王明海，馬振博，王 奔，印文典

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136）

1 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和鈦合金材料由于具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗疲勞性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。兩種材料與現(xiàn)使用的其他材料相比，可大幅度減小結(jié)構(gòu)重量、減少油耗、增加設(shè)備使用壽命及節(jié)省費(fèi)用，所以在航空航天國防工業(yè)、民用等領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近一段時(shí)期，以CFRP等先進(jìn)材料為主的復(fù)合材料在飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)身蒙皮和機(jī)翼等結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用比重日益增大[2]。

先進(jìn)航空飛行器上鈦合金與CFRP的大范圍使用，使得鈦合金構(gòu)件與CFRP構(gòu)件之間存在大量的連接/裝配需求[3]。同時(shí)，鈦合金與CFRP之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度匹配性好，且兩種材料之間具有較好的電化學(xué)相容性，不容易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此CFRP與鈦合金的配合使用可以較好的保證飛行器的結(jié)構(gòu)效率[4]。兩部分材料主要通過螺栓或者鉚釘緊固連接，需要鉆大量裝配孔，為提高生產(chǎn)效率，傾向于對疊層材料一體化鉆孔。出于安全考慮，航空飛行器上孔的尺寸公差要求遠(yuǎn)高于其他工業(yè)零件，因此二者之間連接裝配質(zhì)量將成為飛行器使役性能的關(guān)鍵因素[5-6]。

近一段時(shí)期，各國研究者對疊層材料的制孔技術(shù)取得巨大的科研成績，目前已經(jīng)在疊層材料的加工方法、刀具應(yīng)用、誤差補(bǔ)償、參數(shù)優(yōu)化，冷卻方式等各個(gè)方面的研究前進(jìn)了一大步[7-8]。伯明翰大學(xué)研究者鉆削Ti/CFRP/Al疊層材料使用了CVD涂層刀具，目的是為了估計(jì)鉆削速度和進(jìn)給量等鉆削參數(shù)對鉆削質(zhì)量的影響，并給出了最優(yōu)的參數(shù)組合[9]。鉆削力是影響疊層材料制孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。首先進(jìn)行CFRP/Ti疊層材料鉆孔試驗(yàn)，并對切削過程中的力進(jìn)行檢測與分析。結(jié)合對CFRP/Ti疊層材料鉆孔過程中的鉆削力變化的分析，研究切削過程中的切削振動(dòng)現(xiàn)象。鉆削力及切削振動(dòng)特性的研究，為實(shí)現(xiàn)CFRP/Ti疊層材料高質(zhì)量加工以及提高裝配精度等方面提供基礎(chǔ)理論支持和參數(shù)指導(dǎo)，以及提高刀具的使用壽命都將會(huì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[10]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)規(guī)劃

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用立式加工中心VMC850B對CFRP/Ti疊層材料進(jìn)行一體化鉆孔試驗(yàn)；使用KISTIER測力儀對疊層材料進(jìn)行鉆削力的測試；使用?？怂箍等鴺?biāo)測量儀對所加工的疊層材料進(jìn)行孔徑的測量。

2.2 鉆削刀具

試驗(yàn)所使用的是整體硬質(zhì)合金麻花涂層鉆頭刀具（YG6X），直徑為6mm，總長60mm，槽長35mm，切削刃長2.5mm；頂角130°，螺旋角 30°。

2.3 工件材料

試驗(yàn)所使用的材料為碳纖維復(fù)合材料和鈦合金材料。其中，CFRP由碳纖維和樹脂預(yù)浸料逐層鋪設(shè)而成，鋪層角度為［0°/90°］4s，每層厚度約為0.190mm，碳纖維直徑為5μm。鈦合金是航空航天工業(yè)中常用的鈦合金（Ti-6Al-4V）材料。碳纖維復(fù)合材料板以及鈦料板尺寸大小分別為（130×90×5.0）mm和（130×90）mm×3.5mm。本次試驗(yàn)過程中CFRP板在上，鈦合金板在下，即按照先加工CFRP板，后加工鈦合金板對疊層材料進(jìn)行一體化鉆削試驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

驗(yàn)所使用的是干式加工的方法（即不使用泠卻液）。并采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的鉆削工藝參數(shù)，如表1所示。每一組鉆削參數(shù)鉆3個(gè)孔，然后根據(jù)所測量的力和扭矩的數(shù)據(jù)取平均值。使用KISTIER公司所生產(chǎn)的測力儀測量扭矩和鉆削力。使用DynoWare軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

表1 CFRP/Ti疊層材料鉆削試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 CFRP/Ti Laminated Material Drilling Test Parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鉆削過程

