復(fù)材產(chǎn)品Al/CFRP/Al疊層制孔加工

何一，王惠萍，王偉鋒

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司 上海 200245

1 序言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡稱CFRP）由于比強(qiáng)度高、比模量大且成型工藝好等優(yōu)異特性，被應(yīng)用于某型號(hào)衛(wèi)星的框架構(gòu)架生產(chǎn)中。該框架材料為Al/CFRP/Al疊層結(jié)構(gòu)，由于裝配孔具有較高的幾何公差及尺寸精度要求，兩種材料分別制孔再進(jìn)行裝配的方式無法保證加工質(zhì)量的一致性[1]。因此，該材料疊層制孔的研究勢在必行。

疊層制孔的加工方式一定程度上保證了后續(xù)裝配的孔位要求，但由于不同材料對(duì)于刀具及加工參數(shù)等加工條件的適應(yīng)程度不同，因此出現(xiàn)了孔徑超差、孔內(nèi)壁表面質(zhì)量下降等一系列問題。當(dāng)孔徑增大，隨之變大的軸向力也暴露出工件剛度不足、變形較大等問題，需要對(duì)加工參數(shù)及裝夾方式做進(jìn)一步的改進(jìn)，以保證加工質(zhì)量及精度[2]。

對(duì)于疊層材料制孔的缺陷控制及工藝優(yōu)化，國內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究。于書宇等[3]采用兩種變頂角結(jié)構(gòu)的鉆頭對(duì)Ti/CFRP疊層構(gòu)件進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，得到了頂角變化對(duì)軸向力大小及孔壁質(zhì)量的影響規(guī)律。ZITOUNE等[4，5]在CFRP/Al疊層制孔試驗(yàn)中，研究了鉆頭直徑及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等加工參數(shù)對(duì)鋁合金切屑形態(tài)與鉆削軸向力的影響，通過優(yōu)化加工參數(shù)提高了加工質(zhì)量。王昌贏等[6]研究了PTFE/CFRP/Al在制孔過程中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)切削溫度及成屑形態(tài)的影響，通過控制溫度和切屑形態(tài)，抑制了CFRP表面劃傷，提高了鋁合金出口的加工質(zhì)量。

關(guān)于如何利用加工參數(shù)來控制切屑形態(tài)和刀具磨損，進(jìn)而抑制缺陷、提高加工質(zhì)量的研究，前人已經(jīng)做出了許多努力[7-9]，然而現(xiàn)有制孔質(zhì)量的研究中，孔徑均＜10mm，相較于本框架構(gòu)件裝配孔徑22mm有較大差距。刀具尺寸的變化會(huì)使刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到更多來自于工件的力矩作用，加之CFRP的各向異性導(dǎo)致刀具兩刃所受的切削力不均衡，形成了過大的離心力，使刀具在鉆削CFRP時(shí)穩(wěn)定性急劇下降，從而引發(fā)更多的孔壁缺陷，同時(shí)，隨刀具直徑增大而增大的軸向力也對(duì)零件剛度及裝夾穩(wěn)定性提出了更高的要求。

本文以雙頂角鉆頭對(duì)Al/CFRP/Al疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，先通過對(duì)切削過程中鉆削軸向力變化趨勢的分析，進(jìn)行裝夾穩(wěn)定性的改善，再通過不同切削參數(shù)條件下，對(duì)加工質(zhì)量與軸向力大小的分析，揭示切削參數(shù)對(duì)該疊層材料制孔質(zhì)量的影響規(guī)律，并給出較為合適的加工參數(shù)，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用的刀具為T i A l N涂層雙頂角麻花鉆，鉆頭直徑為22mm，鉆尖頂角為130°/150°，如圖1所示。采用DMU 60P五軸精密數(shù)控加工中心，該加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速為18000r/min，主軸額定功率為42.8kW，試驗(yàn)過程中采用Kistler9128AA型壓電測力儀收集并記錄鉆削軸向力的數(shù)據(jù)。為了不破壞CFRP材料的性能，試驗(yàn)中并未使用切削液，而采取干式切削的方式，并利用工業(yè)吸塵器對(duì)揚(yáng)起的CFRP切屑粉末進(jìn)行回收，裝夾形式如圖2所示。

圖1 雙頂角麻花鉆頭

圖2 裝夾形式

試驗(yàn)后，利用KH-7700型三維視頻顯微鏡對(duì)試件孔壁形貌及缺陷進(jìn)行細(xì)節(jié)觀測和數(shù)據(jù)采集，并用Mahr M1型便攜式粗糙度測量儀進(jìn)行表面粗糙度值的測量與分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鉆削試驗(yàn)的切削參數(shù)見表1，同一轉(zhuǎn)速下使用一把刀具連續(xù)加工4個(gè)孔，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的變化來分析加工質(zhì)量的優(yōu)劣，并利用重復(fù)試驗(yàn)來判斷刀具的磨損程度。

