芳綸纖維復(fù)合材料制孔表面缺陷機(jī)理及工藝試驗(yàn)研究

石文天，龐慶超，劉玉德，李 杰，任冰

芳綸纖維復(fù)合材料制孔表面缺陷機(jī)理及工藝試驗(yàn)研究

石文天1，龐慶超1，劉玉德1，李 杰1，任冰2

（1.北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100048；2.佛羅里達(dá)大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程系，蓋恩斯維爾 FL 32611，美國(guó)）

減少芳綸纖維復(fù)合材料制孔的表面缺陷。通過(guò)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，研究鉆削過(guò)程中刀具的作用機(jī)理。通過(guò)不同切削速度和進(jìn)給速度對(duì)制孔入口表面缺陷和孔內(nèi)壁表面粗糙度的影響，研究制孔過(guò)程中的缺陷損傷，并進(jìn)行相關(guān)評(píng)定。通過(guò)改變裝夾工藝方式，研究裝夾工藝系統(tǒng)的剛度對(duì)制孔表面缺陷的影響。切削速度與進(jìn)給速度對(duì)制孔表面缺陷的影響較大，切削速度和進(jìn)給速度不斷增大，孔徑入口撕裂區(qū)域面積增大，孔徑周圍毛刺分布呈先減小、后增大的趨勢(shì)。隨著進(jìn)給速度的增大，切削力總體呈減少趨勢(shì)。試驗(yàn)表明，切削速度為62.83 m/min時(shí)，切削力最大，此時(shí)振動(dòng)頻率接近工藝系統(tǒng)的固有頻率，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。孔徑內(nèi)壁質(zhì)量與切削速度成正比，與進(jìn)給速度成反比。提高裝夾工藝系統(tǒng)剛度，可以減少制孔入口的表面缺陷。對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料板進(jìn)行制孔試驗(yàn)，切削速度為87.96 m/min、進(jìn)給速度為60 mm/min時(shí)，獲得的表面質(zhì)量最佳。在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給情況下，加工表面缺陷較嚴(yán)重，應(yīng)避免用此工藝參數(shù)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料板進(jìn)行加工。工藝系統(tǒng)的裝夾方式對(duì)制孔缺陷的影響較大，工藝系統(tǒng)的剛度越高，制孔質(zhì)量越好。

芳綸纖維復(fù)合材料；制孔表面缺陷；孔內(nèi)壁粗糙度；裝夾方式

芳綸纖維復(fù)合材料是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，由于其比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕及耐高溫、耐久性與抗腐蝕性好等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1-3]。芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一次成形不能很好地滿足使用要求，為了更好地與其他零件裝配使用，不可避免地需要孔連接，但制孔質(zhì)量較差，在鉆削過(guò)程中極易產(chǎn)生分層、毛刺、燒蝕、表面撕裂等缺陷[4-6]。制孔質(zhì)量將直接影響裝配與設(shè)計(jì)精度[7-9]，必須對(duì)制孔的表面缺陷機(jī)理展開(kāi)系統(tǒng)研究。芳綸纖維復(fù)合材料具有不連續(xù)性、各向異性、層間結(jié)合強(qiáng)度差等特點(diǎn)，鉆削的主要缺陷存在于孔徑的出入口及孔壁內(nèi)部，其中入口處的缺陷對(duì)裝配的幾何精度影響最大，而孔徑內(nèi)壁的粗糙度又使裝配連接效果變差[10]。

