CC复合材料超声振动钻削加工实验研究毕业论文资料

本科毕业设计论文.1.3实验设备图3-3钻削力测量系统原理图钻削实验在VMC-850三坐标数控加工中心（最大转速8000r/min，机床功率22KW）上进行。采用Kistler9257A压电式测力仪进行钻削力测试。整个测试系统原理如图3-3所示。在钻削过程中，实时采集x、y、z3个方向的力（Fx，Fy，Fz）和扭矩（M）。为了研究钻削参数对钻孔质量的影响，采用莱卡图3-3钻削力测量系统原理图图3-4钻削实验系统现场照片（1）测力仪简介及原理测力仪，又叫测力计，分为电气式测力仪、机械式测力仪（指针式）和液压式测力仪三种。测力仪是测量机械静态力、动态力中常用的仪器，在金属和非金属切削时，通常需要使用测力仪测出各个方向上切削力的大小。目前使用最广泛的是电气式测力仪。而电气式测力仪通常又分为电阻应变式、压磁式、电容电感式还有压电式等。本实验使用的是Kistler9257A压电式测力仪，如图3-5所示：图3-5图3-5Kistler9257A压电式测力仪（工作中）压电式测力仪的工作原理是基于压电材料的压电效应来进行力的测量的。所谓的压电效应就是：当某些晶体材料受某方向的力P作用而产生微小的形变时，将在晶体的上下表面分别产生正、负电荷，从而在晶体上下表面之间产生电势差E。由于晶体表面的电荷量Q往往很小，因此需要在测量系统中接入一个电荷放大器，用它对信号进行放大，然后输出到采集系统对数据信号进行采集和记录。压电式测力仪的优点在于其具有很好的刚度和很高的灵敏度，所以，它既能测量静态铣削力，也能测量动态铣削力，也可以用来测量各种冲击力。通常在实验研究和工程测量中，使用较多的是三向压电式测力仪，它的传感器是由三个不同方向的压电晶片构成，当任意方向的力作用其表面时，该作用力将自动被分解成三个互相垂直方向X、Y、Z上的分力，其工作传感器如图3-6所示：图3-6三向压电式测力仪传感器示意图（2）电荷发大器图3-7YG5850型电荷放大器实验所用电荷发大器型号为YG5850（见图3-7），可同时输入输出三个通道的信号。在钻削实验时，测力仪内的压电石英传感器将钻削扭矩和轴向力转换成相应大小的电荷值，并由电荷发大器和A／D图3-7YG5850型电荷放大器（3）数据采集装置为了对钻削过程中，三个方向的切削力进行采集记录并对切削力数据进行自动图像绘制。最后输入的为每一时刻切削力变化的直观图。采集装置为HBM瞬时信号记录仪，如图3-8所示：图图3-8HBM瞬时信号记录仪（4）超声波发生器超声发生器是系统激振装置的驱动源，功能是将市电转换为超声频电振荡信号[22]。按照激振形式不同分为：自激式和他激式。自激式发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集成一体，形成闭环回路，回路在满足幅度、相位反馈条件，组成一个功率放大回路，并谐振于换能器的共振频率上；他激式发生器由振荡器与放大器两部分组成，具有完整电路控制、保护系统，适合于连续加工，与自激式相比可靠性强。在超声轴向振动钻削系统中，由于超声波发生器和声振系统（换能器和变幅杆）是相对比较成熟的元器件，国内外都有专门的研制和生产厂家，因此在实际应用中可以根据需要进行选购。本实验选用SY-2000型超声波发生器，功率可分档调节、频率自动跟踪补偿。而后对超声振动装置的各个部分进行安装、调试，达到声振系统的谐振，以满足后续超声振动钻削加工实验的需求。图3-9SY-2000型超声波发生器图3-9SY-2000型超声波发生器图3-10声振装置3.2实验参数选取3.2.1钻削用量及选用原则切削加工中，切削用量的合理选择及优化问题，关系到加工生产率、经济性、加工精度、加工表面质量以及零件的使用寿命与可靠性等问题，是提高材料切削效率和加工质量的主要途径之一。制订合理切削用量的目的是为了在保证切削质量的前提下，获得高的生产率和低的生产成本。钻削加工的钻削用量主要包括：切削速度v（主轴转速n）、每转进给量Vf、钻削深度H。其中切削速度指的是钻头外缘尖的运动速度，由主轴转速n，也就是钻头转速计算获得；每转进给量指的是钻头每转一周，钻头与工件之间的相对轴向位移量。