关于CF/PEEK材料传统钻孔与超声振动辅助钻孔方法的对比研究

《COMPOSITE STRUCTURES》：A comparative study on conventional drilling and ultrasonic vibration-assisted drilling of CF/PEEK

本研究系统对比了CF/PEEK复合材料超声辅助钻孔（UVAD）与传统钻孔（CD）的性能差异，通过运动学分析揭示了UVAD切削厚度与瞬时转速的动态变化机制。实验表明低转速下UVAD可降低19.1%的切削力与26.7%的钻孔温度，显著减少孔壁损伤并提升尺寸精度，但高转速时可能因热累积加剧损伤。该成果解决了现有研究中关于UVAD热效应争议，为航空制造中CF/PEEK孔加工参数优化提供了理论依据。

　　

梁世明|张振明|刘顺源|孟志坚|涂铁雷|杨琪|罗斌|张凯夫

西北工业大学机械工程学院，中国西安710072

摘要

虽然热塑性碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）在高端航空航天部件制造中日益受到重视，但其钻孔过程中产生的损伤仍然是一个挑战。尽管已经探索了超声振动辅助钻孔（UVAD）技术用于热塑性材料，但现有研究对热效应的描述存在矛盾，并且缺乏全面的孔质量评估。本文通过系统比较UVAD和传统钻孔（CD）方法在CF/PEEK材料上的应用，填补了这些空白。运动学分析阐明了CD和UVAD之间的基本切削差异。实验结果表明，UVAD的效果在很大程度上取决于主轴转速：在低转速下，UVAD的推力和钻孔温度分别可降低19.1%和26.7%。关键的是，在优化的低速参数下，UVAD显著减少了孔损伤并提高了尺寸精度。本研究通过确定主轴转速为影响UVAD效果的关键因素，解决了现有文献中的矛盾。这些发现为在CF/PEEK部件的航空航天制造中选择低速UVAD参数提供了直接的实际指导。

引言

碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料作为热塑性复合材料的典型代表，不仅具有较高的断裂韧性和抗冲击损伤能力，还表现出优异的化学耐性和高温耐性[1]、[2]、[3]。此外，其热塑性特性使其能够重新熔化和再加工，这不仅显著提高了制造效率，还为复合部件的回收和再利用提供了可能性。因此，由于其出色的综合性能[4]、[5]，CF/PEEK在航空航天等前沿领域备受青睐。对于承受高疲劳载荷或需要频繁拆卸的关键部件，机械连接仍然是不可或缺的解决方案[6]，而钻孔仍是加工连接孔的主要方法[7]、[8]、[9]。然而，在钻孔过程中容易发生分层、基体熔化和孔壁损伤[10]、[11]。而且，热塑性基体对温度非常敏感，在较高的钻孔温度下其机械性能会显著下降[12]、[13]。据统计，有缺陷的孔导致超过60%的零件被报废，造成了重大的经济损失[14]、[15]。因此，开发高精度、低损伤的孔加工工艺已成为CFRTP加工领域的关键研究方向。

孔加工过程中的损伤通常是由于CFRTP的异质性和各向异性造成的，这会降低工件的机械性能[16]、[17]。CFRTP的孔损伤与多种因素有关。秦等人[18]发现，纤维取向在损伤形成中起着重要作用。对于0°和45°的纤维取向，损伤表现为沿纤维方向的不连续断裂和纤维剪切断裂，伴随基体涂抹和表面微孔。对于90°和135°的纤维取向，表面高度不均匀，导致表面粗糙度较高。此外，切削力和钻孔温度也会对钻孔损伤产生显著影响。较高的切削力会加剧孔损伤，如孔分层[19]、[20]、[21]以及孔壁表面的空洞[22]。随着钻孔温度的升高，基体的软化会阻碍纤维的有效切割，从而增加孔壁的损伤。此外，在CFRTP钻孔过程中，基体软化现象也很常见[23]。

