鈦合金/CFRP疊層結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)制孔工藝研究*

張 輝，李梅平，李海偉，杜 杰，郭飛燕

（1.航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

鈦合金（Ti）/碳纖維復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastics,CFRP）疊層結(jié)構(gòu)在航空制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)的裝配過(guò)程中，為了保證制孔精度進(jìn)而提高接頭服役壽命，需要采用一體化制孔技術(shù)，即一次性完成兩種材料的制孔。CFRP由纖維和基體組成，各組分間的屬性有較大差異，切屑呈碎斷狀態(tài)，其形成機(jī)制與鈦合金差異極大。兩種材料切削機(jī)理的差異是二者組成疊層結(jié)構(gòu)制孔過(guò)程中產(chǎn)生高溫、制孔質(zhì)量差、刀具磨損加劇等問(wèn)題的重要原因。因此，在鈦合金疊層材料的一體化制孔中，提高制孔質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命，是保障飛機(jī)結(jié)構(gòu)高可靠性服役和降低制造成本的關(guān)鍵所在。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，Ramulu等[1]選取高速鋼（High–speed–steel，HSS）、含鈷高速鋼 （HSS–Co）、硬質(zhì)合金刀具對(duì)CFRP/Ti疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)刀具壽命變短、基體老化和制孔質(zhì)量差等問(wèn)題，并且選用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度的切削參數(shù)組合進(jìn)行鉆孔會(huì)降低刀具的使用壽命。Brinksmeler等[2]進(jìn)行了CFRP/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的制孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)疊層材料選取合理的切削參數(shù)可以獲得較高的制孔質(zhì)量。Zitoune等[3]進(jìn)行了疊層結(jié)構(gòu)制孔工藝試驗(yàn)，利用硬質(zhì)合金刀具以不同參數(shù)進(jìn)行制孔，發(fā)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)制孔質(zhì)量對(duì)參數(shù)較為敏感。Park等[4]采用硬質(zhì)合金道具和金剛石刀具進(jìn)行CFRP/Ti疊層材料的鉆削試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，切屑粘滯于前后刀面在持續(xù)切削中造成了刃口磨損，而對(duì)于金剛石刀具，鈦合金的粘刀現(xiàn)象不明顯，而高轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致切削溫度升高、刀具磨損加劇，從而使切削力增大。Vitalii等[5]通過(guò)使用熱電偶、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方法和有限元分析進(jìn)行了試驗(yàn)，研究鉆頭的溫度與制孔精度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，鉆頭溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鈦合金中孔的直徑產(chǎn)生偏差。同樣關(guān)于鉆孔溫度，Shao等[6]通過(guò)試驗(yàn)揭示了疊層界面處CFRP中溫度分布與鉆孔參數(shù)之間的關(guān)系，并闡明了溫度對(duì)CFRP孔出口損傷的影響。李春奇等[7]開(kāi)展了CFRP/AL疊層結(jié)構(gòu)制孔試驗(yàn)研究，獲取軸向力、表面粗糙度和孔徑數(shù)據(jù)信息，由此得出軸向力與進(jìn)給速度呈正相關(guān)，與轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)，降低進(jìn)給速度有助于提升孔壁質(zhì)量；高轉(zhuǎn)速下，CFRP縮孔得到有效抑制，然而卻增加了毛刺損傷程度。楊旭[8]研究了CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)制孔情況，揭示鉆頭涂層對(duì)孔壁粗糙度的影響，結(jié)果表明，涂層不僅能降低孔壁粗糙度，還能起到抑制鈦合金毛刺的作用。黃波濤等[9]用遞減和復(fù)變化參數(shù)，進(jìn)行CFRP/Ti合金疊層螺旋銑孔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者均能在一定程度上提高制孔質(zhì)量，往復(fù)參數(shù)可降低軸向力和孔周溫度。孫鵬程等[10]進(jìn)行了CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)制孔試驗(yàn)研究，利用一體化鉆頭以加工參數(shù)為變量，揭示其對(duì)孔壁缺陷的影響。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，提高轉(zhuǎn)速和降低進(jìn)給量有利于減少CFRP層出入口處的撕裂現(xiàn)象以及孔壁上的加工缺陷，改善孔出入口質(zhì)量。王明海等[11]研究了不同鉆削參數(shù)下的CFRP/Ti疊層材料孔周溫度，得出鉆削溫度在低轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給下能夠得到控制的結(jié)論，從而使得刀具和孔壁的熱損失大幅下降。姚琦威等[12]在低頻振動(dòng)鉆削中，調(diào)整刀具振幅參數(shù)，研究其對(duì)切削力、切削溫度及制孔質(zhì)量等的影響，結(jié)果表明，振幅增加則軸向力均值減小，最大值增加；鉸孔時(shí)控溫效果更好，使得孔壁質(zhì)量大幅提高。徐錦泱等[13–15]論述了CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)鉆削缺陷類(lèi)型及產(chǎn)生機(jī)理，并重點(diǎn)剖析了疊層結(jié)構(gòu)制孔質(zhì)量與切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、鉆削順序等加工條件之間的內(nèi)在關(guān)系。臧雪柏等[16]綜合考慮CFRP/Ti疊層材料的結(jié)構(gòu)、性能特性和鉆削加工的具體過(guò)程，提出變參數(shù)振動(dòng)鉆削的方法，結(jié)果表明，變參數(shù)振動(dòng)切削顯著提高了孔的加工精度。而目前對(duì)于疊層材料低頻振動(dòng)制孔方面的研究還相對(duì)較少，Pecat等[17–18]在鉆削加工CFRP/Ti疊層材料的過(guò)程中，通過(guò)在進(jìn)給方向增加低頻輔助振動(dòng)，減小了鈦合金切屑尺寸，使切屑順利排出，減小切屑對(duì)孔壁的損傷。Sadek等[19]對(duì)CFRP低頻振動(dòng)鉆削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)鉆削相比，振動(dòng)鉆削的切削溫度和切削力明顯降低，而且制孔質(zhì)量更好。唐文亮等[20]在對(duì)鈦合金疊層材料鉆削加工中，研究了振動(dòng)幅值對(duì)切削力、切削溫度以及制孔質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)改變振動(dòng)幅值可以改變切削力大小、切削溫度以及制孔質(zhì)量。上述研究發(fā)現(xiàn)在鈦合金疊層材料低頻振動(dòng)制孔中，振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、切削參數(shù)對(duì)切削形態(tài)、制孔質(zhì)量以及刀具壽命都有影響，但在低頻振動(dòng)制孔中，低頻振動(dòng)參數(shù)與加工參數(shù)的大小沒(méi)有進(jìn)行深入研究。因此，低頻振動(dòng)制孔的振動(dòng)參數(shù)和加工參數(shù)的研究，對(duì)提高結(jié)構(gòu)服役壽命和降低加工成本具有重要意義。

