碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有低密度、高比强度、耐疲劳等优点^{[ [1] 陈燕, 葛恩德, 傅玉灿, 等. 碳纤维增强树脂基复合材料制孔技术研究现状与展望[J]. 复合材料学报, 2015, 32(2): 301–316.CHEN Yan, GE Ende, FU Yucan, et al. Review and prospect of drilling technologies for carbon fiber reinforced polymer[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2015, 32(2): 301–316.
1 ]}。Ti6Al4V具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等特性^{[ [2] YUAN C G, PRAMANIK A, BASAK A K, et al. Drilling of titanium alloy (Ti6Al4V)—A review[J]. Machining Science and Technology, 2021, 25(4): 637–702.
2 ]}，与CFRP组成的叠层结构不仅克服了CFRP冲击强度不足的问题，而且增加了整体结构的疲劳强度，因此该结构在航空航天领域得到了广泛应用^{[ [3] 索煜豪, 陈涛, 李红博. CFRP/Ti叠层超声辅助变参数钻削界面温度试验研究[J]. 航空制造技术, 2024, 67(9): 70–77.SUO Yuhao, CHEN Tao, LI Hongbo. Experimental research on interface temperature in ultrasonic-assisted variable parameters drilling of CFRP/Ti stacks[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2024, 67(9): 70–77.
3 ]}。在我国研制的C919和C929宽体客机中，CFRP/Ti6Al4V叠层结构被应用于机翼主梁、起落架连接部件及机身承载结构中，不仅提升了飞机的结构强度，而且显著降低了整机重量，提高了飞行效率和经济性。然而这两种材料性能迥异且均为难加工材料，在CFRP/Ti6Al4V叠层结构的钻削加工过程中，由于较高的钻削温度，容易导致CFRP发生严重出口分层、Ti6Al4V出口毛刺较高、孔径一致性差等问题^{[ [4] 陈怡晴, 王晓强, 田英健, 等. CFRP/钛合金叠层材料钻削研究进展[J/OL]. 机械科学与技术, [2024–07–16]. https://link.cnki.net/urlid/61.1114.TH.20240712.1547.004.CHEN Yiqing, WANG Xiaoqiang, TIAN Yingjian, et al. Progress in drilling of CFRP/Ti composite[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, [2024–07–16]. https://link.cnki.net/urlid/61.1114.TH.20240712.1547.004.
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4-5 ]}，降低了CFRP/Ti6Al4V叠层结构的加工质量，影响装配性能，严重制约该材料在航空领域中的应用^{[ [6] 李春奇, 康晓峰, 杨浩骏, 等. 加工参数对CFRP/Al叠层材料制孔质量的影响[J]. 机械制造与自动化, 2016, 45(3): 42–46.LI Chunqi, KANG Xiaofeng, YANG Haojun, et al. The influence of cutting parameters on the hole quality in CFRP and Al stacked material[J]. Machine Building & Automation, 2016, 45(3): 42–46.
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6-7 ]}。

CFRP具有吸湿特性，钻削时一般使用最小微量润滑（Minimum quantity lubrication，MQL）工艺对叠层结构进行冷却润滑。Xu等^{[ [8] XU J Y, JI M, CHEN M, et al. Experimental investigation on drilling machinability and hole quality of CFRP/Ti6Al4V stacks under different cooling conditions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 109(5): 1527–1539.
8 ]}研究了CFRP/Ti6Al4V叠层结构在干切削和MQL条件下的钻削表现和钻孔质量，试验结果表明，相较于干切削加工，MQL切削显著降低了钻孔扭矩和能量消耗，减少了CFRP的孔壁损伤和Ti6Al4V出口毛刺的形成，并获得了更好的孔径精度。Hussein等^{[ [9] HUSSEIN R, SADEK A, ELBESTAWI M A, et al. The effect of MQL on tool wear progression in low-frequency vibration-assisted drilling of CFRP/Ti6Al4V stack material[J]. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2021, 5(2): 50.
9 ]}研究了CFRP/Ti6Al4V叠层结构低频振动辅助制孔在不同加工参数下的刀具磨损机制和制孔质量，试验结果表明，在转速为3000 r/min时，与传统钻削（干切削）相比，MQL低频振动辅助制孔过程的温度降低了63%，且没有发生切屑粘结现象，CFRP没有出口分层，刀具寿命更长。Ji等^{[ [10] JI M, XU J Y, CHEN M, et al. Effects of different cooling methods on the specific energy consumption when drilling CFRP/Ti6Al4V stacks[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 43: 95–102.
10 ]}在干切削加工和MQL条件下进行了CFRP/Ti6Al4V叠层结构的钻削试验，结果表明，MQL能够有效降低刀具与孔壁之间的摩擦力，从而显著减小钻削力矩，CFRP孔壁更为平滑，表面缺陷数量显著减少。然而，随着航空领域大孔径、大厚度CFRP制孔需求的不断提出，MQL的冷却润滑效果已无法满足加工需求，容易导致刀具寿命降低和工件表面质量下降。

