Al/CFRP叠层结构低频振动辅助钻削工艺研究*

王帅飞，王福吉，栗盛开，王小鞑，贾振元

(大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引 言

碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料因具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀等优异特性，已广泛地应用在许多工业领域中[1，2]。但是为了保证结构件能够承受大的复杂交变载荷，仍需要在连接和支撑部位使用金属零件，这样结构件中就形成了大量的复材金属叠层结构。例如在B787、A350XWB等飞机中复合材料用量高达50%，其中蒙皮使用复合材料，主框架仍使用铝合金，形成大量铝合金、复合材料叠层结构[3，4]。

这些叠层结构在服役过程中往往需要承受巨大、复杂的交变载荷，为了保证其可靠性和承载性能，研究人员通常采用铆接、螺接等机械方式连接。因此，制孔是叠层结构加工中极其重要的一个环节。对于大的零部件来说，工件刚性差、易变性，分别对零件加工再进行装配连接时，由于二次装夹以及加工误差，易导致组成零件之间孔的位置偏差，强行装配时极易引发碳纤维复合材料的损伤甚至失效，严重影响加工质量和效率。

因此，为了保证加工效率和加工精度，叠层结构件通常采用整体装夹配钻。配钻过程中，由于两种材料的性能差异巨大，难以同时保证两种材料的加工质量，尤其是CFRP作为出口材料时，缺乏支撑，极易产生分层、撕裂等加工损伤。因此，目前加工CFRP作为出口材料的叠层构件时通常选用适用于CFRP材料加工的刀具，保证下层CFRP材料加工质量。但加工CFRP材料的刀具通常难以实现金属断屑，形成长切屑缠绕在刀具上，不仅会造成孔壁的划伤，还会对入口金属表面形成严重的刮擦，影响加工质量。

为了解决叠层材料加工过程中金属断屑问题，有学者提出引入低频振动辅助工艺。目前，国内外学者对于低频振动辅助加工已有较多的研究，主要有：不同工艺下(振幅和频率)低频振动辅助工艺对CFRP加工质量的影响，低频振动对金属切屑的控制，以及低频振动对叠层构件加工质量的影响。如SADEK A等人[5]探究了不同振幅和频率下，低频振动对CFRP加工质量的影响，发现小振幅高频率可以减少每次循环切削的切削量，进而减小切削力，从而提高加工质量。PECAT O等人[6]探究了低频振动辅助钻削铝合金，理论计算并试验验证了低频振动对铝合金切屑的控制，设定合适的参数低频振动加工可以很好地实现金属断屑，减少切屑对孔壁的刮擦，提高加工质量。南成根等人[7]探究了CFRP/钛合金叠层的钻孔过程，发现长切屑不利于入口和孔壁的加工质量；侯书军等人[8]探究了碳纤维复合材料和钛合金叠层在普通、超声、低频振动下的加工，发现低频振动可以有效地断屑，并降低钻削温度，减轻了金属切屑对CFRP损伤的影响，提高了叠层构件加工质量。

目前，针对CFRP在出口工况下的叠层材料加工面临许多加工问题，低频振动辅助工艺对于金属，以及上层CFRP下层金属的叠层材料的加工质量具有较显著的提升作用；但对于上层金属下层CFRP的叠层材料作用效果尚不明晰。

针对铝合金/CFRP叠层材料，笔者选用适合于CFRP低损伤加工的阶梯微齿刀具，添加轴向低频振动辅助工艺，通过实验验证低频振动对铝合金和CFRP的加工影响，并探究不同振幅对铝合金/CFRP叠层材料加工质量的影响规律。

1 振动对切削过程影响分析

在叠层材料加工过程中存在多种加工工况，对于Al/CFRP叠层材料的加工，由于铝合金在上层，CFRP在下层，金属形成的切屑对下层的CFRP影响较小，本研究分别看低频振动工艺对两种材料的影响，从理论上分析低频振动辅助工艺对两种材料的作用效果，揭示低频振动辅助工艺对加工质量的影响。

1.1 振动对切削刃轨迹的影响

低频振动辅助加工是在原有的轴向进给运动上叠加一个正弦运动，主要是机床提供恒定的主进给速度，低频振动辅助装置提供正弦振动，叠加构成刀具整体的进给运动；通过调节转速、进给和振幅，来控制钻削过程，实现切屑的控制。钻头一般包含两个主切削刃，相位角相差180°，假设切削刃1是由0°开始，360°结束一个周期，那么切削刃2就是以180°开始，180°结束周期[9]。

因此，两个切削刃的实际位置分别为：

(1)

(2)

式中：X—钻头转过的相位角，°；Y1—主切削刃1的进给位移，mm；Y2—主切削刃2的进给位移，mm；f—进给率，mm/r；A—低频振动振幅，mm。

1.2 振动对材料加工过程的影响

对于入口铝合金材料来说，低频振动可以实现切削厚度的控制，使形成厚度不均匀的切屑，甚至可以使切削刃和工件间歇性分离，生成碎片状切屑[10，11]，可以很好地避免产生长切屑，根除切屑缠刀，以及对孔壁和入口表面的刮擦问题。

