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碳纤维增强塑料/钛合金栈体超声椭圆振动扩孔的可行性研究
摘要
高质量螺栓孔的生产，特别是在碳纤维增强塑料/钛合金（CFRP / Ti）叠层上的生产，对于制造过程至关重要，以便于航空航天工业中的零件组装和提高组件的机械完整性。为了满足严格的行业要求，铰孔被广泛用作螺栓孔的强制操作。在本文中，研究了超声椭圆振动辅助扩孔（UEVR），它是CFRP / Ti叠层孔精加工的一种新方法。本文概述了与传统铰孔（CR）相比，UEVR中刀具性能和孔质量的分析。实验结果表明，UEVR中的孔质量显着提高。通过监视切削力，孔的几何精度和表面光洁度可以证实这一点。 UEVR中的平均推力和扭矩降低了30%和60%。发现在前45个孔中，更好的直径公差（IT7和IT8），CFRP和Ti孔的直径差更小（大约3 微米和12 微米），与CR相比，UEVR获得了更好的几何误差。至于表面光洁度，平均粗糙度和孔表面UEVR的形貌得到了明显改善。
关键词：CFRP/TI叠层；扩孔；切削力；表面光洁度
1.引言
如今，由于CFRP和金属合金堆叠的多边结构，特别是CFRP /Ti堆叠，由于其高的重量比，优异的耐腐蚀和耐热性而被广泛用于飞机的机翼段和机身[1]。 可以带来很多好处，例如更好的可操纵性，减少燃油消耗和增加有效载荷。为了固定叠层，需要出于各种目的产生大量的孔，例如螺栓连接和铆接。由于安全原因，对孔的公差和孔表面完整性的要求比其他行业要高得多，特别是对于螺栓孔，其主要分布在高机械负荷的组件上，例如飞机机翼和尾翼[2]。
考虑到生产率方面的优势，通常希望使用单个钻头一次通过CFRP / Ti堆钻。同时，用单个钻头钻CFRP / Ti堆时可能会带来许多缺点[2-7]。材料的弹性模量导致不同的弹性变形因此导致沿着整个堆叠孔的公差变化[3]。此外，当钛合金堆放在CFRP的底部时，穿过CFRP区域的连续高温切屑会降低CFRP加工孔的质量。即使已进行了大量研究来改善CFRP /金属合金叠层的孔质量，但一次钻削一次钻孔仍是一项艰巨的任务，通常会导致孔洞过大（IT10左右）和钻井坝-以孔几何缺陷，热损伤和物理缺陷为特征的年龄[2,4,5]。因此，为了满足严格的堆叠螺栓孔行业要求，扩孔过程被广泛用作强制性精加工操作，以实现狭窄的孔公差并消除钻孔引起的损坏[2,6]。在飞机组装中，必须对螺栓孔进行强制性的精加工，然后再进行粗加工，这是在钻制易延展的钛合金和高磨蚀性碳纤维时的一个折衷方案。例如，在波音公司的CFRP / Ti钻头钻孔中，仍然使用碳化物铰刀对钻头进行扩孔，然后进行CFRP和Ti粗钻[7]。尽管在其他行业中，在适当的润滑条件下常规的铰孔工艺已广泛用于金属材料的钻孔[8,9]，但要获得出色的几何特性和表面光洁度，获得高质量的CFRP / Ti叠层螺栓孔仍然是一个挑战。在飞机组装所需的干燥或接近干燥的条件下。在常规的CFRP / Ti叠孔干扩孔中，典型的缺陷包括不稳定的孔几何精度（直径公差，圆度和圆柱度），CFRP和Ti截面之间的直径差大，不稳定的孔表面粗糙度和CFRP / Ti界面处的损坏[10]。通常认为螺栓孔的这些缺陷是致命的，并且会降低机加工部件的结构完整性[11-13]。 根据Liu等人的研究。 [10]，为了满足大直径CFRP / Ti螺栓孔（gt; U7.5毫米）的严格行业要求，例如狭窄的孔公差（IT8），较小的表面粗糙度和层压板中的自由分层， 在目前的工业实践中，严格控制加工余量和进给速度的分步铰孔操作被用作CFRP / Ti螺栓孔的主流精加工工艺。 这种多步铰孔操作的典型缺点是生产率低。 因此，为了提高孔的质量和加工生产率，开发在干燥条件下CFRP / Ti螺栓孔的经济高效的精加工工艺至关重要。
