王啟涵，陳 濤，葉俊鵬，索煜豪

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）是一種新型材料，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、抗疲勞等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空航天器、汽車制造、體育用品、船舶制造等領(lǐng)域［1-4］。碳纖維復(fù)合材料零件一般采用成型工藝制造，但成型后的零件往往還需要進(jìn)行制孔加工才能滿足實(shí)際使用中連接裝配的需要。CFRP的制孔質(zhì)量對(duì)零件影響巨大，制孔過(guò)程中產(chǎn)生的加工缺陷將極大減損CFRP零件的裝配效果和疲勞壽命，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢［5］。

許多學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)輔助鉆削CFRP的孔壁質(zhì)量進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)［6］對(duì)編織CFRP在不同的進(jìn)給速度下進(jìn)行了微孔鉆削試驗(yàn)，觀察了各個(gè)方向角度孔壁的加工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)各個(gè)角度方向的材料去除機(jī)理各不相同。文獻(xiàn)［7］對(duì)單向CFRP材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲加工分離斷續(xù)式的加工機(jī)理可以有效提高斷屑能力，降低孔壁粗糙度。文獻(xiàn)［8］對(duì)編織CFRP材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助鉆孔可以有效降低孔壁分層缺陷，提高孔壁表面質(zhì)量。文獻(xiàn)［9］對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）進(jìn)行了切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)提高切削速度可以有效提高鉆削孔壁質(zhì)量。許多學(xué)者對(duì)切削CFRP過(guò)程中切削角度的影響進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)［10］通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)CFRP在不同角度下的切削性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)135°的切削質(zhì)量最差，45°最好。文獻(xiàn)［11］通過(guò)鉆削試驗(yàn)對(duì)CFRP各個(gè)方向切口的表面質(zhì)量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)135°方向粗糙度最高，45°方向粗糙度最低。文獻(xiàn)［12］對(duì)CFRP 單向板圓盤進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，得到了從（0～180）°的連續(xù)的粗糙度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銑削處于（25～70）°時(shí)粗糙度最高。

目前關(guān)于CFRP材料鉆孔相關(guān)的研究已經(jīng)有很多，但仍有一些不足。一方面，現(xiàn)有的文獻(xiàn)關(guān)于旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削CFRP的相關(guān)研究大多僅關(guān)注直徑在5mm以上的常規(guī)尺寸孔，而對(duì)于直徑在5mm及以下的小孔則研究較少。在CFRP小孔鉆削過(guò)程中，由于孔徑尺寸小，因此最大切削速度低，材料斷屑困難，這是小孔鉆削加工中的一個(gè)難點(diǎn)。另一方面，現(xiàn)有的文獻(xiàn)關(guān)于CFRP切削機(jī)理的研究多關(guān)注切削瞬間刀具與材料的狀態(tài)，而忽視了切削過(guò)程中一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)變化。為此，分析了超聲振動(dòng)對(duì)鉆削過(guò)程中實(shí)際切削角度的影響規(guī)律，開展了在CFRP上進(jìn)行3mm直徑小孔的超聲振動(dòng)輔助鉆削試驗(yàn)，觀察了各個(gè)典型角度下孔壁質(zhì)量隨振幅從零開始增大的過(guò)程中產(chǎn)生的變化，得出了孔壁質(zhì)量隨振幅的變化規(guī)律，旨在對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削CFRP小孔的振幅參數(shù)選擇提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2 超聲振動(dòng)對(duì)切削角度的影響規(guī)律

2.1 CFRP直角自由切削中切削角度對(duì)表面質(zhì)量的影響

切削CFRP時(shí)切削速度方向與纖維方向的夾角稱為切削角θ。CFRP在不同切削角度下的切削機(jī)理不同。切削角θ的范圍是［0°，180°）［10］，但是在一般的研究中，CFRP材料的切削角分析常選取0°，45°，90°和135°四個(gè)典型角度，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料在0°，45°，90°，135°下的材料去除方式Fig.1 Material Removal Methods for Composite Materials at 0°，45°，90°，135°

