雷瑛，李達(dá)

(1. 西安交通工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710300；2. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 614202)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)塑料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)是一種具備高比強(qiáng)度、高韌性的耐疲勞復(fù)合材料?，F(xiàn)階段大部分飛行器都是選擇電傳控制模式，為設(shè)置電線傳引結(jié)構(gòu)，需對(duì)CFRP復(fù)合材料進(jìn)行加工，以形成直徑約2mm的小孔[1-3]。微孔加工已經(jīng)成為一項(xiàng)重要加工方法。對(duì)CFRP進(jìn)行制孔處理時(shí)，會(huì)引起纖維斷裂以及形成分層現(xiàn)象，從而對(duì)電線結(jié)構(gòu)造成破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起飛機(jī)運(yùn)行失控的故障[4-5]。由于微孔鉆削過(guò)程形成的徑深比很小，因此當(dāng)鉆削時(shí)鉆頭深度逐漸增大后，會(huì)導(dǎo)致排屑過(guò)程的散熱難度提高，削弱鉆頭的切削加工能力，還會(huì)形成毛刺結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生分層，明顯影響孔壁的質(zhì)量[6-7]。

王共冬等[8]對(duì)引起撕裂和毛刺的因素開(kāi)展深入探討，比較了不同鉆削工藝參數(shù)引起的鉆削質(zhì)量變化，為優(yōu)化制孔性能提供了參考依據(jù)。劉梟鵬等[9]重點(diǎn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行大孔徑切削測(cè)試，分析了不同鉆孔工藝下刀具發(fā)生磨損的作用機(jī)制。單晨偉等[10]在研究CFRP層合板加工大直徑孔的過(guò)程中分別從銑削與鉆削兩個(gè)層面分析了切削力、加工條件、螺旋銑參數(shù)產(chǎn)生的特性，對(duì)改善CFRP層合板大直徑孔質(zhì)量的相關(guān)方法進(jìn)行了總結(jié)。ROMOLI L等[11]以CFRP層合板作為測(cè)試材料，對(duì)其開(kāi)展8mm直徑的鉆削實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：逐漸提高進(jìn)給量偶，可增大對(duì)分層效果產(chǎn)生影響的軸向推力。XU J Y等[12]以6mm外徑的鉆頭開(kāi)展鉆孔測(cè)試，并建立了相應(yīng)的損害判斷標(biāo)準(zhǔn)，有效解決了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在鉆削階段形成的毛刺、撕裂與分層的問(wèn)題。

針對(duì)微孔結(jié)構(gòu)徑深比較小、無(wú)法快速排出熱量的情況，聶倩倩等[13]引入了超聲方法進(jìn)行鉆削測(cè)試，重點(diǎn)分析了不銹鋼微孔鉆削期間容易引起過(guò)高鉆削應(yīng)力以及造成排屑不暢的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)選擇超聲波輔助鉆削方法時(shí)，可以明顯降低鉆削力并抑制微孔入口處的毛刺形成，從而獲得更優(yōu)的微孔形貌。

當(dāng)前針對(duì)CFRP開(kāi)展的鉆削研究中，大部分都是以傳統(tǒng)材料作為測(cè)試對(duì)象，只有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了在CFRP層合板中加工1mm微孔的研究?jī)?nèi)容。本文分析了不同主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度下的溫度變化情況，對(duì)鉆削后形成的表面微觀形貌進(jìn)行了SEM表征，進(jìn)一步提升了鉆孔的質(zhì)量，為優(yōu)化復(fù)合材料微孔鉆削質(zhì)量提供了理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

以T300碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料作為本實(shí)驗(yàn)測(cè)試材料，按照[0°/90°]的方式完成鋪層過(guò)程，時(shí)間為6s，形成3.5mm厚的鋪層結(jié)構(gòu)。表1給出了材料的各項(xiàng)參數(shù)。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基本力學(xué)性能

本實(shí)驗(yàn)采用1mm外徑麻花鉆對(duì)CFRP進(jìn)行鉆孔。總共設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)，設(shè)定各組進(jìn)給速度依次為5mm/min、10mm/min與15mm/min；同時(shí)設(shè)定刀具轉(zhuǎn)速依次為500 r /min、1 500 r /min與2 500 r /min。

圖1是鉆孔測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)紅外探測(cè)儀測(cè)試鉆頭溫度并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中。