為減少芳綸纖維復(fù)合材料在制孔時(shí)的表面損傷，提高其加工質(zhì)量和效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從刀具結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)、改進(jìn)工藝系統(tǒng)剛度等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。鮑永杰等人[11]用電鍍金剛石鉆頭加工碳纖維復(fù)合材料，研究了加工時(shí)的孔出口質(zhì)量和軸向力，并與常規(guī)刀具對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電鍍金剛石鉆頭對(duì)復(fù)合材料的加工效果較常規(guī)刀具好。佟沐霞等人[12]通過(guò)使用金剛石（PCD）刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，并結(jié)合有限元仿真，得到并驗(yàn)證了加工時(shí)產(chǎn)生的軸向力和扭矩，研究發(fā)現(xiàn)，鉆削軸向力的大小對(duì)制孔質(zhì)量影響較大。安華等人[13]通過(guò)監(jiān)測(cè)孔壁的表面粗糙度質(zhì)量來(lái)判斷刀具的磨損情況和粗糙度的質(zhì)量狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料鉆削過(guò)程中鉆削參數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化，解決了加工效率與質(zhì)量的問(wèn)題。張高峰等人[14]研究了液氮冷卻對(duì)CFRP鉆削表面的影響，試驗(yàn)證明，在低溫冷卻條件下，制孔出口撕裂與毛刺等缺陷明顯減少，孔壁表面質(zhì)量大幅提高。Liu等人[15]根據(jù)設(shè)計(jì)出的臨界推力模型，推導(dǎo)出芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）在鉆削時(shí)的分層機(jī)制，推測(cè)了鉆削過(guò)程中導(dǎo)致分層缺陷的原因。其在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削厚度大于0.4 mm時(shí)，孔壁分層現(xiàn)象明顯減少。王福吉等人[16]研究了鉆削過(guò)程中分層缺陷動(dòng)態(tài)演化行為，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生分層擴(kuò)展的臨界條件，在制孔過(guò)程中對(duì)分層缺陷的擴(kuò)展行為進(jìn)行了觀測(cè)，揭示了分層缺陷對(duì)制孔質(zhì)量的影響機(jī)制。Liu等人[17]通過(guò)使用不同螺旋角的刀具對(duì)AFRP進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)切削力隨著螺旋角的增大而減小，與切削參數(shù)相比，刀具結(jié)構(gòu)對(duì)加工表面的質(zhì)量影響更大，使用人字形或凹槽結(jié)構(gòu)的切削刀具進(jìn)行加工，可得到較好的表面質(zhì)量。Yang等人[18]在鉆削芳綸纖維板時(shí)，使用上下支撐環(huán)，探究進(jìn)給速度在有無(wú)支撐時(shí)對(duì)鉆孔軸向力的影響。結(jié)果證明，當(dāng)支承環(huán)的大小與孔徑接近時(shí)，進(jìn)出口表面的分層、撕裂和毛刺缺陷最少。Wang等人[19]分析并建立了纖維變形和材料界面開(kāi)裂的二維切削模型，根據(jù)該模型深入研究了纖維變形的機(jī)理，設(shè)計(jì)出一種新型三點(diǎn)式刀具，并進(jìn)行了鉆削加工，鉆削表面分層和毛刺面積明顯減少。Hrechuk等人[20]提出了纖維復(fù)合材料鉆孔質(zhì)量的復(fù)雜評(píng)價(jià)方法，結(jié)合整體表面粗糙度，通過(guò)模塊化算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷高度和寬度分布的評(píng)價(jià)，并驗(yàn)證了孔徑、孔質(zhì)量與刀具磨損呈線性關(guān)系，為制孔表面缺陷的計(jì)算提供了一種新方法。Caggiano等人[21]提出了一種結(jié)合材料機(jī)械強(qiáng)度損傷和裝配損傷來(lái)評(píng)價(jià)纖維復(fù)合材料孔徑損傷的新方法，可以計(jì)算孔徑損傷對(duì)整體算法的影響，有效改善整體裝配質(zhì)量。由于芳綸纖維復(fù)合材料的正交編織結(jié)構(gòu)及高抗拉性能，使其鉆削過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的機(jī)理與均質(zhì)材料甚至其他復(fù)合材料不同，因此需要對(duì)鉆削過(guò)程中的表面缺陷機(jī)理及鉆削工藝展開(kāi)系統(tǒng)研究。

本文進(jìn)行了芳綸纖維復(fù)合材料的鉆削試驗(yàn)，研究了鉆削工藝參數(shù)對(duì)制孔表面缺陷的影響，并對(duì)缺陷損傷進(jìn)行了量化計(jì)算和分析。通過(guò)優(yōu)選鉆削工藝參數(shù)，采用輔助加工工藝，提高制孔質(zhì)量，顯著減少了制孔缺陷，并獲得了切削參數(shù)對(duì)孔徑入口處和孔內(nèi)壁粗糙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為正交編織的芳綸纖維布與聚乙烯樹脂復(fù)合壓制成形的芳綸纖維復(fù)合材料板，如圖1所示。工件大小為100 mm×100 mm×6 mm，單層層間厚為0.5 mm。芳綸纖維與樹脂基體的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

