溫度對CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔亞表面質量的影響*

王 奔，王禹封，趙 華，馬書娟，莊 鑫

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點實驗室，沈陽 110136)

0 引言

螺旋銑孔是利用銑削原理進行制孔加工的方法[4]。在加工過程中，銑刀沿著螺旋路徑運動，并且可以在不更換刀具的情況下通過改變刀具中心與孔軸線的偏心距來加工不同直徑的孔，從而提高了加工效率降低了加工成本[5]。相比于常規鉆孔加工，螺旋銑孔的軸向力、切削溫度低，切屑的排出條件好，制孔質量及刀具壽命有顯著提高[6]。

由于制孔環境相對封閉，并且加工鈦合金時會產生高溫，導致切削區域溫度快速升高，很可能超過CFRP的玻璃化轉變溫度[7]。CFRP加工中的高溫會使樹脂基體軟化[8]，甚至在較短的時效期內導致熱降解，影響CFRP的力學性能[9]。此外，切削溫度通常在CFRP孔出口達到最大值。如果切削溫度超過CFRP的玻璃化轉變溫度，CFRP孔出口附近容易發生分層、撕裂和毛刺等損傷?？椎膿p傷較嚴重時也會降低已加工CFRP力學性能[10]。Wang F等[11]通過加工試驗發現，當切削溫度超過玻璃化轉變溫度時，樹脂會發生熱降解，樹脂無法對碳纖維提供足夠的支撐，導致加工質量差。Brinksmeier E等[12]和Pecat O等[13]討論了不同CFRP工件溫度對加工質量的影響。他們發現碳纖維的彎曲程度與熱影響區的深度有關，這表明切削溫度會影響加工質量以及切削加工引起的損傷。

目前對CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔的研究很多，但大部分研究都是針對不同加工方式或者切削參數對疊層構件表面損傷的影響。但是加工過程中切削溫度會影響CFRP的亞表面質量。因此，本文通過CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔試驗，以CFRP孔下方有無鈦合金作為對比，探討CFRP孔出口附近的溫度變化，分析切削溫度對CFRP孔壁亞表面質量的影響。

1 試驗設計

1.1 工件材料及刀具

本次試驗使用的CFRP鋪層角度分別為0°、45°、90°、-45°、-45°、90°、45°、0°，厚度為2 mm。使用的鈦合金牌號為Ti-6Al-4V，厚度為5 mm。螺旋銑孔刀具選用Sandvik Coromant公司公稱直徑4 mm的硬質合金銑刀。

1.2 試驗方案及設備

試驗在VMC850B數控加工中心上進行，試驗布置如圖1所示。加工過程中不使用冷卻液。在CFRP/Ti疊層構件加工過程中，鈦合金的支撐有利于復合材料制孔出口質量的提高，因此其支撐作用是影響加工質量的重要因素。

圖1 CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔加工示意圖

本文針對CFRP/Ti疊層構件的螺旋銑削加工，采用兩種加工方式。方式1：將鈦合金預先加工一個φ6 mm通孔，然后將CFRP放置于鈦合金上且不改變加工參數，再對CFRP進行加工，即單獨為復合材料進行加工，鈦合金僅作為支撐板，如圖1a所示。方式2：對CFRP/Ti疊層構件進行螺旋銑削一體化加工，如圖1b所示。螺旋銑孔的加工參數列于表1。本文共進行了7組測試。

表1 螺旋銑削加工參數

切削溫度采用FLIR T630sc紅外熱像儀進行測量。工作溫度為-40 °C～160 °C，圖像采集頻率為50～200 Hz。為了保證數據的準確性和可靠性，設備的溫度分辨率小于0.1 °C。測量切削溫度時，工件和紅外熱像儀位置如圖1所示。本試驗中，孔壁距離工件邊緣0.5 mm，紅外熱像儀與工件之間的距離為500 mm。

為實現對孔壁亞表面的觀測，需將CFRP做成樹脂嵌塊后進行研磨拋光。先用800號砂紙粗磨5 min，然后用1000號砂紙進行半精磨5 min，最后用1500號砂紙精磨10 min。然后使用金相拋光機拋光，采用粒度為W2.5的金剛石拋光懸浮液，拋光時間15 min。采用VHX-2000C超大景深光學三維顯微鏡觀察CFRP孔壁亞表面表面質量。

