CFRP 制孔加工技術的研究進展與發展趨勢

付鵬強, 蔣銀紅, 王義文, 許成陽, 周麗杰

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院 先進制造智能化技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150080）

碳纖維增強樹脂基復合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因具有比強度高、比模量大、剛性好、比重小、抗疲勞性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優點，在大型飛機的主承力結構中得到了大量的應用[1-3]。例如，歐洲的A380 空客，CFRP 的含量占機身重量的22%，尤其是中央翼盒和后機身的蒙皮壁板部位，CFRP 所占比例最大；中國的武直-9 直升機，CFRP 的比重約占60%；而美國的“旅行者”號輕型飛機，CFRP 的應用率高達90%，可見，CFRP 在航空、航天等領域的應用之廣。為了滿足大型飛機中CFRP 主承力構件之間的裝配要求，需通過大量的鉚接和螺栓連接，因而制孔工藝是CFRP 結構件制造中最常用的加工技術[4]。

由于CFRP 的各向異性，其切削加工機理不同于金屬材料，在鉆孔過程中，易發生一系列加工缺陷，如分層缺陷、出口毛刺、纖維撕裂和孔壁劃痕等[5-6]。又因碳纖維增強相本身具有極高的硬度，故磨蝕性強，加工過程中以碳纖維為主的硬質點對刀具切削刃刃口及后刀面產生機械劃擦作用，導致切削刃刃口發生鈍化，后刀面出現大量劃痕，刀具快速、劇烈磨損。因此，為了實現CFRP 高效精密制孔，長期以來CFRP 制孔技術的研究一直是飛機制造領域的熱點。雖然學者們在鉆削加工機理、孔壁質量、制孔工藝和刀具磨損等方面進行了大量的研究，但隨著航空航天制造業對裝配質量要求的不斷提高，CFRP 制孔技術在實驗和理論分析等方面還需要進一步更深入地研究。為了更加清楚地了解國內外CFRP 制孔加工技術的最新進展，本文歸納總結近年來CFRP 鉆削過程中切屑形成機理、鉆削力和鉆削溫度的研究現狀；分析CFRP 鉆削過程中典型加工缺陷的產生原因和影響因素；探討現有CFRP 制孔刀具材料和幾何結構以及CFRP 鉆削加工模擬仿真技術的研究進展；對CFRP 制孔加工技術進行總結與展望。

1 CFRP 鉆削加工機理

1.1 切屑形成機理

CFRP 是由碳纖維和樹脂固化而成的一種具有新性能的材料，其切削機理不同于金屬材料。CFRP 因具有非勻質性和各向異性，在切削加工時，切屑的形成機理不僅受纖維和基體屬性以及纖維鋪層方向的影響，還與刀具形狀結構及工藝參數等因素有關，因此，不同于金屬材料的切屑形成機理。CFRP 切屑形成機理的研究，有助于揭示加工缺陷的形成和刀具磨損過程。

研究人員早期對切屑的形狀及形成過程進行了大量的研究，1983 年，Koplev 等[7]通過對CFRP切削過程的實驗分析，率先提出脆性斷裂是CFRP切屑形成的主要原因，且其切屑形狀主要為小段的碳纖維。Wang 等[8-9]對CFRP 的切削機理進行了正交實驗研究，通過對切屑形成、切削力和加工表面形貌的分析，發現切屑形成主要取決于纖維的取向。張厚江等[10]根據切削方向與纖維方向夾角的不同，將切屑形成概括為層間分離型、纖維切斷型和彎曲切斷型三種形式。Zhang[11]通過研究得出，切屑是由于纖維沿垂直于纖維方向的銀齒形斷裂和樹脂間界面脫粘而形成的。2017 年，大連理工大學宿友亮[12]在研究CFRP 切屑形成機理的基礎上研究了其裂紋擴展行為，并將CFRP 切屑形成形式劃分為開裂-彎斷型、切斷-剪切滑移型、壓曲型、彎折-剪切型及彎斷主導型。目前，對于CFRP 切屑形成機理的研究，學者們一般都將CFRP 切屑的形成過程進行簡化，分別對0°、45°、90°、135°的四種特殊纖維取向角分別進行研究，如圖1 所示[10]展示了CFRP 在不同纖維方向角θ 下的切屑形成。對CFRP 切屑形成過程中各階段的研究可揭示切屑形成機理，有助于對鉆削力、鉆削溫度規律的研究以及對加工缺陷、刀具形狀結構、制孔工藝的優化。