加工的現(xiàn)場圖片，如圖1所示。進(jìn)給速度為55 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，隨著鉆削加工的進(jìn)行，鉆削力的變化，如圖2所示。整個(gè)加工過程可以分為5個(gè)部分，鉆頭剛剛鉆削復(fù)合材料至鉆頭完全鉆進(jìn)復(fù)合材料，此過程鉆削力呈增長趨勢；鉆頭完全鉆進(jìn)復(fù)合材料至鉆頭還沒鉆到鈦合金，此過程鉆削力較為平緩；鉆頭剛剛鉆到鈦合金至鉆頭完全鉆入鈦合金，此過程，鉆削力具有明顯增長的趨勢；鉆頭完全鉆入鈦合金至鉆頭鉆出鈦合金，此過程，鉆削力的變化較為平緩；鉆頭鉆出鈦合金，鉆削即將結(jié)束，鉆削力下降。所討論的鉆削力指定的是穩(wěn)定狀態(tài)下的鉆削力的平均值。

圖1 鉆削過程中鉆削力采集示意圖Fig.1 The Diagram of Cutting Force in the Drilling Process

圖2 鉆削過程中鉆削力的變化Fig.2 The Change of Cutting Force in the Drilling Process

3.2 鉆削參數(shù)對CFRP/Ti疊層材料鉆削力的影響

3.2.1 進(jìn)給速度的影響

在主軸轉(zhuǎn)速為600r/min不變的條件下，分別取進(jìn)給速度為25mm/min、40mm/min、55mm/min、70mm/min時(shí)扭矩與軸向力的值。從圖3、圖4可以看出：進(jìn)給速度從25mm/min增加到70mm/min過程中，CFRP鉆削扭矩從4N·cm增長至6.47N·cm，增長率為61.75%；鈦合金鉆削扭矩從13.3N·cm增長至19N·cm，增長率為44.36%；CFRP鉆削軸向力從132.4N增長至263.4N，增長率為98.94%；鈦合金鉆削軸向力從420.2N增長至775.9N，增長率為84.65%。圖3、圖4中明顯看出，主軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，隨著進(jìn)給量的增加，扭矩與軸向力具有明顯上升趨勢。其中軸向力會(huì)隨著進(jìn)給量增大，鉆削厚度 hD增大（hD=（f/2）×sinφ），故鉆削力都會(huì)增大；但鉆削厚度的hD增大，將又會(huì)致使切屑變形系數(shù)減小，從而使得鉆削力也會(huì)隨之減小。最終兩種作用的綜合結(jié)果將會(huì)使得鉆削力隨進(jìn)給量f的增大而增大。

圖3 進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速與扭矩間的關(guān)系Fig.3 Relationship Among Feed Amount，Speed of Main Shaft and Torque

圖4 進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速與軸向力間的關(guān)系Fig.4 Relationship Among Feed Amount，Speed of Main Shaft and Cutting Force

3.2.2 主軸轉(zhuǎn)速的影響

在進(jìn)給速度為70mm/min不變的條件下，分別取主軸轉(zhuǎn)速為600r/min、900r/min、1200r/min、1500r/min 時(shí)扭矩與軸向力的值。如圖4、圖5所示，可以看出：主軸轉(zhuǎn)速從600r/min增加到1500r/min過程中，CFRP鉆削扭矩從6.47N·cm下降至3.87N·cm，下降率為40.19%；鈦合金鉆削扭矩從19N·cm下降到11.53N·cm，下降率為39.31%；CFRP鉆削軸向力從263.4N下降至114.6N，下降率為56.49%；鈦合金鉆削軸向力從775.9N下降至487N，下降率為37.23%。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與扭矩間的關(guān)系Fig.5 Relationship Among Speed of Main Shaft Feed Amount and Torque

圖6主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與軸向力間的關(guān)系Fig.6 Relationship Among Speed of Main Shaft Feed Amount and Cutting Force

圖5 、圖6中可以看出，在進(jìn)給速度較大時(shí)，扭矩與軸向力變化的大體趨勢會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低。其中當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致軸向力先降低后增大的結(jié)果。這是因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱系數(shù)較小，散熱情況差，進(jìn)而溫度升高，使刀具，切屑發(fā)生粘結(jié)，導(dǎo)致切屑不能順利排出，最后造成軸向力的增大。

4 鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式

為研究鉆削參數(shù)與鉆削力之間的關(guān)系，運(yùn)用SPSS軟件建立起多元非線性回歸模型，求出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與扭矩和軸向力之間的經(jīng)驗(yàn)公式。如下經(jīng)驗(yàn)公式的通用式為：

式中：F—軸向力；M—扭矩；n、v—主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度；CF、CM—綜合影響因子；k1、k2、k3和k4—多元線性回歸待定系數(shù)。對上式兩端求對數(shù)得：

設(shè) lg F=y，lg CF=b0，lg n=x1，lg V=x2，則有：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，用多元線性回歸法分析即可求得相應(yīng)參數(shù)。