对于出口CFRP材料，由于CFRP是由多层不同方向的纤维预浸料铺放，然后高温固化成型，是不均匀的各向异性材料，不存在长切屑问题，低频振动会使每次切削的厚度发生变化。根据CFRP的材料特性，可以将低频振动钻削CFRP材料的运动分解为径向和轴向两个方向的切削运动。

从轴向上来说，相当于是在匀速进给的基础上叠加正弦运动，使加工过程由匀速直角切削变为振动直角切削。

振动直角切削示意图如图1所示。

图1 振动直角切削示意图

振动造成刀具对工件的冲击作用，增大了冲击裂纹，加速了纤维断裂[12，13]，同时也在一定程度上能够增加最大轴向力；且随着振幅的增加，轴向力越来越大。对于CFRP出口来说，当最大轴向力超过临界分层轴向力时，会加剧出口层纤维材料的层间分层缺陷[14]，加剧分层损伤，因此振幅需要限制在一定范围内，不能过大。

对于径向同一层纤维来说，低频振动不影响径向运动速度，但是低频振动会造成同一层材料的切削不均匀，形成匀速间断切削。

振动对同一层纤维去除影响如图2所示。

图2 振动对同一层纤维去除影响

图2显示：(1)无低频振动时，随着刀具沿进给方向运动，同一层材料被一圈一圈地去除，最终达到终孔直径，每次切削时都有环形的材料支撑，分步均匀去除：(2)低频振动时，切削沿径向方向观察，同一层材料先是有一部分被去除，然后有一段与工件分离，然后再接触切割，循环断续切割，每次切削时后部支撑会减少，因此，在一定程度上会增加纤维的损伤。

2 实验材料及方法

笔者采用实验的方法验证低频振动辅助工艺对Al/CFRP叠层材料加工质量的影响规律；采用能够减少出口CFRP损伤的刀具，配合不同振幅的低频辅助振动，得出振幅对叠层材料的作用规律。

2.1 工件材料

实验中选用的是7075铝合金和T800级准各向同性CFRP层合板；CFRP工件通过采用单向预浸料，按照[90/0/0/0/45/90/45/(0/0/0/90)2/(0/0/0/45)2/0/0/0/90]S方向铺放，抽真空后高温固化而成，其中预浸料纤维体积分数约为60%；层合板尺寸为150 mm×89 mm×10 mm。

预浸料的具体力学性能如表1所示。

表1 预浸料力学性能表

2.2 试验刀具

在铝合金和CFRP叠层中，CFRP更易产生加工损伤，且CFRP在出口侧无支撑。因此，要优先保证CFRP的加工质量。制孔刀具的结构对CFRP加工质量的影响尤其显著，是决定最终加工质量的重要因素。在对于CFRP制孔刀具的研究中发现，采用阶梯结构能够有效地减小轴向力，在副切削刃上开微齿结构可以有效地提高CFRP出口质量[15，16]。

笔者采用的阶梯微齿双刃带钻头如图3所示。

图3 阶梯微齿双刃带钻头

钻头直径为6.36 mm，刀具材料为K44UF硬质合金，无涂层，WC颗粒粒度为0.7 mm，第一阶梯直径4.20 mm。

阶梯微齿双刃带钻头参数如表2所示。

表2 阶梯微齿双刃带钻头参数

2.3 实验方法

低频振动制孔实验平台如图4所示。

图4 低频振动制孔实验平台

笔者在光洋CONA五轴加工中心上进行钻削制孔实验，通过在主轴上安装mitis振动夹头，可实现轴向低频振动钻孔，振幅范围0～0.25 mm，频率2.5次/转；加工工件采用专用夹具装夹，通过螺栓连接紧固在测力仪装夹平面上。

实验中，使用kistler9257B型测力仪采集切削力信号，并通过电荷放大器和A/D转换系统，将切削力信号传输至计算机；测力仪通过螺栓装夹在机床工作台上，保证整个钻削和测力过程准确、稳定。

笔者采用阶梯微齿钻头合适的工艺参数进行实验，转速为3 000 r/min，轴向进给为150 mm/min[17]；MITIS刀柄振幅分别调节为0、0.025 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm；为了减少刀具磨损对实验结果的影响，笔者在改变振幅的同时更换新刀具，每把刀具钻削相同数量的孔。

3 实验与结果分析

笔者主要从切削力、入口和出口质量、以及孔壁质量3个方面，对实验的结果进行总结，分析低频振动振幅对Al/CFRP叠层构件加工质量的影响规律，进而得出适用于Al/CFRP叠层构件加工的最佳低频振动辅助加工工艺。

3.1 振动对轴向力的影响

笔者使用MITIS低频振动刀柄，在振幅为0、0.025 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm分别使用新刀具制孔，工件安装在测力仪上，测力仪Z轴方向力FZ即为钻削过程中材料承受的轴向力。

钻削过程中轴向力变化如图5所示。

图5 钻削过程轴向力变化

由图5可知：低频振动改变了刀具轴向进给的形式，使刀具进给叠加了循环变化的加速度，造成刀具和工件的间歇性接触，轴向力也处于循环往复变化；且CFRP出口部位由于缺乏支撑极易产生损伤。