圖 1 不同纖維方向角θ 下的切屑形成[10]Fig. 1 Chip formation at different fiber orientation angles θ[10]

1.2 鉆削力

鉆削是CFRP 制孔技術中最常用的加工方法，在CFRP 鉆削過程中，軸向鉆削力與鉆削溫度、刀具磨損、孔壁表面質量和出口毛刺缺陷直接相關，且其變化規律可直接反映出瞬時切削狀態，有助于研究人員對鉆削過程進行分析，因此，軸向鉆削力是當前CFRP 鉆削制孔加工研究的一個關鍵點。

軸向鉆削力主要是由鉆頭橫刃和主切削刃在鉆削過程中與材料的相互作用所產生，受刀具幾何形狀、工件材料和加工工藝參數等多種因素的影響[13]。孫路華等[14]綜合分析了刀具材料、鉆頭直徑、材料厚度、鉆孔數量和工藝參數對鉆削軸向力的影響。鉆頭直徑越大，被鉆削材料越厚，鉆孔數量越多，進給量越大，軸向鉆削力越大；轉速越高，軸向鉆削力越小。Tsao 等[15]利用神經網絡和田口實驗方法，基于進給量、主軸轉速和刀具直徑等變量建立了CFRP 鉆削軸向力與表面粗糙度的經驗公式。任書楠等[16]研究了復合材料在鉆削時的切除過程和切削力分布規律，建立了主切削刃的宏觀軸向力與切削用量之間的關系。胡立湘[17]采用變鉆削參數下啄式鉆削加工工藝，以CFRP-Ti 合金疊層板構件為研究對象，并從切屑形態、鉆削力、刀具磨損等方面進行了系統的理論分析和實驗研究。其所建立的CFRP 材料鉆削加工切削力分解示意圖[17]如圖2 所示。孟慶勛等[18]通過分析軸向力分布與孔壁損傷位置之間的關系，討論了軸向力在多層形式下的疊加效應。軸向鉆削力是引起CFRP 分層缺陷的主要因素，通過降低軸向鉆削力，可以有效地抑制CFRP 分層缺陷產生的風險，改善制孔加工表面質量。

圖 2 鉆削力示意圖[17]Fig. 2 Schematic diagram of drilling force[17]

1.3 鉆削溫度

在鉆削CFRP 時，鉆削溫度對材料的性能、鉆頭的耐久性以及孔壁的質量有很大影響，但由于CFRP 特殊的材料性能及半封閉式的鉆削加工特點，鉆削溫度的精準測量及影響因素的研究仍是CFRP 制孔加工技術研究的一個難點。

早在1997 年，Chen[19]經過研究發現，鉆削溫度受切削速度和進給速度的影響，當切削速度過高或進給速度太低時，鉆削溫度均會升高。趙建設[20]用紅外熱成像測試了碳/環氧復合材料的鉆削溫度和溫度場分布，發現轉速與鉆削溫度成正比例，并且進給量與鉆削溫度成反比。Koyanagi 等[21]通過對不同溫度的單向CFRP 進行拉伸實驗，發現溫度對材料的破壞形式有一定的影響。鮑永杰等[22]采用有限差分法，建立了C/E 復合材料鉆削溫度場模型，分析鉆削溫度隨纖維方向變化的分布規律，通過實驗分析得出：采用麻花鉆對C/E 復合材料鉆孔時溫升和溫度場分布有明顯的方向性，出口處溫度場的分布呈橢圓形，在平行纖維方向上的溫度要高于其他方向，垂直纖維方向上溫度最低。蔡曉江等[23]通過研究纖維方向角對切削溫度的影響，得出結論如圖3 所示，當θ 為90°時，切削溫度達到最高。蔡建國等[24]通過采用嵌入式人工熱電偶的方法進行測溫實驗，研究結果表明：通過合理控制切削參數可以獲得適當的鉆削溫度。目前，CFRP 鉆削溫度的研究主要集中在實驗研究，對其理論研究較少、模型建立還不夠精確，特別是在CFRP-金屬疊層結構中，鉆削溫度的預測模型仍需進一步優化和大量實驗驗證。

