邵振宇，姜興剛，2，張德遠(yuǎn)，2，耿大喜，2，*，李少敏，劉大鵬

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100083； 2.北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100083； 3.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610073）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）與金屬材料相比，因具有強(qiáng)度高且質(zhì)量輕、耐蝕性好以及疲勞強(qiáng)度優(yōu)異等極其出色的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，其在飛機(jī)中所占的比重，更成為衡量飛機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)［1-4］。在美國最新型的F-35戰(zhàn)機(jī)中，使用CFRP的結(jié)構(gòu)占飛機(jī)總重量的比例高達(dá)35%，飛機(jī)絕大部分蒙皮包括機(jī)身、機(jī)翼以及尾翼等均由此種材料制成［5］。

目前，螺接和鉚接仍是飛機(jī)裝配中主要的連接方式，大量的裝配孔需要被加工，因此緊固孔的質(zhì)量將極大地影響裝配質(zhì)量。鉆孔通常是裝配前最后一個環(huán)節(jié)，該過程若出現(xiàn)零件缺陷將造成極大的損失并影響裝配效率［6-8］。然而，CFRP各向異性，脆性大、強(qiáng)度高、層間強(qiáng)度低，在鉆削過程中極易產(chǎn)生分層撕裂、纖維損失等缺陷，加工質(zhì)量難以保證［9-12］。由于CFRP分層撕裂、纖維損失等缺陷不可修復(fù)，降低鉆孔損傷、改善孔質(zhì)量顯得尤為重要［3］。

CFRP加工的技術(shù)難題吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Davim 等［8］針對CFRP鉆孔分層問題，利用方差分析和非線性回歸研究了CFRP鉆孔過程中切削速度、進(jìn)給速度與CFRP分層間的內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。結(jié)果表明：切削速度是影響CFRP分層因子大小最重要的切削參數(shù)，且分層因子隨切削速度以及進(jìn)給速度的增加而增大。Gaitonde等［13］基于響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）建立了二階非線性回歸模型，并通過該模型分析了CFRP孔分層因子與切削參數(shù)間的聯(lián)系。結(jié)果表明：隨著切削速度的增大分層趨勢減小，同時小的進(jìn)給速度與鉆頭頂角能夠有效抑制分層。陳五一等［14］對CFRP孔出口缺陷進(jìn)行了實(shí)驗研究，并對典型形式進(jìn)行了模型總結(jié)。結(jié)果表明：撕裂和毛邊是CFRP孔出口的主要損傷形式，產(chǎn)生的主要原因是橫刃的連續(xù)擠壓與滾卷作用。此外，撕裂缺陷的程度與切削力、鉆頭直徑、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等影響因素成正相關(guān)，而與鉆頭轉(zhuǎn)速成負(fù)相關(guān)。

綜上所述，現(xiàn)有的研究主要集中在傳統(tǒng)鉆孔中通過優(yōu)化工藝參數(shù)、刀具角度等降低CFRP缺陷的產(chǎn)生，雖然能夠取得一定效果，但提升有限。目前，作為一種較為先進(jìn)的特種加工技術(shù)，旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削（Rotary Ultrasonic-Assisted Drilling，RUAD）由于具有獨(dú)特的加工特性引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。利用RUAD技術(shù)在對難加工材料諸如鎳合金、鈦合金以及CFRP等鉆削實(shí)驗中均獲得了良好的工藝效果［15-26］。針對CFRP超聲鉆削的研究，Makhdum等［21］進(jìn)行了相關(guān)工藝實(shí)驗，結(jié)果表明：超聲鉆削能夠有效降低軸向力和扭矩，降低CFRP分層并獲得較好的表面質(zhì)量。Phadnis等［22］運(yùn)用仿真與實(shí)驗相結(jié)合的方式對超聲鉆削CFRP的鉆削力和扭矩進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果與實(shí)驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性。余婷［23］通過工藝實(shí)驗研究了加工參數(shù)對超聲鉆削CFRP的鉆削力及表面粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速對鉆削力和表面粗糙度影響最大，每齒進(jìn)給量次之，超聲波頻率影響最小。綜上，對于CFRP超聲輔助鉆削的研究，主要集中在工藝參數(shù)對切削力以及孔損傷程度的影響方面，對其缺陷抑制機(jī)理卻幾乎沒有研究。

