陸泰屹，王賢鋒，王守文，明偉偉，安慶龍

1上海飛機制造有限公司；2上海交通大學(xué)

1 引言

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是以環(huán)氧樹脂材料為基體、碳纖維材料作為增強相的復(fù)合材料，具有低密度、高比強度、耐疲勞和可設(shè)計性等特點[1，2]，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，例如波音B787客機的復(fù)合材料用量占50%，空客A350 XWB寬體客機的復(fù)合材料用量達52%[3]。鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度大和耐腐蝕等特點，與CFRP組成的疊層材料電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生電腐蝕[4]。兩種材料結(jié)構(gòu)強度和剛度匹配性好，因此常在飛行器上配合組成疊層[5]。

對兩種材料組成的疊層進行制孔加工是一項難題。兩種材料均為難加工材料，且加工性能迥然相異，使用一種加工參數(shù)難以形成理想的加工結(jié)果，會導(dǎo)致刀具嚴重磨損。許多學(xué)者和技術(shù)人員對鈦合金/CFRP疊層制孔進行了研究。于曉江等[6]從鉆入側(cè)的選擇、鉆削參數(shù)和制孔問題的解決措施等方面對CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進行了鉆削試驗，研究表明，鉆削時從鈦合金鉆入可以提高孔徑尺寸精度，采用傳統(tǒng)方法鉆削CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)時，若想獲得高精度孔，必須進行兩次以上精鉸孔。陸翠[7]針對CFRP和鈦合金組成的疊層結(jié)構(gòu)，對CFRP和鈦合金單板進行鉆削試驗，研究了切削參數(shù)對制孔質(zhì)量的影響，在單板研究的基礎(chǔ)上，從疊層順序和變參數(shù)位置等方面探索了CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)變工藝參數(shù)加工工藝。Sadek A.等[8]采用低頻率大振幅的振動鉆削工藝加工復(fù)合材料，結(jié)果表明，優(yōu)化加工參數(shù)后的振動鉆削工藝能夠減少50%的切削熱，降低40%的軸向力，并實現(xiàn)無分層鉆削。Wang X.等[9]使用超硬陶瓷涂層和無涂層硬質(zhì)合金刀具分別對CFRP單板、鈦合金單板以及CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進行刀具磨損試驗，研究結(jié)果表明：CFRP單板中，鉆削刀具的主要磨損形式為切削刃鈍化，鈦合金單板鉆削中，刀具的主要磨損形式為崩刃和后刀面磨損；CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)鉆削的刀具壽命大約是鈦合金單板鉆削刀具壽命的三倍，這主要是由于當?shù)毒咩@削CFRP時，CFRP中的碳纖維像刷子般去除了刀具上的鈦合金積屑瘤，使切削刃變光滑，減小了崩刃概率。

對現(xiàn)有文獻進行總結(jié)可認為，鈦合金/CFRP的制孔加工參數(shù)應(yīng)采用變參數(shù)加工工藝，即鉆至鈦合金疊層時使用適合鈦合金的低轉(zhuǎn)速加工參數(shù)，加工到復(fù)合材料疊層后，加工參數(shù)改變?yōu)檫m合復(fù)合材料的高轉(zhuǎn)速、低進給參數(shù)。此外，為提升鈦合金疊層的斷屑能力，改善刀具散熱情況，在加工鈦合金疊層時加入低頻振動參數(shù)，實現(xiàn)對鈦合金/CFRP疊層材料的加工。

2 試驗方案

2.1 材料和刀具

鈦合金/CFRP疊層材料中，CFRP材料為T800/X850單向帶碳纖維增強復(fù)合材料層合板，厚度為10mm，尺寸為300mm×200mm；鈦合金為Ti6Al4V板，厚度為10mm，尺寸為300mm×200mm；疊層總厚度為20mm。刀具采用硬質(zhì)合金超細晶粒鈦合金/CFRP疊層麻花鉆，直徑為9.4mm。

2.2 試驗設(shè)備及檢測設(shè)備

試驗機床采用三軸立式數(shù)控加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為12000r/min，定位精度為0.01mm，行程范圍為X方向1067mm，Y方向610mm，Z方向610mm。試驗將鈦合金/CFRP疊層材料通過夾具固定在測力儀上，在線采集制孔過程中的軸向力和扭矩信號(見圖1)。

圖1 試驗材料及檢測設(shè)備

采用四向壓電式測力儀，軸向力信號通過多通道電荷放大器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并轉(zhuǎn)換為軸向力數(shù)據(jù)。通過超景深光學(xué)顯微鏡檢測刀具磨損(見圖2)。