近年来，超声振动辅助加工已广泛用于CFRP，钛合金和CFRP / Ti叠层的钻孔。作为一种非传统的钻孔方法，旋转超声加工（RUM）已成功用于Ti [14,15]和CFRP [16-18]的钻孔，切削力低，刀具寿命长，表面粗糙度低，可忽略的Ti毛刺和CFRP分层。后来，RUM扩展到钻CFRP / Ti堆[19]。实验结果表明，与其他CFRP / Ti叠层钻削方法相比，RUM导致切削力和CFRP表面粗糙度更低，凹槽深度和孔尺寸变化更小，刀具寿命更长，没有明显的Ti毛刺和CFRP入口分层以及Ti表面粗糙度与其他方法相同。为了冲洗切屑并防止工具卡死，在RUM中使用了泵送的冷却液。然而，在飞机组装中仅允许干燥或接近干燥状态，这限制了RUM在飞机组装中的广泛应用。为了改善干燥条件下的孔质量，引入了旋转超声椭圆加工（RUEM）来在飞机装配中钻CFRP，并具有降低切削力，延长刀具寿命，防止刀具卡死和磨损的优点。与常规钻孔相比，排屑率得到了提高[20,21]。但是，RUEM中使用的钎焊金刚石空心钻可能会导致孔精度和表面粗糙度差。因此，通常必须进行精加工才能满足所需的孔公差和表面粗糙度。从先前关于超声椭圆振动辅助切削（UEVC）的工作[22-26]中可以看出，UEVC方法可以提供令人满意的答案，从而避免了在干燥条件下进行CFRP / Ti叠层常规扩孔的典型缺点。条件。在文献[22]中，与传统的切削和定向振动辅助切削（CDVC）相比，通过切削力的降低，UEVC加工精度提高的原因得到了澄清和验证。除了提高加工精度外，与CDVC相比，UEVC方法还可以实现更好的表面完整性。 Li等。 [23]指出，当振动刀具离开工件的切削点时，由于刀具侧面的碰撞和摩擦，CDVC的精加工表面可能被破坏。他声称UEVC方法可以有效避免这种冲突问题。在难以切削的材料的轴向振动辅助铰削中，也发现了刀具侧面与加工表面之间的类似碰撞[24]。 Xu和Zhang [25,26]的研究表明，在CFRP的UEVC中，切削性能比常规切削和CDVC更为有效，这具有更好的切屑清除，更少的刀具磨损和出色的CFRP表面完整性。但是，他们实验中的切割速度被控制为低至1 m / min。 UEVC或CDVC的典型局限在于，为了获得明显的超声振动效果，应将切割速度控制在切割方向上的振动速度之下。此缺点可能导致效率低下。为了实现高切削速度下的工件与刀具之间的分离，研究人员将振动沿进给方向应用于超声辅助车削（UAT）中，并且还改善了表面质量[27]。
各种资料表明，钻制高品质CFRP / Ti堆叠螺栓孔仍然是制造飞机组装工程师的挑战。据我们所知，在混合CFRP / Ti结构的精加工上还没有做出足够的努力，关于将超声椭圆振动辅助技术应用于CFRP / Ti堆叠孔加工以获得更有利的切削条件的报道很少。这项研究提出了一种新颖的CFRP / Ti叠层精加工钻孔方法（即超声椭圆振动辅助扩孔UEVR），旨在研究CFRP / Ti叠层扩孔时超声椭圆振动对孔质量的影响。铰孔实验的结果主要报道了CFRP / Ti叠层的精加工孔质量如何因UEVR和常规铰孔（CR）的切割机制不同而改变。在这里，将研究切削力，刀具磨损，孔几何精度，孔表面粗糙度和缺陷，CFRP孔边界质量和切屑形态等方面，以分析UEVR中的切削行为。
2.实验
2.1 UEVR系统的设备
如图1所示，自行设计的超声波椭圆换能器是一种夹层压电结构，由铰刀，前圆柱体（铝合金制成），两组正交的压电板（PZT）和后圆柱体组成（由不锈钢制成）。这两组PZT引起的两个弯曲振动的合成可能会在刀具末端的铰刀横截面的平面中产生椭圆模振动[20,21]。振动器由固定装置支撑在振动的两个节点上。为了在刀尖处产生共振，调整了70 mm的刀具悬伸，相应的共振频率为21.35 kHz。频率和幅度由最大输出功率为600 W的超声电源控制。可以通过更改超声电源的功率百分比来调整频率的振荡幅度。在本实验中，对于设计的传感器，振荡幅度的最大值为8lm。UEVR和CR的过程分别通过打开和关闭超声发生器来实现。
图1 UEVR振动器的示意图
2.2实验装置
如图2所示，在带有UEVR系统的车床机床（HARDINGE HLV-V）上进行扩孔实验，该UEVR系统由超声换能器和相应的夹具组成。工件安装在车床主轴上，UEVR系统由3D测功机固定在机器平台上。扩孔过程是通过将铰刀送入旋转的工件来实现的。测力系统由3D测功机，多通道电荷放大器，数据采集系统和带软件的计算机组成。测力计（9272型，Kistler Inc.，瑞士温特图尔）用于测量推力和扭矩。通过多通道电荷放大器（5070型，奇石乐）将测得的电信号放大。放大后的信号由A / D转换器转换，然后由数据采集系统（5697型，奇石乐）进行处理。切削力信号的曲线最终在Dynoware软件的帮助下显示在计算机上。采样率设置为1 kHz。平均切削力用来表示扩孔过程中的切削力。