钻削切削区域各要素命名规则情况如图3-10所示。图3-10钻削区域各切削要素定义钻削用量体现了钻头与工件相互作用和相互联系的程度，直接影响到钻孔效率、钻削温度、孔壁表面粗糙度、尺寸精度和切屑状态等各种加工条件之间的约束转化。对于上述三种切削用量的选用，通常存在以下几种原则:（l）通常钻头的直径是根据工件要求来选择的，最好选择一次性钻，由于扩孔容易引起振动，并使钻削效率降低，应尽量避免进行二次扩孔；（2）进给量的增加会造成钻削扭矩和轴向力的增大，同时加工表面质量和加工精度也会有所下降；（3）切削速度，即主轴转速对轴向力和扭矩的影响相对较小，但对钻头的耐用度影响很大。因此生产效率的提高，不能盲目地增加钻削用量。钻削用量的提高同时受到钻头耐用度、加工质量、钻头和工件强度、刚度的限制。对于钻孔粗加工，选用切削用量的原则是：首先，在保证机床功率足够的情况下，尽量选用大直径的钻头，避免二次扩孔；其次，选用较大的进给量；最后确定合理的切削速度。但在实际加工应用过程中，需要根据钻头和工件的材料特性，具体的生产条件和要求来制定适应的优化策略，合理选择切削用量。3.2.2拟定实验参数由于切削液对C/C复合材料的性能产生不良影响，所以在钻削实验中均采用干式切削方法。通过改变钻头钻速和进给速度等参数，研究了这些参数对钻削力和钻孔质量的影响。具体的钻削实验参数如下所示。（一）普通钻削（1）定制钻头钻削单因素实验项目参数主轴转速（r/min）3000，4000，5000，6000进给速度（mm/min）30，60，90，120钻头材质和规格整体硬质合金，Φ4、Φ6、Φ8（3）普通钻头钻削对比实验（从单因素实验里选参数）项目参数主轴转速（r/min）3000，4000，5000进给速度（mm/min）30，60，120钻头材质和规格整体碳素钢，Φ6（二）超声钻削采用定制钻头钻削单因素实验。项目参数主轴转速（r/min）3000，4000，5000，6000进给速度（mm/min）30，60，90，120钻头材质和规格整体硬质合金，Φ6第四章实验结果分析4.1钻削力的实验结果与分析切削力的产生根源是切屑的变形过程，同时，切削力又直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损破损、刀具耐用度、切屑形状与断屑以及加工表面质量等切削元素。对于钻削加工，由于钻头具有两个对称的主切削刃和两个副切削刃，在理想情况下切削刃所受的径向力基本上可以相互抵消，而切向力主要用来形成钻头旋转运动的扭矩，因此钻头受到的钻削力主要是指轴向力。轴向力能引起钻头—工件—机床—夹具整套切削系统的弹性变形，同时也对孔的加工质量造成影响，尤其是对钻孔出口侧的撕裂和分层缺陷的产生极为关键。V（m/min）n（r/min）Vf（mm/min）Fz（N）Mz（Nm6-实验156.5530003011.4610.0166-实验256.5530006022.2230.0356-实验356.5530009025.720.0476-实验456.55300012034.8590.0526-实验575.440003015.1580.0416-实验675.440006022.7550.0426-实验775.440009024.8330.0656-实验875.4400012032.320.086-实验994.2550003020.3080.0986-实验1094.2550006021.0790.1396-实验1194.2550009032.1450.1466-实验1294.25500012037.4430.0816-实验13113.160003023.1250.1476-实验14113.160006032.6450.1616-实验15113.160009033.2670.1796-实验16113.1600012034.2480.26-对照166350010034.710.1716-对照284.845007031.6070.1866-对照3103.755004033.8190.173表4-1普通钻削部分实验数据记录表（钻头直