劉逸航 ，滕云達(dá) ，耿大喜 ，2，張德遠(yuǎn) ，2

（ 1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，仿生與微納系統(tǒng)研究所，北京100191；2. 北京航空航天大學(xué)，北京生物工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100191 ）

碳纖維復(fù)合材料 （carbon fibre reinforced plastics，CFRP）兼具高強(qiáng)度-重量比、高剛度-重量比、高斷裂韌性和強(qiáng)耐腐蝕性等機(jī)械性能，在航空、航天和醫(yī)療制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 比如，空客A350XWB 飛機(jī) CFRP 用量占機(jī)身總重約 50%[1]，波音787 主體結(jié)構(gòu)中CFRP 使用比例已達(dá)57%，與同類型飛機(jī)相比可節(jié)省約20%的燃料[2]。

小直徑孔通常指直徑小于5 mm 的孔。 小直徑CFRP 孔已廣泛應(yīng)用于飛行器緊固孔、 大型醫(yī)療設(shè)備連接結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域， 但CFRP 自身存在的高脆性、弱抗沖擊力、弱導(dǎo)熱能力和弱層間結(jié)合強(qiáng)度等缺陷[3]，使其加工難度急劇增大。 當(dāng)前多采用麻花鉆加工小直徑CFRP 孔，存在嚴(yán)重的分層、燒傷、圓度誤差及孔粗糙度大、出口毛刺、撕裂嚴(yán)重等問題[4-5]。針對(duì)上述難題，有學(xué)者提出了一種“以磨代鉆”的工藝來改善CFRP 小孔加工質(zhì)量， 即將微小金剛石磨粒以電鍍、 釬焊或燒結(jié)的方式與空心刀具連接，對(duì)CFRP 材料進(jìn)行磨削加工。 高航等[6]使用電鍍金剛石套刀對(duì)CFRP 進(jìn)行套孔， 發(fā)現(xiàn)該套孔工藝相比于傳統(tǒng)鉆孔可降低約30%的軸向力，并使刀具壽命提高3～5 倍。 Butler-Smith 等[7]研制出一種 PCD 空心套料鉆， 其頂端有一層鋸齒結(jié)構(gòu)， 可用于磨削CFRP 小孔，該套刀相較于普通套刀可較大程度提升刀具壽命并能進(jìn)一步降低切削力、減小分層。 但是，金剛石套刀在加工過程中存在切削熱高、 堵屑等問題，大幅度降低了加工效率和孔的質(zhì)量[8]。

近年來，螺旋銑孔工藝逐漸興起，該工藝最早由Tonshoff 提出[9]，在該工藝條件下銑刀沿螺旋線進(jìn)給，可將其歸結(jié)為一種“以銑代鉆”的工藝。 Kihlman等[10]通過實(shí)驗(yàn)證明在軸向受力層面，螺旋銑孔大約是普通鉆孔的十分之一。 Sadek 等[11]從能量的角度研究了螺旋銑孔過程，發(fā)現(xiàn)螺旋銑孔過程中氣流流動(dòng)可以良好地散熱。 此外，螺旋銑孔工藝中直徑各不相同的孔可由同一柄刀具制作出來，有效地提高加工效率。 但在加工小直徑孔時(shí)，刀具尺寸隨之減小，剛性變差，加工時(shí)的讓刀現(xiàn)象較為嚴(yán)重，極易造成圓度超差，使加工精度下降。

本文在螺旋銑孔工藝的基礎(chǔ)上提出了一種適用于復(fù)合材料小孔加工的超聲振動(dòng)螺旋銑磨復(fù)合制孔工藝（以下簡稱“超聲銑磨”），解析了超聲銑磨制孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，分析了超聲銑磨制孔降低切削力、表面粗糙度和提高加工精度的機(jī)理，并使用自主研制的電鍍金剛石刀具進(jìn)行了復(fù)合材料超聲振動(dòng)螺旋銑磨孔和普通磨孔對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察了加工過程中的切削力變化，還在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測量了孔徑和表面粗糙度并比較兩種工藝。

1 超聲銑磨加工機(jī)理

超聲銑磨是基于普通螺旋磨孔在刀具頂端附加微米級(jí)的超聲振動(dòng)，此時(shí)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡由刀具沿著自身軸線旋轉(zhuǎn)、沿螺旋線方向進(jìn)給和沿軸線方向的超聲振動(dòng)復(fù)合而成（圖1）。 刀具運(yùn)動(dòng)過程中任一磨粒的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：R 為刀具半徑；A 為刀具軸線與孔中心線的偏心距；Fn為刀具自轉(zhuǎn)頻率；Fz為刀具沿孔中心線公轉(zhuǎn)頻率；vf為刀具進(jìn)給速度的軸向分量；a 為超聲振動(dòng)振幅；f 為超聲振動(dòng)頻率。

使用Matlab 軟件對(duì)式（1）進(jìn)行仿真，磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為圖2 所示的近似正弦軌跡。 從圖2 可看出，磨粒在前進(jìn)方向沿圓弧運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，還存在沿刀具軸線方向的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 超聲銑磨工藝實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)工件材料是尺寸為150 mm×45 mm×5 mm的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)所用刀具為自主設(shè)計(jì)的電鍍金剛石刀具。 如圖3 所示，刀具基體材料為45 鋼，下端設(shè)有螺紋柄，用于和超聲縱振換能器固連；上端切削刃部分電鍍了一層粒度為100、厚度為0.05 mm 的金剛石磨粒。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖4。 實(shí)驗(yàn)機(jī)床為BV100 立式加工中心， 超聲振動(dòng)電源和超聲振動(dòng)裝置均為自主研發(fā)，供電方式為導(dǎo)電滑環(huán)供電，超聲振動(dòng)裝置通過BT50 刀柄夾持在加工中心上， 實(shí)驗(yàn)中的切削力由Kistler9272 測力儀測量。