圖2 超景深光學(xué)顯微鏡及刀具磨損檢測

2.3 試驗設(shè)計和試驗參數(shù)

鈦合金/CFRP疊層材料制孔試驗對CFRP材料和鈦合金采用不同制孔參數(shù)，鈦合金層采用啄鉆制孔，鈦合金層完全鉆穿后(階梯完全鉆出)，再改用CFRP材料制孔參數(shù)，一次鉆削完成CFRP制孔。

(1)鈦合金啄鉆參數(shù)

在鈦合金/CFRP疊層材料制孔過程中，由于生產(chǎn)現(xiàn)場采用干式切削且鈦合金導(dǎo)熱性能差，一次鉆削極易造成鈦合金加工過程中溫度過高，在鈦合金和CFRP材料接觸界面造成復(fù)材燒傷。另外，在干式切削條件下，由于鈦合金韌性良好，一次鉆削極易產(chǎn)生連續(xù)螺旋狀切屑，切屑在大應(yīng)變和高應(yīng)變率條件下產(chǎn)生硬化，容易發(fā)生排屑堵塞，對鈦合金孔壁造成劃傷，同時也容易堵塞吸塵罩。因此，鈦合金制孔時采用啄鉆的制孔方式既有利于控制切屑尺寸，又有利于有效控制加工熱量。通過對鉆削刀具切削刃切點軌跡的控制，實現(xiàn)切屑形態(tài)和尺寸的主動控制。在啄鉆工藝中，刀具沿軸向往復(fù)運動，間歇式進給并與工件材料接觸，通過層深控制刀具與工件材料的接觸時間，從而有效控制切屑長度。因此，啄鉆加工工藝實現(xiàn)了切削刃軌跡在時間上的有序分布。通過數(shù)控系統(tǒng)G73指令實現(xiàn)啄鉆，在該指令下，刀具軸向運動路徑見圖3。

(a)啄鉆

雖然啄鉆加工方式能夠較好地保證鈦合金鉆削過程中的加工質(zhì)量，但會極大影響加工效率。因此，優(yōu)化啄鉆加工進刀量是鈦合金/CFRP疊層材料制孔重要參數(shù)。啄鉆試驗參數(shù)見表1。

表1 鈦合金/CFRP疊層材料制孔鈦合金啄鉆試驗參數(shù)

(2)鈦合金/CFRP疊層材料制孔參數(shù)

針對鈦合金和CFRP分別制定如表2所示的試驗參數(shù)。

表2 鈦合金/CFRP疊層材料制孔試驗參數(shù)

通過試驗研究不同加工參數(shù)下制孔刀具磨損狀態(tài)及失效形式，確定適用于該孔徑下的鈦合金/CFRP疊層材料制孔工藝參數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 啄鉆參數(shù)優(yōu)化試驗

按表1所示參數(shù)對鈦合金/CFRP材料進行切削試驗，測量不同啄鉆進刀量下鈦合金/CFRP疊層材料制孔試驗的最大軸向力和平均軸向力，結(jié)果見表3。

表3 不同啄鉆進刀量下制孔軸向力 (N)

圖4為不同啄鉆進刀量下鈦合金/CFRP疊層材料制孔平均軸向力和最大軸向力，均變化不大?？梢?，啄鉆進刀量對于制孔軸向力影響不大。

如圖5所示，試驗1、試驗2和試驗3均以較短C形屑為主，試驗4既有較短C形屑，也有連續(xù)螺旋狀切屑，試驗5以連續(xù)螺旋狀切屑為主。由試驗1、試驗2和試驗3的切屑形態(tài)可看出，啄鉆斷屑效果明顯，可有效降低纏屑和熱量堆積對加工產(chǎn)生的不良影響；另一方面，啄鉆會降低加工效率。綜合考慮加工效率和切屑控制，試驗3的啄鉆進刀量0.4mm為優(yōu)化的啄鉆進刀量。

(a)平均軸向力

(a)試驗1(進刀量0.2mm)

3.2 制孔參數(shù)優(yōu)化試驗

按表2的參數(shù)進行試驗，進刀量為前文確定的優(yōu)化進刀量0.4mm，每組試驗用新刀制30個孔，試驗結(jié)果見圖6。以試驗6～試驗8為一組、試驗9～試驗11為一組進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著每轉(zhuǎn)進給量的增大，鈦合金和CFRP制孔的平均軸向力均有所增加，但是鈦合金增幅更加明顯，平均值增幅30～80N，最大值增幅50～100N，CFRP材料增幅較小，平均值增幅5～40N，最大值增幅7～35N。