径为Φ6）V（m/min）n（r/min）Vf（mm/min）Fz（N）6-实验575.4400030-3.876-实验675.440006011.486-实验775.440009015.436-实验875.4400012019.7086-实验994.255000307.5576-实验1094.255000607.7616-实验1194.2550009014.2376-实验1294.25500012018.5696-实验13113.16000308.8216-实验14113.160006013.5476-实验15113.16000905.786-实验16113.16000120-0.201表4-2超声钻削部分实验数据记录表（钻头直径为Φ6）4.1.1普通钻削的钻削力实验分析钻削过程中垂直于轴向的x、y方向的切削力Fx、Fy周期性变化，其大小可由扭矩来反应。可忽略不计。钻头从钻进到钻出全过程的轴向钻削力和扭矩变化如图4-1从图中可以看出，轴向钻削力Fz和扭矩Mz均从钻头开始钻入时增加。这是因为开始钻入时钻头的主切削刃还没有完全参与切削，参与切削的切削刃长度由零开始逐渐增大，钻削力也逐渐增大；当钻头的主切削刃全部参与切削时，轴向力和扭矩达到最大值。但由于所用硬质合金刀具顶角达160°，主切削刃此后由于参与切削的切削刃长度保持不变，轴向力和扭矩也均保持不变，直至钻头钻出过程开始之前。在钻头钻出过程中，轴向力和扭矩开始下降直至为零；且扭矩的下降速度滞后于轴向力的下降速度。图图4-1（b）扭矩特征曲线放大图图4-1图4-1（a）钻削过程中钻削力（一通道）、扭矩（二通道）特征曲线（Φ6，n=3000r/min，Vf=90mm/min，通过计算获得稳定切削状态下轴向力Fz和扭矩Mz的平均值，作为各组实验的最大钻削力数值，然后分别研究加工工艺参数：主轴转速n、进给速度Vf和钻头直径对钻削力Fz的影响规律，分析C/C（1）进给速度Vf图4-2给出了直径为6mm的钻头钻削C/C复合材料的Fz-Vf和从图4.2可以看出，在相同主轴转速n条件下，随进给速度Vf增加，轴向力Fz和扭矩Mz均呈现上升趋势。而在4个完全不同的主轴转速下，随转速增大，轴向力的变化量幅度较小，甚至出现重合的情况，可见主轴转速对于轴向力的影响远远小于进给速度的影响。这是由纵向切削深度变化造成的，轴向力随纵向切削深度a图4-2C/C复合材料图4-2C/C复合材料Fz-Vf（a）和钻头单个切削刃的纵向切削深度公式表示为:af=f2由公式中可以得出钻头单个切削刃的纵向切削深度与进给量有关，并且数值是其一半。当主轴转速或进给速度发生变化时，进给量也会改变，纵向切削深度随之改变。主轴转速不变，进给速度越大，进给量越大，即纵向切削深度越大，轴向力随之增大。通常认为，轴向力越大，对刀具的冲击作用越大。因此在钻削过程中，可在允许范围内适当增大主轴转速而减少每转进给量，在提高生产效率的同时获得较小的轴向力，以减少刀具的振动与磨损，延长刀具使用寿命。（2）主轴转速n的影响图4-3给出了直径为6mm的钻头钻削C/C复合材料的Fz-n和图4-3C/C复合材料图4-3C/C复合材料Fz-n（a）和M从图4.3（a）可以看出，在相同进给速度Vf条件下，随主轴转速n增加，轴向力Fz呈增大的趋势。不过，随着进给速度Vf的增大，轴向力Fz的增长趋势逐渐变缓；当Vf=120mm/min时，轴向力关于主轴转速的变化规律与进给速度类似，即进给速度不变条件下，主轴转速越高，进给量越小，即纵向切削深度越小，轴向力随之减小，但实验中轴向力却有增大的趋势。分析认为，是由于随着主轴转速增加，单位时间内切削纤维的数量增加，致使轴向力增大。图4.3（b）显示随主轴转速增大，扭矩Mz（3）钻头直径d0图4-4为当主轴转速n=4000r/min时，使用硬质合金钻钻削C/C复合材料，钻头直径与轴向力Fz和扭矩Mz从图4-4可以看出，在相同条件下，随钻头直径增大，轴向力Fz和扭矩Mz总体呈现上升趋势。