2 CFRP 制孔加工缺陷

在CFRP 層合板鉆削過程中，由于CFRP 自身的各向異性、層間結合強度低，在鉆削力的作用下會產生各種缺陷，主要表現形式如圖4 所示[13]。為了提高CFRP 制孔加工質量和效率，很多學者對分層缺陷、毛刺、撕裂和孔壁表面質量等主要缺陷進行了大量的研究。

2.1 分層缺陷

圖 3 CFRP 單向層合板切削溫度與纖維方向角關系[23]Fig. 3 Relationship between cutting temperature and fiber orientation angle of CFRP unidirectional laminates[23]

分層缺陷是復合材料在鉆削過程中由于軸向力對未切削材料的推擠作用超過了復合材料層間的剪切強度，使得裂紋沿著層間擴展的一種失效形式。研究表明，CFRP 鉆孔中的分層缺陷可分為兩種類型的破壞，即入口剝離分層和出口頂出分層，如圖5 所示[25]。在鉆削過程中，制孔入口處材料受到刀具切削刃向上剝離的作用力，使得材料沿刀具的排屑槽上升，進而導致分層的產生；在軸向作用力下制孔出口處未切除材料易產生較大的變形，在軸向力超過材料的層間結合強度時即造成分層損傷產生。

CFRP 鉆孔分層缺陷的檢測方法，一般采用X 射線探傷檢測法，但這種方法不能探明不同深度上的分層。張厚江等[26]采用聲學顯微鏡，首次成功地檢測出在CFRP 上鉆孔后孔壁不同深度上的分層情況，進而建立了CFRP 立體分層模型。周正干等[27]采用基于穿透法和脈沖反射法的激光超聲C 掃描檢測法，進行復合材料緊固孔分層的量化表征實驗，得到緊固孔區域分層缺陷的形狀、尺寸和位置特征。研究結果表明，利用激光超聲技術的非接觸式激發、接收和高分辨力特點，可以準確測得緊固孔區域分層缺陷導致的波反射和衰減，有效表征飛機復合材料結構的緊固孔分層缺陷。由于CFRP 復合材料的非均質性，超聲波出現較大的聲衰減和散射，使得數據解釋說明比較困難。因此，Tsao 等[28]介紹了一種利用醫療設備進行計算機斷層掃描的特殊技術，并與超聲C 掃描技術進行了比較，證明該方法是評價鉆孔分層的一種可行的、有效的檢測方法。

圖 4 CFRP 加工孔的缺陷[13]Fig. 4 Defects in machining holes of CFRP[13]

圖 5 鉆削CFRP 時孔出入口的分層現象示意圖[25] （a）入口剝離分層；（b）出口頂出分層Fig. 5 Schematic diagram of delamination phenomena at hole entrance and exit when drilling CFRP[25] （a）entrance stripping delamination；（b）exit ejection delamination

圖 6 比直徑法分層因子[19]Fig. 6 Ratio diameter stratification factor[19]

對于分層缺陷的評價方法，目前最常用比直徑法分層因子 Fd，其表達式為：

式中： Dmax是 分層損傷區的最大直徑； D0是孔的公稱直徑。

比直徑法分層因子 Fd是一種一維的比較簡單直接的評價指標，其測量示意圖[19]如圖6 所示。

Faraz 等[29]提出比面積法分層因子 Fa，也稱二維分層因子，考慮了分層在孔周圍的發生存在極不均勻的情況，比面積法分層因子的表達式為：

式中： Adel為分層損傷的面積； A0為孔的面積。

而Davim 等[30]基于分層損傷的兩種極限形式，提出了修正的分層因子，其測量示意圖如圖7所示，表達式為：

式中： Dmax為 分層損傷區的最大直徑； D0是孔的公稱直徑； Amax為 分層損傷區的最大面積； A0為孔的面積； α和 β 為權重參數。

圖 7 修正的分層因子[30] （a） 細裂紋； （b） 均勻損傷區Fig. 7 Revised stratification factor[30] （ a） fine cracks；（b） uniform damage area

該方法結合了比直徑法和比面積法兩種分層損傷評價方法，獲得了較好的評價效果。比直徑法分層因子和比面積法分層因子都是基于單層缺陷進行評價，但是由于分層缺陷通常會形成多層分層缺陷。因此，魏瑩瑩等[31] 提出了一種基于三維分層體積的評價方法，可以更加準確地描述制孔加工中分層缺陷。三維體積分層因子的表達式為：