因此，本文在分析CFRP普通鉆削（Conventional Drilling，CD）的孔缺陷類型及產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲振動加工的特性，研究了RUAD的孔缺陷抑制機(jī)理。并通過CD和RUAD CFRP的對比實(shí)驗對孔缺陷產(chǎn)生機(jī)理及抑制機(jī)理進(jìn)行了驗證。

1 旋轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削復(fù)合材料孔缺陷的抑制機(jī)理

圖1為RUAD的基本原理示意圖。如圖1所示，鉆頭在旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的同時沿其軸向做超聲頻小振幅的振動。超聲振動的施加改變了鉆削機(jī)理，使得切削過程具有分離斷續(xù)脈沖式的特性。圖中，n為轉(zhuǎn)速，r／m in；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，mm／r；F為振動頻率，Hz；A為振幅，μm。

圖2為普通鉆削CFRP時橫刃和主切削刃連續(xù)切削引起孔出入口缺陷原理圖。圖3為RUAD中由于超聲振動的施加使得鉆頭橫刃和主切削刃產(chǎn)生分離斷續(xù)脈沖式切削抑制CFRP孔缺陷形成的機(jī)理。圖中，Vf為軸向進(jìn)給速度，mm／s；VF為超聲振動的瞬時速度，mm／s。

在CFRP的鉆削過程中，由切削力所引起的纖維層之間的內(nèi)應(yīng)力若達(dá)到或超過纖維層之間樹脂的強(qiáng)度，則纖維層將由于樹脂的斷裂而產(chǎn)生分層或撕裂。

如圖2所示，CD中，鉆頭橫刃和主切削刃以恒定的進(jìn)給速度Vf和轉(zhuǎn)速n切削，其與CFRP始終保持接觸。橫刃以及主切削刃負(fù)前角部分對CFRP有2個作用力：一是軸向向下的推力FZ1，二是沿切削速度方向的力FV1。鉆頭主切削刃正前角部分對CFRP材料也會產(chǎn)生2個作用力，垂直方向上的力FZ2以及沿切削速度方向的力FV2。鉆削過程中，F(xiàn)Z1和FZ2（FZ1?FZ2）的相互作用產(chǎn)生的垂直應(yīng)力使得CFRP產(chǎn)生“張開型”裂紋缺陷；沿切削速度方向的力FV1和FV2推擠纖維，使之與鉆頭前部未切削部分產(chǎn)生一面外剪切應(yīng)力，引起“撕開型”裂紋缺陷，此外，鉆頭由于具有螺旋結(jié)構(gòu)，在鉆削過程中會產(chǎn)生斜向上的剝離力，進(jìn)一步加劇了“撕開型”缺陷的產(chǎn)生，CFRP孔出入口缺陷主要由這兩種類型裂紋缺陷所組成。相比較而言，入口側(cè)由于下層未切削部分較厚，承載能力較強(qiáng)，“張開型”缺陷受到抑制，而表層纖維在FV1、FV2和剝離力的共同作用下，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的“撕開型”缺陷。在孔的中間部分，抗扭能力及抗垂直作用力能力均較強(qiáng)，基本不會出現(xiàn)分層缺陷，由扭矩作用而產(chǎn)生的纖維缺失成為CFRP孔主要的損傷形式。出口側(cè)未切削部分較薄，承載能力弱，在切削力推力的作用下使得“張開型”缺陷成為其主要的損傷形式。在實(shí)際的鉆孔過程中，考慮到這一點(diǎn)，通常用壓板將出口壓緊后進(jìn)行鉆孔。

圖1 RUAD原理示意圖Fig.1 Schematic of RUAD principle

圖2 普通鉆削CFRP時橫刃和主切削刃連續(xù)切削引起分層撕裂缺陷原理圖Fig.2 Schematic of delamination and tearing induced by chisel edge and major cutting edge of continuous cutting during conventional drilling of CFRP

