董慧民, 王 赫, 孟繁星, 耿大喜, 李跃腾, 钱黄海*, 苏正涛
（1.中国航发北京航空材料研究院 减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京 100095；
2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）
航空工业的飞速发展带来的是航空装备材料与制造技术的快速进步，而航空装备制造的复杂性与极端化使得其成为衡量整个高端制造业水平的一个标准。航空装备相比一般机械装备要求更高的可靠性、更高的耐久性。以T800 为代表的高强度模型碳纤维复合材料（T800 carbon fiber reinforced plastic，CFRP）因其比强度大、比刚度大、疲劳性能优异等特点而成为新一代复合材料的主选增强材料[1-7]。与传统金属零件相比，碳纤维复合材料在飞机制造过程中需要大量的制孔及切边加工。制孔通常是装配前的最后一个环节，该过程出现零件缺陷将造成极大的损失，并影响装配效率。
碳纤维材料各向异性、脆性大、层间强度低，在钻削过程中都极易产生分层撕裂、纤维损失等缺陷，加工质量难以保证[8-12]，复合材料制孔的技术难题引起了国内外学者的广泛关注。Wang 等[13]使用三尖钻和多面钻在普通钻削（conventional drilling, CD）中对T700CFRP 材料进行了加工特性对比实验分析。结果表明：在较低的主轴转速下,多面钻获得的孔质量要明显优于三尖钻。Wang 等[14]对不同刃形、锋角以及有无金刚石涂层的麻花钻进行了研究，结果表明，无论是无涂层钻头还是金刚石涂层钻头，刀具形状始终是影响钻孔轴向力和加工质量的决定性因素。Xu 等[15]进行了不同参数下匕首钻和三尖钻对传统CFRP 材料的制孔实验，结果表明：进给速度是影响孔表面质量的主要因素，匕首钻更适合对传统CFRP 材料制孔。Qiu 等[16]研究表明，三尖钻的尖端可以有效抑制传统CFRP 材料入口层的缺陷，但对出口侧的分层现象抑制效果较差。
Li 等[17]采用金刚石涂层的硬质合金麻花钻进行变进给量的制孔实验研究，结果表明，在制孔的最后2 mm 降低进给速度可以在对加工效率产生较小影响的情况下降低孔的出口损伤。陈五一等[18]对T300 复合材料制孔的孔出口缺陷进行了实验研究。结果表明：撕裂和毛边是CFRP 孔出口的主要损伤形式，产生的主要原因是橫刃的连续挤压与滚卷作用；
此外，撕裂缺陷的程度与进给速度成正相关，而与钻头转速成负相关，将切削速度与进给速度比值控制在3000～4000 以下,可以有效地减小撕裂值。
在现有的研究中，国内外学者对碳纤维复合材料制孔过程中的切削参数、刀具角度进行了优化，取得了一定的效果，但提升效果有限。近年来国内外学者开始利用超声振动技术辅助钻孔（ultrasonic vibration assisted drilling, UVAD），在钛合金、碳纤维复合材料、高温合金等难加工材料方面都取得了较好的效果[19-27]。Makhdum 等[21]利用硬质合金麻花钻进行了超声振动辅助制孔CFRP 的相关工艺实验，结果表明：超声振动辅助钻削技术可以有效降低切削过程中的切削力和扭矩，并提升孔表面质量，降低分层等缺陷。Halim 等[22]采用麻花钻对CFRP 进行超声制孔，发现超声振动钻削的孔表面形貌、表面粗糙度明显优于普通钻削方式。Huang 等[23]采用麻花钻进行超声加工和普通加工对比实验研究，结果表明，超声振动辅助制孔可以在获得更优表面质量的情况下提升刀具寿命，并对可延长刀具寿命的切削参数进行了推荐。Wu 等[25]应用套料钻研究了传统钻孔和超声辅助钻孔过程中加工条件对CFRP 孔壁分层、撕裂的影响，发现在低进给、高转速的条件下采用超声振动辅助制孔可以明显提升孔壁质量。余婷[26]研究了加工参数对超声振动钻削CFRP 的影响规律，发现主轴转速是影响切削力、扭矩和表面粗糙度的关键参数。由以上分析可知，超声振动钻削CFRP 材料基本都是辅助传统麻花钻、套料钻进行制孔，已经取得了一定的工艺效果，但是先进刀具结构与超声振动切削方法的复合加工模式鲜见报道。