式中： Vd為 發生分層的實際總體積； Vn為孔的公稱圓柱體積。

對于CFRP 分層缺陷的影響因素，國內外學者也進行了大量的研究。Gaitonde 等[32]用硬質合金鉆頭K20 對CFRP 進行鉆削加工實驗研究，結果表明分層隨著切削速度的增加而減小。Marques等[33]采用4 種不同鉆頭研究了CFRP 在不同切削參數下的切削加工性能，結果表明，合理選擇切削參數可以減小軸向力，進而減小分層缺陷。Zitoune 等[34]采用納米涂層硬質合金鉆頭對CFRPAl 合金疊層材料進行鉆削加工，研究發現，在鉆削CFRP 過程中，采用納米涂層硬質合金鉆頭可以顯著降低加工的軸向力和表面粗糙度，軸向力的降低可以有效預防鉆削過程中的分層缺陷。Wang等[35]對比研究了三種不同的刀具：未涂層硬質合金鉆頭、金剛石涂層硬質合金鉆頭和AlTiN 涂層硬質合金鉆頭，實驗結果表明，金剛石涂層可以顯著減少刀具的磨損，而AlTiN 涂層硬質合金鉆頭由于在鉆削過程中出現氧化現象而未能有效降低刀具磨損速率。蘇飛等[36]研究單向碳纖維增強復合材料（ unidirectional carbon fiber reinforced polymer，UD-CFRP）孔出口分層發現：分層尺寸隨主軸轉速的增大而減小；而隨著進給速度的增加，分層形狀在主剛度方向有突變現象。對CFRP 鉆孔分層缺陷的研究發現，鉆削過程中的軸向力是產生分層缺陷最主要的因素，通過優化合理選擇切削參數、采用不同幾何形狀和帶有涂層的刀具是減少分層缺陷的有效途徑。同時，CFRP 鉆孔分層缺陷的研究為刀具結構優化和新制孔工藝開發提供了依據。

2.2 毛刺

毛刺是CFRP 在制孔加工過程中一種常見的缺陷，是由于在鉆削過程中刀具磨損，切削刃發生鈍化，無法沿圓周方向切斷纖維束而形成的。主要出現在鉆孔的出口和入口處，如圖8所示[37]。毛刺的出現會大大降低產品的質量，因此，毛刺的產生機理與抑制也是提高CFRP 鉆削加工質量研究的一個重點。

圖 8 毛刺[37]Fig. 8 Burr[37]

為了研究毛刺的產生機理和去除方法，學者們展開了一系列的探索和研究。李鳳全[37]分析了CFRP 制孔毛刺的形成過程，發現纖維角θ 對CFRP 的切削產生重要的影響，鉆頭切削刃會與被切 斷 的 纖 維 成 順 剪 切（0°＜θ＜90°）和 逆 剪 切（90°＜θ＜180°）兩種切削形式，而順剪和逆剪會對材料強度產生影響，如圖9 所示[37]，當順剪時，材料強度值大，纖維不容易被整齊切斷而形成毛刺缺陷；當逆剪時，材料強度值小，材料容易被剪斷而無毛刺產生。Heisel 等[38]采用優化工藝參數的方法降低了出口處毛刺的臺階高度。周井文等[39]研究得出，纖維的實際彎曲半徑大于理論最小彎曲半徑是產生毛刺的主要原因。Jia 等[40]通過在刃帶處增加鋸齒狀切削刃來實現反向切削，有效去除了鉆孔毛刺。Islam 等[41]提出一種電火花去除毛刺的方法，經若干次放電后去除毛刺。對毛刺的形成機理和去除方法已取得了一定的研究成果，但為了更好地抑制毛刺，提高制孔質量，對于毛刺與刀具材料參數、加工工藝參數等可變因素之間的關系還需要進一步地深入研究。

圖 9 純剪切條件下單向復合材料強度示意圖[37] （a）順剪切；（b）逆剪切Fig. 9 Shear strength of UD-CFRP[37] （a）forward shear；（b）reverse shear

2.3 撕裂

在CFRP 制孔加工時，撕裂現象在復合層壓板上下表面的纖維鋪層中較為常見，其不僅影響裝配質量，對CFRP 部件的使用性能也會產生影響。撕裂產生的原因是由于鉆削時材料的表層大面積分離，通常出口部位的撕裂缺陷遠大于入口部位，常見撕裂缺陷如圖10 所示[37]。

