焦 鋒 王 東

（河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作 454000）

文 摘 綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料制孔技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了傳統(tǒng)方法鉆削CFRP/鈦合金疊層材料過(guò)程中軸向力和扭矩、鉆削溫度的測(cè)量方法，軸向力和扭矩的變化規(guī)律，以及刀具磨損、加工損傷與鉆削工藝的關(guān)系；對(duì)螺旋銑孔、低頻振動(dòng)鉆孔和超聲輔助振動(dòng)鉆孔的實(shí)現(xiàn)方法、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和加工質(zhì)量進(jìn)行了分析總結(jié)，并對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料制孔技術(shù)的應(yīng)用和研究動(dòng)向進(jìn)行了探討。

0 引言

在現(xiàn)代航空工業(yè)廣泛使用的疊層材料中，CFRP/鈦合金疊層材料最為常見(jiàn)。CFRP與鈦合金以疊層方式進(jìn)行組合的最大優(yōu)點(diǎn)是提高了整體強(qiáng)度而且降低了整體質(zhì)量，其強(qiáng)度高達(dá)830 MPa而密度大約只有4 g/cm3，CFRP/鈦合金疊層比CFRP/鋁合金疊層在降低電化腐蝕和比強(qiáng)度方面也具有優(yōu)勢(shì)。螺栓連接具有牢固可靠、容易裝配和檢查方便等優(yōu)點(diǎn)，故CFRP和鈦合金板材多以螺栓連接的方式進(jìn)行裝配，在二者的貼合表面上可以涂黏合劑，也可以不用任何黏合劑。為實(shí)現(xiàn)螺栓連接，需要鉆削大量的通孔，為減小孔的位置誤差和孔的尺寸公差，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是將CFRP和鈦合金板材疊放在一起進(jìn)行鉆孔。盡管這種方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，但因CFRP與鈦合金材料的物理和力學(xué)性能差別很大，給鉆削加工帶來(lái)一定難度。CFRP是各向異性材料，其聚合物基體材料和碳纖維的物理和力學(xué)性能差別也很大，碳纖維具有彈-脆性和較弱的熱傳導(dǎo)性，而聚合物基體材料具有塑性，鈦合金是金屬材料，其熱傳導(dǎo)性和彈性模量較低，而耐化學(xué)腐蝕性較高，這些特性導(dǎo)致鉆削CFRP時(shí)嚴(yán)重的磨粒磨損、刃口碎裂，以及鉆削鈦合金時(shí)嚴(yán)重的粘著、劇烈的后刀面磨損和刀具的過(guò)早鈍化［1-7］。

在鉆削過(guò)程中，從CFRP鉆削到鈦合金或從鈦合金鉆削到CFRP的交界面時(shí)，鉆頭同時(shí)切削物理和力學(xué)性能完全不同的兩種材料，與切削單一材料有很大區(qū)別，材料及其性能的不連續(xù)增加了對(duì)刀具刃型及切削用量選擇的難度。鉆削CFRP/鈦合金疊層材料時(shí)產(chǎn)生的缺陷，主要有纖維分層、基體老化、纖維拔斷和出口毛刺等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量的工件報(bào)廢，加上刀具的劇烈磨損使其壽命變短，增加了鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的成本和降低了生產(chǎn)效率［8-12］。

CFRP/鈦合金疊層材料的組裝件已經(jīng)使用多年，但對(duì)鉆削機(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究仍在繼續(xù)，并不斷取得新成果［13-18］。同時(shí)，也出現(xiàn)了適宜于CFRP/鈦合金疊層材料制孔的新技術(shù)［19-20］。目前，對(duì)CFRP或鈦合金，或CFRP/鈦合金疊層復(fù)合材料鉆孔技術(shù)進(jìn)行綜述的文章較常見(jiàn)［21-26］，而對(duì)CFRP/鈦合金疊層復(fù)合材料的鉆削、螺旋銑削和振動(dòng)輔助鉆削等制孔技術(shù)進(jìn)行歸納的文章還較少見(jiàn)。隨著制造領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，梳理CFRP/鈦合金復(fù)合材料制孔技術(shù)的現(xiàn)有研究成果，提出有助于提高CFRP/鈦合金疊層材料制孔質(zhì)量的策略和方法，對(duì)現(xiàn)在和將來(lái)的研究工作和在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用新技術(shù)，都會(huì)有所補(bǔ)益。因此，本文在總結(jié)傳統(tǒng)鉆孔的軸向力和扭矩、鉆削溫度的變化規(guī)律，刀具磨損、加工損傷與鉆削工藝的關(guān)系，以及螺旋銑孔、低頻振動(dòng)鉆孔和超聲輔助振動(dòng)鉆孔的實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，探討CFRP/鈦合金疊層材料制孔過(guò)程中需要解決的技術(shù)問(wèn)題和研究動(dòng)向。