钻头单个切削刃的切削宽aw=d0由公式可知，钻头直径增大，切削宽度aw将成正比增大，致使切削面积增大，故Fz和Mz图图4-4钻头直径对钻削力（a）和扭矩（b）的影响4.1.2超声振动钻削的钻削力实验分析图4-5给出了直径为Φ6mm的硬质合金钻头，分别在超声振动钻削和普通钻削条件下，实验所得Fz-实验表明，在超声振动钻削条件下，钻头加载的轴向力Fz和扭矩Mz均比普通钻削条件下分析认为：图4-5图4-5超声钻削与普通钻削的钻削力对比（1）振动钻削时，刀刃进行切削的时间，在整个周期里只占很小一部分，在净切削期间的切削力和普通钻削力差不多，整个周期的平均切削力就大大低于普通钻削力，这是轴向力减小的主要原因；（2）振动钻削是脉冲式钻削加工，钻头与被加工材料之间是间歇性接触，钻头与工件之间存在相对运动，减少了两者的接触时间从而减少了摩擦系数，这在一定程度上降低了钻头加载的扭矩；（3）由于超声振动钻削具有动态角度钻削特性，钻削加工过程中的工作角度是周期性变化的，这在一定程度上提高排屑和断屑能力，使切屑不易堆积，造成阻塞，改善钻削环境，降低钻削力与钻削扭矩；4.2孔出入口加工缺陷分析（b）图4-6单因素实验的钻孔形貌（a）出口侧（（b）图4-6单因素实验的钻孔形貌（a）出口侧（b）入口侧（Φ6；n=5000r/min；Vf从孔入口形貌可以看出，使用大顶角钻头进行钻削时，基本没有撕裂和毛刺产生，孔入口侧加工质量良好，可以满足使用要求；但孔出口侧出现不同程度的撕裂并有毛刺存在，撕裂方向平行于纤维的排布方向，且复合材料的表层材料产生分层现象。图4-7（a）孔出口侧毛刺图（Φ6；n=3000r/min；Vf图4-7（a）孔出口侧毛刺图（Φ6；n=3000r/min；Vf图4-7（b）孔出口侧撕裂缺陷图（Φ6；n=3500r/min；Vf4.2.1撕裂、毛刺和分层产生的原因分析准三维编织C/C复合材料具有层合纤维复合材料的相关特点，且越接近外层层合特性就越明显。原因有以下几个方面：第一、层间强度的增加依赖于层间针刺短纤维与炭基体间接触力而非层间针刺短纤维本身；第二、短纤维网胎与炭布间界面分明，通过拉伸强度较低的炭基体结合；第三、外层纤维受表面加工等操作的损伤严重；第四、最外层缺乏支撑。另外，层间针刺短纤维数量相对较少且分布不均匀。因此，C/C复合材料钻削缺陷仍以撕裂、毛刺和分层为主，其产生的原因可以这样解释[36]：钻削C/C复合材料板材时，钻头对板材主要产生两个作用力，即轴向力和扭矩。轴向力会产生垂直应力，引起I型撕裂破坏；扭矩会产生面外剪切应力，引起Ⅲ型裂纹破坏，如图4-8所示。钻孔分层主要是由于这两种类型裂纹破坏作用的结果。入口侧（如图4-9（a））钻头主切削刃切削纤维，纤维受推力而与钻头前部未切削部分间产生一个外剪切应力Fm，引起Ⅲ型裂纹破坏；钻头前端对未切削部分会产生一个轴向向下的推力，但由于未切削部分相对已切削部分来讲厚度还较大，承载能力较强，故轴向推力引起的未切削部分与已切削部分间的垂直应力会很小，所以I型裂纹破坏作用很微弱。图4-8缺陷产生的机理当钻头深入到板厚中间部分（如图4-9（b）），已钻削部分己较厚，抗扭能力已较强，Ⅲ型裂纹破坏消失，而这时I图4-8缺陷产生的机理出口侧（如图4-9（c）），钻头前端未切削部分已很薄，未切削部分承载能力己很弱，在轴向推力的作用下，必产生较大变形，从而引起未切削部分与已切削部分间的较大垂直应力，造成I型裂纹破坏；而这时虽扭矩也存在，但由于已切削部分已很厚，不会造成Ⅲ型裂纹破坏。所以可以说入口侧的分层，以扭矩引起的Ⅲ型裂纹为主；而在出口侧，以轴向力引起的I型裂纹破坏，则是引起出口撕裂和分层的主要原因。（（b）（c）（d）图4-9复合材料钻削加工过程毛刺现象是由于以下几方面原因造成的：（1）在“顺向”切削情况下纤维不容易被切断。这里的“顺向”是指切削刃运动方向与纤维方向成锐角的切削。（2）表层纤维外侧为自由表面，没有约束。（3）刀具的切削部分不锋利，不能沿孔边完全切断。图4-10孔出口不同的撕裂缺陷此外，对于C/C复合材料，在钻头尾根转点附近，随着进给增加网胎或炭布受弯矩和挤压严重，出现以下情况：一、当最外层是网胎层时，主切削刃尚未切削网胎层材料提前崩落形成网胎型撕裂。同时，削弱对纤维的支撑降低纤维层刚度，导致切削刃无法有效切断纤维形成表面毛刺。