综上所述，为提高传统复合材料的加工质量，国内外学者通过优选加工参数、改良刀具角度、研究切屑形成等在制孔领域进行了大量的研究，为复合材料的制孔提供了一定的参考意义，但是对于国产T800 碳纤维复合材料的制孔加工特性研究目前尚待系统开展，因此，选择合适的刀具结构对国产T800 复合材料的高质量加工是很有必要。本工作选用硬质合金麻花钻、三尖钻和匕首钻对国产高性能T800 复合材料进行制孔对比实验研究。在优选的刀具结构基础上，探索超声振动辅助先进刀具结构的制孔方法在进一步提升加工质量方面的可行性。
1.1 实验材料
采用国产特种T800 复合材料板材，板材厚度为3.24 mm。T800 复合材料板的铺层顺序为[45º/0º/0º/0º/0º/45º/0º/0º/0º/0º/45º]s，其中45º为T800系织物，层数共21 层。复合材料板的基本力学性能如表1 所示。
表1 T800 CFRP 板力学性能Table 1 Mechanical properties of T800 CFRP panel
1.2 实验刀具
选用硬质合金麻花钻、硬质合金三尖钻及硬质合金匕首钻对T800 复合材料进行制孔实验研究，刀具直径为ϕ6 mm，三种刀具均无涂层，制孔刀具图及实物图如表2 所示。
表2 刀具结构图Table 2 Cutting tool structure picture
1.3 实验平台搭建和条件
图1 为自行搭建的包含BV100 立式超声加工中心、KISTLER 测力仪的实验平台。超声加工中心中包含自行研制的超声专用刀柄、非接触式供电系统、超声电源等。超声电源把常规220 V、50 Hz电压转换为超声频正弦波电振荡，通过非接触式超声感应供电作用于超声换能器，超声换能器在压电陶瓷的压电效应下将电能转换为刀具末端一定振幅的超声振动。通过在刀具上附加超声振动，使普通加工的连续切削过程变为间断、瞬间、往复的微观分离切削过程，进而切削区被周期性打开，显著降低切削力，从而提高加工质量。为了减小更换机床刀柄对加工过程的影响，通过超声电源的闭合实现普通钻削和超声振动钻削模式的切换。利用KISTLER 9272 测力仪对钻削过程钻削力测量，由数据采集系统（KISTER 5679）对数据采集，经电荷放大器（KISTLER 5070）对采集的数据放大后，将数据传输到计算机中对数据进行处理。采用粗糙度仪（Talysurf 50, Taylor Hobson, England）对孔表面的粗糙度进行测量，采用RH2000 超景深显微镜观察孔出入口缺陷，此外，采用Aberlink 三坐标测量系统测量孔的孔径偏差。
图1 制孔实验平台Fig. 1 Drilling experimental platform
分别以切削速度、进给量为变量进行制孔实验，T800 复合材料制孔实验具体参数如表3 所示。制孔直径为6 mm，孔深为碳纤维板材厚度3.24 mm，1～6 组实验为普通加工中刀具对比实验，第7 组实验为应用匕首钻在超声振动加工和普通加工形式下（第6 组）的对比实验。超声振动频率为19250 Hz，振幅为10 μm。为避免实验结果的偶然性，每组参数进行三次实验，取三次实验结果的平均值作为最终测试结果。此外，实验过程采用干切削，采用大功率吸尘器吸收加工过程中产生的碳纤维粉末。
表3 T800 复合材料制孔参数Table 3 Drilling experimental conditions of T800 CFRP
2.1 T800 复合材料钻削实验分析
2.1.1 钻削力
