复合材料小孔超声铣磨质量研究

刘逸航 ，滕云达 ，耿大喜 ，2，张德远 ，2

（ 1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，仿生与微纳系统研究所，北京100191；2. 北京航空航天大学，北京生物工程高精尖创新中心，北京100191 ）

碳纤维复合材料 （carbon fibre reinforced plastics，CFRP）兼具高强度-重量比、高刚度-重量比、高断裂韧性和强耐腐蚀性等机械性能，在航空、航天和医疗制造等领域得到广泛应用。 比如，空客A350XWB 飞机 CFRP 用量占机身总重约 50%[1]，波音787 主体结构中CFRP 使用比例已达57%，与同类型飞机相比可节省约20%的燃料[2]。

小直径孔通常指直径小于5 mm 的孔。 小直径CFRP 孔已广泛应用于飞行器紧固孔、 大型医疗设备连接结构等多个领域， 但CFRP 自身存在的高脆性、弱抗冲击力、弱导热能力和弱层间结合强度等缺陷[3]，使其加工难度急剧增大。 当前多采用麻花钻加工小直径CFRP 孔，存在严重的分层、烧伤、圆度误差及孔粗糙度大、出口毛刺、撕裂严重等问题[4-5]。针对上述难题，有学者提出了一种“以磨代钻”的工艺来改善CFRP 小孔加工质量， 即将微小金刚石磨粒以电镀、 钎焊或烧结的方式与空心刀具连接，对CFRP 材料进行磨削加工。 高航等[6]使用电镀金刚石套刀对CFRP 进行套孔， 发现该套孔工艺相比于传统钻孔可降低约30%的轴向力，并使刀具寿命提高3～5 倍。 Butler-Smith 等[7]研制出一种 PCD 空心套料钻， 其顶端有一层锯齿结构， 可用于磨削CFRP 小孔，该套刀相较于普通套刀可较大程度提升刀具寿命并能进一步降低切削力、减小分层。 但是，金刚石套刀在加工过程中存在切削热高、 堵屑等问题，大幅度降低了加工效率和孔的质量[8]。

近年来，螺旋铣孔工艺逐渐兴起，该工艺最早由Tonshoff 提出[9]，在该工艺条件下铣刀沿螺旋线进给，可将其归结为一种“以铣代钻”的工艺。 Kihlman等[10]通过实验证明在轴向受力层面，螺旋铣孔大约是普通钻孔的十分之一。 Sadek 等[11]从能量的角度研究了螺旋铣孔过程，发现螺旋铣孔过程中气流流动可以良好地散热。 此外，螺旋铣孔工艺中直径各不相同的孔可由同一柄刀具制作出来，有效地提高加工效率。 但在加工小直径孔时，刀具尺寸随之减小，刚性变差，加工时的让刀现象较为严重，极易造成圆度超差，使加工精度下降。

本文在螺旋铣孔工艺的基础上提出了一种适用于复合材料小孔加工的超声振动螺旋铣磨复合制孔工艺（以下简称“超声铣磨”），解析了超声铣磨制孔的运动学原理，分析了超声铣磨制孔降低切削力、表面粗糙度和提高加工精度的机理，并使用自主研制的电镀金刚石刀具进行了复合材料超声振动螺旋铣磨孔和普通磨孔对比实验，观察了加工过程中的切削力变化，还在实验结束后测量了孔径和表面粗糙度并比较两种工艺。

1 超声铣磨加工机理

超声铣磨是基于普通螺旋磨孔在刀具顶端附加微米级的超声振动，此时刀具的运动轨迹由刀具沿着自身轴线旋转、沿螺旋线方向进给和沿轴线方向的超声振动复合而成（图1）。 刀具运动过程中任一磨粒的运动方程为：

式中：R 为刀具半径；A 为刀具轴线与孔中心线的偏心距；Fn为刀具自转频率；Fz为刀具沿孔中心线公转频率；vf为刀具进给速度的轴向分量；a 为超声振动振幅；f 为超声振动频率。

使用Matlab 软件对式（1）进行仿真，磨粒的运动轨迹为图2 所示的近似正弦轨迹。 从图2 可看出，磨粒在前进方向沿圆弧运动的基础上，还存在沿刀具轴线方向的纵向往复运动。

2 超声铣磨工艺实验材料及设备

实验工件材料是尺寸为150 mm×45 mm×5 mm的环氧树脂基碳纤维复合材料，实验所用刀具为自主设计的电镀金刚石刀具。 如图3 所示，刀具基体材料为45 钢，下端设有螺纹柄，用于和超声纵振换能器固连；上端切削刃部分电镀了一层粒度为100、厚度为0.05 mm 的金刚石磨粒。

实验平台见图4。 实验机床为BV100 立式加工中心， 超声振动电源和超声振动装置均为自主研发，供电方式为导电滑环供电，超声振动装置通过BT50 刀柄夹持在加工中心上， 实验中的切削力由Kistler9272 测力仪测量。