如圖3所示，相對CD，RUAD的軸向進(jìn)給因超聲振動瞬時速度存在而改變，其合速度為

圖3 RUAD橫刃和主切削刃的分離斷續(xù)脈沖式切削抑制CFRP孔缺陷形成機(jī)理Fig.3 Defect suppression mechanism of separate intermittent impulse cutting model of chisel edge and major cutting edge during RUAD of CFRP hole

當(dāng)VF≥Vf且方向相反時，鉆頭的橫刃和主切削刃與工件間產(chǎn)生分離，因為VF的大小和方向是周期性變化的，所以形成了刀具-工件間周期性的“接觸-分離”。當(dāng)VF與進(jìn)給速度方向相同時，進(jìn)給速度瞬時增大；當(dāng)VF與進(jìn)給速度方向相反時，進(jìn)給速度瞬時減小，這就形成了刀具與工件間的超聲振動分離斷續(xù)脈沖式切削［25］。在CFRP鉆削過程中，這種切削模式對其分層撕裂缺陷的抑制主要表現(xiàn)在以下方面。首先，能夠極大地降低鉆削切削力和扭矩，這是CFRP分層撕裂缺陷得到有效抑制的主要原因。其次，鉆頭-工件間的周期性的“接觸-分離”能夠避免鉆頭橫刃和主切削刃對纖維的連續(xù)的滾卷與推擠，從而有效降低出入口撕裂與孔壁的纖維損失。此外，相對CD，RUAD中刀具工作前角增大，增加了鉆頭的鋒利性，提高了切削能力，且由于超聲振動產(chǎn)生了微觀小振幅的高頻振動沖擊，使碳纖維產(chǎn)生局部斷裂，從而能夠有效抑制CFRP孔缺陷的產(chǎn)生。鉆頭本身的螺旋結(jié)構(gòu)，使得其在附加軸向超聲振動激勵后，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動［25］。這意味著切削刃的切向速度亦會因為超聲振動瞬時速度的存在而發(fā)生周期性的變化，從而使刀具的切向切削能力得到提升，高頻沖擊的作用也同樣會促使碳纖維的斷裂。因此，在超聲鉆削過程中，CFRP孔的分層撕裂以及纖維損失等缺陷能夠得到有效的抑制，極大地改善鉆削效率與孔質(zhì)量。

2 CFRP的對比鉆削實(shí)驗

2.1 實(shí)驗材料與刀具

在本實(shí)驗中，5mm厚的CFRP板由航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提供，其材料屬性見表1。為保證實(shí)驗結(jié)果更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，采用在CFRP板下墊壓板的方式進(jìn)行實(shí)驗，并用夾具壓緊。實(shí)驗中所用刀具是由廈門金鷺特種合金有限公司提供的帶熱裝螺紋柄的整體硬質(zhì)合金刀具。刀具刃型和參數(shù)分別如圖4和表2所示。

圖5為普通麻花鉆刃型，與其相比，本實(shí)驗所用鉆頭（見圖4）的刃型具有以下特點(diǎn)：①減小橫刃寬度，提高了鉆尖的入鉆能力和定位性能，并能夠有效避免由橫刃過大造成的CFRP損傷；②切削刃圓滑過渡，提高刃口強(qiáng)度，同時主切削刃靠近橫刃部分的前角增大，有效地避免了普通麻花鉆的負(fù)前角切削。以上兩點(diǎn)的綜合作用能有效降低CFRP鉆孔過程中的分層撕裂損傷，提高鉆孔質(zhì)量。

表1 CFRP工件材料屬性Tab le 1 M aterial p roperties of CFRP w orkpiece

圖4 實(shí)驗中刀具幾何視圖Fig.4 Tool geometry in experiment

表2 刀具幾何參數(shù)Tab le 2 Tool geom etric param eters

圖5 普通麻花鉆幾何視圖Fig.5 Conventional twist drill geometry

2.2 實(shí)驗平臺搭建和條件

如圖6所示，本實(shí)驗搭建了包含非接觸式感應(yīng)供電旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)、BV100立式加工中心平臺、KISTLER 9272A壓電測力系統(tǒng)的實(shí)驗平臺。其中，自行研制的非接觸式感應(yīng)供電旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)主要包括熱裝螺紋柄鉆頭、夾心式壓電超聲換能器、非接觸式感應(yīng)供電裝置、超聲刀柄、超聲電源以及緊固附件。非接觸式感應(yīng)供電裝置的主要作用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑環(huán)，在超聲刀柄旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的同時進(jìn)行供電，從而能夠有效避免傳統(tǒng)滑環(huán)限制轉(zhuǎn)速、易磨損及打火等問題，并提高傳輸效率。實(shí)驗平臺組裝完成后，采用KEYENCE LKG5000非接觸激光測量系統(tǒng)進(jìn)行刀具振幅測量，其測量原理及結(jié)果如圖7所示。具體的實(shí)驗條件和工藝參數(shù)，見表3。