为了减轻加工过程中的损伤，最初的努力集中在优化工艺参数和刀具几何形状上。M. Mudhukrishnan等人[19]发现，在低进给速率和高主轴转速下，可以减少CF-PP的分层损伤。孟等人[24]发现，在低主轴转速和低进给速率下，CF/PEEK孔壁的表面质量较好，但孔壁上仍存在一些不连续的空洞。周等人[25]发现，在低进给速率下，孔出口处的深层损伤随进给速率的增加而减少。葛等人[26]、[27]发现，分层损伤先减少后增加。此外，还采用了多目标优化方法[28]和最优工艺参数优化模型[29]来确定CF/PEEK的最佳工艺参数。同时，改进钻头几何形状也是提高加工性能的实际方法[30]。杜等人[31]、[32]发现，使用麻花钻钻出的孔壁损伤最小，但会产生明显的撕裂损伤和出口分层。袁等人[33]发现，使用螺旋钻可以获得更好的表面质量，表面粗糙度更低，表面更光滑，这是由于热效应导致的PEEK基体涂抹。张等人[34]发现，阶梯钻的出口分层面积比螺旋钻小19%，而入口分层面积是螺旋钻的五倍。上述研究表明，优化工艺参数和使用专用刀具结构可以在一定程度上减少损伤。然而，这些方法在抑制损伤方面的效果有限。一些缺陷，如分层、基体撕裂和纤维拔出仍然不可避免。

一些学者还探索了在CFRTP钻孔过程中使用辅助加工技术来抑制损伤。UVAD是一种有效的方法，可以减少碳纤维增强热固性塑料（CFRTS）的加工损伤[35]、[36]、[37]、[38]、[39]，它可以使钻孔工具和工件之间周期性分离。这种间歇性切削效应是UVAD能够显著改善切屑断裂、提高孔加工质量和延长刀具寿命的核心机制。鉴于CFRTS和CFRTP之间的相似性，研究人员现在正在探索UVAD在CFRTP上的应用效果。杜等人[40]对CF/PEEK的CD和UVAD进行了对比实验，发现UVAD有效抑制了分层和毛刺损伤，并降低了表面粗糙度，但提高了最大钻孔温度。吴等人[41]将UVAD工艺应用于CF/PEKK钻孔实验，结果表明UVAD可以有效降低推力、钻孔温度和加工损伤，从而显著提高孔加工质量。他们还使用多目标优化方法优化了CFRTP钻孔的工艺参数，将材料去除率和分层因素作为优化目标[42]。张等人[43]研究了CFRTP钻孔过程中钻头的磨损情况，发现较高的进给速率和主轴转速可以进一步减少刀具磨损。

现有研究初步证明了UVAD在CFRTP钻孔中的可行性。然而，在关键钻孔特性方面仍存在显著差异和研究局限。特别是UVAD对钻孔温度的影响仍然是一个有争议的话题。关于UVAD效果的争议并非个例。Giasin等人[44]、[45]在GLARE纤维金属层压板的UVAD研究中观察到，虽然UVAD显著降低了推力，但其效果强烈依赖于主轴转速。然而，该研究没有深入解释其背后的热机械耦合机制。特别是对于像CF/PEEK这样对温度非常敏感的热塑性材料，UVAD在高主轴转速下引起的热量积累效应可能会逆转——从“辅助”变为“有害”，从而影响加工质量。同时，控制材料去除过程的运动学原理常常被忽视。对于刀具动态运动轨迹如何影响关键参数（如瞬时切削厚度）以及这些参数如何与推力、钻孔温度和损伤相关联的定量分析仍然缺乏。这一差距阻碍了对UVAD在CFRTP钻孔中有效工艺窗口的基本理解和合理选择。

本研究对CF/PEEK的CD和UVAD进行了对比分析，并定义了热塑性复合材料UVAD的工艺控制边界。通过切削厚度和瞬时切削速度等方面分析了UVAD的钻孔运动学。在CD和UVAD工艺下进行了钻孔实验，比较了CF/PEEK的钻孔特性，包括切屑形成、推力、钻孔温度、孔损伤和尺寸精度。研究结果表明，UVAD的效果与主轴转速密切相关。这一发现挑战了UVAD始终有利于钻孔过程的传统观点，并为实际应用中选择钻孔参数提供了理论指导。

UVAD的运动学分析

UVAD的运动学分析揭示了其运动轨迹和瞬时切削速度的基本变化，这是理解其如何提高孔质量的关键。以切削刃上的一个点作为研究对象，该点在CD下的运动轨迹方程为：