1 CFRP/鈦合金疊層材料的特點(diǎn)

碳纖維的質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高，當(dāng)與基體材料結(jié)合在一起時(shí)，提高了CFRP材料系統(tǒng)的力學(xué)和摩擦學(xué)特性。纖維層的力學(xué)特性取決于纖維的鋪設(shè)方向，如圖1（a）所示，單一方向的坯片在沿著纖維方向及其垂直方向呈現(xiàn)不同的力學(xué)特性，沿纖維方向的強(qiáng)度和模量高而垂直于纖維方向的很低，圖1（b）所示的編織結(jié)構(gòu)的坯片，在兩個(gè)互相垂直的方向都具有較高的強(qiáng)度和模量。

使用多層纖維坯片時(shí)，通常按不同的角度交叉粘結(jié)在一起，圖1（c）是一種常用的多層纖維疊層方案。纖維層疊材料整體上呈現(xiàn)多相、各向異性和脆性，可加工性很差，尤其在組裝式構(gòu)件中，必須制造較高精度的孔，以保證良好的裝配特性。

圖1 纖維層的常用結(jié)構(gòu)［7］Fig.1 Common structures of CFRP

鈦合金與CFRP組合能夠獲得更好的耐腐蝕和抗疲勞特性。鈦合金有低溫α相（HCP）和高溫β相（BCC）兩種形態(tài)。純鈦大約在882℃時(shí)實(shí)現(xiàn)同素異性轉(zhuǎn)變，從低溫的密排六方晶系α相（HCP）變?yōu)楦邷氐捏w心立方β相（BCC）［3］。鈦合金目前被認(rèn)為是極難加工材料，在CFRP/鈦合金組合構(gòu)件上進(jìn)行制孔，其切削機(jī)理更為復(fù)雜。

2 CFRP/鈦合金疊層材料的傳統(tǒng)鉆孔方法研究

CFRP/鈦合金疊層材料的可加工性比較差，鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)了許多技術(shù)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)高效、低成本、高質(zhì)量的鉆孔，人們對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料鉆孔過(guò)程中的軸向力、鉆削溫度、刀具磨損、切削機(jī)理和加工損傷等進(jìn)行了深入研究。

2.1 鉆削力的測(cè)量及其變化規(guī)律

用測(cè)力儀測(cè)量鉆削力時(shí)，測(cè)力儀的安裝方式有兩種，見(jiàn)圖2，圖2（a）、（b）是最常見(jiàn)的測(cè)量軸向力和扭矩的安裝方法［27-30］。圖2（c）是測(cè)力儀的另外一種安裝方式，把測(cè)力儀安裝在主軸上［31］，同樣可以對(duì)軸向力和扭矩進(jìn)行測(cè)量。從作用與反作用的原理看，二者似乎沒(méi)有差別，但實(shí)際上，若存在振動(dòng)干擾，圖2（c）中受擾動(dòng)的質(zhì)量較小，故測(cè)量誤差可能會(huì)小些。

軸向力的明顯波動(dòng)發(fā)生在CFRP/鈦合金疊層材料的交界面附近。在鉆削CFRP材料時(shí)，力幅值的變化主要受纖維角度的影響，而鉆削鈦合金時(shí)，力幅值的變化則受切屑分離模式和鋸齒狀切屑的形成過(guò)程影響。圖3是CFRP切屑形成模式。碳纖維與切削方向的夾角θ不同時(shí)，其切屑的形成模式也不同。當(dāng)θ=0°時(shí)，刀具不斷地?cái)D壓切削層使之與基體分離成脫皮狀態(tài)而形成切屑；當(dāng)0°＜θ≤90°時(shí)，刀具擠壓碳纖維使其內(nèi)部形成垂直于纖維軸線(xiàn)的剪切應(yīng)力，此剪切應(yīng)力超過(guò)碳纖維強(qiáng)度時(shí)，碳纖維斷裂，斷裂后的碳纖維在前刀面推擠下沿纖維方向滑移，使纖維界面間剪切應(yīng)力超過(guò)基體的剪切強(qiáng)度而與基體分離，從而形成切屑；當(dāng)90°＜θ＜180°時(shí)，刀具擠壓碳纖維使其產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，此彎曲應(yīng)力超過(guò)纖維強(qiáng)度時(shí)在刀具底部產(chǎn)生斷裂而形成切屑［21，32］。實(shí)驗(yàn)證明 CFRP 的切削過(guò)程是脆性斷裂過(guò)程，其切削變形的特點(diǎn)與其他脆性材料基本相同。