钻尖在材料内部时，低频振动对轴向力影响较大，但第一阶梯钻出后，低频振动对轴向力的增加作用明显减弱，因此小振幅下对出口撕裂影响不大；但随着振幅的增加，钻头对出口材料冲击作用逐渐增强，会对出口造成越来越严重的损伤，因此振幅不宜过大。

3.2 振动对出、入口质量影响

由于低频振动改变了主切削刃的行走轨迹，造成切削过程的改变，可以通过调节振幅来实现对切屑的控制。

实验中笔者采用最小振幅0.025 mm时产生的切屑为不连续切屑，这是由于刀具与工件未分离，形成厚薄不均匀的长切屑，切屑的薄弱区域在外界作用下极易折断，因此形成长短不均匀的碎切屑。随着振幅继续增大，刀具振动幅度增加，在一个小阶段内刀具进给距离小于振动回缩距离，刀具会暂时离开工件，不参与切削，然后再回到工件继续切削，整个过程循环往复，因此产生形状、厚度均匀的切屑；同时由于是双阶梯钻,会有扇形和锥形两种切屑。

对于铝合金入口，无振动辅助加工时随着加工孔数的增加，刀具缠屑越来越多，缠在刀具上的切屑不仅会对金属孔壁造成刮擦，而且对入口表面刮擦越来越严重，严重影响加工质量和加工效率。而加入低频辅助振动后，不再产生长切屑，刀具不存在缠屑问题，入口表面也完全没有刮擦。

对于出口CFRP材料，魏良耀等人[17]研究发现，撕裂损伤对CFRP构件的整体性能影响较大。笔者采用撕裂因子来衡量撕裂损伤程度。

撕裂因子测量如图6所示。

图6 撕裂因子测量

撕裂因子的计算公式为：

Ld=Dmax/D

(3)

式中：Dmax—撕裂损伤的最大直径；D—加工孔的实际直径。

在每种振幅下，笔者取第2、3、4个孔进行测量，并求取其平均值。

CFRP出口撕裂因子随振幅变化如图7所示。

图7 CFRP出口撕裂因子随振幅变化

由图7可知：当振幅较小时，低频振动对孔的撕裂因子影响并不明显，但随着振幅的增大，撕裂因子逐渐增加，并且制孔质量变得不稳定。

3.3 振动对孔壁质量的影响

低频振动可以抑制长切屑的产生，避免了切屑缠刀造成的对孔壁的刮擦，不仅可以提升上层铝合金材料的孔壁质量，还可以控制其孔径偏差；同时由于CFRP在下方，受铝合金切屑影响不大。

但是低频振动本身对CFRP加工会产生一定的影响，同一层材料钻削，145°纤维切削最容易产生损伤，微观表现为纤维拔出，形成凹坑；低频振动会导致径向切削时的不均匀，切削径向支撑减弱，在一定程度上会加重损伤。

笔者分别观察铝合金和CFRP孔壁，得到孔壁的质量对比结果如图8所示。

图8 孔壁质量对比

由图8可知，低频振动辅助工艺使得CFRP孔壁表面凹坑的数量减少，但是深度会增加；对于铝合金来说，低频振动能够明显地减少孔壁上的刮痕，使表面更加平整。

为了定量地表征低频振动对孔壁加工质量的影响，笔者采用InfiniteFocus G5三维扫描共聚焦显微镜对相同位置孔壁进行扫描，得出三维形貌，并测量出三维面粗糙度值Sa。

孔壁三维面粗糙度随振幅变化如图9所示。

图9 孔壁三维面粗糙度随振幅变化

由图9可知：(1)当振幅小于0.05 mm时，低频振动对CFRP的孔壁质量影响不明显，但随着振幅的继续增加，表面粗糙度急剧升高；(2)低频振动能提高铝合金的孔壁质量。

4 结束语

针对Al/CFRP叠层材料加工时易出现的加工问题，笔者引入了低频振动辅助工艺，先从理论上分析了低频振动对加工质量的作用形式，然后从实验上进一步验证，同时对比了不同振幅对加工过程及加工质量的影响，最终得出如下结论：

(1)相对于常规钻削，低频振动辅助可以有效地实现铝合金切削断屑，避免切屑缠刀，能够很好地提高铝合金孔壁粗糙度，并且减少对入口的刮擦；

(2)采用不同振幅的低频振动加工对于出口CFRP材料均有一定影响，振幅小于0.1 mm时，出口撕裂因子也保证在较小范围内，随着振幅的继续增加，出口撕裂也变得严重；

(3)振幅小于0.05 mm时，孔壁粗糙度变化不明显，随着振幅的继续增加，CFRP的孔壁粗糙度明显变大。因此，CFRP材料不适合大振幅的振动辅助加工；

(4)对于Al/CFRP材料的加工过程，为了更好地避免效率降低和切屑缠刀造成的质量损伤，可以采用低频振动辅助加工；同时，为了保证入口铝合金和出口CFRP材料的加工质量，振幅应该保持在较小的范围内。