陆泰屹，王贤锋，王守文，明伟伟，安庆龙
1上海飞机制造有限公司；
2上海交通大学
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以环氧树脂材料为基体、碳纤维材料作为增强相的复合材料，具有低密度、高比强度、耐疲劳和可设计性等特点[1，2]，在航空航天领域的应用越来越广泛，例如波音B787客机的复合材料用量占50%，空客A350 XWB宽体客机的复合材料用量达52%[3]。钛合金具有质量轻、比强度大和耐腐蚀等特点，与CFRP组成的叠层材料电化学性质稳定，不易发生电腐蚀[4]。两种材料结构强度和刚度匹配性好，因此常在飞行器上配合组成叠层[5]。
对两种材料组成的叠层进行制孔加工是一项难题。两种材料均为难加工材料，且加工性能迥然相异，使用一种加工参数难以形成理想的加工结果，会导致刀具严重磨损。许多学者和技术人员对钛合金/CFRP叠层制孔进行了研究。于晓江等[6]从钻入侧的选择、钻削参数和制孔问题的解决措施等方面对CFRP/钛合金叠层结构进行了钻削试验，研究表明，钻削时从钛合金钻入可以提高孔径尺寸精度，采用传统方法钻削CFRP/钛合金叠层结构时，若想获得高精度孔，必须进行两次以上精铰孔。陆翠[7]针对CFRP和钛合金组成的叠层结构，对CFRP和钛合金单板进行钻削试验，研究了切削参数对制孔质量的影响，在单板研究的基础上，从叠层顺序和变参数位置等方面探索了CFRP/钛合金叠层结构变工艺参数加工工艺。Sadek A.等[8]采用低频率大振幅的振动钻削工艺加工复合材料，结果表明，优化加工参数后的振动钻削工艺能够减少50%的切削热，降低40%的轴向力，并实现无分层钻削。Wang X.等[9]使用超硬陶瓷涂层和无涂层硬质合金刀具分别对CFRP单板、钛合金单板以及CFRP/钛合金叠层结构进行刀具磨损试验，研究结果表明：CFRP单板中，钻削刀具的主要磨损形式为切削刃钝化，钛合金单板钻削中，刀具的主要磨损形式为崩刃和后刀面磨损；
CFRP/钛合金叠层结构钻削的刀具寿命大约是钛合金单板钻削刀具寿命的三倍，这主要是由于当刀具钻削CFRP时，CFRP中的碳纤维像刷子般去除了刀具上的钛合金积屑瘤，使切削刃变光滑，减小了崩刃概率。
对现有文献进行总结可认为，钛合金/CFRP的制孔加工参数应采用变参数加工工艺，即钻至钛合金叠层时使用适合钛合金的低转速加工参数，加工到复合材料叠层后，加工参数改变为适合复合材料的高转速、低进给参数。此外，为提升钛合金叠层的断屑能力，改善刀具散热情况，在加工钛合金叠层时加入低频振动参数，实现对钛合金/CFRP叠层材料的加工。
2.1 材料和刀具
钛合金/CFRP叠层材料中，CFRP材料为T800/X850单向带碳纤维增强复合材料层合板，厚度为10mm，尺寸为300mm×200mm；
钛合金为Ti6Al4V板，厚度为10mm，尺寸为300mm×200mm；
叠层总厚度为20mm。刀具采用硬质合金超细晶粒钛合金/CFRP叠层麻花钻，直径为9.4mm。
2.2 试验设备及检测设备
试验机床采用三轴立式数控加工中心，主轴最高转速为12000r/min，定位精度为0.01mm，行程范围为X方向1067mm，Y方向610mm，Z方向610mm。试验将钛合金/CFRP叠层材料通过夹具固定在测力仪上，在线采集制孔过程中的轴向力和扭矩信号(见图1)。