二、当最外层是炭布层时，主切削刃尚未切削炭布层，炭纤维便提前断裂，在钻孔范围内断裂又不能被切削刃及时切断形成表面毛刺。如果毛刺实际影响区超出钻孔范围会形成隐性毛刺图4-10孔出口不同的撕裂缺陷4.2.2撕裂、毛刺和分层的影响因素及改善措施C/C复合材料出口撕裂和分层的大小与轴向力有直接的关系[37]。C/C复合材料出口撕裂和分层的大小是和轴向力成线性或分段线性的关系，钻削轴向力越大，撕裂和分层也就越大，两者基本成上升二次曲线关系。所以切削参数对撕裂和分层的影响，和其对轴向力的影响是相同的。（1）钻头转速n越高，撕裂和分层也就越小；进给速度Vf越大，撕裂和分层（2）进给量fr增加，撕裂和分层也就随之增大（3）在其他切削条件相同的前提下，钻头直径越大，撕裂和分层越大。为了提高复合材料的钻孔质量，必须针对复合材料的性能，通过工艺装备或改变切削参数来改善材料的钻削加工性。（1）高速钻孔：轴向力是引起孔壁分层、孔出入口撕裂和分层的主要原因。在进给速度Vf保持不变的情况下，选择较大的主轴转速n和较低的每转进给量fr，可保证孔出口侧加工质量良好并减少（2）构件加强法：在结构件敞开的情况下，加强出口侧的强度。①在钻削C/C复合材料构件时，在要钻孔部件的出口面加贴工艺布或涂一层胶，对孔的出口进行加强，待固化后钻孔。②以上压板和下支撑板改善复合材料的钻入、钻出条件，防止材料弯曲、退让、剥离和隆起现象发生。一方面提高了钻削区材料的刚度，改善了材料的钻削加工性。另一方面，增强了孔周围纤维与基体粘接强度，可防止抽丝、拉毛等缺陷发生。上压板和下支撑板可采用胶木板或硬塑料板等。以上两种加强可有效防止孔出口侧的分层和劈裂。（3）改进切削用量法：在钻出过程即将发生时，在进给速度不变的条件下，随着待切削部分厚度的减小，强度急剧下降，造成待切削材料层未切削而先行破坏。所以在钻出过程即将发生时，改变进给速度或进给量，使轴向力的下降速率与待切削部分材料层的强度下降速率相适应，就能避免分层、撕裂现象的产生。此外，针对C/C复合材料钻削过程中存在的其他问题的还可采用：（1）改进钻头的材质，提高钻头的耐磨性，如硬质合金、陶瓷、立方碳化硼、金刚石等。张厚江教授实验证明，金刚石钻头要优于其他种类的钻头。或者采用特殊的钻头，如电镀金刚石金刚石套料钻，其原理上是采用磨削的办法来加工孔，大大的提高了钻头的使用寿命。（2）粉尘的防治，因为C/C复合材料的基体在加工过程中吸收水分而导致纤维拔出、内部脱粘、分层等缺陷，在钻削过程中不加切削液，所以在加工的过程中可以使用工业吸尘器。也可有效防止粉尘的污染。4.4.3超声振动钻削的加工工艺效果超声振动钻削是在传统钻削的旋转加工工艺基础上结合了轴向超声振动技术所形成的新型加工工艺。它从本质上改变钻削机理，将传统钻削工艺的连续加工转化为周期性的脉冲加工，具有传统钻削难以比拟的加工工艺效果。在对C/C复合材料的普通钻削与振动钻削工艺效果的对比实验中，超声振动钻削系统频率跟踪效果好，能使系统在加工过程中保持谐振状态。（a1）（b1）（Φ6；n=4000r/min；Vf=120mm/min）对比超声振动钻削和普通钻削的加工工艺效果，如图4-10。可以看出，当最外层是网胎层时（如图4-10（a2、b2）），超声振动钻削（a1）（b1）（Φ6；n=4000r/min；Vf（a2）（（a2）（b2）（Φ6；n=5000r/min；Vf图4-10孔出口形貌图（a）超声钻削（b）普通钻削（1）超声振动钻削具有变厚钻削特性，进给方向的周期变化，向下的轴向钻削力小以及入钻精度高等，是减少孔的出口毛刺的主要原因；振动钻削中，钻头的横向偏移量小且在空切期间得到恢复，这也避免了毛刺的产生。（2）超声振动钻削具有动态角度特性；振动钻削过程中，钻头的工作角度周期性变化，前角与后角的变化趋势相反，前角先变大后变小，后角的变化则相反。（3）超声振动钻削时，钻头具有静止化效果跟刚性化效果；即钻头产生的位移属于静位移，钻头的刚性化效果是由于脉冲轴向力的作用使得钻头的刚度增大。静止化效果跟刚性化效果能有效地提高孔的加工质量。