图2 实验装置
工件是由CFRP和Ti6Al4V板组成的两层堆叠。厚度为10 mm的CFRP层压板由56个厚度为0.18 mm的单向帘布层组成，涉及根据[45°/ 0°/ -45°/ 90°/ -45°/ 0°] S。 所使用的CFRP样品的纤维体积分数为56％，拉伸强度为1200 MPa，杨氏模量为145 GPa。 在退火条件下提供厚度为10 mm的Ti6Al4V工件，硬度为41 HRC，屈服强度为880 MPa，杨氏模量为114 GPa。 由于飞机最终组装环境中的典型顺序，实验中的堆叠顺序为板顶部的CFRP。 使用薄带工件样品(80x18 x20 mm)。
用直径为7.50plusmn;0.003mm的两刃无涂层钨硬质合金麻花钻钻出导向孔。 在单次钻孔中采用湿式加工，以减少对导向孔的热量和机械损伤。 钻孔后评估导向孔的公差，并严格限制在IT9和IT10之间。 进行导向孔钻孔后，用铰刀代替钻头，以进行后续的扩孔操作。 实验中使用了两种直径为7.67plusmn;0.0025 mm的未涂层碳化钨铰刀。 为了有效地排空切屑并避免由于扩孔过程中钛屑排空而导致CFRP孔腐蚀，根据工具供应商的建议，选择了六个长度为36 mm，螺旋角为15的左手凹槽。
扩孔过程采用干式加工。 尽管近干MQL技术被认为是未来混合动力堆钻探的有前途的必要条件，但由于工艺成本和生产率的原因，干铰孔仍广泛用于飞机组装中[4,10]。 在实验中选择的实验条件是基于工业实践和其他作者的作品[4,10]，如表1所示。
表1 实验条件
2.3实验步骤
在这项研究中测得的孔质量参数包括孔几何参数（即直径，圆度和圆柱度），内孔表面缺陷，CFRP和Ti孔的粗糙度参数，CFRP孔的出入口条件。 此外，还分析了Ti的切削力，刀具磨损和切屑形态，如图3所示。
使用坐标测量机（CENTURY 977，北京精密工程学院，中国）以1 lm分辨率测量CFRP和Ti孔的孔径，圆度和圆柱度。 每个孔的测量高度为四个水平，即距孔顶面2、4、6和8 mm。 在孔的每个高度上探测了十二个沿圆周均匀分布的点，在每个孔上探测了48个点。 每次测量重复三次，对三个几何参数的最终计算取平均值。
用SEM（扫描电子显微镜）观察内孔的表面缺陷。 用粗糙度测试仪（TR200，北京世代仪器有限公司，中国）测量孔中间位置深度方向的表面粗糙度（Ra，Rt），其横向长度为5.6 mm，截止长度为0.8 mm。 为了评估孔进出孔处的工具磨损状况和CFRP状况，使用了带有数码相机的OLYMPUS BX51数码光学显微镜。
图3 孔质量参数示意图
3.结果与讨论
3.1推力和扭矩
图4显示了UEVR和CR中前三个孔的平均推力和扭矩，因此刀具磨损对切削力的影响可以忽略不计。每个条形图代表3个孔的平均值，误差条形图表示数据集的plusmn;标准偏差（r）。应该注意的是，所有误差条均代表本文数据集的plusmn;标准偏差。可以发现，与CR相比，CFRP和Ti的UEVR的平均推力分别降低了38％和32％，而CFRP和Ti的UEVR的平均扭矩分别降低了68％和64％。在UEVR中，为了提高超声振动对切割性能的积极影响，实现了分离切割模式。为了实现分离切割模式，应将名义切割速度（m）控制为小于切割方向上的最大振动速度（即，m lt;2pfa，m = 14.5，4.8 m / min，2pfa = 24.1 m / min在UEVR中）[25–27]。
图4 推力和扭矩结果
在UEVR中，切削刃执行与椭圆振动辅助切削（EVC）中相同的切削动作，因此UEVR中推力的减小可以用EVC中的力减小机理来解释。在一维振动辅助切削（VAC）中，先前已经断言，平均切削力随着占空比的减小而减小[18,28,29]。同样，占空比效应也会导致EVC的力降低。此外，EVC中的每个工具提示振动周期都包含一个负推力的间隔，这可以导致切屑厚度减小和平均切削力减小[22,30]。在椭圆振动切削T的一个循环中，假设切削在tb开始，则刀具前刀面和切屑之间的摩擦方向在ti处反转，切削在te处结束。根据[30]，常规切削和EVC中的平均推力切削力可以分别表示为
（1）
（2）
其中，koc和kevc分别是常规切削和EVC中推力方向的比电
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