图1 试验材料及检测设备
采用四向压电式测力仪，轴向力信号通过多通道电荷放大器以及相应的数据采集系统记录并转换为轴向力数据。通过超景深光学显微镜检测刀具磨损(见图2)。
图2 超景深光学显微镜及刀具磨损检测
2.3 试验设计和试验参数
钛合金/CFRP叠层材料制孔试验对CFRP材料和钛合金采用不同制孔参数，钛合金层采用啄钻制孔，钛合金层完全钻穿后(阶梯完全钻出)，再改用CFRP材料制孔参数，一次钻削完成CFRP制孔。
(1)钛合金啄钻参数
在钛合金/CFRP叠层材料制孔过程中，由于生产现场采用干式切削且钛合金导热性能差，一次钻削极易造成钛合金加工过程中温度过高，在钛合金和CFRP材料接触界面造成复材烧伤。另外，在干式切削条件下，由于钛合金韧性良好，一次钻削极易产生连续螺旋状切屑，切屑在大应变和高应变率条件下产生硬化，容易发生排屑堵塞，对钛合金孔壁造成划伤，同时也容易堵塞吸尘罩。因此，钛合金制孔时采用啄钻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热量。通过对钻削刀具切削刃切点轨迹的控制，实现切屑形态和尺寸的主动控制。在啄钻工艺中，刀具沿轴向往复运动，间歇式进给并与工件材料接触，通过层深控制刀具与工件材料的接触时间，从而有效控制切屑长度。因此，啄钻加工工艺实现了切削刃轨迹在时间上的有序分布。通过数控系统G73指令实现啄钻，在该指令下，刀具轴向运动路径见图3。
(a)啄钻
虽然啄钻加工方式能够较好地保证钛合金钻削过程中的加工质量，但会极大影响加工效率。因此，优化啄钻加工进刀量是钛合金/CFRP叠层材料制孔重要参数。啄钻试验参数见表1。
表1 钛合金/CFRP叠层材料制孔钛合金啄钻试验参数
(2)钛合金/CFRP叠层材料制孔参数
针对钛合金和CFRP分别制定如表2所示的试验参数。
表2 钛合金/CFRP叠层材料制孔试验参数
通过试验研究不同加工参数下制孔刀具磨损状态及失效形式，确定适用于该孔径下的钛合金/CFRP叠层材料制孔工艺参数。
3.1 啄钻参数优化试验
按表1所示参数对钛合金/CFRP材料进行切削试验，测量不同啄钻进刀量下钛合金/CFRP叠层材料制孔试验的最大轴向力和平均轴向力，结果见表3。
表3 不同啄钻进刀量下制孔轴向力 (N)
图4为不同啄钻进刀量下钛合金/CFRP叠层材料制孔平均轴向力和最大轴向力，均变化不大。可见，啄钻进刀量对于制孔轴向力影响不大。
如图5所示，试验1、试验2和试验3均以较短C形屑为主，试验4既有较短C形屑，也有连续螺旋状切屑，试验5以连续螺旋状切屑为主。由试验1、试验2和试验3的切屑形态可看出，啄钻断屑效果明显，可有效降低缠屑和热量堆积对加工产生的不良影响；
另一方面，啄钻会降低加工效率。综合考虑加工效率和切屑控制，试验3的啄钻进刀量0.4mm为优化的啄钻进刀量。
(a)平均轴向力
(a)试验1(进刀量0.2mm)
3.2 制孔参数优化试验
按表2的参数进行试验，进刀量为前文确定的优化进刀量0.4mm，每组试验用新刀制30个孔，试验结果见图6。以试验6～试验8为一组、试验9～试验11为一组进行比较，发现随着每转进给量的增大，钛合金和CFRP制孔的平均轴向力均有所增加，但是钛合金增幅更加明显，平均值增幅30～80N，最大值增幅50～100N，CFRP材料增幅较小，平均值增幅5～40N，最大值增幅7～35N。