（4）超声振动钻削能提高排屑效果；由于钻头附加振动，其与工件之间是间歇性接触的，这将降低加工过程中切屑与钻头之间的摩擦力，大幅度降低钻削热，从而达到提高排屑效果、降低孔表面粗糙度的效果。（5）钻头的长度对振动效果影响很大，当钻头的长度符合声振要求时，得到的振动效果最佳。4.3本章小结本章主要分析研究了：（1）通过C/C复合材料钻削单因素实验，对轴向力和扭矩数据进行处理，得出了轴向力和扭矩随主轴转速、进给速度和钻头直径的变化规律。（2）分析了复合材料钻孔出入口侧的形貌特点，对出口侧的撕裂和毛刺进行了测量和分析，探讨加工缺陷与轴向力之间的相互关系，并从钻头受力特征出发分析了加工缺陷产生的原因和机理。（3）在对C/C复合材料的普通钻削与振动钻削工艺效果的对比实验中，超声振动钻削能显著减小出口毛刺的尺寸，在某些情况下甚至能完全消除出口毛刺；所加工孔的尺寸精度高；能提高排屑效果。第五章结论与展望近几十年来，复合材料的应用从航天领域迅速扩展到船舶、汽车、化工及土建等民用领域，但是复合材料的加工难度较大且加工精度较差，严重制约了复合材料的大规模应用，对复合材料钻削加工技术进行系统研究成为当前的热门问题。本文对C/C复合材料钻削加工中的轴向力、扭矩、孔出入口形貌、出口撕裂和分层等加工特征以及产生机理进行了分析研究，并基于大顶角钻头结构对加工工艺参数进行优化，在保证加工精度的前提下实现高的生产效率，对实际生产现场起到了一定的理论指导作用。5.1结论为了贴近生产实际应用，本课题选用C/C复合材料作为加工对象，采用硬质合金大顶角钻头（顶角角度为160°），进行复合材料钻削加工单因素和单因素实验，对轴向力、扭矩、孔出入口形貌、出口撕裂和毛刺等实验现象进行分析和机理研究，对加工质量控制理论和工艺参数优化进行研究，得到结论如下：（1）通过C/C复合材料钻削单因素实验，对轴向力和扭矩数据进行处理，得出了轴向力和扭矩随主轴转速、进给速度和钻头直径的变化规律。①发现在低的进给速度条件下，轴向力随主轴转速的增大呈增大趋势；②同一主轴转速条件下，轴向力随进给速度的增大而增大，且进给速度对轴向力的影响要远远大于主轴转速对轴向力的影响；③扭矩与主轴转速的相关性大一些，随主轴转速的增大呈增大趋势。④钻头直径越大，轴向力越大；材料厚度增加，轴向力增加。（2）分析了复合材料钻孔出入口侧的形貌特点，对出口侧的撕裂和毛刺进行了测量和分析，探讨加工缺陷与轴向力之间的相互关系，并从钻头受力特征出发分析了加工缺陷产生的原因和机理，得到以下结论：C/C复合材料钻孔加工缺陷主要有：①在孔的入口处，发生劈裂②孔壁周围材料发生层间破坏，产生分层；孔壁表面粗糙及微裂纹；③孔出口撕裂、起毛；且出口侧加工质量要远差于入口侧。C/C复合材料出口撕裂和分层的大小是和轴向力成线性或分段线性的关系的，钻削轴向力越大，撕裂和分层也就越大。所以切削参数对撕裂和分层的影响是和对轴向力的影响是相同的：①钻头转速n越高，撕裂和分层也就越小；进给速度Vf越大，撕裂和分层也就越大；②切削速度V对撕裂和分层的影响很小，可以忽略。进给量fr增加，撕裂和分层也就随之增大；③在其他切削条件相同的前提下，钻头直径越大，撕裂和分层减小撕裂和分层的方法主要有高速钻孔、构件加强法和改进切削用量法。（3）超声振动钻削将传统钻削工艺的连续加工转化为周期性的脉冲加工，具有传统钻削难以比拟的加工工艺效果。在对C/C复合材料的普通钻削与振动钻削工艺效果的对比实验中，超声振动钻削能显著减小出口毛刺的尺寸，在某些情况下甚至能完全消除出口毛刺；所加工孔的尺寸精度高；能提高排屑效果。5.2研究展望本课题对硬质合金大顶角钻头钻削C/C复合材料的钻削加工机理及缺陷产生机理进行了研究，取得了一定成果，但由于本课题材料性能的特殊性以及钻削过程的复杂性，具有较大的难度和工作量，且受时间和实验条件的限制，尚有以下工作有待于进一步研究和深化：（1）由于实验室设备限制只对轴向力、扭矩、出口侧的的加工缺陷等工艺效果进行实验分析，没能全面对孔加工工艺效果进行分析；（2）钻孔过程包含三个阶段：入钻、钻削、钻出，各阶段钻头的加工环境与机理不同，因此加工参数也应有区别，以后的研究可以向着变参数加工置方向进行。