三尖鉆鉆削CFRP/Al疊層構件的表面質量研究

□ 劉 姿 □ 張 霖 □ 田 威 □ 廖文和

南京航空航天大學 機電學院 南京 210016

為滿足飛機輕量化及結構性能的雙重需求，碳纖維復合材料與鋁合金材料構成的疊層結構在飛機機翼和尾舵中應用廣泛。機翼包括翼梁、桁條和蒙皮等結構件，這些結構件上有大量緊固件（鉚接或者螺接）的孔需要加工。由于緊固件孔的制造品質直接關乎產品的安全性，影響飛機的飛行性能和使用壽命，而一體化的疊層制孔減少了中間拆分試件→去毛刺→重新裝配的復雜過程，保證了制孔的尺寸精度，減少了定位誤差，因此得到了廣泛的關注。

從生產成本和加工質量考慮，目前鉆削疊層材料時選用較多的依然是硬質合金及金剛石等材料的鉆頭。Nouari［1］研究表明，金剛石涂層的刀具壽命是普通硬質合金刀具的3倍，而對疊層材料加工性能的研究相對較小。 Redouane［2］使用硬質合金麻花鉆（K20）探究了工藝參數對CFRP（碳纖維復合增強材料）/Al疊層制孔質量的影響規律，發現對于CFRP材料，使用低進給量時孔徑的圓度及表面質量較好。E Brinksmeier［3］對Al/CFRP/Ti多層板件進行了鉆削研究，發現使用普通麻花鉆會出現材料孔徑公差大、刀具磨損大及復合材料分層等缺陷，提出了采用階梯鉆鉆削多層材料構件的研究方法。C L Kuo［4］用金剛石涂層鉆頭研究了工藝參數對Al/CFRP/Ti疊層板制孔后孔表面完整性的影響。張選龍［5］分析了CFRP/Ti合金疊層構件鉆孔的缺陷，提出了一體化制孔的鉆削方式。另外，關于工藝參數 對鉆削軸向力和扭矩的影響也有研究［6－8］， 且利用指數或者線性回歸的方式來獲得軸向力和扭矩的經驗公式［9－10］。

針對疊層材料的加工特性，要求刀具必須足夠鋒利且具有較高的紅硬性，可以快速切斷纖維獲得凈切削，同時在切削中過程中減小熱量，從而減小金屬材料的塑性變形和加工硬化現象。筆者采用金剛石涂層的三尖麻花鉆對 CFRP（CCF300）/Al（7075）疊層材料進行了鉆削實驗，依據田口設計方法及方差分析中各因素對軸向力的貢獻率，建立了軸向力擬合公式，并探討了刀具磨損、切削力對孔表面質量的影響規律。

1 CFRP/Al疊層鉆削實驗方案

1.1 實驗材料和設備

▲圖1 切削力測量裝置

▲圖2 CCF300纖維結構

▲圖3 三尖鉆的幾何角度

實驗設備由 LGmazak430Al加工中心、Interface1216拉扭組合測力儀、傳感器等組成，切削力測量裝置如圖1所示。實驗采用的CCF300碳纖維復合材料板由碳纖維和環氧樹脂正交雙向編織而成，尺寸為250 mm×200 mm×3.07 mm，其編織結構如圖2所示。鋁合金板是航空用鋁合金7075－T7，尺寸為250 mm×200 mm×3.1 mm。刀具為金剛石涂層三尖麻花鉆，其結構如圖3所示，該刀具采用CVD（化學氣相成積）方法，以整體硬質合金鉆頭為基體，以TiAlN作為過渡層，在表面涂覆5～8 μm厚度的金剛石薄膜，涂層不僅顯著提高了刀具的耐用度和耐熱性，而且明顯改變了硬質合金的脆性。

1.2 田口實驗設計

本實驗采用析因設計的方法，研究刀具在不同的工藝參數下對復合材料軸向力、表面粗糙度的影響。根據田口穩健性設計正交實驗表（L9），采用3因素3水平的試驗方式，每組參數鉆3個孔以排除偶然因素的影響。工藝參數的水平見表1，正交實驗設計見表2，表中第一列代表轉速n，第二列代表進給量f，第三列代表鉆頭直徑d，第四列代表因素之間的相互作用。