對(duì)于刀具前角為銳角的情況來(lái)說(shuō)：切削角度在0°時(shí)，材料去除機(jī)理主要是纖維剝離和基體受剪切斷裂，纖維損傷小，但是已加工表面上容易殘留破碎基體，影響表面質(zhì)量；切削角度在45°時(shí)，材料去除機(jī)理主要是纖維受擠壓和剪切而斷裂和基體受擠壓破碎，已加工表面質(zhì)量好且穩(wěn)定，粗糙度低；切削角度在90°時(shí)，材料去除機(jī)理主要是纖維受剪切斷裂和基體受擠壓破碎，這種角度下纖維斷裂位置穩(wěn)定，纖維斷屑效果好，但是切削力垂直作用于纖維，容易導(dǎo)致已加工表面上產(chǎn)生分層，而分層會(huì)導(dǎo)致纖維讓刀，從而導(dǎo)致纖維斷屑效果和加工質(zhì)量變差；切削角度在135°時(shí)，材料去除機(jī)理主要是纖維彎曲折斷和基體斷裂，這種角度下纖維斷裂位置往往位于已加工表面下，表面質(zhì)量偏差，但是由于纖維受彎曲這段，因此纖維斷屑效果最好。

2.2 超聲振動(dòng)對(duì)切削角度影響規(guī)律

旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助鉆削相比于普通鉆削，其區(qū)別在于施加了一個(gè)超聲頻的縱向振動(dòng)，鉆頭切削刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變?yōu)檫M(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向的超聲振動(dòng)的疊加，如圖2所示。

圖2 超聲振動(dòng)輔助鉆削示意圖Fig.2 Schematic of Ultrasonic Vibration Assisted Drilling

在超聲振動(dòng)作用下，切削刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈的正弦形，如圖3所示。切削速度也由此發(fā)生改變，如圖4所示。在普通鉆削中，切削刃上任意一點(diǎn)的速度矢量與纖維方向矢量之間的夾角即為纖維取向角θf(wàn)，其在圖4（b）中的運(yùn)動(dòng)軌跡平面XOY面內(nèi)取得；在超聲鉆削中，切削刃上任意一點(diǎn)的速度矢量在超聲加工運(yùn)動(dòng)軌跡的切線上，纖維方向矢量在YOV面內(nèi)投影與速度方向的夾角才滿足復(fù)合材料直角自由切削的分析條件，因此速度矢量與纖維方向角之間的夾角θ如下圖所示，其為纖維方向矢量在圖4（b）中的YOV平面內(nèi)的投影與切削速度矢量ν→的夾角。以下為θ的計(jì)算過(guò)程：

圖3 普通鉆削與超聲輔助鉆削軌跡示意圖Fig.3 Trajectory of Conventional Drilling and Ultrasonic Assisted Drilling

圖4 超聲輔助鉆削中任意一點(diǎn)的瞬間切削角度Fig.4 Instantaneous Cutting Angle of a Certain Point in Ultrasonic Assisted Drilling

在鉆頭切削刃該任意點(diǎn)處建立局部坐標(biāo)系，如圖所示，則超聲振動(dòng)輔助鉆削中鉆頭切削刃上某一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的參數(shù)方程為：

式中：w—鉆頭旋轉(zhuǎn)的角速度，單位rad/s；r—該點(diǎn)到鉆頭中心軸的距離，單位mm；n—鉆頭的轉(zhuǎn)速，單位r/min；A—超聲振動(dòng)的振幅，單位μm；f—超聲振動(dòng)的頻率，單位Hz；t—時(shí)間，單位s；p0—時(shí)間為0時(shí)的超聲振動(dòng)初始相位，單位rad。