（3）超声振动钻削实验过程中，缺少相关测量仪器，没法对振幅进行准确测量，只能通过发生器功率标定振幅。（4）复合材料钻削加工中的钻头磨损对切削过程影响非常明显，钻头磨损后刃口半径会有所增大，切削刃的锋利程度会大大减小，严重影响钻头对已产生撕裂和分层等缺陷的切削作用。因此，对钻头的磨损形貌、磨损机理和寿命预测进行研究，也是改善复合材料钻削加工质量的关键技术之一。（5）随着计算机技术的发展，计算机数值模拟和仿真技术己经逐渐成为一种必要的，且必不可少的研究手段。同时，受实验设备等客观条件的限制，不可能在实验中大幅度地随意改变工艺参数，因此，利用计算机仿真技术对振动钻削过程中的切削力、切削热、刀具变形磨损、毛刺的形成等相关方面进行仿真分析也是未来研究的重点。参考文献[1]KoplevA,LystrupA,VormT.ThecuttingprocesschipsandcuttingforcesinmachiningCFRP[J].Composites,1983,14（4）:371-376.[2]OgawaK，AoyamaE,InoueHetal.InvestigationoncuttingmechanisminsmalldiameterdrillingforGRRP（thrustforceandsurfaceroughnessatdrilledholewall）[J].CompositesStrueture,1997,38（1-4）:343-350.[3]LinS.C,ChenI.K.DrillingCarbonfiber-reinforcedcompositematerialathighspeed[J].Wear,1996,194（1-2）:156-162.[4]PiquetR,FerretF,LachaudFetal.Experimentalanalysisofdrillingdamageinthincarbon/expoyplateusingspecialdrills[J].ComposPartA:ApplSeienceManufaction,2000,31（10）:1107-15.[5]ChenW.Someexperimentalinvestigationsinthedrillingofcarbonfiber-reinforcedplastic（CFRP）compositelaminates[J].IntJMachToolsManuf,1997,37（8）:1097-108.[6]HochengH,PuwHY,HuangY.Preliminarystudyonmillingofunidirectionalcarbonfibre-reinforcedplastics.ComPositesManufacturlng,1993,4（2）:103-108.[7]TsaoCC,HochengH.Theeffectofchisellengthandassociatedpilotholeondelaminationwhendrillingcompositematerial[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2003（43）:1087-1092.[8]张厚江,陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料（CFRP）钻孔出口缺陷的研究7J〕.机械工程学报，2004，40（7）:150一155.[9]张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料钻削孔分层缺陷的研究〔J〕.机械工程学报，2003，14（22）:1978一1980.[10]胡宝钢，赵建设，李德茂.碳纤维复合材料的切削加工工艺[J〕.导弹与航天运载技术，1994，211（05）:48一52.[11]张万君，刘永琪，钱秀松.碳纤维复合材料的孔加工7J〕.加工技术，2005，（03）:49一52.[12]张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料孔壁的微观形态.