3.1 加工過程鉆削力分析

鉆削力是衡量鉆削質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，各方向鉆削力的變化能夠量化地體現(xiàn)整個(gè)加工過程，結(jié)合刀具磨損及缺陷的生成情況，能夠?qū)庸ぶ谐霈F(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析和評(píng)估。而軸向力作為各向鉆削力中的關(guān)鍵部分，在CFRP這種層合型復(fù)合材料和疊層構(gòu)件的加工中，更是產(chǎn)生分層和孔壁缺陷的關(guān)鍵因素[10]。

在本試驗(yàn)中，鉆頭主切削刃部分軸向長度約3.4mm，如圖3所示。第一主切削刃直徑為6mm，鉆尖橫刃較小，故可知第一主切削刃末端到鉆尖橫刃的軸向長度L1約為：L1＝d/（2 t a nα）＝6/[2 tan（130°/2）]＝1.4（mm）。

（1）主軸轉(zhuǎn)速為500r/min的鉆削過程 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí)，鉆削過程軸向力變化趨勢如圖4所示，A點(diǎn)所示為鉆尖橫刃完全穿透鋁合金，尚未切削CFRP的節(jié)點(diǎn)。鉆削開始后，軸向力在短暫的急劇上升后，進(jìn)入較為穩(wěn)定的變化過程，直至鋁合金層完全鉆透。此期間軸向力保持相同斜率持續(xù)上升，在經(jīng)過第一、第二主切削刃過渡點(diǎn)時(shí)也未出現(xiàn)明顯的斜率變化，說明鉆削鋁合金時(shí)，軸向力對(duì)鉆尖頂角的變化并不敏感。

在經(jīng)過A點(diǎn)后，軸向力并未按照理論值持續(xù)上升，而是在小幅振蕩到B點(diǎn)后，迅速上升并進(jìn)入穩(wěn)定切削階段。鉆尖突破鋁合金后，進(jìn)入膠連部分并嘗試鉆入CFRP層，由于CFRP表面結(jié)構(gòu)不均，所以此時(shí)鉆尖失去穩(wěn)定的鉆入點(diǎn)。隨著刀具的運(yùn)動(dòng)，工件在軸向力的作用下發(fā)生彈性形變，呈拱形向下小幅彎曲，軸向力也沒有明顯增長。

圖4 鉆削過程軸向力變化趨勢（500r/min）

隨著工件向下?lián)隙鹊脑黾?，工件的反作用力逐漸增大，當(dāng)反作用力增大到某一臨界點(diǎn)后，鉆尖開始正常鉆入CFRP，軸向力開始上升（如圖4中點(diǎn)B到點(diǎn)C所示）。由于鉆頭向下運(yùn)動(dòng)與工件恢復(fù)形變的同時(shí)作用，鉆頭相對(duì)于工件的進(jìn)給量會(huì)大于設(shè)定值，出現(xiàn)過進(jìn)給現(xiàn)象，軸向力以高于理論值的加速度迅速增大，孔壁加工質(zhì)量也隨著實(shí)際進(jìn)給量的增大而有所下降。通過對(duì)鉆頭的理論軸向位置進(jìn)行計(jì)算并與軸向力變化趨勢的時(shí)間軸對(duì)比，得知工件從鉆尖穿過鋁合金層時(shí)開始發(fā)生形變，直至C點(diǎn)到D點(diǎn)期間進(jìn)入穩(wěn)定的全鉆切削過程，形變才逐漸恢復(fù)至正常加工狀態(tài)，過進(jìn)給現(xiàn)象結(jié)束。

（2）裝夾方式改進(jìn)后的鉆削過程 為了證明上面得出的結(jié)論，將更厚的鋁合金層放置在鉆削出口、使用工裝裝夾并在工件底端加墊支承板，從而避免工件發(fā)生過多的形變影響實(shí)際加工質(zhì)量。將裝夾方式改進(jìn)后得到的軸向力變化趨勢如圖5所示。自A點(diǎn)鉆尖鉆入CFRP層直至C點(diǎn)切削刃完全進(jìn)入該層，切削力保持穩(wěn)定的加速度，持續(xù)增長，在D點(diǎn)前維持穩(wěn)定的切削狀態(tài)。

圖5 裝夾改進(jìn)后的軸向力變化趨勢

將圖5與圖4的變化趨勢進(jìn)行對(duì)比可知：軸向力變化至A點(diǎn)時(shí)，鉆尖穿透鋁合金層，經(jīng)過膠連層小幅回落后，軸向力迅速以穩(wěn)定的斜率增長，直至鉆頭主切削刃完全進(jìn)入CFRP層后達(dá)到峰值平臺(tái)，并進(jìn)入全鉆穩(wěn)定切削階段。對(duì)比可知，圖4中軸向力由B點(diǎn)增大到C點(diǎn)的過程，持續(xù)時(shí)間短且斜率過大，確有過進(jìn)給現(xiàn)象出現(xiàn)。

