胡立湘 李鵬南 陳 明 邱新義

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201)

·工程實(shí)踐·

CFRP-TC4疊層板的鉆削實(shí)驗(yàn)

胡立湘 李鵬南 陳 明 邱新義

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201)

文 摘 采用硬質(zhì)合金麻花鉆對(duì)CFRP-TC4疊層板進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，分析了鈦合金層加工參數(shù)對(duì)鉆削力、鉆削溫度和加工孔質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增加，鈦合金層的軸向力逐漸減??；隨著鈦合金層進(jìn)給量的增加，鈦合金層與CFRP層的軸向力之比逐漸增加。運(yùn)用指數(shù)公式模型對(duì)鈦合金層軸向力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,得到軸向力與轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給量之間的關(guān)系式：Fz=2 088n-0.1222·f0.2016r，并對(duì)該方程進(jìn)行了檢驗(yàn)驗(yàn)證，誤差均小于10%；在鈦合金層進(jìn)給量不變時(shí)，隨著鈦合金層轉(zhuǎn)速的增加，CFRP的最大燒傷環(huán)直徑和層間最高溫度逐漸增加。

鉆削，軸向力，層間溫度，回歸分析，燒傷環(huán)

0 引言

CFRP-鈦合金疊層板具有較好的抗腐蝕性和韌性。在航空航天與國防軍工新產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)中正在得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]；由于CFRP和鈦金都屬于典型難加工材料并且具有不同的機(jī)械和熱學(xué)特性[2-3]，使得加工CFRP-鈦合金疊層板時(shí)刀具磨損、破損非?？焖伲瑥亩绊懣准庸べ|(zhì)量。因此一些專家學(xué)者進(jìn)行了一些研究。Kyung-Hee Park[4]發(fā)現(xiàn)鉆削CFRP-鈦合金疊層板材料刀具磨損的主要原因是鈦合金中硬質(zhì)物和硬質(zhì)纖維的刮擦以及切屑的粘結(jié)。M.Senthilkumar[5]分析了不同鉆頂角的麻花鉆鉆削CFRP-鈦合金疊層板時(shí)的刀具磨損，結(jié)果表明小鉆尖角的刀具磨損更嚴(yán)重。Dave.Kim[6]發(fā)現(xiàn)鉆削CFRP-鈦合金疊層板材料時(shí)，鈦合金層主要是加速刀具后刀面的磨損，CFRP層主要是損壞切削刃。在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，關(guān)于鉆削疊層板材料刀具磨損對(duì)鉆削力和鉆削溫度的研究較少。Redouane Zitoune[7]分析了鉆削CFRP-鋁合金疊層板材料時(shí)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)鉆削軸向力的影響。Bin Luo[8]建立了鉆削CFRP-鈦合金疊層板材料的鉆削軸向力預(yù)測(cè)模型，誤差值小于5%。本文主要對(duì)鉆削CFRP-鈦合金疊層板的鉆削力和鉆削溫度進(jìn)行了研究，此外還分析了鉆削溫度對(duì)孔質(zhì)量的影響等。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和刀具

刀具為整體硬質(zhì)合金麻花鉆，材料為K10，直徑為6 mm，鉆頂角為130°，螺旋角為25°；CFRP-TC4疊層板(碳纖維為T700，鈦合金為Ti6Al4V)，厚度分別為3和10 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

KV800數(shù)控銑床，四川長征機(jī)床廠；采用由Kistler 9253B23測(cè)力儀測(cè)量x、y、z三個(gè)方向的鉆削力，采樣頻率設(shè)置為8 kHz，鉆削軸向力測(cè)試系統(tǒng)見圖1。M & T HORIZON)快速響應(yīng)熱電偶采集儀測(cè)溫系統(tǒng)，上海好耐電子科技有限公司；日本基恩士超景深三維顯微系統(tǒng)(KEYENCE VHX-500FE)。

圖1 試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用干式切削，由于切削過程有導(dǎo)電粉塵產(chǎn)生，且CFRP的切屑硬度很高，對(duì)刀具損傷很大，因此在鉆削區(qū)域附近安裝吸塵口，及時(shí)吸走大量的粉塵。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

鉆削時(shí)分別采用不同的加工參數(shù)，CFRP層加工參數(shù)固定：n=2 000 r/min,f=0.025 mm/r)，鈦合金層加工參數(shù)變化(TC4層：n=(300、500、700、900)r/min，f=(0.03、0.04、0.05、0.06)mm/r，鉆削時(shí)從碳纖維復(fù)合材料層鉆入，鈦合金層鉆出。

