10a所示。

2）下層連接處和CFRP的分層缺陷：在鉆頭外緣經(jīng)過(guò)下層連接處時(shí)，軸向力超過(guò)了層間的結(jié)合力和膠連的結(jié)合力，下層支承不足導(dǎo)致下層鋁合金和CFRP出口層被軸向力帶著向下運(yùn)動(dòng)，與已加工的表面分開(kāi)形成分層及毛刺等缺陷，如圖10b所示。

3）CFRP層的孔壁劃傷：在鉆削下層鋁合金時(shí)，成屑方向垂直于主切削刃的方向，帶狀鋁合金切屑在順著刀柄螺旋槽排除的過(guò)程中剮蹭CFRP層孔壁，造成表面質(zhì)量下降，呈現(xiàn)為如圖10c所示的孔壁劃傷。刀具穩(wěn)定性的下降極大地加大了孔壁劃傷的嚴(yán)重程度。

圖10 工件表面缺陷

3.3 參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)及產(chǎn)品驗(yàn)證

（1）參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn) 在了解了鉆削力變化趨勢(shì)及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響之后，在主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給量在0.04mm/r附近，設(shè)置了兩組單因素試驗(yàn)，進(jìn)行更加詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)選及推薦。具體的優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，其余試驗(yàn)條件未作改動(dòng)。

表2 優(yōu)選鉆削試驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響如圖11所示，同樣進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)以考慮刀具磨損對(duì)鉆削過(guò)程的影響。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響

根據(jù)前面的結(jié)論，軸向力的變化與表面粗糙度有非常強(qiáng)的相關(guān)性，采用軸向力較小的參數(shù)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出較為優(yōu)秀的表面質(zhì)量。過(guò)小的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)降低刀具的切削能力，從而導(dǎo)致在CFRP的鉆削中出現(xiàn)軸向力增大，表面質(zhì)量下降的情況，同時(shí)，過(guò)小的主軸轉(zhuǎn)速也會(huì)加重刀具磨損，不利于保持刀具的壽命。鉆頭直徑的增大使得主軸轉(zhuǎn)速的升高對(duì)鉆頭穩(wěn)定性的影響更嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量下降。進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響則呈現(xiàn)為線性規(guī)律，進(jìn)給量過(guò)大會(huì)引起零件表面質(zhì)量的急速下降。

參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)表明，在Al/CFRP/Al疊層材料大孔徑制孔的加工中，主軸轉(zhuǎn)速在500～700r/min均能保持較好的加工質(zhì)量；進(jìn)給量在0.04mm/r及以下時(shí)，加工質(zhì)量都相當(dāng)不錯(cuò)，在進(jìn)給量增大到0.06mm/r以上時(shí)，CFRP的表面質(zhì)量有明顯的下降趨勢(shì)。

（2）產(chǎn)品驗(yàn)證 工藝技術(shù)試驗(yàn)完成后，相關(guān)工藝方法在空間站產(chǎn)品及衛(wèi)星產(chǎn)品中開(kāi)展應(yīng)用，其中碳纖維蒙皮蜂窩板、碳纖維框架貼片、復(fù)材承力筒零件等產(chǎn)品使用該工藝方法進(jìn)行產(chǎn)品加工后，制孔質(zhì)量及孔徑精度均能滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，加工效果良好。該工藝方法后續(xù)將廣泛運(yùn)用在復(fù)合材料疊層產(chǎn)品中，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）加工缺陷的主要形式為CFRP出口側(cè)的分層缺陷及孔壁劃傷缺陷，這是由于刀具切削能力下降或軸向力過(guò)大導(dǎo)致，可以通過(guò)采用合適的主軸轉(zhuǎn)速并適當(dāng)降低進(jìn)給量的方式來(lái)抑制缺陷的產(chǎn)生。

2）CFRP的結(jié)構(gòu)特性會(huì)導(dǎo)致入鉆穩(wěn)定性的下降，對(duì)工件整體的剛性及裝夾方式提出了更高的要求，需通過(guò)制作專用工裝或下墊支承板等方式予以改善。

3）表面粗糙度與軸向力有較強(qiáng)的相關(guān)性，鋁合金表面在各切削參數(shù)下均保持較好的質(zhì)量；隨著進(jìn)給量的增大，CFRP的表面質(zhì)量下降明顯。

4）綜合考慮加工質(zhì)量、刀具磨損和裝夾難度等因素，比較適合該工件疊層制孔的加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速500r/min、進(jìn)給量0.04mm/r。

5）該工藝方法在空間站及衛(wèi)星復(fù)材產(chǎn)品中開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用并進(jìn)行推廣，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，取得了良好的加工效果。