對(duì)此，本文開(kāi)展了鈦合金/CFRP疊層材料低頻振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)進(jìn)行科學(xué)的對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以低頻振動(dòng)制孔振幅、頻率和制孔參數(shù)等為變量，揭示其對(duì)孔徑精度、切屑狀態(tài)以及毛刺和刀具使用壽命等指標(biāo)的影響，從而進(jìn)行面向低頻振動(dòng)制孔的工藝參數(shù)優(yōu)化，為其工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

低頻振動(dòng)制孔斷屑機(jī)制

低頻振動(dòng)制孔的顯著特點(diǎn)是鉆頭沿軸向進(jìn)行受迫機(jī)械振動(dòng)，因此與傳統(tǒng)制孔技術(shù)相比，除轉(zhuǎn)速和進(jìn)給之外又提供了頻率和振幅兩個(gè)切削參數(shù)。低頻振動(dòng)制孔刀柄及其原理如圖1所示。

圖1 低頻振動(dòng)制孔刀柄及其原理Fig.1 Low frequency vibration drilling tool shank and mechanism

分別用A、f、fr和n表示振幅、頻率、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速。刀具位于加工坐標(biāo)系xoy內(nèi)，根據(jù)刀具振動(dòng)規(guī)律，其振動(dòng)形式復(fù)合正弦曲線，在切削刃上選取任意點(diǎn)i，則其軸向運(yùn)動(dòng)軌跡可表示為：

點(diǎn)i沿鉆頭軸向的位移即為z的值，刀具每旋轉(zhuǎn)一周因刀具原有進(jìn)給而產(chǎn)生的向下位移為zf；低頻振動(dòng)產(chǎn)生的位移為zv；切削總時(shí)間為t。為表明進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，利用減號(hào)“–”表示沿z軸的負(fù)方向進(jìn)行制孔。