对切削过程平均轴向切削力进行统计，并对数据作图分析，如图2 所示。结果显示三种钻头的轴向力都随着主轴转速的增加而略有增加，与主轴转速相比，进给速度对轴向切削力影响更为显著，当进给量由0.015 mm/r 增加到0.020 mm/r 时，切削力显著增加，这主要是因为单位时间内材料去除量快速增加，因此，在对T800 复合材料加工过程中应选择较低的进给量。在刀具刃形方面，匕首钻前端是一种锥形渐变结构，钻孔直径由小变大，具有阶梯钻削的优点，因此，匕首钻的加工过程中产生的轴向切削力要明显低于其他两种钻头。对于麻花钻和三尖钻，轴向力约为70～90 N，三尖钻的轴向切削力略低于麻花钻，这是因为三尖钻与麻花钻相比横刃更小，缓解了横刃负前角切削现象，从而三尖钻在加工过程中产生较小的轴向切削力。从降低轴向切削力的角度来看，匕首钻相比较其他三种刀具更有优势。
图2 轴向切削力随主轴转速变化关系图 （a）f=0.015 mm/r；
（b）f=0.02 mm/rFig. 2 Variations of axial cutting forces with spindle speeds （a）f=0.015 mm/r；
（b）f=0.02 mm/r
2.1.2 T800 孔径偏差及出入口形貌
孔径误差表示测量直径和目标直径（ϕ6 mm）之间的相对误差，在距加工孔入口和出口1 mm处，测量8 个点的坐标计算孔径误差，测量结果如图3 所示，可以观察到，孔入口处的孔径误差大于孔出口处的孔径误差，这是因为随着制孔深度的增加，已加工表面对刀具起到支撑作用，刀具偏转减弱。此外，可以看出，相比于其他两种钻头，三尖钻进出口的孔径偏差最小，小于10 μm；
匕首钻出口孔径偏差最好，但入口孔径偏差较大，这是因为在入口阶段，匕首钻由于刀尖的特殊形状，定心能力较差。因此可以得出结论，在保证孔径偏差方面，应选择三尖钻对T800 复材进行制孔。
图3 孔径偏差随进给量和主轴转速的变化关系 （a）入口区；
（b）出口区；
（1）f=0.015 mm/r；
（2）f=0.02 mm/rFig. 3 Variations of hole diameter errors with spindle speeds and axial feed rates （a）hole entry；
（b）hole exit；
（1） f=0.015 mm/r；
（2）f=0.02 mm/r
麻花钻、三尖钻和匕首钻加工T800 CFRP 复合材料的孔出入口形貌如图4 所示。随着每齿进给量从0.015 mm/r 到0.02 mm/r 的变化，使用三种刀具加工孔入口形貌均变差，并存在一些划痕。在进给量为0.015 mm/r 时，使用三尖钻加工表面质量较好，无明显损伤，匕首钻和麻花钻的孔入口处存在一些残留纤维。
图4 T800 复合材料孔入口形貌图 （a）硬质合金麻花钻；
（b）硬质合金三尖钻；
（c）硬质合金匕首钻；
（1）f =0.015 mm/r；
（2）f =0.02 mm/rFig. 4 T800 CFRP hole entry morphologies （a）carbide twist drill；
（b）carbide candle stick drill；
（c）carbide dagger drill；
（1）f =0.015 mm/r；
（2）f =0.02 mm/r
图5 分别是麻花钻、三尖钻和匕首钻加工T800 CFRP 复合材料的孔出口表面形貌。对于麻花钻和匕首钻，除一些碎屑和残余材料外，没有明显缺陷，匕首钻略优于麻花钻。分层撕裂缺陷较少是因为匕首钻属于渐进切削，最外层预浸料承受的切削力小且较稳定，由此产生的分层缺陷较少。对于三尖钻，在两种进给量下，三尖钻的进出口形貌中，进口形貌较优，相比其他两种钻头产生的毛刺较少，这是因为三尖钻存在周向钻尖，周向钻尖直接对孔的边缘区复合材料进行切削，抑制了孔边缘毛刺的产生。三尖钻钻削孔出口形貌出现明显分层/撕裂，原因可能是三尖钻两侧刀尖同时钻出工件表面，造成钻头切断纤维的能力变差。由此得出结论，从孔出入口形貌来看，使用匕首钻对T800 复合材料加工可以得到最优效果。