式中：k—正整數(shù)，且始終有sin(-ωt+θ0+kπ)≥0；

切削速度與纖維方向之間的夾角θ有下式關(guān)系：

將式（1）～式（4）帶入式（5）可得切削刃上該點(diǎn)在任意時(shí)刻的切削速度方向與纖維取向的夾角θ。取轉(zhuǎn)速n=2000r/min，振幅A=10μm，超聲頻率f=20000Hz，進(jìn)給速度νf=10mm/r，將鉆頭超聲振動(dòng)引起與材料的間斷性接觸/分離納入考慮，使用Matlab軟件計(jì)算鉆頭旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)在各個(gè)時(shí)刻下的切削速度方向與纖維方向的夾角θ結(jié)果，如圖5所示。

圖5 A=10μm，鉆頭旋轉(zhuǎn)半圈時(shí)切削角度變化圖Fig.5 Cutting Angle Within Half a Revolution of the Drill

材料在一個(gè)超聲振動(dòng)周期內(nèi)各個(gè)角度下進(jìn)行切削的時(shí)間分布圖，如圖6所示。隨著振幅A從0μm增加到10μm，鉆削中各個(gè)角度下的切削時(shí)間分布從各角度均勻分布逐漸變成向90°等三個(gè)對(duì)稱角度附近集中，非90°的兩個(gè)波峰的附近10°范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)占總加工時(shí)間的比例從1μm 時(shí)的0.113 不斷增加到10μm 時(shí)的0.183，且波峰角度從1μm時(shí)的12°/168°不斷增加/減少到10μm時(shí)的64°/116°，波峰角度不斷趨近90°。因此，在超聲振動(dòng)輔助鉆削CFRP過(guò)程中振幅的改變會(huì)導(dǎo)致各切削角度下切削時(shí)長(zhǎng)的占比分布的改變，又由于CFRP材料在各個(gè)切削角度下的切削機(jī)理和加工表面質(zhì)量有所差異，因此振幅的改變將通過(guò)改變切削角度時(shí)長(zhǎng)占比分布的方式最終影響孔壁質(zhì)量。

圖6 振幅為0μm和10μm時(shí)切削角度分布情況Fig.6 Cutting Angle Distribution when the Amplitude is 0μm and 10μm

3 鉆削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)、材料屬性、鉆頭屬性和試驗(yàn)方案，如圖7、表1～表3所示。

表1 CFRP材料屬性Tab.1 Parameters of CFRP

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Test Platform

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)搭建，如圖7所示。本次試驗(yàn)使用T300碳纖維單向?qū)愉伆暹M(jìn)行鉆削試驗(yàn)，CFRP材料參數(shù)，如表1所示。鉆頭為3mm直徑PCD麻花鉆頭，鉆頭具體參數(shù)，如表2所示。試驗(yàn)進(jìn)行一組振幅單因素試驗(yàn)及為了保證可靠性的四次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每一組的試驗(yàn)參數(shù)，如表3所示。小直徑孔在180°內(nèi)各個(gè)切削角度下的平均粗糙度難以直接測(cè)量，因此本試驗(yàn)通過(guò)鉆孔后剖開的方法觀察0°，45°，90°，135°四個(gè)方向上的孔壁粗糙度及其隨振幅變化情況。超聲加工裝置安裝鉆頭后的振幅由Sunny Instruments Singapore Pt Model LV-S01-ST 激光測(cè)振儀在空載狀態(tài)測(cè)量后根據(jù)激勵(lì)電壓標(biāo)定。鉆削試驗(yàn)獲得的孔壁粗糙度數(shù)據(jù)由Alicona InfiniteFocus G5粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量獲得。

表2 鉆頭屬性Tab.2 Parameters of Drill Bit

表3 鉆削試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Drilling Test Parameters