（3）主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min的鉆削過程 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min、進(jìn)給量為0.04mm/r時(shí)，鉆削過程軸向力變化趨勢如圖6所示。轉(zhuǎn)速的提高進(jìn)一步降低了鉆頭的穩(wěn)定性，這使得CFRP表面結(jié)構(gòu)不均的影響被放大，在鉆尖嘗試鉆入CFRP層時(shí)，兩者接觸產(chǎn)生了短時(shí)極大的軸向力，更易造成CFRP的層間分層缺陷。

圖6 鉆削過程軸向力變化趨勢（1500r/min）

轉(zhuǎn)速的提高也加劇了切削刃外緣與工件之間的相互作用，鉆頭外緣在經(jīng)過CFRP層出口側(cè)時(shí)，與碳纖維產(chǎn)生拉扯，導(dǎo)致軸向力回升并形成毛刺缺陷，導(dǎo)致孔壁質(zhì)量嚴(yán)重下降。

（4）主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)鉆削軸向力的影響 圖7及圖8展示了主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量的變化對(duì)鉆削CFRP及鋁合金時(shí)軸向力的影響。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響非常小，不論是鉆削CFRP還是鉆削鋁合金，主軸轉(zhuǎn)速都幾乎沒有引起軸向力的變化。進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響基本上呈線性關(guān)系，在控制過大進(jìn)給量對(duì)分層缺陷形成影響的情況下，可以適當(dāng)增加進(jìn)給以提高效率。

重復(fù)試驗(yàn)表明，刀具磨損對(duì)鋁合金的影響較小，而對(duì)于鉆削CFRP的影響顯而易見。刀具磨損無論是涂層剝落還是前刀面及刃口的磨損，都會(huì)導(dǎo)致刀具切削能力的下降，從而在切削CFRP的過程中，加大切斷碳纖維的困難程度，最終體現(xiàn)為軸向力的增長。

圖7 CFRP層鉆削軸向力

圖8 鋁合金層鉆削軸向力

3.2 加工質(zhì)量分析

（1）表面粗糙度分析 表面粗糙度是評(píng)價(jià)表面加工質(zhì)量最重要、最明顯的指標(biāo)之一，本試驗(yàn)中利用表面粗糙度值定量地衡量加工表面質(zhì)量。對(duì)于CFRP，雖然存在各向異性和碳纖維取向的問題，不能完全依賴表面粗糙度進(jìn)行衡量，但是由于鋪層相同，可采用每個(gè)孔4個(gè)固定角度位置的表面粗糙度測量值取平均數(shù)的方法，通過橫向?qū)Ρ葋碓u(píng)價(jià)加工質(zhì)量的高低。

本試驗(yàn)中表面粗糙度的采集方式有三種，第一種為上層鋁合金的表面粗糙度測量，采樣長度為1.75mm，用以衡量上層鋁合金的加工質(zhì)量。第二種為C F R P層的表面粗糙度測量，采樣長度為5.60mm用以衡量CFRP層的加工質(zhì)量。第三種為上層鋁合金和CFRP層的表面粗糙度連帶測量，采樣長度為5.60mm，采樣起始位置為入口處軸向向下約0.50mm處，用以衡量上兩層連接處的加工質(zhì)量。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響

圖9為主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)表面加工質(zhì)量的影響。對(duì)于鋁合金來說，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的改變對(duì)表面質(zhì)量沒有太大影響，鋁合金的表面粗糙度在各轉(zhuǎn)速下都依然保持了相當(dāng)不錯(cuò)的水平。對(duì)于CFRP來說，進(jìn)給量是最大的影響因素，進(jìn)給量的增加導(dǎo)致在碳纖維的剪切斷裂中，無法形成穩(wěn)定一致的剪切斷口，表面質(zhì)量的下降非常明顯，同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的上升導(dǎo)致鉆削穩(wěn)定性下降，對(duì)表面粗糙度也有一定的影響。

（2）加工缺陷分析 疊層材料常見的層間毛刺在本工件的加工中由于層間的膠連得以避免[11，12]，由于入口側(cè)和出口側(cè)均由加工性較好的鋁合金構(gòu)成，所以入口和出口也并未出現(xiàn)明顯的加工缺陷。加工缺陷主要集中在以下幾個(gè)方面。

1）上層連接處附近的鋁合金和CFRP表面加工質(zhì)量下降：在鉆削過程中，鉆頭的軸向推擠引發(fā)了過進(jìn)給現(xiàn)象，導(dǎo)致上層連接處附近的鋁合金和CFRP加工質(zhì)量都有明顯下降，如圖10a所示。