本次实验为对比实验， 分别对CFRP 进行超声铣磨孔和普通铣磨孔实验。 实验设定：冷却条件为无冷却干切；加工孔直径为3 mm、深度为5 mm、进给速度为60 mm/min； 超声电源输出频率为25.5 kHz、振幅11 μm。 实验中设定的改变参数为主轴转速和轴向螺距，当改变主轴转速时，轴向螺距设定为0.2 mm/r； 当改变轴向螺距时， 主轴转速设定为3000 r/min，具体工艺参数见表1。

表1 实验工艺参数

3 实验结果分析

3.1 超声铣磨切削力试验研究

实验经测力仪测量得到的切削力随着主轴转速变化的规律见图5。可见，两种工艺的轴向力与切向力均会随着主轴转速的提高而降低，且主轴转速对普通铣磨切削力的影响更为显著。 在不同主轴转速下，超声铣磨的轴向力和切向力相比于普通铣磨均有明显降低， 其中轴向力降幅范围为53.8%～71.5%，切向力降幅范围为25.5%～47%。

切削力随着轴向螺距的变化曲线见图6。可见，轴向螺距对超声铣磨和普通铣磨的影响趋势一致，当轴向螺距增加时，两种工艺的切削力均会随之提高， 其中轴向力随着轴向螺距提高的幅度较大，且两种工艺的提升幅度较为接近。 此外，在不同的轴向螺距下，超声铣磨的切削力相比于普通铣磨均有明显下降，轴向力下降范围为48.4%～69.9%，切向力下降范围为47.0%～61.5%。

造成上述现象的原因可大致分析如下：刀具的端面和侧面前端均电镀有金刚石磨粒，端面的磨粒多参与底面材料去除，主要受轴向力影响；侧面的磨粒多参与侧面材料去除，主要受切向力影响。 当主轴转速提高时，由于进给速度恒定，刀具自转一圈去除材料的厚度和宽度均变小，轴向力和切向力降低；当轴向螺距增大时，刀具去除材料的厚度增大，造成轴向力和切向力提高。

超声铣磨过程中磨粒的切削形式为高频断续切削，与普通铣磨相比，其占空比降低、平均切削力下降。 此外，超声铣磨引入的轴向超声振动会对复合材料纤维产生冲击，造成纤维断裂，同样起到了降低切削力的效果。

3.2 超声铣磨孔径精度实验研究

本次实验使用基恩士超景深显微镜分别测量孔的入口处和出口处直径，测量结果见图7。 由图7可见，随着主轴转速的提高，孔径更加接近于设计的孔径（3 mm），轴向螺距提高时的情况则反之。 超声铣磨的孔径精度要高于普通铣磨的孔径精度，出口处的孔径精度大于入口处的，但入口处孔径精度的提升幅度大于出口处的。

影响孔径精度的主要因素是加工过程中切向力引起的让刀现象，即切向力越大，让刀现象越严重，孔径精度就越低。 轴向超声振动会降低切向力，进而提高孔径精度，因此孔径精度随着上述工艺参数发的变化趋势与切向力一致。 磨削进行到孔出口处时，部分位置已被穿透，使出口处的切向力小于入口处的， 故出口处的孔径精度大于入口处的，超声振动对出口处孔径精度的提升作用也不如入口处的明显。

3.3 超声铣磨孔表面粗糙度实验研究

本次实验使用MarSurf M 300C 粗糙度测量仪测量孔的表面粗糙度，测量结果见图8。 可见，普通铣磨的孔壁表面粗糙度为Ra4.91～6.36 μm，超声铣磨的孔壁表面粗糙度为Ra2.29～3.12 μm，表面粗糙度值提高一个等级。 此外，在主轴转速或轴向螺距变化时，表面粗糙度值均基本恒定。

由于超声铣磨引入了轴向超声振动，磨粒存在纵向的高频往复运动，每个磨粒在单次切削过程中运动的路程增加，实际切削面积增大，可将普通磨削过程中由磨粒高低不平产生的棱脊切除，从而降低加工孔的表面粗糙度。 原理见图9。

4 结论

（1）超声铣磨能大幅降低切削力。 切削力测量结果表明：轴向力与切向力均随着主轴转速的升高而降低、随着轴向螺距的升高而升高。 超声铣磨相比于普通铣磨能大幅降低切削力，相同参数条件下的轴向力降幅范围为48.4%～71.5%、切向力降幅范围为25.5%～61.5%。

（2）超声铣磨能提高孔径精度。 入口处与出口处的孔径精度均随着主轴转速的升高而升高、随着轴向螺距的升高而降低。 实验验证并分析了孔径精度随着工艺参数变化与切向力变化的关联。

（3）超声铣磨能降低孔表面粗糙度值，相比于普通铣磨可将表面粗糙度提升一级；当主轴转速和轴向螺距改变时，表面粗糙度值均无明显变化。