圖 10 撕裂[37]Fig. 10 Tear[37]

張厚江[5]研究了孔出口撕裂缺陷的形成機理，將孔出口兩側的撕裂長度平均值l 用作撕裂評估參數，如圖11 所示。李桂玉[42]根據鉆頭切削刃軸向力的分布規律，分析孔出口側撕裂和毛刺的產生原因，并對出口側撕裂長度進行測量分析，建立其與軸向力間的關系，獲得撕裂長度的預測公式。溫泉等[43]基于微米劃痕實驗研究了沿不同纖維方向切削加工時材料的破壞去除過程，結果表明，在制孔過程中撕裂缺陷較大可能發生在纖維方向垂直于刀具旋轉方向的區域。研究表明，撕裂缺陷的大小與切削參數有關，采用普通高速鋼麻花鉆鉆削時，進給量f 越大，撕裂越長；鉆頭轉速n 越大，撕裂越短；其中f 的影響更為顯著。鉆孔時在加工對象下面墊上鋁板或膠木板等，會明顯減輕撕裂缺陷的產生。

圖 11 孔出口撕裂評價參數[5]Fig. 11 Evaluation parameters of tearing at outlet of hole[5]

2.4 孔壁表面質量

CFRP 孔壁表面損傷不僅會影響零件的裝配質量，也會對交變載荷下飛機結構件的連接強度和疲勞壽命有重要影響，而對于CFRP 已加工孔的孔壁表面的質量，一般通過測量孔壁表面的粗糙度來進行分析。為了能夠獲得更好的孔壁表面質量，相關學者對影響粗糙度的因素進行了大量的實驗研究。

Ogawa 等[44]研究得出，進給速度增大引起鉆削力增加，這將導致孔壁表面質量降低。張厚江[45]發現，孔壁表面的粗糙度與切削方向和纖維方向之間的夾角有關。Tsao[46]利用電鍍金剛石套料鉆加工CFRP，結果表明：進給量和轉速是影響孔壁表面粗糙度的重要因素。Huang 等[47]采用田口實驗方法和人工神經網絡模型對CFRP 孔壁粗糙度進行實驗和預測，結果表明，主軸轉速和機床的進給速度對鉆削的粗糙度值影響較大。林偉等[48]研究了CFRP 高速鉆削過程中主軸轉速、進給速度和鉆頭刀尖角對孔壁表面粗糙度的影響，采用BP（backpropagation）神經網絡預測粗糙度值并將其與實驗數據進行對比。大量的研究表明，工藝參數對孔壁表面質量有直接影響，在一定程度上，選取適當的工藝參數可以減少孔壁表面損傷、提高制孔質量。但是，由于CFRP 及其疊層材料的特殊性能，制孔刀具對分層等缺陷的產生有重要的影響。因此，研究和開發適用于CFRP 及其疊層材料制孔的專用刀具和新型制孔加工技術是當前研究人員重點關注的一個方向。

3 CFRP 制孔刀具

鉆削加工是CFRP 復合材料制孔加工的主要加工方式，然而，CFRP 材料的高硬度、各向異性以及低層間應力等特點對制孔刀具的材料、結構等提出了更高的要求。優化刀具材料和幾何結構，進而提高制孔質量和刀具壽命，是解決CFRP 高效精密制孔加工的重要舉措。

3.1 刀具材料

刀具磨損而引起的制孔質量問題會嚴重影響裝配后飛機的整體服役性能。現階段航空構件中逐步開始使用的T800 級CFRP，其纖維增強相強度更大、硬度更高，纖維磨蝕性更強，在鉆削加工過程中，刀具磨損劇烈，如何提高刀具硬度和耐磨性，延長刀具使用壽命，保證制孔質量，科研人員從刀具材料入手進行了大量的研究。