图5 T800 复合材料孔出口形貌图 （a）硬质合金麻花钻；
（b）硬质合金三尖钻；
（c）硬质合金匕首钻；
（1）f =0.015 mm/r；
（2）f =0.02 mm/rFig. 5 T800 CFRP hole exit morphologies （a）carbide twist drill；
（b）carbide candle stick drill；
（c）carbide dagger drill；
（1）f =0.015 mm/r；
（2）f =0.02 mm/r
2.1.3 表面粗糙度
表面粗糙度是衡量表面质量的重要指标，采用Talysurf 50 表面轮廓仪测量已钻孔表面的表面粗糙度Ra, 沿进给方向每个孔间隔90°测量5 次并取其平均值，采样长度为2.4 mm。测量结果如图6 所示。在所选的切削参数范围内，进给速度对Ra值影响较大，进给量增大，三种刀具加工下零件的表面粗糙度值均升高。对于三尖钻，可以看出，Ra值均低于0.8 μm。对于麻花钻和匕首钻，Ra值约为0.3～1.1 μm，远高于相同切削条件下的三尖钻Ra值，这主要得益于三尖钻周向钻尖提升了切削刃的纤维切断能力。因此，从孔壁表面质量的角度来看，三尖钻是较好的选择。
图6 孔表面粗糙度随主轴转速变化关系 （a）f= 0.015 mm/r；
（b）f= 0.02 mm/rFig. 6 Variations of surface roughness with spindle speeds （a）f = 0.015 mm/r；
（b）f = 0.02 mm/r
通过以上分析，得出结论，应用不同的刀具在不同的加工方式下对孔加工、孔表面的损伤形式不同。孔的不同评价指标下推荐加工刀具及参数如表4 所示。
表4 加工参数及刀具推荐表Table 4 Machining parameters and tool recommendation table
2.2 T800 复合材料超声振动钻削实验分析
以上刃型对比实验表明，从复合材料损伤的角度考虑，匕首钻加工损伤最小，但是加工精度，特别是入口孔径精度较差。因此，选取匕首钻进行超声制孔钻削实验，超声振动频率为19250 Hz，振幅为10 μm。加工参数均为切削速度5000 r/min, 轴向进给量为0.02 mm/r。
2.2.1 切削力对比
对实验过程中钻削CFRP 的轴向力进行了测量，选取典型参数的切削力测量结果如图7 所示，切削力的变化可分为三个阶段：（1）入钻阶段，该阶段刀具开始与CFRP 接触，切削力逐渐上升；
（2）CFRP 稳定钻削阶段，该阶段钻头完全进入CFRP，切削力存在一定程度的下降，产生了稳定的CFRP钻削力；
（3）钻出阶段，匕首钻钻尖首先钻穿工件，切削力急剧下降并逐渐下降至0。
图7 切削力对比图Fig. 7 Comparison of cutting forces
在相同参数下，普通钻削最大轴向切削力为62.7 N，而超声钻削的最大轴向切削力为45.4 N，切削力下降了约27.6%，超声制孔的轴向力小于普通制孔中的轴向力，超声制孔减小切削力的原因主要是以下几个方面：首先，如图8 所示，在超声辅助钻削过程中，实现了沿轴向方向的间歇切削加工模式，单个振动周期内超声制孔的平均切削力显著小于普通制孔中的切削力。其次，相比于普通钻孔形成的连续切屑，超声振动辅助钻孔形成的切屑更小，这也为制孔过程提供了更好的切屑排出环境，避免了切屑堵塞和加工表面摩擦形成的摩擦力。此外，间歇切削模式提供了一个合适的刀-工接触环境，在刀具-工件界面之间形成空气膜，在一定程度上减少了摩擦力。最后，在超声振动钻削过程时，附加的超声振动可以使刀具获得更高的切削速度和加速度，可以实现切削刃的冲击切削，促进切削过程中的纤维断裂，减小了纤维断裂所需的能量，进而降低了切削力。