2 結(jié)果和分析

2.1 鉆削力的研究

CFRP結(jié)構(gòu)鉆削所伴隨的分層現(xiàn)象，通常是復(fù)合材料應(yīng)用的瓶頸。減少CFRP層合板鉆削分層的關(guān)鍵在于降低制孔過程中的鉆削推力。由于CFRP具有較低的熱導(dǎo)率，且樹脂具有較低的轉(zhuǎn)變溫度(軟化或熔融)，因此鉆削過程中所產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致零件加工表面形成熱損傷。隨著刀具磨損的增加鉆削軸向力和鉆削溫度也隨之變化，從而影響孔加工質(zhì)量。

2.1.1 切削用量對(duì)鉆削力的影響

圖2為當(dāng)CFRP參數(shù)固定時(shí)，不同鈦合金層加工參數(shù)下不同鉆孔數(shù)的鉆削軸向力。隨著鉆孔數(shù)的增加，CFRP層和鈦合金層軸向力呈增加的趨勢(shì)。這是由于隨著鉆孔數(shù)的增加刀具的磨損也隨之增加導(dǎo)致刀具變鈍，而在高速下刀具的磨損程度相比于低速下更加嚴(yán)重。在相同加工參數(shù)下隨著鉆孔數(shù)增加鈦合金軸向力相比CFRP的軸向力增加更快速。此外,鈦合金層軸向力約為CFRP層的5倍左右。

圖2 不同孔數(shù)TC4的軸向力變化趨勢(shì)

圖3為當(dāng)CFRP層參數(shù)固定時(shí)，不同鈦合金層加工參數(shù)下的鉆削軸向力(20個(gè)孔的平均軸向力)。高鈦合金層轉(zhuǎn)速下的CFRP層的軸向力相比于低鈦合金層轉(zhuǎn)速下CFRP的軸向力更小。在進(jìn)給速度為0.05 mm/r下，轉(zhuǎn)速500 r/min、700 r/min分別比300 r/min的軸向力小了9.5%、12.0%。在低轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)給量的增加鈦合金層軸向力逐漸增加。這可能是由于隨著進(jìn)給量的增加切削溫度逐漸升高[9]，(而鈦合金的熱導(dǎo)率小，散熱情況差。)使得切屑粘結(jié)在切削刃上，導(dǎo)致排屑受阻，增大了軸向力。

在較高轉(zhuǎn)速下隨著進(jìn)給量的增加鈦合金層軸向力先增加后減小。一方面，隨著切削速度的增加切削溫度逐漸升高，導(dǎo)致鉆削力逐漸增加；另一方面，由于進(jìn)給量的增加切屑橫截面積也增加，使得斷屑更加容易(切屑的剛度隨著切屑的橫截面積增加而增加)，從而有利于切屑的排出；兩方面因素疊加最終導(dǎo)致在較高轉(zhuǎn)速下軸向鉆削力先增加后減小。

圖 3 鈦合金層軸向力變化規(guī)律

2.1.2 鉆削軸向力預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證

2.1.2.1 鉆削力建模

采用回歸分析方法，建立整體硬質(zhì)合金鉆頭鈦合金層鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式。在加工材料和刀具幾何參數(shù)確定的前提條件下，指數(shù)關(guān)系能夠較好的預(yù)測(cè)切削力與切削參數(shù)之間的這種復(fù)雜的關(guān)系，設(shè)鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為[10]：

Fz=D×ni×fjr

(1)

式中，D為常數(shù)，F(xiàn)z為軸向力，n為主軸轉(zhuǎn)速，fr為為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

2.1.2.2 鉆削力的擬合公式

把選中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入Matlab進(jìn)行擬合，得到鉆削力模型系數(shù)。為了驗(yàn)證該理論模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為900 r/min,進(jìn)給量為0.03、0.04、0.05和0.06 mm/r的參數(shù)來校驗(yàn)理論值和實(shí)測(cè)值的符合度。鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式擬合得：

D=2 088，i=-0.122 2，j=0.201 6

由(1)式可得：

(2)

可以看出，鈦合金的軸向力與轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量都密切相關(guān)。

2.1.2.3 鉆削力公式的驗(yàn)證

表1為900 r/min時(shí),不同進(jìn)給量下，軸向力的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較分析表。

表1 理論預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較分析

由表1可知，鈦合金軸向鉆削力的最大誤差為9.3%，軸向誤差值均小于10%，說明理論公式預(yù)測(cè)的軸向力同實(shí)驗(yàn)所得的軸向力較符合。

2.2 鉆削溫度的研究

2.2.1 切削用量對(duì)鉆削溫度的影響

鉆孔中的切屑變形，在動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)出一定的鉆削抗力，切屑基本變形和切屑與前刀面摩擦的能量消耗，并全部轉(zhuǎn)化成熱能，構(gòu)成了鉆削中的熱源。這些熱量由切削區(qū)經(jīng)刀具、工件和切屑等途徑散出。在切削熱的形成和消散過程中，刀具、工件、切屑均吸收一定比例的熱量。圖4為當(dāng)CFRP層參數(shù)固定時(shí)，不同鈦合金層加工參數(shù)下層間溫度的變化趨勢(shì)(CFRP和鈦合金的接觸區(qū))。隨著鈦合金層轉(zhuǎn)速的增加，層間溫度也增加。這可能是由于一方面隨著轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致鉆削溫度的上升，另一方面可能是由于隨著鉆削溫度的上升導(dǎo)致切屑不能順利排出，堵塞螺旋槽從而使熱量不能隨著切屑順利排出(切削時(shí)有相當(dāng)一部分熱量傳入了切屑[2])。