參照 GB/T 3543.4-1995農作物種子檢驗規程,進行標準發芽試驗,每處理 4次重復,每重復隨機取100粒凈種子。逐日記載發芽種子數,第8天為末次計數。發芽結束后,每個處理隨機取 10株正常幼苗,測定幼苗芽長、根長和鮮重,并計算發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數[12]。各指標具體計算方法如下:

2 結果與討論

2.1 切削溫度

如圖2所示為加工CFRP時切削溫度的變化情況。從圖中可以看出加工每個纖維層時的切削溫度。如圖所示，從第6層開始，兩種加工方式的切削溫度開始出現顯著差異，方式2的切削溫度為98 ℃，比方式1高了近10 ℃。當加工到第7層時，方式2的切削溫度為105 ℃，比方式1高了近15 ℃。當加工到第8層時，方式2的切削溫度達到了124 ℃，比方式1高了近25 ℃。因此，當刀具加工完CFRP時方式2加工的的溫度比方式1加工的溫度高了20%。并且方式1加工時，從第6層到第8層切削溫度上升了12%。方式2加工時，從第6層到第8層切削溫度上升了22%。

圖2 兩種方式加工下CFRP的切削溫度變化情況

在CFRP/Ti疊層構件鉆孔過程中，當刀具加工至CFRP和Ti界面時，在一定時間內刀具同時對復合材料和鈦合金進行切削。當同時切削復合材料和鈦合金時切削溫度開始大幅度上升。導致加工CFRP出口處纖維層時切削溫度過高。另外，圖切削深度為2 mm之后(即圖中第8層纖維層后續部分)為加工鈦合金時的溫度，因為本文不對此進行研究所以沒有展示。

復合材料溫度的升高，可能導致材料性能的變化，產生不可逆轉的性能轉變，導致材料使用性能下降。根據不同纖維層的復合材料溫度變化，方式2加工時第8層切削溫度達到了124 ℃。第7層纖維層的溫度達到了105 ℃。根據Wang B等[14]進行的復合材料的動態力學性能分析(DMA)測試，方式2加工時CFRP中樹脂基體的儲能模量比方式1加工時下降了近35%，損耗模量上升了50%。

因此，當加工溫度過高接近玻璃化轉變溫度時，基體樹脂的儲能模量和損耗模量分別下降和增加。這導致基體樹脂的內聚性和剛性性能大大降低。Wang C等[15]發現當加工溫度達到玻璃化轉變溫度時，基體樹脂的機械性能將發生顯著變化，這會導致樹脂降解并與碳纖維脫粘。Wang B等[14]通過在不同溫度下熱處理后的彎曲試驗，分析了熱影響區(HAZ)對加工后的CFRP彎曲性能的影響。他們指出熱處理溫度接近玻璃化轉變溫度(GTT)會導致彎曲強度大大降低。因此導致CFRP加工過程中基體樹脂性能下降，纖維無法從基體樹脂中獲得足夠的支撐，這對CFRP的加工質量特別是表面和亞表面的損傷有很大影響。

2.2 孔壁亞表面質量

為了便于研究纖維層的亞表面損傷情況，對每層纖維層上4種典型切削角度(θ=0°，θ=90°，θ=45°，θ=135°)所對應的亞表面損傷進行觀測。切削角度是刀具運動方向與纖維鋪層方向之間的夾角，由于纖維性能的各向異性，切削角度對纖維損傷形式具有重要影響。如圖3所示為孔圓周上不同切削角度觀測位置的示意圖。