2）下層連接處和CFRP的分層缺陷：在鉆頭外緣經(jīng)過下層連接處時(shí)，軸向力超過了層間的結(jié)合力和膠連的結(jié)合力，下層支承不足導(dǎo)致下層鋁合金和CFRP出口層被軸向力帶著向下運(yùn)動(dòng)，與已加工的表面分開形成分層及毛刺等缺陷，如圖10b所示。

3）CFRP層的孔壁劃傷：在鉆削下層鋁合金時(shí)，成屑方向垂直于主切削刃的方向，帶狀鋁合金切屑在順著刀柄螺旋槽排除的過程中剮蹭CFRP層孔壁，造成表面質(zhì)量下降，呈現(xiàn)為如圖10c所示的孔壁劃傷。刀具穩(wěn)定性的下降極大地加大了孔壁劃傷的嚴(yán)重程度。

圖10 工件表面缺陷

3.3 參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)及產(chǎn)品驗(yàn)證

（1）參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn) 在了解了鉆削力變化趨勢及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響之后，在主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給量在0.04mm/r附近，設(shè)置了兩組單因素試驗(yàn)，進(jìn)行更加詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)選及推薦。具體的優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù)見表2，其余試驗(yàn)條件未作改動(dòng)。

表2 優(yōu)選鉆削試驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響如圖11所示，同樣進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)以考慮刀具磨損對(duì)鉆削過程的影響。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)軸向力的影響

根據(jù)前面的結(jié)論，軸向力的變化與表面粗糙度有非常強(qiáng)的相關(guān)性，采用軸向力較小的參數(shù)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出較為優(yōu)秀的表面質(zhì)量。過小的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)降低刀具的切削能力，從而導(dǎo)致在CFRP的鉆削中出現(xiàn)軸向力增大，表面質(zhì)量下降的情況，同時(shí)，過小的主軸轉(zhuǎn)速也會(huì)加重刀具磨損，不利于保持刀具的壽命。鉆頭直徑的增大使得主軸轉(zhuǎn)速的升高對(duì)鉆頭穩(wěn)定性的影響更嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量下降。進(jìn)給量對(duì)加工質(zhì)量的影響則呈現(xiàn)為線性規(guī)律，進(jìn)給量過大會(huì)引起零件表面質(zhì)量的急速下降。

參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)表明，在Al/CFRP/Al疊層材料大孔徑制孔的加工中，主軸轉(zhuǎn)速在500～700r/min均能保持較好的加工質(zhì)量；進(jìn)給量在0.04mm/r及以下時(shí)，加工質(zhì)量都相當(dāng)不錯(cuò)，在進(jìn)給量增大到0.06mm/r以上時(shí)，CFRP的表面質(zhì)量有明顯的下降趨勢。

（2）產(chǎn)品驗(yàn)證 工藝技術(shù)試驗(yàn)完成后，相關(guān)工藝方法在空間站產(chǎn)品及衛(wèi)星產(chǎn)品中開展應(yīng)用，其中碳纖維蒙皮蜂窩板、碳纖維框架貼片、復(fù)材承力筒零件等產(chǎn)品使用該工藝方法進(jìn)行產(chǎn)品加工后，制孔質(zhì)量及孔徑精度均能滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，加工效果良好。該工藝方法后續(xù)將廣泛運(yùn)用在復(fù)合材料疊層產(chǎn)品中，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

1）加工缺陷的主要形式為CFRP出口側(cè)的分層缺陷及孔壁劃傷缺陷，這是由于刀具切削能力下降或軸向力過大導(dǎo)致，可以通過采用合適的主軸轉(zhuǎn)速并適當(dāng)降低進(jìn)給量的方式來抑制缺陷的產(chǎn)生。

2）CFRP的結(jié)構(gòu)特性會(huì)導(dǎo)致入鉆穩(wěn)定性的下降，對(duì)工件整體的剛性及裝夾方式提出了更高的要求，需通過制作專用工裝或下墊支承板等方式予以改善。

3）表面粗糙度與軸向力有較強(qiáng)的相關(guān)性，鋁合金表面在各切削參數(shù)下均保持較好的質(zhì)量；隨著進(jìn)給量的增大，CFRP的表面質(zhì)量下降明顯。

4）綜合考慮加工質(zhì)量、刀具磨損和裝夾難度等因素，比較適合該工件疊層制孔的加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速500r/min、進(jìn)給量0.04mm/r。

5）該工藝方法在空間站及衛(wèi)星復(fù)材產(chǎn)品中開展實(shí)際應(yīng)用并進(jìn)行推廣，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，取得了良好的加工效果。