由式（1）可知，振動(dòng)鉆削時(shí)，在xoy坐標(biāo)系下，切削刃上點(diǎn)i1沿z軸運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，θ為刀具沿鉆頭周向的角位移；wf為振動(dòng)制孔頻率和轉(zhuǎn)速之比。根據(jù)鉆頭對(duì)稱(chēng)性可知，刀具兩條主切削刃呈中心對(duì)稱(chēng)分布，二者的相位差為π，如果一條切削刃上任意點(diǎn)i1的軌跡由式（2）給出，則根據(jù)軸對(duì)稱(chēng)關(guān)系，在第2個(gè)切削刃上，一定有相應(yīng)的點(diǎn)i2，且其運(yùn)動(dòng)軌跡遵循式（3）：

因此，鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的切削厚度可以表示為：

通過(guò)公式（4）可以計(jì)算兩條主切削刃的最小切削厚度為：

當(dāng)Δzmin≤0時(shí)，兩條切削刃的切削軌跡周期性重合，原本厚度均勻的切削層被打斷，從而產(chǎn)生分離，由此可以推導(dǎo)出理論斷屑條件為：

計(jì)算A和fr的比值并記為k，則代表斷屑程度可由k表示，即切屑斷屑條件為：

制孔試驗(yàn)方法及平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)在數(shù)控加工中心上開(kāi)展，制孔刀柄采用MITIS PG8040型振動(dòng)刀柄，刀具溫度測(cè)量采用德國(guó)Optris 2WLT型紅外線溫度傳感器，測(cè)量鉆出口整體溫度，以其最高值作為鉆尖溫度的表征量。孔徑誤差測(cè)量采用?？怂箍等鴺?biāo)測(cè)量?jī)x，利用探針選取孔周若干點(diǎn)位進(jìn)行擬合，以擬合圓的直徑作為孔徑表征量。毛刺及刀具磨損采用基恩士VHX–1000型超景深顯微鏡測(cè)量，完成孔周拍照后利用幾何方法計(jì)算毛刺面積，其與孔面積之比為毛刺表征量；刀具磨損則利用顯微鏡的三維測(cè)量擬合功能，以刀尖鈍圓直徑為磨損表征量?？妆诖植诙炔捎么植诙葴y(cè)量?jī)x測(cè)量，利用探針劃過(guò)孔壁表面，讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值。試件使用厚度為4.0mm的復(fù)合材料板，鋪層順序?yàn)閇0°/45°/–45°/90°]5，纖維牌號(hào)為T(mén)300，基體牌號(hào)為HD03，鈦合金牌號(hào)為T(mén)i6Al4V，刀具采用長(zhǎng)桿硬質(zhì)合金鉆頭（頂角θ=115°，螺旋角η=25°，刀具直徑φ=8mm）。為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)鉆削的斷屑效果以及兼顧切削鈦合金，本文試驗(yàn)從CFRP層鉆入Ti層鉆出，采用的轉(zhuǎn)速為500r/min，頻轉(zhuǎn)比wf為1.5osc/r，由式（7）可知其斷屑因子為0.625。試驗(yàn)所用進(jìn)給量范圍是12～30mm/min，低頻振幅范圍是0.05～0.1mm（表1）。為降低隨機(jī)誤差的影響，每組參數(shù)制取10個(gè)孔，對(duì)切屑形態(tài)、孔徑精度、孔壁粗糙度和刀具磨損等進(jìn)行測(cè)量。在完成測(cè)量結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，選取最佳工藝參數(shù)，然后以該參數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)一步細(xì)化進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速，對(duì)參數(shù)進(jìn)行再次優(yōu)化。

表1 制孔試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Drilling test parameters

低頻振動(dòng)制孔效果及討論

1 切屑形態(tài)及切削溫度

圖2為低頻振動(dòng)制孔加工后鈦合金的切屑形態(tài)，可見(jiàn)進(jìn)行低頻振動(dòng)制孔切屑可以完全成為碎斷狀，有效減小了切屑連續(xù)的程度，由此可解決長(zhǎng)切屑纏繞刀具及孔壁劃傷問(wèn)題。若以其扇形成角作為測(cè)量依據(jù)，則切屑大小可實(shí)現(xiàn)定量表征量。圖2（a）～（c）依次為0.05mm振幅下，以12mm/min、21mm/min、30mm/min進(jìn)給量加工所得的切屑；圖2（d）～（f）依次為0.075mm振幅下，以12mm/min、21mm/min、30mm/min進(jìn)給量加工所得的切屑；圖2（g）～（i）依次為0.1mm振幅下，以12mm/min、21mm/min、30mm/min進(jìn)給量加工所得的切屑。由切屑成角變化規(guī)律可知，在特定振幅下，隨著進(jìn)給量的增加，切屑成角亦隨之增加。而在相同進(jìn)給量下，隨著振幅的增加切屑尺寸存在一定程度上減小的趨勢(shì)。因此，在實(shí)際加工中從減小切屑尺寸的角度出發(fā)，推薦使用較小的進(jìn)給量和較大的振幅組合。

