摘要
CFRP/Ti叠层结构在一体化制孔的过程中易出现复合材料分层、撕裂、灼伤和孔出口毛刺等制孔缺陷。本文基于低频振动辅助钻削技术，进行工艺实验，经过二次优化后得到最优加工参数。实验结果表明，在转速400 r/min、进给量12 mm/min、振幅75 μm与转速500 r/min、进给量21 mm/min、振幅75 μm两组加工参数下的制孔质量较好，使用较高转速和较大进给量能够提高加工效率。
近年来，在各类航空航天产品的一直升级进步中，碳纤维增强复合材料（CFRP）发挥着越来越重要的作
叠层材料将两种材料的优异性能结合在一起，提高了结构强度的同时满足了航空航天产品轻量化的要
图1 叠层材料制孔损伤示意图
Fig.1 Schematic diagram of hole making damage in laminated materials
本文基于低频振动辅助钻削技术对叠层材料进行工艺实验，得到最优加工参数，可以有效抑制制孔损伤，提高制孔精度，对航空航天器的实际生产具有一定的指导意义。
实验使用VCM-850E数控加工中心，配合安装法国MITIS PG8040振动刀柄（
图2 低频振动刀柄及安装
Fig.2 Low frequency vibration tool and installation
根据上海交通大学王昌
根据低频振动钻削加工通常使用的转速参数，确定正交实验的转速为400 r/min，其余参数见
| 编号 | 进给量/mm·mi | 振幅/μm |
|---|---|---|
| 1 | 12 | 50 |
| 2 | 21 | 50 |
| 3 | 30 | 50 |
| 4 | 12 | 75 |
| 5 | 21 | 75 |
| 6 | 30 | 75 |
| 7 | 12 | 100 |
| 8 | 21 | 100 |
| 9 | 30 | 100 |
二次优化实验是基于正交实验，对初步优化参数进行进一步优化，即在制孔效果较好的参数值附近选择其他参数再次试验，得到更精确的优化参数。
正交实验的加工参数下，得到CFRP复合材料及钛合金板的加工结果及钛合金切屑形状如
图3 正交实验结果及钛合金切屑角度示意图
Fig.3 Orthogonal experimental results and diagram of titanium alloy chip size
（a） 孔径误差
（b） 表面粗糙度
图4 CFRP制孔质量测量
Fig.4 CFRP hole quality measurement
（a） 孔径误差
（b） 切屑角度
图5 钛合金孔径误差及切屑角度测量
Fig.5 Measurement of hole diameter error and chip angle of titanium alloy
由
对参数分析可得，振幅为50、75 μm以及进给量为12、21 mm/min时，CFRP的孔径表面粗糙度较小，而在振幅为75 μm的孔径误差较小，加工效果较好。因此得到在振幅为75 μm，进给量为12、21 mm/min时，CFRP取得较好的制孔效果。
由
原因认为，在钛合金切屑排出孔外的过程中，尺寸大、温度高的切屑会对加工孔表面进行二次切削，使钛合金的孔径精度受到了一定的影响，但在进给量逐渐增大的过程中，切屑达到了较好的排出角度，减小了二次切削的影响，使孔径误差减小。对参数分析可得，在振幅为75 μm、进给量为21 mm/min时，钛合金加工质量相对较好。
基于对制孔缺陷的产生机理以及正交实验的制孔结果分析，综合考虑CFRP的孔径误差、孔壁粗糙度和钛合金的孔径误差、切屑角度，得出，在振幅为75 μm以及进给量分别为12和21 mm/min时的加工效果相对较好，因此选择这两组参数为正交实验的优化结果，在此结果上进行二次优化实验。
在振幅75 μm、转速 400 r/min条件下，进给量优化试验孔径误差如
图6 CFRP与钛合金孔径误差测量
Fig.6 Measurement results of aperture error for CFRP and titanium alloys
图7 CFRP孔壁粗糙度与钛合金切屑角度测量
Fig.7 Measurement results of CFRP hole wall roughness and titanium alloy chip angle
转速参数的优化基于进给量 21 mm/min 和振幅 75 μm，在初始设定的 400 r/min转速附近进行参数优化，得到转速参数优化试验结果如
图8 CFRP与钛合金孔径误差测量
Fig.8 Measurement results of aperture error for CFRP and titanium alloys
图9 CFRP孔壁粗糙度与钛合金切屑角度测量
Fig.9 Measurement results of CFRP hole wall roughness and titanium alloy chip angle
分析原因认为，在加工过程中，主轴转速增大，钻削力会有一定程度的减小，减少了刀具与材料之间的摩擦，使孔径精度有所提升。随着转速进一步增大，加工的热量会不断聚集，孔径发生热损伤，使制孔质量降低。同时，转速的不断增加影响了断屑效果，使扇形切屑角度变大。对参数分析可得，当转速为500 r/min、进给量21 mm/min、振幅75 μm时，CFRP和钛合金的孔径精度较高，粗糙度与钛合金的切屑角度也相对较小，得到较好的加工质量。
基于低频振动辅助钻削技术，进行了CFRP/Ti叠层材料的钻孔工艺试验，主要获得以下结论：
（1）在不同进给量参数条件下，得到以下两组最优参数组合：转速400 r/min、进给量12 mm/min、振幅75 μm；转速500 r/min、进给量21 mm/min、振幅75 μm。
两组参数振幅相同，转速和进给量不同，均可以取得较好的制孔质量。第一组参数的制孔质量稍优于第二组参数，第二组参数转速和进给量参数较大，可以节约制孔时间，提高制孔效率。
（2）在保持主轴转速和低频振动振幅不变时，增大机床每转进给量，伴随轴向钻削力的增大，造成低频振动钻削温度上升，使刀具与材料的摩擦力增大，产生的热量积聚在加工区域，使材料发生热损伤，影响制孔质量。此外，在加工钛合金材料时，扇形切屑角度随每转进给量的增加而变大，使振动钻削的排屑效果下降，进一步影响加工效果。
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