圖1 芳綸纖維復(fù)合材料板

表1 芳綸纖維復(fù)合材料及其力學(xué)性能

Tab.1 Aramid fiber composites and their mechanical properties

試驗(yàn)使用直徑為4 mm的AlTiN涂層硬質(zhì)合金鉆頭，研究了工藝系統(tǒng)裝夾方式對(duì)制孔質(zhì)量的影響。在加工過(guò)程中，分別使用鋁合金板、電木板以及亞克力板作為上墊板，分析墊板材料對(duì)制孔表面缺陷和孔徑內(nèi)壁粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備為微小型精密雕銑機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 12 000 r/min，進(jìn)給速度最高可達(dá) 6 m/min，主軸根部跳動(dòng)精度在5 μm以內(nèi)。使用測(cè)力儀（奇石樂(lè) 9119A）測(cè)量切削力。使用飛納掃描電子顯微鏡（Phenom XL，分辨率20 nm）、基恩士超景深顯微鏡（VHX-600）和TR200粗糙度測(cè)量?jī)x（檢測(cè)量程為0.025～12.5 μm）觀測(cè)加工后的工件，進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值，研究加工后的表面缺陷和孔內(nèi)壁粗糙度。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，可通過(guò)更換上墊板改變裝夾工藝系統(tǒng)的剛度，研究裝夾方式對(duì)制孔質(zhì)量的影響。下方加裝測(cè)力儀，對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)超景深顯微鏡和表面粗糙度儀來(lái)觀察分析孔徑形貌。本文以切削速度、進(jìn)給速度為變量，研究鉆削過(guò)程中工藝系統(tǒng)剛度變化對(duì)切削力的影響和不同墊板對(duì)制孔表面缺陷的影響。其中切削速度為37.70～ 138.23 m/min，每次增量為25.13 m/min；進(jìn)給速度為20～100 mm/min，每次增量為20 mm/min。

圖2 芳綸纖維復(fù)合材料鉆削研究平臺(tái)

2 結(jié)果與討論

2.1 刀具作用機(jī)理分析

芳綸纖維復(fù)合材料具有各向異性、不均勻、不連續(xù)的特點(diǎn)，是一種典型的難加工材料。在其加工過(guò)程中，主要缺陷表現(xiàn)為孔出入口處的毛刺、分層、燒蝕及孔壁上的纖維被撕裂抽出等。當(dāng)?shù)毒咧睆綖? mm、切削速度為87.96 m/min、進(jìn)給速度為60 mm/min時(shí)，鉆削力變化與鉆削過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，分為以下4個(gè)階段。

第一階段即鉆削初始階段，刀具最初接觸芳綸纖維復(fù)合材料板時(shí)，由于刀具受到向下的軸向力，首先接觸并破壞樹脂基體層，此時(shí)還未參與切削。刀具橫刃對(duì)樹脂基體表面造成劃傷，使表層的纖維發(fā)生彈性變形，降低了纖維與樹脂基體間的粘結(jié)強(qiáng)度，切削力由0開(kāi)始瞬間增大到20 N左右。

圖3 切削力信號(hào)及鉆削過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系

第二階段，刀具橫刃已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入纖維內(nèi)部，此時(shí)橫刃的推擠力發(fā)揮主要作用，軸向力緩慢增加至27 N左右，刀具主切削刃開(kāi)始切削纖維束。在鉆削軸向力的綜合作用下，層間應(yīng)力超過(guò)樹脂基體與纖維的界面強(qiáng)度，產(chǎn)生層間剝離缺陷，即入口纖維層的撕裂損傷。由于纖維束失去基體的約束力，在刀具切削作用下，未被有效切斷的纖維在刀具螺旋上升的作用下，形成入口處的毛刺損傷。

第三階段為穩(wěn)定切削階段，受編織形態(tài)及材料特性的影響，切削力為20～30 N。刀具主體已經(jīng)全部進(jìn)入芳綸纖維板內(nèi)部，此階段刀具與材料充分接觸，軸向力也變得穩(wěn)定，處于穩(wěn)定切削狀態(tài)。隨著鉆削的深入，刀具開(kāi)始接觸到底部的纖維層，此時(shí)鉆尖和橫刃處的軸向力超過(guò)了纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度，造成底部纖維層發(fā)生分層缺陷。

第四階段為鉆削的最后階段，鉆頭鉆出，軸向力逐漸減小到0，出口處缺乏有效支撐，過(guò)大的鉆削軸向力直接將纖維束從基體扯斷，產(chǎn)生剝離分層缺陷，同時(shí)出口處的纖維束未被有效切斷而產(chǎn)生出口拉毛缺陷。