圖7為不同參數(shù)試驗后刀面和橫刃磨損形貌。可以看出，完成30個孔鉆削后，試驗6的刀具僅在橫刃和階梯外緣轉(zhuǎn)點處有輕微磨損；試驗7和試驗8中，刀具在橫刃和階梯外緣轉(zhuǎn)點處的磨損比試驗6更加嚴重，刀具主切削刃磨損較大；在試驗9～試驗11中，CFRP材料孔入口邊緣出現(xiàn)燒傷，鈦合金表面溫度較高。此外，在主軸轉(zhuǎn)速800r/min條件下對鈦合金進行鉆削時，由于鉆削溫度過高且鈦合金導(dǎo)熱性能差，鉆削時產(chǎn)生的熱量聚積在鈦合金與復(fù)合材料的接觸界面，造成CFRP材料孔入口邊緣燒傷(見圖8)。

(a)平均軸向力

圖8 CFRP材料孔入口邊緣燒傷

在采用試驗9～試驗11的加工參數(shù)制孔時，刀具除了橫刃和階梯外緣轉(zhuǎn)點處的磨損，主切削刃有明顯燒傷。此外，還發(fā)現(xiàn)刀具排屑槽和側(cè)刃也有明顯溫度過高而燒傷的痕跡(見圖9)。排屑槽和側(cè)刃燒傷主要是由于鉆削CFRP材料時，側(cè)刃在5000r/min高轉(zhuǎn)速下剮蹭鈦合金孔側(cè)壁產(chǎn)生，但在3000r/min轉(zhuǎn)速下，未發(fā)現(xiàn)刀具側(cè)刃燒傷。因此，在鈦合金/CFRP疊層材料制孔時，從刀具磨損和燒傷的角度，宜采用試驗6～試驗7的切削參數(shù)，其中以試驗6參數(shù)最優(yōu)，即CFRP轉(zhuǎn)速3000r/min、進給量0.012mm/r，鈦合金轉(zhuǎn)速400r/min、進給量0.100mm/r，啄鉆進刀量0.4mm。

圖9 刀具排屑槽和側(cè)刃燒傷

如圖10a所示，在制孔數(shù)1～25孔、不同進給量條件下，進給量對CFRP孔壁表面粗糙度的影響較小，當CFRP制孔進給量為0.012mm/r(試驗6)時，表面粗糙度略好；隨著制孔數(shù)增加刀具磨損擴大，特別是刀具外緣轉(zhuǎn)點處的磨損，使得雙刃帶修光作用減弱，進給量變大造成CFRP孔壁表面粗糙度變大。以鈦合金各向同性的材料屬性，進給量的增加會引起孔壁表面粗糙度變大，但由圖10b可以看出，孔壁表面粗糙度增幅不大，這主要是因為刀具階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計和雙刃帶修光作用減弱了進給量變化對鈦合金孔壁表面粗糙度的影響。綜合刀具壽命、制孔質(zhì)量因素，選用CFRP制孔進給量0.012mm/r，鈦合金制孔進給量0.100mm/r作為優(yōu)化制孔進給量。

(a)不同進給量對復(fù)合材料孔壁表面粗糙度的影響

4 結(jié)語

(1)對鈦合金啄鉆參數(shù)進行優(yōu)化，隨著啄鉆參數(shù)增加，鈦合金和CFRP層的軸向力無顯著變化，鈦合金斷屑能力逐漸變差，對啄鉆斷屑能力和加工效率進行綜合考慮，啄鉆進刀量0.04mm最優(yōu)。

(2)在不同參數(shù)條件下對鈦合金/CFRP疊層材料進行制孔試驗，隨著進給量的增加，鈦合金和CFRP層的軸向力均有所增加，鈦合金層的軸向力增幅大于CFRP層，而轉(zhuǎn)速對軸向力影響不大。

(3)盡管采用優(yōu)化的啄鉆參數(shù)，高轉(zhuǎn)速仍會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。在主軸轉(zhuǎn)速800r/min條件下加工鈦合金會因為鈦合金切削阻力和較差的導(dǎo)熱性產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致CFRP入口處燒傷。而在5000r/min轉(zhuǎn)速下對CFRP進行制孔時，刀具后部的側(cè)刃會高速剮蹭鈦合金層，造成側(cè)刃燒傷。

(4)不同進給量對刀具軸向力和制孔粗糙度均有影響。隨著進給量增加，鉆削鈦合金時的軸向力增幅更加明顯，平均值增幅30～80N，最大值增幅50～100N，鉆削CFRP時增幅較小，平均值增幅5～40N，最大值增幅7～35N；同時，隨著進給量提升，CFRP和鈦合金制孔的表面粗糙度變差。在CFRP制孔進給量為0.012mm/r、鈦合金制孔進給量為0.100mm/r時制孔效果最佳。