為了研究鉆削參數對鉆孔質量的影響，采用粗糙度儀MitutoyoSJ－210對孔粗糙度進行檢測，通過白光干涉儀RTEC3D對孔壁的加工質量進行觀察和分析。

表1 鉆削加工參數水平

2 實驗結果與分析

2.1 切削力變化時程曲線

在鉆削CFRP/Al疊層過程中，垂直軸向的X、Y方向的切削力較小，可以忽略不計，Z方向軸向力及扭矩的變化曲線如圖4（切削用量為：n=3 500 r/min,f=0.04 mm/r）所示。從圖4中可以看出，軸向力和扭矩從鉆頭開始鉆入復合材料逐漸增加趨于穩定，當鉆尖完全進入鋁合金材料時，切削力出現突增，然后趨于穩定，達到最大值。穩定期的鋁合金的軸向力大約為復合材料軸向力的1.5倍。

▲圖4 軸向力及扭矩時程曲線（n=3 500 r/min,f=0.04 mm/r）

鉆削軸向力對復合材料分層及孔表面質量有重要影響，研究復合材料鉆削軸向力大小隨工藝參數的變化規律至關重要。由田口設計方法，得到不同工藝參數下CFRP鉆削軸向力的平均值，見表2。從表3方差分析中可以看出，對軸向力影響最大的因素為進給量（貢獻率P=58.87%）和鉆頭直徑（貢獻率P=34.09%），轉速對軸向力不產生顯著影響，其貢獻率（P=3.80%）和誤差貢獻率相近，這也說明，因素間的相互作用A×B、A×C、B×C對軸向力的大小幾乎不產生影響。

2.2 軸向力經驗公式擬合

從軸向力隨切削用量變化的規律可知，鉆削復合材料軸向力F與轉速n和進給量f之間存在非線性關

表2 正交實驗設計（L9）及實驗結果

表3 復合材料鉆削軸向力方差分析

系，因此可采用多元線性回歸來擬合經驗公式，回歸模型定義為：

式中：C0～C4為待定常數。

將實驗數據代入MATLAB分析，得出擬合方程為：

根據復合材料軸向力隨工藝參數的變化規律可知，軸向力與刀具直徑和進給量密切相關，根據擬合表達式，可對復合材料軸向力進行預測。在實際的生產應用中，為減少復合材料的分層缺陷，應選擇較高的轉速和較低的進給量，可保證加工質量良好并減少鉆削過程中對刀具的沖擊，達到延長刀具使用壽命的目的。

2.3 鉆削參數對孔壁表面質量的影響

圖5為不同工藝參數下復合材料和鋁合金孔壁的表面粗糙度值。實驗結果表明，主軸轉速和進給量均對表面Ra有一定影響，但進給量的影響更大。隨著進給量的增加，鋁合金孔表面粗糙度呈線性增加趨勢，而復合材料孔表面粗糙度在進給量增大為0.07 mm/r時出現突增現象（增加100%），這主要是因為在鉆削CFRP過程中，隨著進給量的增加，軸向力和溫度急劇增加，半封閉狀態的鉆削特點使切削熱很難散出，同時碳纖維復合材料的高硬度使刀具磨損加劇，且切削層變形嚴重，已加工表面Ra顯著增大。由復合材料軸向力擬合公式可知，要控制切削軸向力，保證復合材料的孔壁粗糙度，進給量應小于0.05 mm/r。

▲圖5 不同工藝參數下的孔壁粗糙度

一般麻花鉆鉆削復合材料時孔壁表面粗糙度Ra＞3.2 μm，三尖麻化鉆能夠明顯提高復合材料孔壁質量，使復合材料的孔表面Ra＜3.2 μm、鋁合金材料的孔表面Ra＜1.6 μm，這主要是由于三尖麻花鉆的雙頂角設計可使鉆頭平穩地鉆入，使復合材料獲得凈切削，得到較好的孔壁表面質量。