2.2 缺陷損傷評(píng)定方法

為研究切削參數(shù)與工藝系統(tǒng)裝夾方式對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料板制孔入口處撕裂拉毛缺陷的影響，采用纖維撕裂比和毛刺分布率來(lái)定量反映表面缺陷的程度。單位面積內(nèi)的缺陷損傷如圖4所示。纖維撕裂比定義為芳綸纖維復(fù)合材料板入口處撕裂面積的最大值m和孔徑標(biāo)準(zhǔn)值n的比值，即：

圖4 單位面積內(nèi)的缺陷損傷示意

用超景深顯微鏡測(cè)量毛刺的長(zhǎng)度和寬度，其中，忽略長(zhǎng)度小于0.5 mm的毛刺。在加工表面測(cè)量孔入口處撕裂區(qū)的毛刺，從而計(jì)算出毛刺分布率，即：

式中：0為孔入口處標(biāo)準(zhǔn)圓的最短毛刺長(zhǎng)度，mm；m為孔入口處撕裂區(qū)平均毛刺長(zhǎng)度，mm。

首先，優(yōu)先通過(guò)纖維撕裂比對(duì)制孔缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，纖維撕裂比值越大，說(shuō)明孔徑周圍撕裂區(qū)域越大，則孔入口處表面缺陷越嚴(yán)重，表面質(zhì)量越差。其次，在纖維撕裂比不大的情況下，則用孔徑外側(cè)的毛刺分布率來(lái)判定制孔的表面質(zhì)量，毛刺分布率越大，則說(shuō)明加工孔徑毛刺缺陷過(guò)多，制孔表面缺陷越嚴(yán)重。

3 切削工藝方法對(duì)孔加工質(zhì)量的影響

3.1 切削參數(shù)對(duì)制孔表面缺陷的影響

加工參數(shù)對(duì)制孔缺陷的影響如圖5所示。采用超景深顯微鏡對(duì)鉆削入口進(jìn)行圖形學(xué)分析，計(jì)算纖維撕裂比和毛刺分布率，篩選出最優(yōu)切削參數(shù)，并得出切削速度和進(jìn)給速度對(duì)表面缺陷的影響規(guī)律。

鉆削加工中撕裂缺陷的產(chǎn)生，是由于芳綸纖維復(fù)合材料板承受的切削力超過(guò)樹脂和纖維結(jié)合界面的結(jié)合力，從而導(dǎo)致纖維束與樹脂基體分離。由圖5可知，隨著切削速度和進(jìn)給速度的增大，纖維受到的螺旋升力變大，層間應(yīng)力超過(guò)樹脂基體與纖維的界面強(qiáng)度，產(chǎn)生剝離分層缺陷，導(dǎo)致入口撕裂區(qū)域面積增大。毛刺分布率呈先減小、后增大的趨勢(shì)，原因在于切削速度升高會(huì)導(dǎo)致鉆削區(qū)域產(chǎn)生大量切削熱，樹脂基體在高溫作用下軟化，會(huì)降低對(duì)纖維束的支撐作用，纖維束被刀具主切削刃迅速切斷，并形成切屑排出，因此入口處的毛刺分布相對(duì)減少。在穩(wěn)定切削過(guò)程中，表面缺陷相對(duì)減少，刀具承受的徑向力和切削深度不斷增大，刀具對(duì)纖維束的剪切力變大，纖維束被平穩(wěn)剪斷，從而產(chǎn)生原纖化斷裂，切口較平整，毛刺較小，表面質(zhì)量較好。

結(jié)合切削參數(shù)與切削力的關(guān)系可知，切削力隨著進(jìn)給速度的增大表現(xiàn)為先增加、后減小的趨勢(shì)。因?yàn)樵诘瓦M(jìn)給情況下，其振動(dòng)頻率接近工藝系統(tǒng)自身的固有頻率，出現(xiàn)共振，導(dǎo)致切削狀態(tài)不穩(wěn)定，切削力增大，進(jìn)給速度為40 mm/min時(shí)達(dá)到最大值。隨著進(jìn)給速度的增大，超過(guò)其固有頻率，進(jìn)入穩(wěn)定鉆削加工過(guò)程，如圖6所示。由此可知，切削速度為75.40～125.66 m/min、進(jìn)給速度為60 mm/min時(shí)，獲得的制孔缺陷較少，質(zhì)量較好。

