邱建平，陳金祥，周 瑩，孟憲本，楊選宏，郭飛燕

（1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089；2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

在飛機(jī)裝配過程中，需將不同的零件、部件進(jìn)行有效的連接，其中使用最多的連接形式為鉚釘連接和螺栓連接[1–2]。為實(shí)現(xiàn)這兩種連接，需要在零部件上進(jìn)行制孔。飛機(jī)裝配過程中的制孔數(shù)量巨大，制孔作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，制孔質(zhì)量要求高，使得制孔加工成為重要且艱巨的工作[3–4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)裝配過程中，制孔加工的工作量占裝配總工作量的80%左右[5]。

近些年，纖維增強(qiáng)樹脂基碳復(fù)合材料 （CFRP）和鈦合金（Ti）因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中被大量使用[6–7]，使得飛機(jī)裝配過程中出現(xiàn)了大量的CFRP/Ti 疊層構(gòu)件一體化制孔需求。CFRP具有各向異性、非均質(zhì)、層間強(qiáng)度低、碳纖維硬度高等特點(diǎn)[8–9]；Ti 具有硬度高、易粘刀、切削溫度高、化學(xué)活性大等特點(diǎn)，兩者均為典型的難加工材料。在進(jìn)行CFRP/Ti疊層構(gòu)件制孔時(shí)，由于兩種材料工藝特性差異巨大，刀具和工藝參數(shù)匹配困難，制孔難度進(jìn)一步增大，成為當(dāng)前飛機(jī)裝配過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

在CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的制孔過程中，傳統(tǒng)的鉆孔工藝表現(xiàn)出刀具磨損快、加工缺陷多、孔壁質(zhì)量差、尺寸易超差等不足。為保證制孔質(zhì)量，鉆孔后通常還需進(jìn)行擴(kuò)孔、鉸孔等加工，嚴(yán)重影響制孔效率，同時(shí)大幅增加了刀具成本，在大直徑孔的加工中此類問題尤為明顯。為實(shí)現(xiàn)CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的高質(zhì)、高效、低成本加工，Pereira等[10]提出了以螺旋銑孔替代傳統(tǒng)鉆孔的制孔新方法。螺旋銑孔是一種銑削加工工藝，刀具自身高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著螺旋軌跡進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)連接孔的加工[11]。由于加工原理不同，螺旋銑孔相對(duì)傳統(tǒng)鉆孔表現(xiàn)出許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)[12–14]。Brinksmeier 等[15–16]開展了螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明螺旋銑孔過程的軸向力、切削溫度均低于傳統(tǒng)鉆孔，且刀具壽命、加工效率和表面質(zhì)量也有明顯提高。Denkena 等[17]進(jìn)行了螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，由于螺旋銑孔的加工孔徑由刀具直徑和螺旋進(jìn)給軌跡直徑共同決定，因此可以實(shí)現(xiàn)1 把刀具加工多種孔徑。Sadek 等[18]分析了在復(fù)合材料螺旋銑孔過程中加工缺陷產(chǎn)生的原因，結(jié)果表明，螺旋銑孔相對(duì)傳統(tǒng)鉆孔更不容易產(chǎn)生復(fù)合材料的出口分層。Voss 等[19]進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)來對(duì)比螺旋銑孔與鉆孔的制孔效果，結(jié)果表明，螺旋銑孔在加工復(fù)合材料時(shí)可以獲得更好的孔壁質(zhì)量。由于采用螺旋銑孔方法加工出的連接孔質(zhì)量好，無須再進(jìn)行擴(kuò)孔、鉸孔等加工即可達(dá)到最終質(zhì)量要求，從而實(shí)現(xiàn)單工序制孔，大幅提高了生產(chǎn)效率并降低刀具成本，在大直徑孔加工中優(yōu)勢(shì)尤為明顯。國外已有公司研發(fā)了螺旋銑孔專用裝備，并被波音公司采購，投入到787 客機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中，獲得了較好的制孔效果。