圖2 鈦合金切屑形態(tài)及角度Fig.2 Morphology and geometry of titanium chips

圖3為低頻振動(dòng)制孔在不同進(jìn)給量和振幅下孔周溫度分布情況（其中橫坐標(biāo)編號(hào)與圖2中對(duì)應(yīng)的編號(hào)一致）。由溫度變化規(guī)律可知，低頻振動(dòng)制孔過(guò)程中隨著進(jìn)給速度的增加，溫度也持續(xù)增加。其原因在于進(jìn)給量的增加會(huì)使切屑的尺寸增大，雖然大尺寸的切屑會(huì)在排出時(shí)帶走更多的熱量，但是其與孔壁和刀具會(huì)產(chǎn)生更大的摩擦，從而產(chǎn)生的熱量同樣會(huì)增加，導(dǎo)致孔周溫度上升。振幅的變化對(duì)溫度的影響程度略低于進(jìn)給速度，但同樣也具有隨著振幅增加而上升的趨勢(shì)。

圖3 切削CFRP層溫度變化曲線Fig.3 Temperature variation during drilling CFRP

總體而言，進(jìn)給速度對(duì)切屑形態(tài)和溫度的影響較為顯著，而振幅對(duì)切屑形態(tài)和溫度的影響相對(duì)較弱，因此在具體參數(shù)選擇過(guò)程中，振幅的選擇范圍可以適當(dāng)加大。但是，當(dāng)振幅提高時(shí)還可能出現(xiàn)后刀面與加工平面的干涉問(wèn)題，實(shí)際選擇振幅時(shí)還要綜合考慮鉆頭的后角而最終確定。

2 孔徑精度分析

采用海克斯康三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量孔徑、復(fù)材和鈦板制孔的誤差分別如圖4和圖5所示。復(fù)材孔徑誤差同樣隨著進(jìn)給速度的增加而增大，當(dāng)振幅為0.05mm和0.075mm時(shí)增速相對(duì)顯著性不高；然而當(dāng)振幅增加到0.1mm時(shí)，復(fù)材平均孔徑誤差在3種進(jìn)給速度下的增速顯著提高，說(shuō)明振幅對(duì)孔徑誤差的影響存在拐點(diǎn)，因此實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置應(yīng)盡量避免將振幅設(shè)置在拐點(diǎn)之后。結(jié)合圖2和圖3可知，切屑尺寸、切削溫度和孔徑3者的誤差變化規(guī)律存在一定程度的相似性。

圖4 復(fù)材孔徑平均誤差的變化Fig.4 Average error of CFRP hole diameter

圖5為鈦板平均孔徑變化規(guī)律，整體而言進(jìn)給速度對(duì)孔徑誤差的影響存在一定跳躍性，當(dāng)進(jìn)給速度為21mm/min，振幅在0.05mm和0.1mm情況下孔徑誤差均出現(xiàn)最小值。由此可以判斷進(jìn)給速度由12mm/min到30mm/min的過(guò)渡區(qū)間內(nèi)，存在更為合理的進(jìn)給速度，可以使得孔徑偏差降低。而在0.075mm/min的進(jìn)給速度下，以上情況并未發(fā)生，這說(shuō)明進(jìn)給速度和振幅對(duì)孔徑偏差的影響存在一定耦合作用，二者之間并非完全不相關(guān)。因此有必要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)二者進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖5 鈦板孔徑平均誤差的變化Fig.5 Average error of Ti hole diameter

3 孔壁粗糙度分析

圖6所示為復(fù)合材料低頻振動(dòng)制孔下孔壁粗糙度的變化規(guī)律。根據(jù)圖3切削溫度變化曲線，CFRP孔壁粗糙度的變化與孔周溫度呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)性，孔壁粗糙度增大孔周溫度也隨之提高。這一現(xiàn)象中斷屑水平起到主要作用，斷屑水平低則孔壁粗糙度增大，此時(shí)也伴隨著切削溫度的升高?；谝陨戏治隹梢缘贸?，制孔時(shí)提高振幅并且減小進(jìn)給量，則能夠降低切屑尺寸，更加有利于鈦合金排屑排出，減小孔壁劃傷的可能性，進(jìn)而達(dá)到抑制孔壁粗糙度的作用。