本次實(shí)驗(yàn)為對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 分別對(duì)CFRP 進(jìn)行超聲銑磨孔和普通銑磨孔實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)設(shè)定：冷卻條件為無冷卻干切；加工孔直徑為3 mm、深度為5 mm、進(jìn)給速度為60 mm/min； 超聲電源輸出頻率為25.5 kHz、振幅11 μm。 實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的改變參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速和軸向螺距，當(dāng)改變主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，軸向螺距設(shè)定為0.2 mm/r； 當(dāng)改變軸向螺距時(shí)， 主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000 r/min，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲銑磨切削力試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)經(jīng)測力儀測量得到的切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律見圖5?？梢姡瑑煞N工藝的軸向力與切向力均會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低，且主軸轉(zhuǎn)速對(duì)普通銑磨切削力的影響更為顯著。 在不同主軸轉(zhuǎn)速下，超聲銑磨的軸向力和切向力相比于普通銑磨均有明顯降低， 其中軸向力降幅范圍為53.8%～71.5%，切向力降幅范圍為25.5%～47%。

切削力隨著軸向螺距的變化曲線見圖6。可見，軸向螺距對(duì)超聲銑磨和普通銑磨的影響趨勢一致，當(dāng)軸向螺距增加時(shí)，兩種工藝的切削力均會(huì)隨之提高， 其中軸向力隨著軸向螺距提高的幅度較大，且兩種工藝的提升幅度較為接近。 此外，在不同的軸向螺距下，超聲銑磨的切削力相比于普通銑磨均有明顯下降，軸向力下降范圍為48.4%～69.9%，切向力下降范圍為47.0%～61.5%。

造成上述現(xiàn)象的原因可大致分析如下：刀具的端面和側(cè)面前端均電鍍有金剛石磨粒，端面的磨粒多參與底面材料去除，主要受軸向力影響；側(cè)面的磨粒多參與側(cè)面材料去除，主要受切向力影響。 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高時(shí)，由于進(jìn)給速度恒定，刀具自轉(zhuǎn)一圈去除材料的厚度和寬度均變小，軸向力和切向力降低；當(dāng)軸向螺距增大時(shí)，刀具去除材料的厚度增大，造成軸向力和切向力提高。

超聲銑磨過程中磨粒的切削形式為高頻斷續(xù)切削，與普通銑磨相比，其占空比降低、平均切削力下降。 此外，超聲銑磨引入的軸向超聲振動(dòng)會(huì)對(duì)復(fù)合材料纖維產(chǎn)生沖擊，造成纖維斷裂，同樣起到了降低切削力的效果。

3.2 超聲銑磨孔徑精度實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)使用基恩士超景深顯微鏡分別測量孔的入口處和出口處直徑，測量結(jié)果見圖7。 由圖7可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，孔徑更加接近于設(shè)計(jì)的孔徑（3 mm），軸向螺距提高時(shí)的情況則反之。 超聲銑磨的孔徑精度要高于普通銑磨的孔徑精度，出口處的孔徑精度大于入口處的，但入口處孔徑精度的提升幅度大于出口處的。

影響孔徑精度的主要因素是加工過程中切向力引起的讓刀現(xiàn)象，即切向力越大，讓刀現(xiàn)象越嚴(yán)重，孔徑精度就越低。 軸向超聲振動(dòng)會(huì)降低切向力，進(jìn)而提高孔徑精度，因此孔徑精度隨著上述工藝參數(shù)發(fā)的變化趨勢與切向力一致。 磨削進(jìn)行到孔出口處時(shí)，部分位置已被穿透，使出口處的切向力小于入口處的， 故出口處的孔徑精度大于入口處的，超聲振動(dòng)對(duì)出口處孔徑精度的提升作用也不如入口處的明顯。

3.3 超聲銑磨孔表面粗糙度實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)使用MarSurf M 300C 粗糙度測量儀測量孔的表面粗糙度，測量結(jié)果見圖8。 可見，普通銑磨的孔壁表面粗糙度為Ra4.91～6.36 μm，超聲銑磨的孔壁表面粗糙度為Ra2.29～3.12 μm，表面粗糙度值提高一個(gè)等級(jí)。 此外，在主軸轉(zhuǎn)速或軸向螺距變化時(shí)，表面粗糙度值均基本恒定。

由于超聲銑磨引入了軸向超聲振動(dòng)，磨粒存在縱向的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)磨粒在單次切削過程中運(yùn)動(dòng)的路程增加，實(shí)際切削面積增大，可將普通磨削過程中由磨粒高低不平產(chǎn)生的棱脊切除，從而降低加工孔的表面粗糙度。 原理見圖9。

4 結(jié)論

（1）超聲銑磨能大幅降低切削力。 切削力測量結(jié)果表明：軸向力與切向力均隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而降低、隨著軸向螺距的升高而升高。 超聲銑磨相比于普通銑磨能大幅降低切削力，相同參數(shù)條件下的軸向力降幅范圍為48.4%～71.5%、切向力降幅范圍為25.5%～61.5%。

（2）超聲銑磨能提高孔徑精度。 入口處與出口處的孔徑精度均隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而升高、隨著軸向螺距的升高而降低。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并分析了孔徑精度隨著工藝參數(shù)變化與切向力變化的關(guān)聯(lián)。

（3）超聲銑磨能降低孔表面粗糙度值，相比于普通銑磨可將表面粗糙度提升一級(jí)；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和軸向螺距改變時(shí)，表面粗糙度值均無明顯變化。