圖5 加工參數(shù)對(duì)制孔缺陷的影響

圖6 進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響

3.2 切削參數(shù)對(duì)制孔表面缺陷的影響

芳綸纖維復(fù)合材料在制孔過(guò)程中，不僅要保證孔的出入口表面精度，還要保證孔內(nèi)壁的質(zhì)量。利用SEM掃描電鏡對(duì)芳綸纖維板孔內(nèi)壁形貌進(jìn)行觀測(cè)，探究加工參數(shù)對(duì)孔內(nèi)壁粗糙度的影響。常見(jiàn)孔內(nèi)壁形貌的主要缺陷為出入口處的纖維拉毛現(xiàn)象和孔內(nèi)壁上的凹坑、撕裂等，如圖7所示。

由圖8所知，隨著切削速度的增大，孔內(nèi)壁質(zhì)量隨之提高。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增大，鉆削溫度不斷上升，導(dǎo)致孔徑內(nèi)部樹脂基體熔化變軟，復(fù)合材料的剪切變形更加容易，切口更平整，且毛刺較少，從而提高孔壁質(zhì)量。隨著進(jìn)給速度的增大，孔內(nèi)壁上的表面粗糙度變大，整體孔壁質(zhì)量下降。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增大，單位時(shí)間內(nèi)鉆頭所鉆削面積增大，導(dǎo)致纖維未來(lái)得及被剪切斷裂，而直接被拉斷或扯出，從而產(chǎn)生更多的撕裂和毛刺，造成孔內(nèi)壁缺陷較大。當(dāng)切削速度為62.83 m/min、機(jī)床轉(zhuǎn)速為5000 r/min時(shí)，機(jī)床振動(dòng)較大，切削狀態(tài)不穩(wěn)定，影響了切削加工質(zhì)量。由試驗(yàn)結(jié)果可知，該加工條件下的表面粗糙度值最大，表面質(zhì)量較差。

當(dāng)切削速度一定時(shí)，進(jìn)給速度與孔壁粗糙度成正比。其主要原因是，增大進(jìn)給速度，刀具在單位時(shí)間內(nèi)的下切深度也增大，鉆削力急速上升。從圖9中可以看出，切削力為10～13 N時(shí)，處于不穩(wěn)定切削狀態(tài)，刀具與纖維復(fù)合材料板振動(dòng)劇烈，孔徑內(nèi)壁粗糙度值最大。此時(shí)軸向力不斷增大，超過(guò)了芳綸纖維與樹脂基體間的層間應(yīng)力，發(fā)生分層，纖維束被快速剪拉斷裂，孔內(nèi)壁缺陷明顯。隨著切削速度的增大，切削狀態(tài)趨于穩(wěn)定，鉆削溫度不斷上升，基體發(fā)生熔化變軟，導(dǎo)致切削力減小，孔壁的質(zhì)量提高。

圖7 孔內(nèi)壁缺陷SEM形貌

圖8 切削參數(shù)與粗糙度的關(guān)系曲線

圖9 切削力與切削參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

3.3 預(yù)夾緊方式對(duì)制孔表面缺陷的影響

加工時(shí)分別在芳綸纖維復(fù)合材料板的上方加鋁合金板、電木板和亞克力板，研究裝夾工藝系統(tǒng)的剛度對(duì)制孔表面缺陷的影響。根據(jù)纖維撕裂比和毛刺分布率，計(jì)算表面缺陷，如圖10所示。

加裝上墊板會(huì)對(duì)芳綸纖維復(fù)合材料板產(chǎn)生一個(gè)向下的預(yù)緊力，在預(yù)緊力的作用下，工藝系統(tǒng)剛度變大。工藝系統(tǒng)剛度的增加，有利于鉆削刀具快速切斷纖維，從而減少制孔入口的缺陷，即孔入口處的纖維堆積現(xiàn)象有所減少，表面毛刺數(shù)量和長(zhǎng)度明顯減少，并且撕裂面積均小于無(wú)墊板加工的表面形貌。其中加裝鋁合金板的芳綸纖維復(fù)合材料板表面纖維撕裂比最小，毛刺分布也最少，表面形貌最佳。通過(guò)對(duì)比3種墊板材料，說(shuō)明墊板材料的剛度越高，制孔的表面質(zhì)量越好。鋁合金墊板的制孔質(zhì)量最好，電木板次之，亞克力板最差。

