三尖钻钻削CFRP/Al叠层构件的表面质量研究

□ 刘 姿 □ 张 霖 □ 田 威 □ 廖文和

南京航空航天大学 机电学院 南京 210016

为满足飞机轻量化及结构性能的双重需求，碳纤维复合材料与铝合金材料构成的叠层结构在飞机机翼和尾舵中应用广泛。机翼包括翼梁、桁条和蒙皮等结构件，这些结构件上有大量紧固件（铆接或者螺接）的孔需要加工。由于紧固件孔的制造品质直接关乎产品的安全性，影响飞机的飞行性能和使用寿命，而一体化的叠层制孔减少了中间拆分试件→去毛刺→重新装配的复杂过程，保证了制孔的尺寸精度，减少了定位误差，因此得到了广泛的关注。

从生产成本和加工质量考虑，目前钻削叠层材料时选用较多的依然是硬质合金及金刚石等材料的钻头。Nouari［1］研究表明，金刚石涂层的刀具寿命是普通硬质合金刀具的3倍，而对叠层材料加工性能的研究相对较小。 Redouane［2］使用硬质合金麻花钻（K20）探究了工艺参数对CFRP（碳纤维复合增强材料）/Al叠层制孔质量的影响规律，发现对于CFRP材料，使用低进给量时孔径的圆度及表面质量较好。E Brinksmeier［3］对Al/CFRP/Ti多层板件进行了钻削研究，发现使用普通麻花钻会出现材料孔径公差大、刀具磨损大及复合材料分层等缺陷，提出了采用阶梯钻钻削多层材料构件的研究方法。C L Kuo［4］用金刚石涂层钻头研究了工艺参数对Al/CFRP/Ti叠层板制孔后孔表面完整性的影响。张选龙［5］分析了CFRP/Ti合金叠层构件钻孔的缺陷，提出了一体化制孔的钻削方式。另外，关于工艺参数 对钻削轴向力和扭矩的影响也有研究［6－8］， 且利用指数或者线性回归的方式来获得轴向力和扭矩的经验公式［9－10］。

针对叠层材料的加工特性，要求刀具必须足够锋利且具有较高的红硬性，可以快速切断纤维获得净切削，同时在切削中过程中减小热量，从而减小金属材料的塑性变形和加工硬化现象。笔者采用金刚石涂层的三尖麻花钻对 CFRP（CCF300）/Al（7075）叠层材料进行了钻削实验，依据田口设计方法及方差分析中各因素对轴向力的贡献率，建立了轴向力拟合公式，并探讨了刀具磨损、切削力对孔表面质量的影响规律。

1 CFRP/Al叠层钻削实验方案

1.1 实验材料和设备

▲图1 切削力测量装置

▲图2 CCF300纤维结构

▲图3 三尖钻的几何角度

实验设备由 LGmazak430Al加工中心、Interface1216拉扭组合测力仪、传感器等组成，切削力测量装置如图1所示。实验采用的CCF300碳纤维复合材料板由碳纤维和环氧树脂正交双向编织而成，尺寸为250 mm×200 mm×3.07 mm，其编织结构如图2所示。铝合金板是航空用铝合金7075－T7，尺寸为250 mm×200 mm×3.1 mm。刀具为金刚石涂层三尖麻花钻，其结构如图3所示，该刀具采用CVD（化学气相成积）方法，以整体硬质合金钻头为基体，以TiAlN作为过渡层，在表面涂覆5～8 μm厚度的金刚石薄膜，涂层不仅显著提高了刀具的耐用度和耐热性，而且明显改变了硬质合金的脆性。

1.2 田口实验设计

本实验采用析因设计的方法，研究刀具在不同的工艺参数下对复合材料轴向力、表面粗糙度的影响。根据田口稳健性设计正交实验表（L9），采用3因素3水平的试验方式，每组参数钻3个孔以排除偶然因素的影响。工艺参数的水平见表1，正交实验设计见表2，表中第一列代表转速n，第二列代表进给量f，第三列代表钻头直径d，第四列代表因素之间的相互作用。

为了研究钻削参数对钻孔质量的影响，采用粗糙度仪MitutoyoSJ－210对孔粗糙度进行检测，通过白光干涉仪RTEC3D对孔壁的加工质量进行观察和分析。

表1 钻削加工参数水平

2 实验结果与分析

2.1 切削力变化时程曲线

在钻削CFRP/Al叠层过程中，垂直轴向的X、Y方向的切削力较小，可以忽略不计，Z方向轴向力及扭矩的变化曲线如图4（切削用量为：n=3 500 r/min,f=0.04 mm/r）所示。从图4中可以看出，轴向力和扭矩从钻头开始钻入复合材料逐渐增加趋于稳定，当钻尖完全进入铝合金材料时，切削力出现突增，然后趋于稳定，达到最大值。稳定期的铝合金的轴向力大约为复合材料轴向力的1.5倍。