目前，常用于CFRP 制孔加工的刀具材料主要有硬質合金鉆頭、耐磨涂層鉆頭及金剛石磨料套料鉆等。Chen[19]利用高速鋼和硬質合金麻花鉆研究不同切削參數下加工CFRP 的鉆削性能，發現硬質合金能較好地保持刃口鋒利性，有效降低出口分層等缺陷。Ferreira 等[49]分別采用陶瓷、立方氮化硼（CBN）和厚膜金剛石涂層刀具對CFRP 進行粗、精加工實驗，發現金剛石涂層刀具更具優越性。Taso等[50]分別使用金剛石套料鉆和普通麻花鉆加工高纖維含量的CFRP 材料，研究結果表明，金剛石套料鉆更有利于減小分層缺陷，并進一步優化其鉆孔的工藝參數。徐九華等[51]采用有序排布的金剛石磨粒制作釬焊套料鉆，并對套料鉆制孔中已加工表面的形成過程進行分析，實驗結果與分析表明：采用釬焊金剛石套料鉆加工CFRP 不僅可提高鉆頭的耐磨性，加工質量也得到了改善。Gaugel 等[52]通過對比分析金剛石涂層麻花鉆和非涂層麻花鉆的磨損行為和加工質量，發現金剛石涂層具有良好的耐磨性且可以有效地防止刀具鈍化和失效。通過大量研究表明，在刀具材料方面，可通過在鉆頭表面添加耐磨涂層或者選擇適用于切削CFRP 的新型材料鉆頭，有效地減少刀具磨損、提高刀具使用壽命。

3.2 刀具結構

通過對CFRP 鉆削機理的研究發現，不僅鉆頭材料會對CFRP 的鉆削性能有影響，鉆頭幾何結構也會對切屑形態、鉆削軸向力、鉆削溫度等產生一定的影響。合理設計鉆頭結構，不僅可以減少刀具磨損、提高刀具壽命，還能提高制孔質量。鑒于CFRP 的各向異性和層間的低黏附性，研究人員通過優化鉆頭的幾何形狀開發了各種新型刀具，提高了制孔質量和刀具耐用度。

Hocheng 等[53]研究設計了鋸齒鉆、燭心鉆、階梯鉆等多種新型鉆頭，如圖12 所示。研究發現，通過對新型鉆頭幾何參數的合理控制，均能獲得更大的臨界軸向力，減少分層發生的幾率。Fernandes等[54]考慮了麻花鉆加工CFRP 層合板的缺點，分別對橫刃、鉆尖角和螺旋升角進行優化改造，得到一種排屑快、鉆尖角較小的直槽鉆，如圖13 所示，可以有效提高CFRP 孔的加工質量。Tsao[55]開發了鉆-磨一體化階梯鉆，如圖14 所示，實驗分析發現，該新型鉆頭可提高制孔效率、減小加工缺陷。Jia 等[40]設計了一種擁有間歇鋸齒狀微觀結構的新型鉆頭，通過改變鉆孔出口的切削條件，有效地降低CFRP 鉆孔時的損傷。王福吉等[56]選用內冷雙頂角鉆頭，如圖15 所示，在鉆頭第二主切削刃末端開設內冷孔，利用微量冷卻潤滑（MQL）工藝，實現了鉆頭第二主切削刃鈍化磨損的有效抑制，顯著提升了CFRP 的制孔質量。

圖 12 三種新型鉆頭[53] （a）鋸鉆；（b）燭臺鉆；（c）階梯鉆Fig. 12 Three new types of bits （a）saw drill；（b）candle stick drill；（c）step drill[53]

圖 13 直槽鉆[54]Fig. 13 Straight trench drill[54]

綜上，為了有效地減少CFRP 制孔加工缺陷和刀具磨損，進一步提高制孔質量和刀具壽命，學者們研究并開發出了多種新型材料和特殊結構的刀具，但隨著新一代高性能CFRP 的研制和應用，CFRP 制孔技術的難度也增大，另外，CFRP-金屬疊層結構對制孔技術提出了更高的要求。

圖 14 鉆磨一體階梯鉆[55] （a）階梯芯麻花鉆；（b）階梯芯鋸鉆；（c）階梯芯燭臺鉆Fig. 14 Drilling and grinding integrated step drill[55] （a）Stepcore-twist drill；（b）Step-core-saw drill；（c）Stepcore-candlestick drill

圖 15 內冷雙頂角鉆頭[56]Fig. 15 Internal-cooled double-top angle bit[56]