2.4 刀具磨損對孔表面質量的影響

觀察刀具磨損情況可以發現，刀具開始磨損表現為金剛石涂層的剝落/分層，且首先出現在三尖麻花鉆的第一切削刃的后刀面及橫刃中心位置，這主要是因為鉆削復合材料的磨粒磨損會產生較高的溫度，導致涂層出現裂紋，與基體分離，最終剝落。從圖6可以看出，當刀具剛開始切削時，復合材料和鋁合金孔表面很完整，沒有明顯的缺陷。隨著金剛石涂層剝落/分層和后刀面磨損加劇，復合材料孔壁出現撕裂和孔壁劃傷現象，鋁合金孔壁表面出現粘附物。劃傷和粘附主要是由下層鋁合金切屑纏繞刀具所造成的，當硬質合金基體切削刃參與切削時，三尖麻花鉆的特殊結構使鉆頭易出現崩刃現象，此時復合材料的孔表面質量繼續惡化，出現起毛、纖維撕裂等嚴重缺陷，而鋁合金材料的孔出現毛邊、孔壁碎屑和較大毛刺等缺陷。

從刀具后刀面磨損量隨孔數變化 （圖7）可以看出，當制孔數達到180左右時，后刀面磨損量出現突增，此時，金剛石涂層被完全磨損剝落，硬質合金基體切削刃參與切削,加速了切削刃的鈍化，使刀具磨損劇烈，進入急劇磨損階段。

因此，為保證CFRP/Al疊層材料的鉆削質量和精度，刀具的使用壽命應控制在安全范圍180個以內。

3 結論

（1）對復合材料軸向力影響最大的的因素為進給量 （貢獻率P=58.87%）和鉆頭直徑 （貢獻率P=34.09%），轉速對軸向力的影響不顯著。此時，鉆削CFRP軸向力的擬合公式為F=37.9+0.004 5n+229.3f+3.5d。

▲圖6 刀具磨損形式及復合材料孔表面缺陷

▲圖7 后刀面磨損量隨制孔數變化規律

（2）主軸轉速對CFRP和鋁合金的孔壁表面粗糙度影響不大。在轉速不變的情況下，隨著進給量的增加，復合材料的孔表面加工質量明顯下降，孔口易出現基體撕裂、起毛、孔口劃傷等缺陷，孔壁粗糙度從0.86 μm增加到1.73 μm；而鋁合金的孔壁表面粗糙度變化不大，其值 Ra＜1.6 μm。

（3）在實驗的工藝參數范圍內，考慮到制孔的質量和應用的安全性，刀具的使用壽命可達到180個，這也表明選用的金剛石涂層的三尖麻花鉆比較適合疊層材料的一體化制孔。在鉆削疊層材料的過程中，金剛石涂層三尖麻花鉆磨損失效形式主要為金剛石涂層的剝落/分層和崩刃。

［1］ M Nouari,G List,F Girot,et al. Experimental Analysis and Optimisation ofTool Wear in Dry Machining of Aluminium Alloys［J］.Wear,2003,255:1359-1368.

［2］ Redouane Zitoune,Vijayan Krishnaraj,Francis Collombet.Study ofDrilling of Composite Material and Aluminum Stack ［J］.Composite Structures,2010,92:1246-1255.

［3］ E Brinksmeierl,R Janssen.Drilling of Multi-Layer CompositeMaterialsConsisting of Carbon Fiber Reinforced Plastics （CFRP）,Titanium and Aluminum Alloys ［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology,2002,51（1）:87-90.

［4］ C L Kuo,S L Soo,D K Aspinwall.The Effect of Cutting Speed and Feed Rate on Hole Surface Integrity in Singleshot Drilling of Metallic-composite Stacks ［J］.Procedia CIRP,2014,13:405-410.

［5］ 張選龍.碳纖維復合材料/鈦合金疊層裝配制孔技術研究［D］.大連：大連理工大學,2010.

［6］ M Ramulu,T Branson,D Kim.A Study on the Drilling of Composite and Titanium Stacks ［J］.Composite Structures,2001,54（1）:67-77.

［7］ 李桂玉，李劍鋒，孫杰，等.硬質合金鉆頭鉆削碳纖維增強復合材料工藝［J］.粉末冶金材料科學與工程,2010,15（6）:580-585.

［8］ 張厚江，樊銳，陳五一，等.高速鉆削碳纖維復合材料鉆削力的研究［J］.航空制造技術，2006（12）:76-79.

［9］ 劉東，陳志同，陳五一，等.碳纖維復合材料高速鉆削實驗研究［J］.工具技術，2009,43（3）:10-13.

［10］ C C Taso,H Hocheng.Evaluation of Thrust Force and Surface Roughness in Drilling Composite MaterialUsing Taguchi Analysis and Neural Network ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008,203:342-348.