但另一方面，國內(nèi)外學(xué)者在針對(duì)CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔技術(shù)研究和應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，螺旋銑孔在制孔精度方面還存在一些問題。Denkena 等[17]進(jìn)行了CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的螺旋銑孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，螺旋銑孔過程中刀具受力會(huì)產(chǎn)生變形，由于兩種材料產(chǎn)生的切削力大小不同，刀具變形幅度不同，導(dǎo)致層間孔徑產(chǎn)生偏差，CFRP 層較Ti 層孔徑偏小，影響制孔尺寸精度。Zhou[20]和 Wang[21]也進(jìn)行了CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的螺旋銑孔試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)了制孔后的層間孔徑偏差。CFRP/Ti疊層構(gòu)件的螺旋銑孔層間孔徑偏差產(chǎn)生原因與螺旋銑孔原理有關(guān)，與傳統(tǒng)鉆孔時(shí)的層間孔徑偏差形成原因區(qū)別較大[22]。CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的層間孔徑偏差會(huì)影響制孔精度，是螺旋銑孔技術(shù)應(yīng)用過程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

針對(duì)CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔加工中的層間孔徑偏差問題，首先搭建了螺旋銑孔試驗(yàn)裝置并開展了加工試驗(yàn)，檢測(cè)了實(shí)際加工孔徑；然后基于試驗(yàn)結(jié)果分析了CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差的形成原因；接著提出了改變工藝參數(shù)加工方法，分別通過改變工藝參數(shù)和銑削方式來減小CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的層間孔徑偏差；最后進(jìn)行了變工藝參數(shù)加工效果的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 螺旋銑孔加工原理

螺旋銑孔是一種銑削加工工藝，加工原理如圖1所示[11]。螺旋銑孔使用特制立銑刀，銑刀高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著螺旋軌跡進(jìn)給，在工件上銑削出一個(gè)直徑大于銑刀直徑的圓孔。

圖1 螺旋銑孔加工原理[11]Fig.1 Principle of helical milling[11]

刀具在主軸驅(qū)動(dòng)下的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又稱為自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用n表示。刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由兩部分組成，一部分是刀具繞孔軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用no表示；另一部分是刀具沿軸線方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向通常按照銑刀螺旋角方向確定，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向則可以在加工過程中進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，為順銑加工；當(dāng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，為逆銑加工。刀具軸線與加工孔軸線之間的距離 （螺旋進(jìn)給軌跡的半徑）稱為偏心量，用e表示；Dt為刀具直徑；Dh為加工孔直徑，三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為Dh=Dt+2e。在刀具直徑不變的條件下，通過改變偏心量，即可改變螺旋銑孔的加工孔徑。利用這一原理，當(dāng)加工孔徑與目標(biāo)孔徑出現(xiàn)偏差時(shí)，可以在不更換刀具的情況下，通過微調(diào)偏心量進(jìn)行螺旋銑孔尺寸偏差的補(bǔ)償。但對(duì)于CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的制孔，由于螺旋銑孔過程中實(shí)時(shí)調(diào)整偏心量較為困難，需要研究其他減小層間孔徑偏差的方法。

2 螺旋銑孔試驗(yàn)裝置

使用大連理工大學(xué)研制的便攜式螺旋銑孔單元作為螺旋銑孔試驗(yàn)的加工設(shè)備，如圖2所示。便攜式螺旋銑孔單元具有主軸旋轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給3 個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)功能，可使刀具在自身高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿螺旋軌跡進(jìn)給。便攜式螺旋銑孔單元的主軸由氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)馬達(dá)功率800 W。通過改變氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)氣壓力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍1000～3000 r/min。主軸前端通過ER16 彈簧筒夾進(jìn)行刀具裝夾。公轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0～40 r/min；軸向進(jìn)給速度0～200 mm/min；軸向進(jìn)給行程80 mm。通過手動(dòng)方式進(jìn)行偏心量的調(diào)節(jié)，偏心量調(diào)節(jié)范圍0～3 mm，偏心量數(shù)值可通過偏心刻度環(huán)讀取，調(diào)整完畢后旋緊偏心鎖死螺釘保證制孔過程中偏心量不發(fā)生改變。