圖6 實(shí)驗平臺Fig.6 Experimental platform

2.3 測量及觀察方法

如圖6所示，CFRP普通鉆削和RUAD的切削力和扭矩測量采用瑞士奇石樂KISTLER 9272A壓電測力系統(tǒng)。測量的基本原理是將力產(chǎn)生的電荷信號傳遞給電荷放大器（KISTLER 5070A），然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（KISTLER 5697A）的A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出到安裝有KISTLER DYNOWARE軟件的個人電腦，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀察和處理。

圖7 鉆尖振幅測量原理及測量結(jié)果Fig.7 Principle and result of drill tip vibration amplitude measurement

表3 實(shí)驗條件和工藝參數(shù)Tab le 3 Experim ental conditions and p rocess param eters

如圖7所示，鉆尖振幅采用由LK-G5000激光主控制器、激光測頭傳感器、LK-Navigator 2操作軟件和個人電腦所組成的日本基恩士KEYENCE LK-G5000非接觸激光測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。

CFRP孔出入口形貌觀察采用由光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS SZX16）和數(shù)碼相機(jī)（Nikon E950）構(gòu)成的觀察系統(tǒng)。CFRP孔壁形貌則采用掃描電子顯微鏡（SEM）（JEOL JSM-6010LA）進(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗結(jié)果與討論

3.1 切削力和扭矩

圖8為不同主軸轉(zhuǎn)速條件下CFRP CD 和RUAD穩(wěn)定鉆削階段的平均切削力和扭矩的對比。由圖8可見，RUAD的切削力和扭矩均明顯低于CD，同時，相比于CD，RUAD可降低切削力和扭矩分別達(dá)41.46% ～46.32%和41.61% ～48.94%。出現(xiàn)以上結(jié)果的主要原因是，與CD的連續(xù)切削模式相比，RUAD能夠使刀具-工件間產(chǎn)生周期性的接觸分離，獲得分離斷續(xù)脈沖式切削模式。根據(jù)第1節(jié)對CFRP鉆孔中缺陷產(chǎn)生及抑制機(jī)理的分析，RUAD使切削力和扭矩降低能夠有效抑制分層撕裂缺陷的產(chǎn)生，從而極大地提高孔質(zhì)量。

圖8 CD和RUAD CFRP平均切削力和扭矩對比Fig.8 Comparison of average cutting force and torque between CD and RUAD

3.2 CFRP孔微觀形貌

圖9和圖10分別為CFRP CD和RUAD在不同主軸轉(zhuǎn)速條件下孔入口的邊緣形貌以及分層因子的對比圖（圖10中，分層因子Fd為CFRP孔邊緣最大分層直徑Dmax與孔公稱直徑Dnom之比）。從圖中可見，在同一轉(zhuǎn)速條件下，RUAD的孔入口形貌明顯優(yōu)于CD，能夠獲得分層撕裂損傷小且較為光滑的孔邊緣。雖然在2 000 r／m in時，兩者分層因子較為接近，但從圖10中可以看出，就損傷程度而言，RUAD明顯較小。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是RUAD的分離斷續(xù)脈沖式切削模式使鉆削切削力和扭矩極大的降低（見圖8）。從圖9中也可以看出，CFRP孔入口的缺陷主要是由面外剪切應(yīng)力所引起的“撕開型”裂紋缺陷，這與第1節(jié)的分析結(jié)果相一致。

圖9 CD和RUAD CFRP孔入口邊緣形貌對比Fig.9 Comparison of edge morphologies of CFRP hole entrance between CD and RUAD