圖2 鉆削力測(cè)量方法Fig.2 Measurement for drilling force

圖3 CFRP材料切屑形成模式［21，31］Fig.3 Chip formation of CFRP

在鉆削CFRP/鈦合金交界面時(shí)，鈦切屑為鋸齒形的，這種發(fā)生在前刀面上的切屑類(lèi)型變化對(duì)軸向力和扭矩影響明顯。圖4所示為兩種材料交界面附近的切削情況，該區(qū)域的切屑形成模式和材料的力學(xué)和物理性能都發(fā)生重要變化，更易產(chǎn)生損傷和形成缺陷。當(dāng)鉆尖穿過(guò)交界面后，鉆頭受到兩種材料作用，切削條件惡化，主切削刃上同時(shí)承受CFRP的脆性折斷和鈦合金的塑性變形過(guò)程，在去除材料的過(guò)程中要經(jīng)歷熱/力耦合作用，在完全鉆入鈦合金之前，刀具將受到劇烈的力振動(dòng)和熱載荷波動(dòng)作用，導(dǎo)致刀具-工件系統(tǒng)不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是導(dǎo)致孔損傷的主要因素之一［21］。在主切削刃完全鉆入鈦合金后，刀具-工件之間的彈-塑性變形起主導(dǎo)作用，熱/力耦合作用下的剪切運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)切屑從刀具前面流出，鉆削過(guò)程進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)，軸向力、鉆削溫度和孔表面完整性可獲得能夠接受的精度。

圖5是鉆削CFRP/鈦合金疊層材料時(shí)的軸向力和扭矩隨孔深的變化規(guī)律［1］?？梢钥闯觯@削過(guò)程大致可以分為7個(gè)階段：階段1為鉆尖開(kāi)始鉆入CFRP材料，軸向力和扭矩從0開(kāi)始漸漸增加；階段2為鉆刃逐漸切入CFRP，軸向力和扭矩隨鉆頭推進(jìn)而增大；階段3為鉆刃完全鉆入CFRP，軸向力和扭矩近似為常數(shù)；階段4為鉆尖開(kāi)始鉆削至CFRP與鈦合金的交界面，刀具由鉆削單一CFRP逐漸變成同時(shí)鉆削CFRP與鈦合金，導(dǎo)致軸向力和扭矩明顯增大；階段5為切削刃逐漸鉆入單一鈦合金，軸向力和扭矩不斷增加，軸向力最終達(dá)到最大值；階段6為切削刃完全鉆入單一鈦合金，軸向力基本不變，而扭矩達(dá)到最大值；階段7為切削刃逐漸鉆出鈦合金，軸向力逐漸減小至0，但扭矩不為0，因?yàn)殂@頭與孔壁之間存在摩擦，主要取決于材料的彈性回彈特性。

圖4 鉆削CFRP/鈦合金交界面［21］Fig.4 Interface zone of CFRP/Ti

圖5 鉆削力隨孔深的變化規(guī)律［1］Fig.5 Change rule of drilling force

2.2 鉆削溫度的測(cè)量及其變化規(guī)律

用嵌入式熱電偶法測(cè)量鉆削溫度時(shí)，熱電偶的安裝方法見(jiàn)圖6（a）和（b），其中圖6（a）只能測(cè)量工件上若干個(gè)點(diǎn)的鉆削溫度，且各點(diǎn)的溫度隨著鉆削深度的變化而變化，圖6（b）本質(zhì)上是測(cè)量切削刃上的溫度，也是隨著鉆削深度變化而變化的，其變化規(guī)律反映了鉆頭的溫升特征，并不是工件的溫度變化規(guī)律。圖6（c）是用箔片熱電偶測(cè)量鉆削溫度的原理，需要通過(guò)箔片的顯微硬度或熱敏圖像進(jìn)行溫度測(cè)量。圖6（d）是一種非接觸測(cè)量鉆削溫度的原理，在工件中嵌入光導(dǎo)纖維來(lái)測(cè)量切削刃上的溫度。

圖6 鉆削溫度測(cè)量方法［32］Fig.6 Measurements of drilling temperature

為了獲得溫度在工件上的分布規(guī)律，可以采用紅外熱像儀測(cè)量鉆削溫度，見(jiàn)圖7（a）。這種鉆削溫度測(cè)量方法不僅可以明確試件上某點(diǎn)的溫度，而且可以看到熱源及其所引起的溫度在試件上的變化規(guī)律，這是該方法所具有的突出優(yōu)點(diǎn)。

圖7 紅外熱像儀測(cè)溫原理與溫度變化規(guī)律［33］Fig.7 Principle and variation law of temperature measurement of thermal infrared images