鉆削CFRP的扭矩的擬合經(jīng)驗(yàn)公式：

相關(guān)系數(shù)R=0.97。

進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速指數(shù)絕對值的比較：

鉆削Ti的扭矩?cái)M合經(jīng)驗(yàn)公式：

相關(guān)系數(shù)R=0.95。

進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速指數(shù)絕對值的比較：

鉆削CFRP的軸向力的擬合經(jīng)驗(yàn)公式：

相關(guān)系數(shù)R=0.98。

進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速指數(shù)絕對值的比較：

鉆削Ti的軸向力的擬合經(jīng)驗(yàn)公式：

相關(guān)系數(shù)R=0.99。

進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速指數(shù)絕對值的比較:

由此經(jīng)驗(yàn)公式可見：回歸分析的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、.0.95、0.98和0.99。相關(guān)系數(shù)是判定回歸方程對樣本數(shù)據(jù)擬合程度的指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)越接近于1，就說明擬合度越好。對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平“α=0.05”。扭矩經(jīng)驗(yàn)公式的回歸顯著水平為p=0.00030＜0.05和p=0.00020＜0.05，軸向力經(jīng)驗(yàn)公式的回歸顯著水平分別為p=0.00015＜0.05和p=0.0002＜0.05。回歸方程顯著性明顯，說明以上經(jīng)驗(yàn)式（4）～式（7）具有實(shí)際意義。

從式（4）～式（7）可以看出，CFRP 和Ti的鉆削力與轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等鉆削參數(shù)均密切相關(guān)，由經(jīng)驗(yàn)公式中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的系數(shù)可以得出k1＜k2、k3＜k4，即主軸轉(zhuǎn)速對軸向力和扭矩的影響要小于進(jìn)給量對軸向力和扭矩的影響。且根據(jù)綜合影響因子可以得出CTi＞CCFRP，即在低速鉆削CFRP/Ti疊成材料時(shí)，鉆削力的值大幅度變化是發(fā)生在鉆削鈦合金時(shí)，在此時(shí)鉆削力的大小將影響整個(gè)加工過程中鉆削力的變化。

對結(jié)果分析可知，當(dāng)進(jìn)給速度越小，主軸轉(zhuǎn)速越大時(shí)，扭矩與軸向力會(huì)相對較小。從降低鉆削力角度考慮，選出一組最佳的參數(shù)即鉆削速度V=55mm/min和主軸轉(zhuǎn)速n=1200r/min，對疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)。使用表面粗糙度測量儀（TR240）對CFRP孔表面粗糙度檢測，平均結(jié)果為Ra=6.60μm；使用海克斯康Global eXtra測量儀測得CFRP孔的平均孔徑d=6.040mm，公差等級為IT 10。鈦合金鉆孔的平均孔徑d=6.037mm，公差等級也是IT 10。

5 振動(dòng)特性

CFRP/Ti疊層材料鉆削過程中，鉆削剛開始時(shí)（即鉆頭剛接觸到CFRP）和鉆頭剛接觸到Ti合金時(shí)，由于切削刃與加工材料接觸面積較小，且之后的接觸面積不斷變化，將使鉆削力產(chǎn)生劇烈的變化，鉆削力的頻率與振幅也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，近而將產(chǎn)生振動(dòng)。刀具的振動(dòng)將會(huì)對孔的加工精度與尺寸誤差造成影響。從鉆頭進(jìn)入CFRP至進(jìn)行到鈦合金部分的頻率、振幅與鉆削力波動(dòng)次數(shù)的關(guān)系示意圖，如圖7所示。

圖7 頻率、振幅與波動(dòng)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship Among Frequency，Amplitude and Wave Number

其中，加工參數(shù)取主軸轉(zhuǎn)速為n=600r/min，進(jìn)給速度為V=55mm/min。即刀具轉(zhuǎn)速n=10r/s，所以鉆削時(shí)，每秒將切削20次。在鉆頭完全鉆入CFRP/Ti疊層材料時(shí)，力的變化頻率在20Hz上下波動(dòng)，振幅在60mm上下波動(dòng)。但在鉆入到兩個(gè)材料的接觸面時(shí)，頻率將變大，振幅也會(huì)降低。說明在加工CFRP/Ti接觸面時(shí)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。

6 結(jié)論

（1）從鉆削試驗(yàn)結(jié)果以及鉆削經(jīng)驗(yàn)公式可知，在進(jìn)給速度不變的情況下，扭矩和軸向力將隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減??；在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，扭矩和鉆削力將隨進(jìn)給速度的增大而增大。（2）從鉆削參數(shù)對扭矩和鉆削力的影響效果來看，進(jìn)給速度對扭矩和鉆削力的影響強(qiáng)于主軸轉(zhuǎn)速。進(jìn)而在加工過程中應(yīng)盡量取較高的主軸轉(zhuǎn)速，較低的進(jìn)給速度，將會(huì)提高孔的加工精度。（3）在鉆削CFRP/Ti疊成材料過程中，在加工至CFRP與Ti接觸面時(shí)將會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。