圖10 CD和RUAD CFRP孔入口分層因子對比Fig.10 Comparison of delamination factor of CFRP hole entrance between CD and RUAD

圖11展示了CFRP CD和RUAD在3 000 r／m in轉(zhuǎn)速下孔壁的SEM 照片。從圖中可見，CD的孔壁存在明顯的纖維損失缺陷，且纖維斷口參差不齊，表面質(zhì)量較差，而RUAD的孔壁較為光滑，纖維斷口較為平整，有明顯的局部斷裂的纖維殘留，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于CD。這是由于鉆頭-工件間的周期性的“接觸-分離”避免了鉆頭橫刃和主切削刃對纖維的連續(xù)的滾卷與推擠，并且超聲振動產(chǎn)生的微觀小振幅的高頻振動沖擊促使碳纖維產(chǎn)生局部斷裂，從而有效地降低了孔壁的纖維損失缺陷，明顯提高孔壁的表面質(zhì)量。此外，在圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的分層撕裂缺陷，纖維損失是孔壁損傷的主要形式，這與第1節(jié)分析的結(jié)果相一致。

圖12展示了CFRP CD和RUAD在3000 r／min轉(zhuǎn)速下孔出口的邊緣形貌。從圖中可以看出，RUAD能夠獲得較為光滑的孔出口邊緣，明顯優(yōu)于CD。由于在鉆削實(shí)驗中，CFRP板下墊了壓板，所以未觀察到機(jī)理分析中孔出口“張開型”裂紋缺陷較為嚴(yán)重的情況，出口缺陷仍以“撕開型”裂紋缺陷為主。

圖11 CD和RUAD CFRP孔壁SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of drilled hole surface morphologies of CFRP for CD and RUAD

圖12 CD和RUAD CFRP孔出口形貌對比Fig.12 Comparison of edge morphologies of CFRP hole exit between CD and RUAD

綜上，相比于CD，RUAD能夠有效抑制CFRP孔出入口及孔壁分層撕裂、纖維損失等缺陷，改善了孔質(zhì)量。通過對并通過對CFRP CD和RUAD后孔出入口及孔壁缺陷形式的對比觀察與分析，驗證了第1節(jié)所述缺陷產(chǎn)生原因及抑制機(jī)理的正確性。

4 結(jié) 論

本文首先分析了CFRP鉆削過程中分層撕裂以及纖維損失等缺陷的產(chǎn)生原理，據(jù)此研究了CFRP RUAD的缺陷抑制機(jī)理，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。根據(jù)機(jī)理分析和實(shí)驗結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）通過對CFRP CD分層撕裂以及纖維損失等缺陷產(chǎn)生機(jī)理的分析，得到了RUAD能夠有效抑制缺陷產(chǎn)生的原因，即分離斷續(xù)脈沖式切削模式。

2）相比于CD，RUAD明顯降低鉆削切削力和扭矩分別為41.46% ～46.32%和41.61% ～48.94%，這是分層撕裂及纖維損失缺陷能夠得到有效抑制的主要原因。

3）CFRP RUAD孔入口的邊緣形貌明顯優(yōu)于CD，且隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，孔入口損傷程度均明顯降低。此外，孔入口損傷主要為“撕開型”裂紋缺陷。

4）CD的孔壁存在明顯的纖維損失缺陷，且纖維斷口參差不齊，而RUAD的孔壁較為光滑，纖維斷口較為平整，有明顯的局部斷裂的纖維殘留，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于CD。纖維損失是孔壁缺陷的主要形式。

5）RUAD能夠獲得較為光滑的孔出口邊緣，明顯優(yōu)于CD。但由于在鉆削實(shí)驗中，CFRP板下墊了壓板，所以未觀察到機(jī)理分析中孔出口“張開型”裂紋缺陷較為嚴(yán)重的情況，出口缺陷仍以“撕開型”裂紋缺陷為主。

因此，通過以上對CFRP鉆孔的缺陷產(chǎn)生及RUAD的缺陷抑制機(jī)理分析和實(shí)驗驗證的結(jié)果可知，RUAD技術(shù)能夠有效抑制CFRP鉆削過程中極易出現(xiàn)的分層撕裂以及纖維損失等缺陷，改善孔質(zhì)量并提高鉆孔效率。