圖2 便攜式螺旋銑孔單元Fig.2 Portable helical milling unit

試驗(yàn)采用的刀具為螺旋銑孔專用銑刀，如圖3所示，整體硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，4 刃，切削部分直徑9 mm，切削頭部有效切削刃長(zhǎng)度6 mm，螺旋角15°，具有4個(gè)中心冷卻孔。

圖3 螺旋銑孔刀具Fig.3 Cutting tool of helical milling

試驗(yàn)材料為CFRP/Ti 疊層構(gòu)件。其中，CFRP 層為厚度6.3 mm 平板 （碳纖維牌號(hào)T800）；Ti 層為厚度10.2 mm 平板 （牌號(hào)TC4）。制孔加工時(shí)刀具從CFRP層切入，從Ti 層切出。

螺旋銑孔試驗(yàn)裝置如圖4所示，工件夾持在螺旋銑孔專用鉆模板上。制孔加工前首先將對(duì)接套安裝在便攜式螺旋銑孔單元前端，然后利用對(duì)接套前端的機(jī)械結(jié)構(gòu)將便攜式螺旋銑孔單元固定在鉆模板上。對(duì)接套上的吸塵管連接吸塵器，加工過程中實(shí)時(shí)排出切屑。加工條件為干切削，加工過程中通過刀具中心冷卻孔吹入壓縮空氣進(jìn)行冷卻。

圖4 螺旋銑孔試驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental setup of helical milling

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔試驗(yàn)

在相同的工藝參數(shù)條件下 （表1）進(jìn)行CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的螺旋銑孔試驗(yàn)，連續(xù)加工了5 個(gè)孔徑均為12 mm的孔，加工后的試驗(yàn)件如圖5所示，CFRP 層入口、Ti 層出口無明顯加工缺陷，孔壁光滑無明顯劃痕。加工后使用日本三豐公司生產(chǎn)的468 系列數(shù)顯內(nèi)徑千分尺測(cè)量加工孔徑，測(cè)量精度± 2 μm。對(duì)每個(gè)加工孔的CFRP 層和Ti 層均進(jìn)行了孔徑測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。CFRP層和Ti 層的加工孔徑均小于目標(biāo)孔徑（12 mm）。隨著制孔數(shù)量的增加，CFRP 層和Ti 層的加工孔徑均逐漸減小，這主要是由于刀具磨損造成的。CFRP 層和Ti 層之間始終存在明顯的孔徑偏差，CFRP 層孔較大，Ti 層孔較小，孔徑偏差在0.05～0.07 mm 之間。

圖5 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔試驗(yàn)件Fig.5 CFRP/Ti stacks after helical milling

表1 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的工藝參數(shù)Table 1 Parameters of helical milling CFRP/Ti stacks

3.2 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差形成原因分析

螺旋銑孔為偏心銑削工藝，加工過程中銑刀端刃和周刃同時(shí)參與切削，其中銑刀周刃與工件接觸角度為180°，刀刃斷續(xù)切削工件，導(dǎo)致銑刀周刃所受到切削力的合力沿孔半徑方向的分量不為0，產(chǎn)生徑向切削分力。銑刀在徑向切削力的作用下，將產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致實(shí)際加工孔徑與目標(biāo)孔徑不一致。如圖7所示[23]，在順銑時(shí)，銑刀受到的徑向切削力 （Fr）方向由刀具中心指向加工孔中心，導(dǎo)致螺旋銑孔加工出的實(shí)際孔徑小于目標(biāo)孔徑；逆銑時(shí)，銑刀受到的徑向切削力方向則由加工孔中心指向刀具中心，導(dǎo)致螺旋銑孔加工出的實(shí)際孔徑大于目標(biāo)孔徑。在CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔過程中，加工CFRP層和Ti 層產(chǎn)生的徑向切削力大小不一致，且加工Ti 層產(chǎn)生的徑向力更大。這導(dǎo)致加工Ti 層時(shí)，刀具變形幅度更大，加工孔徑與目標(biāo)孔徑偏差更大。因此，CFRP/Ti 疊層構(gòu)件產(chǎn)生了層間孔徑偏差，且Ti 層孔徑小于CFRP 層，產(chǎn)生出如圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果。在銑刀由CFRP 層切入Ti 層的過程中，由于銑刀周刃具有一定的長(zhǎng)度，在某一時(shí)段內(nèi)銑刀周刃將同時(shí)與CFRP 層和Ti 層接觸。如圖8所示，此時(shí)，由于Ti 層孔徑小于CFRP 層孔徑，Ti 層材料對(duì)銑刀的推擠作用會(huì)使銑刀周刃遠(yuǎn)離CFRP 層材料，同時(shí)銑刀周刃又帶有小角度的倒錐設(shè)計(jì)，因此銑刀周刃與CFRP 層只存在較弱的摩擦作用，不會(huì)對(duì)加工孔徑產(chǎn)生較大影響。