圖10 裝夾工藝與鉆削直徑對(duì)制孔缺陷的影響

4 結(jié)論

1）芳綸纖維復(fù)合材料板的鉆削過(guò)程對(duì)應(yīng)鉆削力變化可分為4個(gè)階段。在穩(wěn)定切削階段，刀具在剪切力的作用下，纖維束被平穩(wěn)剪斷，從而產(chǎn)生原纖化斷裂，纖維切口平整，表面質(zhì)量較好。通過(guò)對(duì)纖維撕裂比與毛刺分布率的綜合計(jì)算，給出了缺陷損傷的評(píng)定方法，此方法可有效評(píng)價(jià)鉆削的表面質(zhì)量。

2）在低進(jìn)給情況下，易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致切削狀態(tài)不穩(wěn)定。隨著進(jìn)給速度的增大，超過(guò)其固有頻率，進(jìn)入穩(wěn)定鉆削加工過(guò)程。當(dāng)切削速度為75.40～ 125.66 m/min、進(jìn)給速度為60 mm/min時(shí)，加工質(zhì)量較好。

3）隨著切削速度的增大，芳綸纖維復(fù)合材料板孔壁處的表面粗糙度有先增大、后減小的趨勢(shì)。隨進(jìn)給速度的增大，芳綸纖維復(fù)合材料板孔壁處的損傷逐漸嚴(yán)重，孔內(nèi)壁表面質(zhì)量變差。與切削速度相比，進(jìn)給速度對(duì)孔內(nèi)壁粗糙度的影響更為顯著。

4）工藝系統(tǒng)的裝夾方式對(duì)制孔缺陷的影響較大，工藝系統(tǒng)的剛度越高，制孔質(zhì)量越好，即上層墊板的剛度越高，預(yù)緊力越大，鉆孔加工的質(zhì)量越好，缺陷越少。試驗(yàn)表明，鋁合金墊板優(yōu)于電木板和亞克力板，亞克力板的質(zhì)量最差。

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Study on Surface Defects Mechanism and Process Tests of Aramid Fiber Composite Hole-making

1,1,1,1,2

(1. School of Artificial Intelligence, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China; 2. Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Florida, Gainesville FL 32611, USA)

This paper aims to reduce the surface defects of holes made by aramid fiber composites. Tool action mechanism during drilling is studied through the drilling test of aramid fiber composites. The defect damage during hole-making process is studied and evaluated by changing the influence of cutting speed and feed speed on the surface defects of hole-making entrance and the surface roughness of hole inner wall. The effect of the rigidity of the clamping process system on the surface defects of the hole is studied by changing the clamping process. The cutting speed and feed speed have a great influence on the surface defects of the hole making. With the continuous increase of cutting speed and feed rate, the area of the torn area at the entrance of the aperture increases, and the burr distribution around the aperture first decreases and then increases; the cutting force generally decreases with the increase in feed speed. It shows that when the cutting speed is 62.83 m/min, the cutting force is the largest. At this time, the vibration frequency is close to the natural frequency of the processing system, and resonance phenomenon occurs; the quality of the inner wall of the aperture is proportional to the cutting speed and inversely proportional to the feed speed; improving the rigidity of the clamping process, which can reduce the surface defects of the hole entrance. The hole-making test is carried out on the aramid fiber composite board when the cutting speed is 87.96 m/min and the feed speed is 60 mm/min, the surface quality obtained is the best. In the case of high speed and large feed, the processing surface defects are more serious, and the processing of aramid fiber composite plates should be avoided in this process parameter; the clamping method of the processing system has a greater impact on the hole-making defects. The higher the rigidity of the process system, the better the hole quality.

aramid fiber composites; hole-making defects; roughness of inner wall of hole; clamping method

2021-11-29；

2022-01-05

SHI Wen-tian (1980—), Male, Doctor, Professor, Research focus: advanced manufacturing technology.

李杰（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)、表界面理論與技術(shù)、表面微加工與功能改性。

Corresponding author：LI Jie (1984—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: tribology, surface interface theory and technology, surface micromachining and functional modification.

石文天, 龐慶超, 劉玉德, 等. 芳綸纖維復(fù)合材料制孔表面缺陷機(jī)理及工藝試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 184-191.

TG506.7

A

1001-3660(2022)01-0184-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.019

2021-11-29；

2022-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51975006，51505006）；2021年北京工商大學(xué)研究生科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51975006, 51505006) and 2021 Beijing Technology and Business University Graduate Research Ability Enhancement Program Project Grant

石文天（1980—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。

SHI Wen-tian, PANG Qing-chao, LIU Yu-de, et al. Study on Surface Defects Mechanism and Process Tests of Aramid Fiber Composite Hole-making [J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 184-191.