4 CFRP 鉆削加工仿真

研究人員通過對CFRP 的制孔實驗研究，初步揭示了CFRP 的切削機理和刀具磨損機理，建立了刀具幾何形狀和工藝參數等可變因素同制孔質量之間的內在聯系；但是，在CFRP 制孔實驗過程中，不僅需要耗費大量的工件材料和新型結構刀具，而且鉆削是半封閉式加工，難以觀測切削的整個過程。隨著計算機與信息技術的快速發展，CFRP 切削過程的有限元模擬仿真得到很多研究者的青睞。有限元仿真不僅可以直觀觀測切削的整個過程，有效地獲得應力、應變、溫度等分布云圖，而且還可以降低實驗研究成本，為CFRP 高效精密制孔加工提供技術指導。

Arola 等[57]采用有限元法對單向復合材料的正交切削展開研究，結合最大應力準則和Tsai-Hill 準則模擬切屑的形成，重點討論了纖維取向和刀具幾何結構對復合材料斷裂應力的影響。Mahdi 等[58]將復合材料視為等效均質材料，利用有限元方法建立了二維切削力模型，根據切削條件和材料的各向異性，對切削力的變化進行了詳細的研究。Rao等[59]將CFRP 簡化為各向異性的均質材料，基于Tsar-Hill 失效準則建立3D 有限元模型，研究發現模擬的切削力和切屑與實驗結果較符合。Gao等[60]以材料變形彈塑性理論和熱耦合理論為基礎，采用Deform-3D 仿真軟件對CFRP 進行鉆削仿真，得出了切削力與扭矩在鉆削過程中的變化規律。金曉波等[61]對CFRP/Ti 疊層板和CFRP 的鉆削過程進行仿真模擬，得出大轉速、小進給的切削加工參數可得到較小的軸向力，改善孔出口的質量。齊振超等[62]基于VUMAT 定義材料本構模型，建立了CFRP 三維直角切削細觀幾何模型，模擬了不同纖維方向角度下的切削。盧明等[63]基于CFRP 本構模型對振動輔助制孔進行有限元仿真建模，研究表明：采用振動輔助鉆孔可以有效地改善孔的質量。安立寶等[64]通過模擬仿真CFRP 鉆削過程，基于響應曲面法建立鉆削軸向力的預測模型，研究和分析每個變量對軸向力的影響，CFRP 鉆削仿真模型如圖16 所示[64]。

圖 16 CFRP 鉆削仿真模型[64]Fig. 16 CFRP drilling simulation model[64]

相對于實驗研究，CFRP 鉆孔的模擬和仿真研究起步較晚，特別是CFRP 層合結構的鉆孔模擬仿真研究。由于其特殊的內部結構和力學性能，建立CFRP 更為準確可靠的材料本構模型仍然是研究熱點與難點。

5 CFRP 制孔加工新技術

為了實現CFRP 高效精密綠色加工，解決CFRP 制孔加工過程中的一些細節問題，變工藝參數鉆削加工、機器人自動制孔加工及吸氣式內排屑鉆削加工等新型制孔技術逐步用于復合材料加工領域。

5.1 變工藝參數鉆削技術

由于復合材料和金屬材料具有截然不同的材料屬性，在整個疊層材料制孔過程中，恒定的工藝參數難以實現高效精密制孔加工。由于刀具尺寸和加工效率的局限性，傳統的加工方法不適用于疊層材料微小孔加工。

針對CFRP-金屬疊層材料微小孔加工的這些難題和不足，王立江等[65]首次提出在每個孔加工的不同區段采用不同參數的變參數振動鉆削的新思路，并建立了變參數振動鉆削系統。李自軍等[66]提出了階躍式多元變參數振動鉆削的新方法，在鉆入、鉆中、交互區和鉆出的多區段鉆削模型基礎上，分析了交互區的分厚切削特性、自然分屑特性和多分離斷屑特性，以入鉆定位誤差、孔擴量、出口毛刺高度作為鉆削過程質量評價指標，進行了多元正交多項式回歸優化實驗，研究結果表明：階躍式多元變參數振動技術可以提高孔的加工精度，是實現疊層復合材料微小孔加工的一種有效的優化加工方法。Neugebauer 等[67]研究了一種基于聲發射信號的材料識別方法，研究發現，此方法不僅可以實時監控鉆削過程的不同階段，達到工藝參數的隨動控制，而且還能實現CFRP-金屬疊層材料制孔過程中不同鉆削階段參數可控的變工藝參數鉆削加工。變工藝參數鉆削技術，可以全面提高孔加工的各項質量指標，從一定程度上可以克服定參數鉆削技術的缺點，為提高CFRP-金屬疊層材料微小孔加工精度開辟了一條新途徑。