圖6 復(fù)材孔壁粗糙度的變化Fig.6 Variation of CFRP hole wall roughness

4 毛刺尺寸分析

試驗(yàn)過(guò)程中用顯微鏡觀察疊層界面處未出現(xiàn)明顯的毛刺、分層和間隙，因此未對(duì)研究疊層界面處進(jìn)行研究。不同的工況條件下鈦板孔出口毛刺高度如圖7所示。出口處毛刺高度隨著振幅和進(jìn)給量的增加均呈上升規(guī)律，相對(duì)而言進(jìn)給量對(duì)毛刺高度的影響略大于振幅。鈦合金的流動(dòng)性與溫度呈正相關(guān)，因此提高進(jìn)給量則溫度升高，孔周材料塑性增強(qiáng)，流動(dòng)至孔外側(cè)形成毛刺。利用低頻振動(dòng)制孔，通過(guò)改善斷屑效果，減少切屑尺寸、降低孔周溫度，可以減少毛刺的尺寸。

圖7 鈦板出口毛刺高度的變化Fig.7 Burr height at Ti hole exit

基于以上試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)理分析，綜合考慮切屑形態(tài)、孔徑誤差、孔壁粗糙度和毛刺高度，可以得出當(dāng)進(jìn)給量為12mm/min時(shí)，表1中第1、第4組參數(shù)可取得比較好的加工效果；當(dāng)進(jìn)給量為21mm/min時(shí)，表1中第5組參數(shù)可以取得比較好的加工效果；當(dāng)進(jìn)給量為30mm/min時(shí)，加工效果相對(duì)較差。第1、第4組參數(shù)可取得的加工效果比較接近，而第4、第5組參數(shù)的振幅條件相同，可以將振幅設(shè)置為不變參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速。因此選擇第4、第5組參數(shù)為以上試驗(yàn)的初步優(yōu)化結(jié)果，再次優(yōu)化在這兩組參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

二次優(yōu)化試驗(yàn)分析

在第1次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第2次試驗(yàn)分析，利用400r/min主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行制孔，將振幅維持在原有水平，減小相鄰進(jìn)給量的差值，得到的進(jìn)給速度第2次優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果如圖8～10所示。可以看出，進(jìn)給量低于25mm/min后，CFRP和鈦板的制孔質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)變化較小，當(dāng)進(jìn)給量增加到30mm/min以上時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)增加趨勢(shì)明顯。

圖8 疊層結(jié)構(gòu)孔徑誤差隨進(jìn)給速度變化Fig.8 Diameter error of laminated structure varies with feeding rate

圖9 鈦板制孔毛刺和切屑大小隨進(jìn)給速度的變化Fig.9 Variation of burr and chip size in titanium plate hole with feeding rate

圖10 復(fù)材制孔孔壁粗糙度隨進(jìn)給速度變化Fig.10 Roughness of hole wall varies with feeding speed

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用21mm/min進(jìn)給量進(jìn)行制孔，設(shè)置振幅為0.075mm，減小相鄰主軸轉(zhuǎn)速之間的差值，得到再次優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如圖11～13所示。通過(guò)分析曲線變化規(guī)律可得知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速接近500r/min時(shí)，CFRP和鈦板的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較低，其中孔徑誤差接近最小值，切屑尺寸、粗糙度和毛刺高度均較低。對(duì)比分析兩次優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：當(dāng)轉(zhuǎn)速為475r/min，進(jìn)給量為12mm/min且振幅為0.075mm時(shí)，可以取得較低的孔徑誤差，較小的切屑尺寸、粗糙度和毛刺高度。

圖11 疊層結(jié)構(gòu)孔徑誤差隨轉(zhuǎn)速變化Fig.11 Variation of hole diameter error according to spindle speed

圖12 鈦板制孔毛刺和切屑大小隨主軸轉(zhuǎn)速的變化Fig.12 Variation of Ti burr and chip size according to spindle speed

圖13 復(fù)材制孔孔壁粗糙度隨主軸速度的變化Fig.13 Variation of hole wall roughness according to spindle speed