图7为不同参数试验后刀面和横刃磨损形貌。可以看出，完成30个孔钻削后，试验6的刀具仅在横刃和阶梯外缘转点处有轻微磨损；
试验7和试验8中，刀具在横刃和阶梯外缘转点处的磨损比试验6更加严重，刀具主切削刃磨损较大；
在试验9～试验11中，CFRP材料孔入口边缘出现烧伤，钛合金表面温度较高。此外，在主轴转速800r/min条件下对钛合金进行钻削时，由于钻削温度过高且钛合金导热性能差，钻削时产生的热量聚积在钛合金与复合材料的接触界面，造成CFRP材料孔入口边缘烧伤(见图8)。
(a)平均轴向力
图8 CFRP材料孔入口边缘烧伤
在采用试验9～试验11的加工参数制孔时，刀具除了横刃和阶梯外缘转点处的磨损，主切削刃有明显烧伤。此外，还发现刀具排屑槽和侧刃也有明显温度过高而烧伤的痕迹(见图9)。排屑槽和侧刃烧伤主要是由于钻削CFRP材料时，侧刃在5000r/min高转速下剐蹭钛合金孔侧壁产生，但在3000r/min转速下，未发现刀具侧刃烧伤。因此，在钛合金/CFRP叠层材料制孔时，从刀具磨损和烧伤的角度，宜采用试验6～试验7的切削参数，其中以试验6参数最优，即CFRP转速3000r/min、进给量0.012mm/r，钛合金转速400r/min、进给量0.100mm/r，啄钻进刀量0.4mm。
图9 刀具排屑槽和侧刃烧伤
如图10a所示，在制孔数1～25孔、不同进给量条件下，进给量对CFRP孔壁表面粗糙度的影响较小，当CFRP制孔进给量为0.012mm/r(试验6)时，表面粗糙度略好；
随着制孔数增加刀具磨损扩大，特别是刀具外缘转点处的磨损，使得双刃带修光作用减弱，进给量变大造成CFRP孔壁表面粗糙度变大。以钛合金各向同性的材料属性，进给量的增加会引起孔壁表面粗糙度变大，但由图10b可以看出，孔壁表面粗糙度增幅不大，这主要是因为刀具阶梯结构设计和双刃带修光作用减弱了进给量变化对钛合金孔壁表面粗糙度的影响。综合刀具寿命、制孔质量因素，选用CFRP制孔进给量0.012mm/r，钛合金制孔进给量0.100mm/r作为优化制孔进给量。
(a)不同进给量对复合材料孔壁表面粗糙度的影响
(1)对钛合金啄钻参数进行优化，随着啄钻参数增加，钛合金和CFRP层的轴向力无显著变化，钛合金断屑能力逐渐变差，对啄钻断屑能力和加工效率进行综合考虑，啄钻进刀量0.04mm最优。
(2)在不同参数条件下对钛合金/CFRP叠层材料进行制孔试验，随着进给量的增加，钛合金和CFRP层的轴向力均有所增加，钛合金层的轴向力增幅大于CFRP层，而转速对轴向力影响不大。
(3)尽管采用优化的啄钻参数，高转速仍会产生过热现象。在主轴转速800r/min条件下加工钛合金会因为钛合金切削阻力和较差的导热性产生大量切削热，导致CFRP入口处烧伤。而在5000r/min转速下对CFRP进行制孔时，刀具后部的侧刃会高速剐蹭钛合金层，造成侧刃烧伤。
(4)不同进给量对刀具轴向力和制孔粗糙度均有影响。随着进给量增加，钻削钛合金时的轴向力增幅更加明显，平均值增幅30～80N，最大值增幅50～100N，钻削CFRP时增幅较小，平均值增幅5～40N，最大值增幅7～35N；
同时，随着进给量提升，CFRP和钛合金制孔的表面粗糙度变差。在CFRP制孔进给量为0.012mm/r、钛合金制孔进给量为0.100mm/r时制孔效果最佳。