复合材料学报，2000，17（2）:98-101.[13]张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料钻孔出口缺陷的研究.机械工程学报，20O4（7）:150-155[14]赵福令，艾传智，杨东军.C/C复合材料切削表面粗糙度的评定方法及评定参数研究.计量学报，2006，27（7）:206-211.[15]全燕鸣，叶邦彦.复合材料的切削加工表面结构与表面粗糙度，复合材料学报，2001，18（4）:128-132.[16]李志强，樊锐，陈五一等.纤维增强复合材料的机械加工技术.航空制造技术，加03（12）:34-37.[17]张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料孔壁的微观形态.复合材料学报，2000，17（2）:98-101.[18]张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料钻孔出口缺陷的研究.机械工程学报，20O4（7）:150-155.[19]张厚江，陈五一，陈鼎昌.声学显微镜用于碳纤维复合材料钻孔分层检测的研究.复合材料学报，1998，15（3）:62-65.[20]TagliaferriV,CaprinoG,DiterlizziA.EffectofdrillingparametersonthefinishandmechaniealpropertiesofGFRPcomposites.JMachToolsManufac,1990,30（l）:77-84.[21]ChenWC.Someexperimentalinvestigationsinthedrillingofcarbonfiber-reinforcedplastie（CFRP）compositelaminates,lnt.J.MachineToolsManuf,1991,37（8）:1097-1108.[22]MohanNS,KulkainiSM,RamachandraA.Delaminationanalysisindrillingprocessofglassfiberreinforcedplastic（CFRP）compositematerials.Journalofmaterialsprocessingtechnology,2007,186:265-271.[23]隈部纯一郎．精密加工振动切削基础及应用[M]．北京：机械工业出版社,1985．[24]B.Azarhoushang,J.Akbari.Ultrasonic-assisteddrillingofInconel738-LC.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture47,2007:1027–1033.[25]U.Heisel,J.Wallaschek,R.Eisseler,etc.UltrasonicdeepholedrillinginelectrolyticcopperECu57.CIRPAnnals-ManufacturingTechnology57（2008）53–56.[26]WangLijiangetal.Investigationonzero-phase-differencevibrationchipbreaking,ChineseJournalofMechanicalEngineering,1990,3（1）:50~57.[27]WangLiping,WangLijiangandYangZhaojun.Theoreticalinvestigationandcomputersimulationofthedynamicthrustandtorqueinvibrationdrilling,Proceedingsofthe6thSJSUP,1996,:573~576.[28]王立江，张明，赵继．超声波振动钻削微小孔的研究[J]．机械工程学报，1994，30（6）：16-20．[29]刘华明．低频振动钻小孔的实验研究[J]．机械工艺师，