鉆削溫度是影響CFRP材料的制孔質(zhì)量的重要因素之一。CFRP的基體樹(shù)脂是非晶聚合物，當(dāng)溫度達(dá)到轉(zhuǎn)換溫度（環(huán)氧樹(shù)脂的轉(zhuǎn)換溫度一般約200℃）時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)換成高彈性態(tài)，使其與碳纖維的粘結(jié)力降低，CFRP的整體力學(xué)性能下降。碳纖維的硬顆粒使刀具磨損，產(chǎn)生大量的切削熱和摩擦熱，引起鉆削溫度迅速升高，會(huì)導(dǎo)致碳纖維與基體分離，產(chǎn)生孔表面裂紋、碳纖維拔出和孔壁樹(shù)脂凹坑等缺陷。因此要嚴(yán)格控制鉆削溫度。WANG Ben等［33］研究了鉆削CFRP/Ti疊層材料時(shí)的軸向力和溫度變化特點(diǎn)，見(jiàn)圖7（b）。顯然鉆削溫度與軸向力存在一定的相關(guān)性。

2.3 刀具磨損、切削機(jī)理和加工損傷

刀具材料和切削用量不同時(shí)，刀具磨損是不同的。在CFRP/鈦合金疊層材料鉆孔過(guò)程中，刀具既有CFRP中的碳纖維硬顆粒造成的磨粒磨損，又有鈦合金粘結(jié)造成的磨損，還有切屑與刀具之間的摩擦產(chǎn)生的磨損，整個(gè)磨損機(jī)理比較復(fù)雜。對(duì)不同刀具材料（包括涂層材料）的磨損情況，已有不少研究成果［29，33-36］。不論使用哪種材料，目前公認(rèn)的刀具磨損模式主要有磨粒磨損、刃口鈍化（崩刃）、后刀面磨損和粘著磨損。刀具材料不同，適宜的切削用量也不同。鉆削試驗(yàn)表明，在相同的切削條件下，不論是否具有AlTiN涂層，碳化鎢（WC）刀具鉆削單一材料（CFRP或鈦合金）時(shí)，刀具的磨損主要為刃口鈍化和后刀面磨損，且出現(xiàn)在橫刃轉(zhuǎn)點(diǎn)和外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)附近；鉆削CFRP/鈦合金疊層材料時(shí)刀具壽命會(huì)有所提高，說(shuō)明CFRP的硬顆粒切屑對(duì)刀具有一定的自銳作用［29］。BAM涂層硬質(zhì)合金刀具適合以比無(wú)涂層時(shí)較高的切削速度切削CFRP/鈦合金疊層材料［34］，碳化鎢（WC）刀具切削鈦合金時(shí)會(huì)在整個(gè)刀刃上出現(xiàn)嚴(yán)重的鈦粘附現(xiàn)象，多晶金剛石（PCD）刀具在切削鈦合金時(shí)，沒(méi)有明顯的鈦粘附但有顯著的崩刃磨損，相應(yīng)的軸向力、扭矩和鉆削溫度都比切削CFRP時(shí)明顯增加［36］。機(jī)夾式PCD刀具耐磨性好，對(duì)碳纖維與切削方向的夾角θ不同時(shí)的CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行直角切削試驗(yàn)表明，在切削鈦合金時(shí)，有嚴(yán)重的月牙槽磨損和輕微的后刀面磨損，在切削CFRP材料時(shí)，月牙槽磨損寬度會(huì)隨夾角θ增大而增大［37］。

切屑的形成和流動(dòng)過(guò)程、材料去除模式等切削機(jī)理問(wèn)題，對(duì)刀具磨損和已加工表面的質(zhì)量都有重要影響。通過(guò)對(duì)切削實(shí)驗(yàn)的分析，XU［37］認(rèn)為切屑的形成取決于夾角θ，見(jiàn)圖8。當(dāng)θ=0°時(shí)，刀具的擠壓力使纖維向上彎曲，并與基體在界面處分離，纖維與前刀面的實(shí)際接觸長(zhǎng)度明顯大于公稱(chēng)切削深度，隨著刀具的向前運(yùn)動(dòng)，纖維脆性斷裂形成粉末狀切屑；當(dāng)θ=45°時(shí)，刀具對(duì)未切斷纖維的剪切作用，使纖維在切削平面下邊斷裂，并在刀尖附近與基體界面脫膠剝離，形成切屑，纖維與前刀面的接觸長(zhǎng)度大約等于公稱(chēng)切削深度；當(dāng)θ=90°時(shí)，刀具對(duì)纖維施加強(qiáng)烈的擠壓和彎曲作用，導(dǎo)致層間分離，當(dāng)應(yīng)力對(duì)于纖維強(qiáng)度時(shí)，纖維在已加工表面下部斷裂，形成切屑，纖維與前刀面的接觸長(zhǎng)度大于公稱(chēng)切削深度。XU［38-39］將單根纖維視作懸臂梁，將刀具與纖維的接觸視為兩圓柱的接觸，且符合赫茲接觸規(guī)律，建立撓曲線(xiàn)方程和力學(xué)模型，在刀具對(duì)纖維的作用力使纖維的拉應(yīng)力超過(guò)其拉伸強(qiáng)度時(shí)，纖維斷裂，形成切屑。這些分析對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)的加工損傷和刀具磨損現(xiàn)象，都在一定程度上能夠進(jìn)行解釋。