圖1 鉆削試驗(yàn)平臺(tái)圖

2 結(jié)果分析

2.1 層間溫度分析

對(duì)圖2進(jìn)行分析可知，在保持2500r/min的恒定主軸轉(zhuǎn)速條件下，提高進(jìn)給速度或增加孔深時(shí)，形成了更高的鉆削溫度?？刂七M(jìn)給速度為15mm/min時(shí)，獲得了75℃的最高鉆削溫度，相對(duì)5mm/min進(jìn)給速度下的溫度發(fā)生了顯著提高，這主要是由于提高進(jìn)給量后，將會(huì)形成更大的軸向力，從而引起做功的增加，最終形成了更高的溫度。根據(jù)以上分析可知，可以通過(guò)控制進(jìn)給速度的方式來(lái)控制鉆削溫度的上升，避免鉆削熱引起刀具與孔壁受到破壞。因此，為獲得較低鉆頭溫度，將進(jìn)給速度設(shè)定為5mm/min。

圖2 不同進(jìn)給速度下層間溫度分布

圖3顯示，保持恒定的進(jìn)給速度時(shí)，增大主軸轉(zhuǎn)速或在鉆頭進(jìn)入更深位置時(shí)，發(fā)生了鉆孔溫度的持續(xù)上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500r/min時(shí)，形成了49℃的最高鉆孔溫度；轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)溫度升高至57℃；轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)產(chǎn)生74℃的最高溫度。產(chǎn)生上述溫度變化特征的原因在于提高主軸轉(zhuǎn)速后，在微孔鉆削期間無(wú)法快速排除切屑，引起切屑與刀面之間的更多次數(shù)摩擦，因此做功也隨之增加并形成了更多熱量。鉆頭深度增加后，熱量更難以散發(fā)出來(lái)，形成了局部區(qū)域熱量積累現(xiàn)象，引起鉆削溫度的顯著上升。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下層間切削溫度分布

2.2 軸向力分析

從圖4中可以看到，當(dāng)進(jìn)給速度保持5mm/min的恒定值時(shí)，提高主軸轉(zhuǎn)速后，發(fā)生了軸向力減小現(xiàn)象，并在500r/min轉(zhuǎn)速下獲得了7.2N的平均軸向力，轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)形成了5.1N左右的平均軸向力，轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)形成了2.1N的平均軸向力。這是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速后，單位時(shí)間中形成了更多次鉆削，使切削量降低。對(duì)CFRP孔出口進(jìn)行鉆削時(shí)，鉆頭頂角與CFRP板底部相距較近，鉆頭只受到層合板的少量剛性支撐，由此導(dǎo)致鉆削力持續(xù)降低。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)，層合板受到最小的軸向力作用。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下軸向力分布

根據(jù)圖5可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min以及進(jìn)給速度為5mm/min的條件下形成了最低的主軸軸向力，接近2.5N，當(dāng)進(jìn)給速度為10mm/min時(shí)獲得了3.1N的較低軸向力，到達(dá)15mm/min時(shí)形成了最大的軸向力，達(dá)到4.7N。由此可以推斷：提高進(jìn)給速度后，可以引起層合板軸向力的提高。

圖5 不同進(jìn)給速度下軸向力分布

3 制孔質(zhì)量分析

在保持轉(zhuǎn)速為2500 r/min的條件下，由不同進(jìn)給速度下微孔鉆削得到圖6和圖7所示出口及孔壁形貌。此時(shí)在較小進(jìn)給速度下幾乎沒(méi)有形成毛刺，逐漸提高進(jìn)給速度后，形成了更高的刀具切削量，因沒(méi)有達(dá)到充分切削的效果，從而形成了粗糙的表面，并生成毛刺。由于鉆頭前角刃口大部分都是作用于CFRP表面，可以將切削作用力分成平行與垂直速度方向共兩種分力。提高進(jìn)給量后，孔上側(cè)纖維層更易發(fā)生剝離。

圖6 不同進(jìn)給轉(zhuǎn)速下出口形貌

圖7 不同進(jìn)給轉(zhuǎn)速下出口和孔壁形貌

對(duì)出口部位進(jìn)行SEM表征可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域形貌較差，層間結(jié)合強(qiáng)度很弱，未切削層剩余剛度無(wú)法為軸向力提供足夠支撐，引起層合板發(fā)生彎曲變形以及部分區(qū)域分層的情況，大幅度降低了鉆削質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)為獲得較低鉆頭溫度，將進(jìn)給速度設(shè)定在5mm/min。增大主軸轉(zhuǎn)速或在鉆頭進(jìn)入更深位置時(shí)，發(fā)生了鉆孔溫度持續(xù)上升的現(xiàn)象。

2)提高主軸轉(zhuǎn)速后，發(fā)生了軸向力減小，并在500r/min轉(zhuǎn)速下獲得了7.2N的平均軸向力。提高進(jìn)給速度后，可以引起層合板軸向力的增大。

3)在較小進(jìn)給速度下幾乎沒(méi)有形成毛刺，逐漸提高進(jìn)給速度后，形成了更高的刀具切削量，會(huì)使微孔表面粗糙，并生成毛刺。提高進(jìn)給量后，孔上側(cè)纖維層更易發(fā)生剝離。