2.2.2 T800 孔径偏差及出入口形貌
图9 为超声振动加工和普通加工孔径偏差对比图，超声制孔入口孔径偏差为6 μm，出口孔径偏差为3 μm，相比普通加工入口孔径偏差为30 μm，出口孔径偏差为−1 μm，超声振动辅助匕首钻进一步提升了制孔精度。首先，这是由于超声振动产生的脉冲式切削力可以提高入钻时钻尖的稳定性，对孔径误差表现出良好的纠偏效果；
此外，入钻最大切削力降低幅度达到27.5%，促使累积的刀具径向偏转量减少，可以有效避免刀具的大角度偏移。最后，超声振动钻削能够降低切削力和切削温度，这减小了已加工表面的变形，从而提高了孔的精度。因此，在超声辅助加工下，获得了较小的孔径误差。由以上分析可知，超声振动辅助匕首钻制孔可以有效降低孔径偏差，提高孔径精度。
图9 孔径偏差对比图Fig. 9 Comparison of hole diameter errors
图10 和图11 为普通加工和超声振动加工出入口形貌及其局部放大对比图。在CFRP 入口层，普通制孔复合材料入口处存在明显的未切断纤维材料，超声制孔表面存在较小的毛刺，超声振动钻削下CFRP 的孔入口处的表面形貌明显优于普通钻削。这是因为超声振动产生的冲击切削效应可以使纤维结构发生局部快速断裂。此外，普通制孔入口表面产生了较为严重的烧伤，而超声制孔入口表面烧伤较少，这是因为超声振动钻削能够降低切削力和切削温度，从而降低了入口损伤。在孔的出口处，超声振动钻孔的孔边缘表面光滑，普通钻孔边缘存在毛刺。由以上分析得出结论，应用超声振动辅助匕首钻加工可以进一步提升孔表面的形貌。
图10 制孔入口形貌图 （a）UVAD；
（b）CDFig. 10 Hole entry morphologies （a）UVAD；
（b）CD
图11 制孔出口形貌图 （a）UVAD；
（b）CDFig. 11 Hole exit morphologies （a）UVAD；
（b）CD
2.2.3 表面粗糙度
超声钻孔平均表面粗糙度Ra为0.903 μm，普通钻孔平均表面粗糙度Ra为0.962 μm，在相同条件下，在超声振动钻孔中获得了更平滑的孔表面，超声振动有利于获得更好的表面质量。首先，超声振动钻削的超声频冲击运动能够增强钻头切削刃的切削能力，并促使碳纤维产生局部断裂，从而提高了孔的表面质量。其次，切削刀具与工件的完全分离、断续切削也降低了钻削轴向力、钻削温度，从而减小了钻削过程中力热耦合作用对孔表面质量的影响。此外，高频纵向振动使切削刃对孔表面进行修整，使加工孔表面更加光滑。在超声钻削中通过刀具运动获得修整效果，有利于去除未切削的纤维并减少表面不均匀性，进而降低了孔表面粗糙度（如图12 所示）。因此，超声振动辅助匕首钻制孔可以获得更低的孔表面粗糙度。
图12 超声加工切削刃光整作用Fig. 12 Finishing effect of cutting edge in UVAD
（1）三尖钻的轴向钻削力和麻花钻相当，均比匕首钻高，但是三尖钻的周向钻尖提升了对纤维的切断能力，使得三尖钻在制孔过程中可以产生较小的孔表缺陷，从而获得更低的孔表面粗糙度值。
（2）匕首钻因切削刃轴向呈渐变结构，具有阶梯钻削的优点，从而产生较低的轴向切削力，在加工T800 复合材料时可以获得更好的孔出口质量，但因无横刃定心导致入口孔径精度较差。
（3）超声振动辅助匕首钻制孔可以显著提升入钻稳定性和定心能力，改善了匕首钻定心能力差的问题，使得超声振动辅助制孔的孔径偏差明显优于普通制孔。此外，高频的超声纵向振动对孔壁表面进行修磨，使得超声振动辅助匕首钻制孔获得更优的孔表面质量。
（4）使用超声振动辅助匕首钻的方式对T800复合材料制孔，可以在获得更高精度和更优表面质量的同时提升制孔效率。
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