CFRP/鈦合金疊層材料的加工損傷，主要從已加工表面的粗糙度、分層、進(jìn)出口毛刺、孔的尺寸精度和幾何精度等幾方面進(jìn)行研究。CFRP部分的表面粗糙度Ra為3.2 μm，鈦合金部分的表面粗糙度Ra為1.6 μm，直徑公差不大于30 μm。當(dāng)按照鈦合金→CFRP的順序進(jìn)行切削時(shí)，孔的表面粗糙度比按照CFRP→鈦合金的順序進(jìn)行切削時(shí)要低些，說(shuō)明鈦合金切屑排出時(shí)確實(shí)會(huì)劃傷CFRP部分的已加工表面。進(jìn)給量的增大對(duì)孔表面粗糙度有顯著影響，而切削速度對(duì)表面粗糙度的影響不明顯。所以，用較低的進(jìn)給量和適當(dāng)?shù)那邢魉俣?，按照鈦合金→CFRP的順序進(jìn)行切削可以獲得較低的表面粗糙度。由于CFRP與鈦合金的線(xiàn)脹系數(shù)差別很大，要獲得一致性好的孔徑是很困難的。按照CFRP→鈦合金的順序進(jìn)行切削時(shí)，無(wú)論是CFRP還是鈦合金，其孔徑都比公稱(chēng)值大，而按照鈦合金→CFRP的順序進(jìn)行切削時(shí)，孔徑時(shí)大時(shí)小，與切削用量密切相關(guān)，但其值都更接近公稱(chēng)值。進(jìn)給量增大會(huì)使孔的圓度誤差增大，而切削速度對(duì)孔的圓度誤差的影響規(guī)律不明顯［40］。

圖8 切屑形成模式［37］Fig.8 Chip formation modes

3 CFRP/鈦合金疊層材料的螺旋銑孔研究進(jìn)展

螺旋銑削是一種典型的同時(shí)具有周向進(jìn)給和軸向進(jìn)給的間斷切削方法，利用銑刀沿圓柱螺旋線(xiàn)軌跡進(jìn)刀的方式實(shí)現(xiàn)孔加工，基本加工原理見(jiàn)圖9。刀具中心不與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過(guò)程。采用螺旋銑削不僅可用同一把刀具進(jìn)行不同孔徑的制孔和擴(kuò)孔，而且可以銑削孔的端面，從而縮短換刀時(shí)間，同時(shí)提高加工效率和設(shè)備的柔性，大大減少存刀數(shù)量和種類(lèi)，降低加工成本。由于是斷續(xù)切削過(guò)程，刀具散熱條件好，可降低因溫度累積而造成的刀具磨損。整個(gè)銑削過(guò)程中可采用微量潤(rùn)滑甚至空冷方式實(shí)現(xiàn)冷卻。刀具直徑比孔小，排屑順利，有利于降低孔表面的粗糙度值。銑削力較小，有利于減小或避免孔口產(chǎn)生毛刺或分層等缺陷。文獻(xiàn)［41］歸納了螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)、切削力、切削溫度、刀具磨損和壽命、孔的質(zhì)量等一系列技術(shù)問(wèn)題和研究現(xiàn)狀，指出以上各個(gè)方面還存在一些亟待解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)［42-43］分析了對(duì)CFRP/鈦合金疊層板螺旋銑孔的動(dòng)力學(xué)、切屑形成等問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究了切削用量對(duì)軸向進(jìn)給力和孔表面質(zhì)量的影響。螺旋銑削的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，實(shí)際切削用量的計(jì)算可以按照?qǐng)D10的幾何關(guān)系來(lái)確定，由圖可知，進(jìn)給速度為

式中，z、n分別為銑刀的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速；Dh和DB分別為螺旋線(xiàn)的端面投影直徑和被加工孔直徑；α為螺旋升角；fza為刀具中心的軸向進(jìn)給量；fzt為銑刀的切向進(jìn)給量；vfha、vfht和vf分別為銑刀中心的軸向、切向進(jìn)給速度和實(shí)際進(jìn)給速度；aP*為螺旋線(xiàn)的螺距（即每螺旋的吃刀深度）。