▲图4 轴向力及扭矩时程曲线（n=3 500 r/min,f=0.04 mm/r）

钻削轴向力对复合材料分层及孔表面质量有重要影响，研究复合材料钻削轴向力大小随工艺参数的变化规律至关重要。由田口设计方法，得到不同工艺参数下CFRP钻削轴向力的平均值，见表2。从表3方差分析中可以看出，对轴向力影响最大的因素为进给量（贡献率P=58.87%）和钻头直径（贡献率P=34.09%），转速对轴向力不产生显著影响，其贡献率（P=3.80%）和误差贡献率相近，这也说明，因素间的相互作用A×B、A×C、B×C对轴向力的大小几乎不产生影响。

2.2 轴向力经验公式拟合

从轴向力随切削用量变化的规律可知，钻削复合材料轴向力F与转速n和进给量f之间存在非线性关

表2 正交实验设计（L9）及实验结果

表3 复合材料钻削轴向力方差分析

系，因此可采用多元线性回归来拟合经验公式，回归模型定义为：

式中：C0～C4为待定常数。

将实验数据代入MATLAB分析，得出拟合方程为：

根据复合材料轴向力随工艺参数的变化规律可知，轴向力与刀具直径和进给量密切相关，根据拟合表达式，可对复合材料轴向力进行预测。在实际的生产应用中，为减少复合材料的分层缺陷，应选择较高的转速和较低的进给量，可保证加工质量良好并减少钻削过程中对刀具的冲击，达到延长刀具使用寿命的目的。

2.3 钻削参数对孔壁表面质量的影响

图5为不同工艺参数下复合材料和铝合金孔壁的表面粗糙度值。实验结果表明，主轴转速和进给量均对表面Ra有一定影响，但进给量的影响更大。随着进给量的增加，铝合金孔表面粗糙度呈线性增加趋势，而复合材料孔表面粗糙度在进给量增大为0.07 mm/r时出现突增现象（增加100%），这主要是因为在钻削CFRP过程中，随着进给量的增加，轴向力和温度急剧增加，半封闭状态的钻削特点使切削热很难散出，同时碳纤维复合材料的高硬度使刀具磨损加剧，且切削层变形严重，已加工表面Ra显著增大。由复合材料轴向力拟合公式可知，要控制切削轴向力，保证复合材料的孔壁粗糙度，进给量应小于0.05 mm/r。

▲图5 不同工艺参数下的孔壁粗糙度

一般麻花钻钻削复合材料时孔壁表面粗糙度Ra＞3.2 μm，三尖麻化钻能够明显提高复合材料孔壁质量，使复合材料的孔表面Ra＜3.2 μm、铝合金材料的孔表面Ra＜1.6 μm，这主要是由于三尖麻花钻的双顶角设计可使钻头平稳地钻入，使复合材料获得净切削，得到较好的孔壁表面质量。

2.4 刀具磨损对孔表面质量的影响

观察刀具磨损情况可以发现，刀具开始磨损表现为金刚石涂层的剥落/分层，且首先出现在三尖麻花钻的第一切削刃的后刀面及横刃中心位置，这主要是因为钻削复合材料的磨粒磨损会产生较高的温度，导致涂层出现裂纹，与基体分离，最终剥落。从图6可以看出，当刀具刚开始切削时，复合材料和铝合金孔表面很完整，没有明显的缺陷。随着金刚石涂层剥落/分层和后刀面磨损加剧，复合材料孔壁出现撕裂和孔壁划伤现象，铝合金孔壁表面出现粘附物。划伤和粘附主要是由下层铝合金切屑缠绕刀具所造成的，当硬质合金基体切削刃参与切削时，三尖麻花钻的特殊结构使钻头易出现崩刃现象，此时复合材料的孔表面质量继续恶化，出现起毛、纤维撕裂等严重缺陷，而铝合金材料的孔出现毛边、孔壁碎屑和较大毛刺等缺陷。

从刀具后刀面磨损量随孔数变化 （图7）可以看出，当制孔数达到180左右时，后刀面磨损量出现突增，此时，金刚石涂层被完全磨损剥落，硬质合金基体切削刃参与切削,加速了切削刃的钝化，使刀具磨损剧烈，进入急剧磨损阶段。

因此，为保证CFRP/Al叠层材料的钻削质量和精度，刀具的使用寿命应控制在安全范围180个以内。

3 结论

（1）对复合材料轴向力影响最大的的因素为进给量 （贡献率P=58.87%）和钻头直径 （贡献率P=34.09%），转速对轴向力的影响不显著。此时，钻削CFRP轴向力的拟合公式为F=37.9+0.004 5n+229.3f+3.5d。

▲图6 刀具磨损形式及复合材料孔表面缺陷

▲图7 后刀面磨损量随制孔数变化规律

（2）主轴转速对CFRP和铝合金的孔壁表面粗糙度影响不大。在转速不变的情况下，随着进给量的增加，复合材料的孔表面加工质量明显下降，孔口易出现基体撕裂、起毛、孔口划伤等缺陷，孔壁粗糙度从0.86 μm增加到1.73 μm；而铝合金的孔壁表面粗糙度变化不大，其值 Ra＜1.6 μm。

（3）在实验的工艺参数范围内，考虑到制孔的质量和应用的安全性，刀具的使用寿命可达到180个，这也表明选用的金刚石涂层的三尖麻花钻比较适合叠层材料的一体化制孔。在钻削叠层材料的过程中，金刚石涂层三尖麻花钻磨损失效形式主要为金刚石涂层的剥落/分层和崩刃。

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