振動(dòng)制孔與傳統(tǒng)制孔效果對(duì)比

在轉(zhuǎn)速475r/min、進(jìn)給量21mm/min的參數(shù)條件下，采用傳統(tǒng)非振動(dòng)鉆削方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表2所示?？梢钥闯雠c傳統(tǒng)加工方式相比，采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)制孔的制孔精度有了顯著的提高，且振動(dòng)制孔過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)鈦屑纏繞刀具的現(xiàn)象，兩種加工方式下切屑狀態(tài)對(duì)比如圖14所示，在鈦合金斷屑方面，振動(dòng)制孔表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，切屑尺寸得到有效降低，能夠順利完成排屑。

表2 相同參數(shù)的低頻振動(dòng)和傳統(tǒng)制孔對(duì)比Table 2 Comparison of low frequency vibration and traditional drilling with same parameters

圖14 兩種制孔方式鈦合金切屑對(duì)比Fig.14 Comparison of chips of two drilling methods

圖15為復(fù)材孔入口圖像，對(duì)比可知振動(dòng)制孔下孔壁損傷有較大程度改善，孔周不規(guī)則斷裂纖維明顯減少，意味著孔壁亞表面微裂紋產(chǎn)生的概率大大降低。

圖15 兩種制孔方式復(fù)材孔周對(duì)比Fig.15 Comparison of hole wall for two drilling methods

刀具壽命研究

利用兩次制孔試驗(yàn)所得的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)制孔試驗(yàn)，每40個(gè)孔為一組用同一把刀具制孔，隨后利用超景深顯微鏡對(duì)主切削刃與副切削刃交界處進(jìn)行測(cè)量，以刀具鈍圓直徑為表征量，每間隔10次制孔記錄刀尖鈍圓直徑值。以同樣參數(shù)，采用傳統(tǒng)非振動(dòng)鉆削方式加工40個(gè)孔，每間隔10次制孔記錄刀尖鈍圓直徑值，通過(guò)顯微鏡觀察，交界處未發(fā)現(xiàn)崩刃等破損現(xiàn)象，所得刀具磨損顯微圖像及刀具刃口鈍圓直徑變化規(guī)律如圖16和17所示。

圖16 兩種制孔方式的主切削刃與副切削刃交界處磨損顯微圖Fig.16 Cutting edge wear of two drilling methods

圖17 兩種制孔方式的刀具磨損變化規(guī)律Fig.17 Variation of tool wear for two drilling methods

通過(guò)對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)非振動(dòng)制孔方式的刀具磨損速度明顯高于低頻振動(dòng)制孔，當(dāng)?shù)毒呒庸さ?0個(gè)孔時(shí)，低頻振動(dòng)制孔刀具鈍圓直徑為24μm，傳統(tǒng)非振動(dòng)制孔刀具鈍圓直徑達(dá)到了30μm。

由此可見(jiàn)，在優(yōu)化參數(shù)的工況條件下，低頻振動(dòng)制孔刀具磨損明顯下降，相當(dāng)于刀具壽命提高了20%。

結(jié)論

本文開(kāi)展了系列試驗(yàn)研究CFRP/鈦疊層結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)制孔，所得結(jié)論如下：

（1）低頻振動(dòng)制孔對(duì)鈦合金加工質(zhì)量提升明顯，能夠形成斷續(xù)切屑，其尺寸與進(jìn)給量呈正相關(guān)，與振幅呈負(fù)相關(guān)。

（2）鈦合金的斷屑程度對(duì)CFRP孔壁粗糙度影響較大，提高振幅和降低進(jìn)給量能夠減小切屑尺寸，切屑更容易排出，CFRP孔壁劃傷較小，有利于降低粗糙度。

（3）切削溫度決定鈦合金孔出口處材料塑性變形程度，當(dāng)振幅和進(jìn)給提高時(shí)溫度增加，故毛刺高度增大。提高斷屑效率減小切屑尺寸，能夠有效抑制鈦合金毛刺生成。

（4）通過(guò)對(duì)比孔徑誤差、切屑尺寸、孔壁粗糙度和毛刺高度等制孔質(zhì)量指標(biāo)表明，低頻振動(dòng)制孔工藝參數(shù)存在最優(yōu)范圍，本文得出的最優(yōu)參數(shù)為轉(zhuǎn)速475r/min、進(jìn)給量21m/min、振幅0.075mm。

（5）在最優(yōu)參數(shù)下，低頻振動(dòng)制孔與傳統(tǒng)制孔方式相比，制孔質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)均有大幅提升，說(shuō)明鈦合金/CFRP疊層結(jié)構(gòu)更適宜采用低頻振動(dòng)方式進(jìn)行制孔，刀具使用壽命提升達(dá)20%。