圖9 螺旋銑削孔原理Fig.9 Principle of helical milling

在實(shí)際加工過(guò)程中，銑刀的中心是在直徑Dh很小的螺旋線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)，為保證被加工孔的直徑精度和圓度，要求機(jī)床刀具系統(tǒng)必須具有很高的剛度。由于銑刀具有平面端刃，切削過(guò)程中幾乎不存在過(guò)渡階段，即使在CFRP與鈦合金交界面附近，刀具從單一切削一種材料幾乎直接過(guò)渡到直接切削另一種材料，所以，在螺旋銑孔時(shí)，可以對(duì)CFRP和鈦合金采用相同的切削用量，或針對(duì)切削過(guò)程的實(shí)際進(jìn)程，對(duì)不同材料選用最適合的切削用量。文獻(xiàn)［44］用相同切削用量和不同切削用量對(duì)CFRP/Ti-6Al-4V疊層材料進(jìn)行了螺旋銑孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)針對(duì)不同材料用不同的切削用量對(duì)CFRP/Ti-6Al-4V疊層材料進(jìn)行螺旋銑孔時(shí)，刀具壽命明顯增長(zhǎng)，切削力明顯減小，孔的質(zhì)量明顯提高，CFRP的孔表面粗糙度Ra≤0.81 μm，鈦合金的孔表面粗糙度Ra≤0.58 μm。文獻(xiàn)［45］對(duì)普通鉆孔與螺旋銑孔進(jìn)行了對(duì)比研究，指出在同樣切削條件下，普通鉆孔的軸向力比螺旋銑孔高，且經(jīng)過(guò)初期磨損后，螺旋銑孔的軸向力基本不變，孔的出口缺陷（分層或毛刺）和切削缺陷（碳纖維斷裂、拉出或折斷）很少，刀具壽命長(zhǎng)。文獻(xiàn)［46］對(duì)CFRP、鈦合金板和CFRP/鈦合金疊層材料的用螺旋銑孔過(guò)程進(jìn)行研究可知，CFRP/鈦合金疊層材料螺旋銑孔的切削力、刀具磨損和孔的質(zhì)量都與單一材料不同，螺旋銑削CFRP時(shí)的刀具磨損對(duì)切削力的影響比銑削鈦合金時(shí)明顯，從銑削CFRP到銑削鈦合金時(shí)，軸向力突然增大，且比相同條件下單一銑削鈦合金還大，說(shuō)明是刀具磨損所致，而且刀具磨損具有多種模式。單一材料銑孔時(shí)，鈦合金的孔會(huì)變大些而CFRP的孔會(huì)變小，CFRP/鈦合金疊層材料銑孔時(shí)，出現(xiàn)鈦合金的孔小而CFRP的孔大，也表明刀具磨損影響了其切削性能。文獻(xiàn)［47］給出了刀具-工件包絡(luò)的統(tǒng)一預(yù)報(bào)模型，指出孔的表面誤差是刀具在其軌跡上的位置、主軸轉(zhuǎn)速和軌跡導(dǎo)程的函數(shù)，為刀具幾何尺寸、軌跡和切向進(jìn)給、主軸轉(zhuǎn)速的選擇提供了參考。

圖10 螺旋銑切削用量計(jì)算［41］Fig.10 Related calculation of helical milling

針對(duì)CFRP/鈦合金疊層材料的螺旋銑孔，DENKENA等［48］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究指出，軸向和切向進(jìn)給量對(duì)切屑的外觀(guān)尺寸有重要影響，在軸向進(jìn)給量為常數(shù)而切向進(jìn)給量較高，或較低的軸向進(jìn)給量而切向進(jìn)給量較低時(shí)，切屑具有扁平的幾何形狀，在進(jìn)給和法向產(chǎn)生較低的切削力，引起的刀具變形較小，使孔的變形量也小。文獻(xiàn)［49］提出一種超聲輔助和低溫冷卻刀具進(jìn)行螺旋銑孔的新方法，實(shí)驗(yàn)表明，這種方法的軸向力小，有利于降低已加工表面的分層缺陷。

4 CFRP/鈦合金疊層材料的振動(dòng)鉆削新技術(shù)

根據(jù)諧波運(yùn)動(dòng)頻率的高低和振動(dòng)方向等不同，分為低頻振動(dòng)鉆削、縱向超聲輔助鉆削、縱-扭超聲輔助鉆削等。振動(dòng)的產(chǎn)生和附加方法，要考慮頻率、刀具和機(jī)床結(jié)構(gòu)等因素。低頻振動(dòng)鉆削一般將振動(dòng)附加到工件上，高頻振動(dòng)一般附加在刀具上。圖11是低頻振動(dòng)裝置及其安裝方法。圖中11（a）為機(jī)械式低頻振動(dòng)裝置，其振幅一般為0.15～0.47 mm，頻率為5～50 Hz，安裝在機(jī)床工作臺(tái)上。若采用磁電或壓電式低頻振動(dòng)裝置，頻率約為200 Hz，可采用圖11（b）所示方式安裝，需要注意這種安裝方法對(duì)測(cè)力儀的輸出會(huì)有影響，應(yīng)該采取措施予以消除。不論是使用金剛石空心鉆還是普通高速鋼麻花鉆，低頻振動(dòng)鉆孔與普通鉆孔相比，都會(huì)使軸向力減小，刀具壽命延長(zhǎng)，孔的加工質(zhì)量提高［50-51］。