5.2 機器人自動制孔加工技術

近年來機器人技術迅速發展，在飛機制造業中得到廣泛應用，尤其是機器人制孔技術在飛機構件連接孔的制造過程中大量應用。孔的加工質量與效率對機械連接的強度和飛機裝配質量與效率有著極其重要的影響。在西方發達國家中，CFRP 制孔技術在航空制造業的應用已經發展的比較成熟，形成了很多新的工藝和工具設備，尤其是機器人自動制孔工藝被廣泛應用于飛機裝配過程中。

國外對自動制孔設備的使用已有幾十年的歷史，美國Electroimpact 公司研制了用于A380 機翼裝配的五軸制孔設備[68-69]，該公司與波音公司聯合設計的機器人自動制孔系統主要用于波音F/A-18E/F 超級大黃蜂后緣襟翼、波音737 副翼和機身表面的鉆孔和锪窩[70-71]。國內在自動制孔技術方面起步較晚，姚艷斌等[72]設計了基于上位機和PLC 的機器人自動制孔控制系統，能夠用于飛機鋁合金、鈦合金及其疊層部件的制孔。曲巍崴等[73]采用激光跟蹤儀對制孔系統進行閉環反饋補償，提高了機器人末端工具的位置精度和角度精度。隨著中國制造2025 的提出，智能工業機器人的應用逐步深入，特別是在航空制造領域CFRP 等材料自動化加工中。在未來的CFRP 制孔技術研究中，機器人自動制孔技術在我國具有很大的發展前景。

5.3 吸氣式內排屑鉆削加工技術

CFRP 制孔加工中產生的粉末狀切屑，對環境污染嚴重且危害人類健康。現階段，粉塵污染的處理主要采用人工方式吸走，沒有實現切屑自動回收處理，效率低、耗費大量資金，且影響工人的身體健康。

針對CFRP 制孔加工中切屑無法實時回收的問題，王義文等[74-75]提出一種新型鉆削加工排屑工藝系統—吸氣式內排屑系統，該系統由機床、CFRP 工件材料、內排屑鉆頭、外轉內排屑刀柄、排屑管路、氣泵、負壓生成裝置、切屑收集裝置等部分組成，結構示意圖[74]如圖17 所示。其中內排屑鉆頭和外轉內排屑刀柄內部帶有排屑流道。當機床工作時主軸驅動外轉內排屑刀柄進行鉆削加工，同時由氣泵提供壓力經負壓生成裝置轉換成負壓為系統提供吸屑動力，將切屑經由鉆頭的吸屑流道吸出，并經過內排屑鉆頭中的排屑流道及具有內排屑通道的外轉內排屑刀柄吸入到切屑收集裝置中，從而實現CFRP 材料的綠色鉆削加工。在常規條件下，CFRP 加工中產生的粉末狀切屑與刀具及孔壁間產生研磨作用，對刀具磨損和孔壁質量產生一定的影響；而吸氣式內排屑鉆削加工可將切屑第一時間從切削區域帶走，既減少了切屑對環境的污染，又降低了刀具-切屑-工件之間的磨粒磨損，同時還能降低切削溫度，提高制孔質量，對實現CFRP的綠色高質量孔加工具有重要的實際意義，是一種具有廣闊發展前景的CFRP 制孔加工新技術。

圖 17 吸氣式內排屑系統結構示意圖[74]Fig. 17 Structural sketch of suction type internal chip removal drilling system[74]

6 結束語

目前，在CFRP 制孔加工技術的研究中，關于切削機理、加工缺陷、制孔刀具等方面都已展開了深入廣泛的實驗研究和仿真模擬，但隨著飛機裝配要求的提高及新一代高性能CFRP 的研制和使用，制孔技術的難度也在逐步增加。在今后的CFRP制孔加工技術研究中，還需要進一步建立準確的鉆削力預測模型，研究鉆削熱和刀具磨損機理；研發高強度、耐磨損的刀具材料和涂層技術，優化刀具幾何參數和切削工藝參數，并促進新型CFRP 制孔加工技術的大力發展，實現CFRP 高效精密綠色加工。