圖4 鉆孔數(shù)與層間溫度的變化曲線

2.2.2 鉆削溫度對(duì)孔質(zhì)量的影響

在鉆削CFRP-鈦合金疊層板時(shí)，由于鈦合金的熱導(dǎo)率很低導(dǎo)致鉆削鈦合金層時(shí)鈦合金層的溫度很高，從而使得CFRP結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(CFRP的溫度不能超過120℃)。在轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，進(jìn)給量為0.03、0.04、0.05、0.06 mm/r，CFRP層均出現(xiàn)燒傷。在進(jìn)給量為0.06 mm/r，轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，在鉆削第十個(gè)孔時(shí)也出現(xiàn)燒傷。圖5為當(dāng)CFRP層參數(shù)固定時(shí)，不同鈦合金層加工參數(shù)下的燒傷圖。

如圖6所示，隨著鉆孔數(shù)的增加，燒傷區(qū)域逐漸增加。這是由于一方面，隨著鉆孔數(shù)的增加刀具磨損也增加，使得鉆削溫度也逐漸增加；另一方面，隨著鉆削溫度的增加切屑的折斷越來越困難，使切屑在CFRP出口處積聚加劇了其燒傷。

在高速下出現(xiàn)燒傷相比于低速下出現(xiàn)更早，在進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，轉(zhuǎn)速為900 r/min相比于轉(zhuǎn)速為700 r/min和500 r/min，出現(xiàn)燒傷更早。此外，相同孔數(shù)下在高速下的燒傷環(huán)的最大半徑相比于在低速下燒傷環(huán)最大半徑更大。在進(jìn)給量為0.06 mm/r且鉆孔數(shù)為第20個(gè)孔時(shí)，轉(zhuǎn)速900 r/min時(shí)的最大燒傷環(huán)半徑比轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)最大燒傷環(huán)半徑大了10.4%。

圖(a)～(d)轉(zhuǎn)速為900 r/min，圖(e)轉(zhuǎn)速為700 r/min。

圖5 碳纖維復(fù)合材料燒傷圖

Fig.5 Burns of carbon fiber composite material

圖6 鉆孔數(shù)與最大燒傷環(huán)半徑的變化曲線

3 結(jié)論

(1)隨著轉(zhuǎn)速的增加，鈦合金層的軸向力先增加后減??；隨著鈦合金層進(jìn)給量的增加，鈦合金層與CFRP層的軸向力之比逐漸增加。通過回歸分析可以得到鉆削軸向力的經(jīng)驗(yàn)公式，誤差均小于10%，根據(jù)上述擬合表達(dá)式，可以對(duì)鉆削軸向力進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2)在鈦合金進(jìn)給量為0.03 mm/r時(shí)，隨著鈦合金轉(zhuǎn)速的增加層間溫度逐漸增加；隨著鉆孔數(shù)的增加層間溫度也呈增加趨勢(shì)。

(3)在鈦合金層進(jìn)給量不變時(shí)，鈦合金層的低轉(zhuǎn)速下碳纖維復(fù)合材料的最大燒傷環(huán)半徑最??；隨著鉆孔數(shù)的增加最大燒傷環(huán)半徑也呈增加趨勢(shì)。

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Investigation of Drilling CFRP - TC4 Stacks

HU Lixiang LI Pengnan CHEN Ming QIU Xingyi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)

Using carbide twist drills，the influence of machining parameters on cutting force, cutting temperature and hole quality of titanium alloy have been analyzed. The results show that with the increase of speed, axial force of the titanium alloy layer decreases gradually, and with the increase of feed,the specific value axial force of CFRP/titanium alloy layer ratio increase gradually.The exponential formula models of drilling force were obtained through regression analysis method and the regulation of the drilling force influenced by the feed and cutting speed was obtained respectively，F(xiàn)z=2 088n-0.1222·f0.2016r. The error of the two equations have been tested both less than 10%. When the feed is constant on titanium alloy layer, with the increase of speed on titanium alloy layer, the maximum discoloration ring diameter and the highest interpass temperature of CFRP increased gradually.

Drilling,Drilling axial force,Interpass temperature，Regression analysis，Discoloration ring

2016-04-05；

2017-02-13

國家自然科學(xué)基金(N0.51275168)

胡立湘，1991年出生，碩士，主要研究碳纖維復(fù)合材料-鈦合金疊層板加工系列化刀具切削性能。E-mail:924079729@qq.com

TH16

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.019