圖11 低頻振動(dòng)發(fā)生器及其安裝［50-51］Fig.11 Low-frequency generator and its installation

圖12是高頻振動(dòng)裝置及其安裝方法。其中圖12（a）上圖是高頻振動(dòng)裝置，由壓電晶體換能器和變幅桿等零部件組裝而成，常用變幅桿有兩種結(jié)構(gòu)，一種是將壓電晶體片產(chǎn)生的超聲振動(dòng)同時(shí)轉(zhuǎn)換為縱向及扭轉(zhuǎn)兩種振動(dòng)方式的L-T型變幅桿，見(jiàn)圖12（a）中圖，一種是只起振幅放大作用的L型變幅桿，見(jiàn)圖12（a）下圖。當(dāng)要求有縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)時(shí)，用L-T型變幅桿，由換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動(dòng)，經(jīng)L-T型變幅桿后，既對(duì)振幅進(jìn)行放大，又產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。若僅要求有縱向超聲振動(dòng)，則用L型變幅桿。圖12（b）是安裝與工作原理示意圖。采用縱-扭超聲輔助振動(dòng)鉆孔，其加工精度和效率均比單一縱向輔助振動(dòng)鉆孔有所提高［52］。PAKTINAT Hossein等［54］經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和FE分析指出，采用縱-扭復(fù)合超聲振動(dòng)輔助鉆孔，軸向力比普通鉆孔減小45%，刀具壽命顯著延長(zhǎng)，孔的表面質(zhì)量大幅度提高。

圖12 高頻振動(dòng)發(fā)生器及其安裝［52-55］Fig.12 High-frequency generator and its installations

縱向超聲輔助鉆孔是通過(guò)超聲刀具夾頭將超聲振動(dòng)傳遞給鉆頭，超聲振動(dòng)方向與進(jìn)給方向一致。KUMARAN等［55］在低溫環(huán)境下研究了縱向超聲輔助鉆削CFRP材料，指出進(jìn)給量對(duì)軸向力影響最大，超聲輔助鉆削使出口毛刺降低最顯著（達(dá)到52.45%）。SANDA 等［56］自制實(shí)驗(yàn)裝置，研究了CFRP/鈦合金疊層材料的縱向超聲輔助鉆孔，認(rèn)為超聲輔助鉆削CFRP/鈦合金疊層材料時(shí)，軸向力比普通鉆削大約減小30%，孔的表面粗糙度明顯低于普通鉆削，特別是在較低進(jìn)給量時(shí)，其效果更為顯著，在孔入口處沒(méi)有檢測(cè)到明顯分層，但在孔出口處有分層缺陷，圖13是縱向超聲輔助鉆削與普通鉆削的出口處分層因子與孔表面粗糙度的比較。顯然，在相同切削用量的條件下，縱向超聲輔助鉆削優(yōu)于普通鉆削。對(duì)于鈦合金，兩種鉆削過(guò)程在入口和出口處都產(chǎn)生毛刺，鉆孔出口處毛刺的高度見(jiàn)圖14（a），初期的鉆孔，縱向超聲輔助鉆削的出口毛刺高度低于普通鉆削，但在鉆第60個(gè)孔以后，兩種鉆削方法的出口毛刺基本相同，說(shuō)明出口毛刺的高度與刀具磨損情況有關(guān)，與是否添加超聲振動(dòng)的關(guān)系不太密切。圖14（b）是縱向超聲輔助鉆削與普通鉆削的最高表面溫度對(duì)比，顯見(jiàn)，縱向超聲輔助鉆削比普通鉆削有降低切削溫度的傾向。

圖13 分層因子與孔表面粗糙度［56］Fig.13 Comparison of delamination factor and surface roughness

圖14 出口毛刺高度與孔表面溫度［56］Fig.14 The burr height and surface temperature

5 研究動(dòng)向探討

加工質(zhì)量和效率是相互矛盾和相互制約的，質(zhì)量的提高往往伴隨著效率的降低，一直以來(lái)，人們致力于探索既高質(zhì)又高效的加工方法。數(shù)十年來(lái)，隨著CFRP/鈦合金疊層材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其制孔技術(shù)已經(jīng)有了顯著進(jìn)步，但仍存在需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