圖6 相同工藝參數(shù)條件下CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的孔徑變化Fig.6 Variation of holes diameter in helical milling CFRP/Ti stacks with the same parameters

圖7 徑向力引起的螺旋銑孔孔徑偏差[23]Fig.7 Hole diameter deviation of helical milling caused by radial force[23]

圖8 銑刀在疊層界面處的受力狀態(tài)Fig.8 Stress of milling cutter at interface of stacks

3.3 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的變工藝參數(shù)螺旋銑孔方法

CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差主要是由于加工不同材料時(shí)刀具所受徑向力大小不一致造成的。為減小層間孔徑偏差，可采用變工藝參數(shù)加工方法，如圖9所示。首先使用第1 組參數(shù)加工CFRP 層，在刀具接近層間界面時(shí) （距Ti 層約1 mm 處），改變螺旋銑孔工藝參數(shù)，以第2 組參數(shù)完成Ti 層的加工。采用變工藝參數(shù)加工的方法，是利用改變加工不同材料的工藝參數(shù)，改變刀具所受的徑向力，從而減小層間孔徑偏差。

圖9 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件變工藝參數(shù)螺旋銑孔加工方案Fig.9 Helical milling scheme for CFRP/Ti under variable parameters

進(jìn)行CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔時(shí)，Ti 層孔徑小于CFRP 層，這主要是由于加工Ti 層時(shí)的徑向力大于CFRP 層造成的。因此，進(jìn)行變工藝參數(shù)加工時(shí)，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，增大加工CFRP 層時(shí)的徑向力，并同時(shí)減小加工Ti 層的徑向力，使加工不同材料時(shí)的徑向力差值減小，從而減小層間孔徑偏差。在螺旋銑孔過程中，銑刀的端刃和周刃同時(shí)參與切削，此時(shí)徑向力主要是由周刃的切削作用產(chǎn)生的[23–24]。徑向力的幅值與軸向進(jìn)給速度呈正相關(guān)，實(shí)際加工中可以通過改變軸向進(jìn)給速度的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)徑向切削力的調(diào)整。

此外，通過改變銑削方式，可以改變刀具所受徑向力方向，也能改變螺旋銑孔加工孔徑。不同銑削方式下，銑刀周刃切削工件材料的過程不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的徑向切削力也不同（圖7）。實(shí)際加工時(shí)，可以在不同層間分別采用不同的銑削方式，實(shí)現(xiàn)徑向切削力的調(diào)整。

3.4 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的變工藝參數(shù)螺旋銑孔試驗(yàn)結(jié)果

為減小CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差，設(shè)計(jì)了兩種變工藝參數(shù)加工方案。方案A 通過改變加工不同材料時(shí)的軸向進(jìn)給速度，減小加工不同材料時(shí)的徑向力差值。相同工藝參數(shù)加工時(shí)，加工Ti 層徑向力大于CFRP 層。因此在變工藝參數(shù)加工時(shí)，應(yīng)在加工CFRP 層時(shí)增大軸向進(jìn)給速度從而增大徑向力，并在加工Ti 層時(shí)減小軸向進(jìn)給速度從而減小徑向力，最終使加工兩種材料的徑向力差值減小。方案B 通過改變銑削方式實(shí)現(xiàn)層間孔徑偏差的減小。加工CFRP 層的銑削方式仍為順銑，加工Ti 層的銑削方式則改為逆銑。銑削方式改變后，加工Ti 層時(shí)銑刀受到的徑向力方向改變，實(shí)際加工孔徑相對(duì)目標(biāo)孔徑將由負(fù)偏差變?yōu)檎睿瑥亩黾覶i 層實(shí)際加工孔徑，減小層間孔徑差異。