(a) CFRP纖維層位置及序號示意圖

(b)第8層纖維層上亞表面損傷觀測位置 圖3 纖維層序號及切削角度觀測位置示意圖

由于兩種加工方式加工時切削溫度的最大差異出現在第8層纖維層上，所以下面對兩種加工方式下加工的CFRP第8層纖維層的亞表面形貌進行分析。

如圖4所示為當切削角度為0°時，兩種加工方式下的CFRP孔壁亞表面，皆有不同程度的纖維橫向斷裂，方式二的損傷范圍更大。原因是當形成已加工表面時，刀具刀尖與后刀面結合處會對已加工表面的纖維造成擠壓導致纖維彎曲，然后發生彈性回彈[16]。但是因為出口纖維層的切削溫度高，基體的強度下降，導致纖維被刀具壓碎并脫落，因此已加工表面出現了橫向凹坑。

(a) 方式1

(b)方式2 圖4 切削角度為0°時亞表面形貌

如圖5所示為切削角度為135°時，兩種加工方式產生的亞表面加工損傷均較嚴重。方式1加工時亞表面最大損傷深度為45.2 μm，方式2加工時亞表面最大裂紋深度為54.7 μm，長度為205.3 μm。損傷形式主要為纖維彎曲斷裂，并且斷裂損傷的端口有向材料內部擴散的趨勢。由于靠近出口處切削溫度高，基體的剛度和粘結性能下降，從而導致纖維與基體之間結合強度低，纖維受到彎曲后不能從基體上獲得足夠的支撐，因此在彎曲幅度較大時容易發生斷裂并彼此傳遞，從而形成較長的彎曲斷裂斷口。

(a) 方式1

(b)方式2

如圖6所示為切削角度為90°時，兩種加工方式下，孔壁亞表面都存在微裂紋和纖維基體脫粘損傷，并且纖維在靠近孔壁表面處存在嚴重的纖維彎曲。微裂紋是由于加工表面受到刀具圓角沿垂直方向的壓應力，造成已加工表面的纖維發生擠壓彎曲。當應力超過了碳纖維的強度極限，已加工表面的纖維-基體就會發生彎曲斷裂從而在亞表面形成微裂紋。

(a) 方式1

(b)方式2 圖6 切削角度為90°時亞表面形貌

如圖7所示為切削角度為45°時，已加工表面存在有規律的斷裂凹坑，且方式2加工時，纖維損傷程度更大。方式2的碳纖維凹坑最大深度為30.1 μm，方式一的碳纖維凹坑深度為24.8 μm。

(a) 方式1

(b)方式2 圖7 切削角度為45°時亞表面形貌

通過上述分析可得，方式2加工時，在孔出口處的切削溫度超過了CFRP的玻璃化轉變溫度，并且第8層纖維層亞表面損傷程度很大，包括纖維脫粘，彎曲和裂紋。然而，方式1加工時，在孔出口處的切削溫度不超過玻璃化轉變溫度，其亞表面損傷程度遠小于方式2。Pecat O等[13]也得出了類似的試驗結果。他們指出，基體在受到熱損傷后不能有效地支撐纖維，從而導致纖維在加工區域的亞表面上斷裂。此外，Haeger A等[17]指出，制孔引起的損傷是疲勞早期剛度退化的決定性因素。他們認為在疲勞壽命的早期，孔的損傷促進了疲勞裂紋的擴展。因此，螺旋銑孔產生的孔壁亞表面損傷對CFRP的彎曲疲勞性能有負面影響，從而降低CFRP的使用性能。

3 結論

本文對CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔加工后CFRP的亞表面質量進行了分析，研究了切削溫度對CFRP孔壁亞表面的影響。結論如下：

(1)CFRP/Ti疊層構件螺旋銑孔過程中，在同時加工鈦合金和CFRP的疊層界面處，鈦合金會影響加工CFRP的切削溫度，導致CFRP的切削溫度提高了20%。證實鈦合金對CFRP的切削溫度有較大影響。

(2)孔下方有Ti的CFRP孔出口處亞表面最大損傷深度為54.9 μm，比單獨加工CFRP高17%。由于孔出口處切削溫度升高導致的樹脂性能下降，導致亞表面損傷程度加深。

(3)當切削角度為0°和90°時，CFRP亞表面損傷程度小；切削角度為45°時，損傷程度較大，切削角度為135°時損傷程度最大。同時，由于不同纖維層的溫度不同，同一切削角度在不同纖維層上的損傷程度不同。