（1）鉆削制孔。CFRP和鈦合金都是難加工材料，為了保證組裝方便和少出廢品，把兩者組合在一起進(jìn)行鉆孔，更具有挑戰(zhàn)性。試件材料的具體力學(xué)性質(zhì)和可鉆削性有一定差異，所使用的鉆頭材料、結(jié)構(gòu)和參數(shù)也有所不同，導(dǎo)致目前的研究結(jié)論并不完全一致。在兩種材料交界面附近的鉆削，刀具同時(shí)切削兩種性能完全不同的材料，其切削機(jī)理、切屑的形成和材料的分離過(guò)程，都需要進(jìn)一步深入研究。鉆削過(guò)程中對(duì)孔表面的損傷在交界面處往往是最嚴(yán)重的，其中CFRP材料的分層和鈦合金的孔口毛刺是造成構(gòu)件難以裝配和報(bào)廢的主要原因，是實(shí)際生產(chǎn)中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題。

無(wú)論是CFRP引起的還是鈦合金引起的磨損，在鉆削CFRP/鈦合金疊層材料時(shí)都互相耦合，互相作用，形成了鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的特有刀具磨損機(jī)制，其中磨粒磨損、刃口鈍化、后刀面磨損和粘著磨損是主要磨損模式，高質(zhì)量孔的獲得是鉆削過(guò)程中內(nèi)在和外部的多種因素綜合與作用的結(jié)果，如刀具的材料和幾何參數(shù)，鉆削用量和切削環(huán)境，以及工件特點(diǎn)和所使用的機(jī)床等。已有文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了研究，但在用數(shù)值方法研究CFRP/鈦合金疊層材料鉆孔過(guò)程方面，成果還比較少，若將試驗(yàn)方法與數(shù)值方法相結(jié)合，一定會(huì)使人們對(duì)CFRP/鈦合金的鉆削過(guò)程有一個(gè)更加深入的認(rèn)識(shí)。

（2）螺旋銑孔。目前的成果主要集中在動(dòng)力學(xué)、切削力和孔的表面質(zhì)量等方面，試驗(yàn)多是在加工中心上進(jìn)行的。與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔不僅有轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向進(jìn)給，而且同時(shí)繞被加工孔的軸線(xiàn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)包括小的切削變形、較小的CFRP材料分層缺陷、較小的切削力和良好的排屑條件。其缺點(diǎn)是螺旋運(yùn)動(dòng)延長(zhǎng)了切削路徑和進(jìn)一步減小了銑削效率，過(guò)大的螺距會(huì)使切削力增大、刀具磨損加快，甚至無(wú)法進(jìn)行連續(xù)銑削。目前，一般采用高速加工中心或三軸聯(lián)動(dòng)銑床進(jìn)行試驗(yàn)，專(zhuān)用的或技術(shù)比較成熟的系列化螺旋銑孔設(shè)備還沒(méi)有形成。與傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)在制孔質(zhì)量和效率、刀具壽命和成本、相互替代的技術(shù)條件等方面的深入研究，仍比較少。

（3）振動(dòng)輔助鉆孔。低頻（＜1 kHz）振動(dòng)鉆削對(duì)于斷屑和減小切削力效果顯著，因頻率低振幅較大，鉆削溫度也比較低，甚至可以獲得無(wú)分層鉆孔。低頻振動(dòng)一般是通過(guò)機(jī)床的工作臺(tái)加在工件上，考慮到工件的質(zhì)量一般較大，故低頻振動(dòng)裝置的功率要大些。超聲輔助鉆孔技術(shù)一直是CFRP/鈦合金疊層材料制孔的研究熱點(diǎn)，比低頻鉆孔技術(shù)更受研究者關(guān)注?？v向超聲輔助鉆孔的研究成果更深入、廣泛。多數(shù)試驗(yàn)是借助現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具來(lái)完成的，超聲刀具夾頭等系列加工設(shè)備還較少見(jiàn)，縱-扭超聲復(fù)合振動(dòng)裝置、低頻-超聲復(fù)合裝置等也有待研究開(kāi)發(fā)。

總之，對(duì)于CFRP/鈦合金制孔技術(shù)的研究涉及許多方面，其中刀具的材料、結(jié)構(gòu)和參數(shù)等方面，因與其他學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步關(guān)系密切，且受到研究成本的制約，其創(chuàng)新的空間還是較為有限的。切削用量的最佳選用受到刀具性能、生產(chǎn)率和制孔質(zhì)量的影響，也難獲得顯著的突破。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，將振動(dòng)切削技術(shù)推廣到CFRP/鈦合金制孔工藝中，其未來(lái)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和創(chuàng)新空間都是十分廣闊的，已經(jīng)成為近年來(lái)的重要研究課題之一。