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 普通鉆削孔壁各方向鉆削質(zhì)量對(duì)比

振幅為0μm（即普通鉆削）時(shí)各個(gè)角度方向孔壁粗糙度的情況，如圖8 所示。其中，材料各個(gè)角度方向的定義如上圖所示?？梢钥闯?，45°方向材料粗糙度最低且最穩(wěn)定，135°方向材料粗糙度低但是加工質(zhì)量不穩(wěn)定，0°方向質(zhì)量一般且不太穩(wěn)定，90°方向粗糙度水平最高且不穩(wěn)定。這些結(jié)果將為下面的分析提供依據(jù)。

圖8 切削角度與孔壁粗糙度Fig.8 Cutting Angle and Hole Wall Roughness

4.2 0°方向孔壁粗糙度結(jié)果與分析

0°方向孔壁粗糙度隨振幅變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)振幅增大時(shí)，0°方向孔壁粗糙度Ra的均值先下降后上升，Ra波動(dòng)幅度先下降后上升，粗糙度值平均下降29.4%。

圖9 孔壁0°位置的試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test Result at 0° Position of Hole Wall

振幅從0μm增加到20μm過(guò)程中0°方向材料處于各個(gè)角度下切削時(shí)長(zhǎng)占比分布變化圖，如圖10（a）所示。平均切削角度變化圖，如圖10（b）所示。由圖可以看出，隨著超聲振幅不斷增大，波峰角度從0°不斷趨近90°，平均角度從0°增加到70.9°。當(dāng)切削角度平均值因超聲作用而向45°移動(dòng)時(shí)，切削在45°左右角度下的時(shí)長(zhǎng)占比越來(lái)越高，表面質(zhì)量越來(lái)越好，粗糙度值越來(lái)越低也越來(lái)越穩(wěn)定；而當(dāng)切削角度平均值和波峰值從45°左右向90°趨近時(shí)，在45°附近切削角度下切削的時(shí)長(zhǎng)占比越來(lái)越低，表面質(zhì)量開始降低，粗糙度值開始升高且不穩(wěn)定。盡管切削的平均角度已經(jīng)非?？拷?0°，但是粗糙度上升的程度仍然未達(dá)到普通鉆削時(shí)90°方向的粗糙度水平，這是因?yàn)槌暭庸嗬m(xù)分離式的加工方式增加了切削刃對(duì)CFRP 材料的斷屑能力。試驗(yàn)結(jié)果與第2章的分析一致。

4.3 45°方向孔壁粗糙度結(jié)果與分析

45°方向孔壁粗糙度隨振幅變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖11所示?？梢钥闯?，當(dāng)振幅增大時(shí)，45°方向孔壁粗糙度Ra的均值先上升后下降，Ra波動(dòng)幅度先變大后變小，粗糙度值平均下降4.5%。振幅從0μm增加到20μm過(guò)程中45°方向材料處于各個(gè)角度下切削時(shí)長(zhǎng)占比分布的變化圖，如圖12（a）所示。平均切削角度變化圖，如圖12（b）所示。隨著超聲振幅不斷增大，波峰角度從0°不斷趨近90°，平均角度從0°增加到74.9°。當(dāng)切削角度平均值和波峰值因超聲作用而向90°移動(dòng)時(shí)，平均切削角度越來(lái)越接近90°，在90°附近切削角度下切削的時(shí)長(zhǎng)占比越來(lái)越高，表面質(zhì)量開始降低，粗糙度值開始上升且不穩(wěn)定；當(dāng)振幅繼續(xù)升高時(shí)，平均切削角度的變化越來(lái)越平緩，角度的影響越來(lái)越小，而切削刃斷屑能力不斷增強(qiáng)，因此當(dāng)振幅在24μm和20μm時(shí)粗糙度值和波動(dòng)都降低。試驗(yàn)結(jié)果與前文的分析一致。

圖11 孔壁45°位置的試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test Result at 45° Position of Hole Wall

圖12 振幅增加時(shí)45°方向材料的切削角度分布變化和平均切削角度變化Fig.12 Cutting Angle Distribution Change and Average Cutting Angle Change at the 45°Direction With the Amplitude Increases