在進(jìn)行的CFRP/Ti 疊層構(gòu)件的變工藝參數(shù)螺旋銑孔加工試驗(yàn)中，實(shí)際采用的工藝參數(shù)如表2所示。每種加工方案下，均連續(xù)加工了5 個(gè)孔并對(duì)每個(gè)加工孔的CFRP 層和Ti 層進(jìn)行了孔徑測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。不同加工方案下，CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差如圖11所示。

表2 CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的變工藝參數(shù)Table 2 Variable parameters of helical milling CFRP/Ti stacks

由圖10可知，變工藝參數(shù)加工方案A 通過增大加工CFRP 層時(shí)的軸向進(jìn)給速度 （6 mm/min 提高為12 mm/min），使CFRP 層加工孔徑相對(duì)相同工藝參數(shù)時(shí)減??；通過減小加工Ti 層時(shí)的軸向進(jìn)給速度 （6 mm/min降低為3 mm/min），使Ti 層加工孔徑相對(duì)相同工藝參數(shù)時(shí)增大。由圖11可知，采用變工藝參數(shù)加工方案A 后，CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差由0.05～0.07mm 降低為0.02～0.04 mm。

圖10 變工藝參數(shù)條件下CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的孔徑變化Fig.10 Variation of hole diameter in helical milling of CFRP/Ti stacks with the variable parameters

圖11 變工藝參數(shù)條件下CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔的層間孔徑偏差Fig.11 Hole diameter deviation between different layers in helical milling of CFRP/Ti stacks with the variable parameters

變工藝參數(shù)加工方案B 與相同工藝參數(shù)加工方案相比，加工CFRP 層的加工條件未做任何改變，加工Ti層時(shí)只改變了銑削方式。由圖10可知，采用變工藝參數(shù)加工方案B 后，CFRP 層孔徑變化不明顯，Ti 層孔徑顯著增大。由圖11可知，采用變工藝參數(shù)加工方案B后，CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差由0.05～0.07 mm 降低為0～0.02 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過變工藝參數(shù)加工方案A 和方案B，都可以有效降低CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差。變工藝參數(shù)加工方案A 改變了加工不同材料的徑向力數(shù)值，方案B 則改變了徑向力的方向。相對(duì)于方案A，方案B 可以更大幅度地增大加工Ti 層的孔徑，從而更有效地減小層間孔徑偏差。通過變工藝參數(shù)加工來減小層間孔徑偏差的方法，其原理不僅適用于CFRP/Ti 疊層構(gòu)件，在其他異質(zhì)疊層構(gòu)件的螺旋銑孔加工中也可以應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）以相同工藝參數(shù)進(jìn)行CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔時(shí)，由于加工不同材料產(chǎn)生的徑向切削力大小不一致，導(dǎo)致刀具變形幅度不同，從而產(chǎn)生層間孔徑偏差，且Ti 層孔徑小于CFRP 層。

（2）采用變工藝參數(shù)加工，通過增大在CFRP 層中的進(jìn)給速度并減小在Ti 層中的進(jìn)給速度，可以減小加工CFRP 層和Ti 層的徑向力差值，從而減小CFRP/Ti疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差。

（3）采用變工藝參數(shù)加工，通過改變加工Ti 層的銑削方式，來改變加工Ti 層時(shí)的徑向力方向，可以增大Ti層加工孔徑，從而減小CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差。

（4）與調(diào)整工藝參數(shù)的加工方法相比，改變銑削方式的變工藝參數(shù)方法對(duì)Ti 層加工孔徑影響更明顯，減小CFRP/Ti 疊層構(gòu)件螺旋銑孔層間孔徑偏差的效果更好。