4.4 90°方向孔壁粗糙度結(jié)果與分析

90°方向孔壁粗糙度歲振幅變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖13 所示?？梢钥闯?，當(dāng)振幅增大時(shí)，90°方向孔壁粗糙度Ra的均值略有下降，但隨振幅增大的變化不明顯，Ra波動(dòng)幅度幾乎不變。粗糙度值平均下降30.8%。振幅從0μm增加到20μm過(guò)程中90°方向材料處于各個(gè)角度下切削時(shí)長(zhǎng)占比的分布圖，如圖14 所示。由圖可以看出，超聲振幅對(duì)90°方向材料的切削角度影響不大，振幅改變時(shí)切削角度始終在90°附近。施加振動(dòng)后切削刃斷屑能力增強(qiáng)，粗糙度值隨振幅提升緩慢下降。試驗(yàn)結(jié)果與前文的分析一致。

圖13 孔壁90°位置的試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Test Result at 90° Position of Hole Wall

圖14 振幅增加時(shí)90°方向材料的切削角度分布變化Fig.14 Cutting Angle Distribution Change at the 90°Direction With the Amplitude Increases

4.5 135°方向孔壁粗糙度結(jié)果與分析

135°方向孔壁粗糙度隨振幅變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖15 所示?？梢钥闯?，當(dāng)振幅增大時(shí)，135°方向材料孔壁粗糙度Ra的均值先下降后上升，Ra波動(dòng)幅度先下降后上升，粗糙度值平均下降7.9%。

圖15 孔壁135°位置的試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Test Result at 135° Position of Hole Wall

振幅從0μm增加到20μm過(guò)程中135°方向材料處于各個(gè)角度下切削時(shí)長(zhǎng)占比分布變化圖，如圖16（a）所示。平均切削角度變化圖，如圖17（b）所示。隨著超聲振幅不斷增大，波峰角度從135°左右不斷趨近90°，平均角度從135°減少到103.5°。當(dāng)切削角度波峰值和平均值從135°向90°靠近時(shí)，切削過(guò)程始終處于逆切角度，而超聲振動(dòng)增強(qiáng)了切削刃的斷屑能力，因此粗糙度值略有下降；而當(dāng)振幅繼續(xù)增加時(shí)，切削角度趨近90°，表面質(zhì)量逐漸接近普通鉆削90°方向材料的情況，粗糙度值因此上升。試驗(yàn)結(jié)果與第2章的分析一致。

圖16 振幅增加時(shí)135°方向材料的切削角度分布變化和平均切削角度變化Fig.16 Cutting Angle Distribution Change and Average Cutting Angle Change at the 135° Direction With the Amplitude Increases

5 結(jié)論

從超聲振動(dòng)改變切削速度方向與纖維方向夾角的角度觀察超聲振動(dòng)對(duì)鉆削CFRP小孔的作用影響，對(duì)超聲振動(dòng)對(duì)切削角度的影響進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)行了CFRP小孔鉆削實(shí)驗(yàn)對(duì)分析進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)與分析，得出以下結(jié)論：（1）超聲振動(dòng)輔助鉆削CFRP小孔過(guò)程中，超聲振動(dòng)通過(guò)改變切削速度方向與纖維方向夾角和增強(qiáng)切削刃斷屑能力的方法影響孔壁質(zhì)量。（2）超聲振動(dòng)幅值對(duì)于孔壁粗糙度的影響在孔壁的不同位置有不同的規(guī)律，隨著振幅不斷增加，0°和135°方向孔壁粗糙度先降后升，45°方向孔壁粗糙度先升后降，90°方向孔壁在施加超聲振動(dòng)后粗糙度下降，但并未隨振幅增加而改變。

（3）在振幅從0μm增大到20μm過(guò)程中，0°、45°、90°、135°方向的CFRP 孔壁表面質(zhì)量均有提高，粗糙度值分別平均降低了29.4%、4.5%、30.8%和7.9%。