近年来，低温加工技术由于换热能力强、绿色环保和廉价的优点，得到了国内外研究人员的广泛关注，主要包括液氮（Liquid nitrogen，LN₂）和CO₂（Liquid carbon dioxide（LCO₂）及Supercritical carbon dioxide（ScCO₂））等。Iqbal等^{[ [11] IQBAL A, ZHAO G L, ZAINI J, et al. CFRP drilling under throttle and evaporative cryogenic cooling and micro-lubrication[J]. Composite Structures, 2021, 267: 113916.
11 ]}进行了MQL、蒸发式LN₂和节流式压缩CO₂ 3种冷却润滑条件下的CFRP钻削试验，发现MQL条件下的钻削有效地减少了切削区域的摩擦和磨损效应，从而降低了轴向力、刀具磨损、比切削能耗和共工艺成本；节流式压缩CO₂的有效降温获得了更好的表面光洁度和孔尺寸精度，并抑制了分层和纤维磨损；LN₂极低的温度使得轴向力和比切削能量增加，并导致了孔的几何尺寸出现轻微偏差。Sorbo等^{[ [12] SORBO N W, DIONNE J J. Dry drilling of stackup composite: Benefits of CO2 cooling[J]. SAE International Journal of Aerospace, 2014, 7(1): 156–163.
12 ]}使用LCO₂内冷的方式进行了CFRP/Ti6Al4V叠层结构钻削试验，结果表明，相比于干切削加工，LCO₂条件下钻削Ti6Al4V和CFRP层的温度分别控制在35 ℃和20 ℃以下，减少了高温对CFRP树脂基体的热损伤，孔径一致性变好，孔壁光洁度得到了提高，钻削CFRP层时刀具寿命延长10%~20%，钻削Ti6Al4V时刀具寿命提高2~3倍，且加工完成后无需清洗。LN₂的冷却温度过低，可低至–196 ℃，易使刀具材料发生严重的热疲劳失效^{[ [13] JEROLD B D, KUMAR M P. The influence of cryogenic coolants in machining of Ti–6Al–4V[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, 135(3): 031005.
13 ]}。此外，采用喷嘴进行LN₂和LCO₂高压喷射的冷却方法则需要大量的冷却剂。

ScCO₂是CO₂在处于或高于其临界温度和压力时呈现的状态，在低冷却剂量和低成本的前提下表现出良好的冷却效果。Supekar等^{[ [14] SUPEKAR S D, GOZEN B A, BEDIZ B, et al. Feasibility of supercritical carbon dioxide based metalworking fluids in micromilling[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, 135(2): 024501.
14 ]}使用ScCO₂来提高不锈钢和铜的可加工性，研究发现，与干切削相比，基于ScCO₂的低温切削可以减少毛刺的形成，降低表面粗糙度，减少刀具磨损。Rahim等^{[ [15] RAHIM E A, RAHIM A A, IBRAHIM M R, et al. Experimental investigation of supercritical carbon dioxide (ScCO2) performance as a sustainable cooling technique[J]. Procedia CIRP, 2016, 40: 637–641.
15 ]}研究了ScCO₂低温冷却技术作为可持续冷却技术的切削加工性能，结果表明，基于ScCO₂的低温冷却技术可以将切削温度降低30%，同时减少切屑厚度、刀具与工件接触长度和加工成本。Zou等^{[ [16] ZOU F, ZHONG B F, ZHANG H, et al. Machinability and surface quality during milling CFRP laminates under dry and supercritical CO2-based cryogenic conditions[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2022, 9(3): 765–781.
16 ]}在使用干切削加工和ScCO₂冷却加工CFRP时，发现干切削加工条件下的切削温度范围为100~160 ℃，树脂软化导致纤维束断裂或脱粘，产生较多表面缺陷；而ScCO₂可将切削温度降至34.5~93.0 ℃，最高降幅为58.5 ℃，有效避免热损伤并提高了表面质量，表面粗糙度最大降低了约27%，但切削力比干切削加工高15%~20%。以上研究表明，ScCO₂低温冷却方法可以有效降低加工区域温度，具有低成本、优良的冷却性能和安全性，可以改善高温带来的加工质量问题，是提高CFRP/Ti6A14V叠层结构钻削加工质量的一种潜在理想冷却加工方式。然而，ScCO₂在加工时由于润滑能力不足，容易导致加工载荷增大。同时，在已有的研究成果中，ScCO₂用于CFRP/Ti6A14V叠层结构钻削加工的报道较少。

因此，结合MQL良好的润滑特性与低温冷却介质快速降温的冷却能力，根据ScCO₂对工业上常用润滑油溶解度高的特点^{[ [17] 吴延林. ScCO2–MQL超声振动铣削SiCp/Al复合材料表面特征及工艺优化研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2023.WU Yanlin. Study on surface characteristics and process optimization of ScCO2–MQL ultrasonic vibration milling SiCp/Al composites[D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2023.
17 ]}，本文提出了一种低温微量润滑（Cryogenic minimum quantity lubrication，CMQL）工艺，并进行了油滴输出雾化测试与温度测试。在此基础上，开展了CMQL工艺下的CFRP/Ti6Al4V叠层结构低频振动钻削试验，研究了CO₂压力对叠层结构钻削过程中钻削力和钻削温度的影响规律，分析了不同压力下的制孔质量，包括孔壁形貌、孔壁粗糙度、Ti6Al4V出口毛刺高度、CFRP出口分层大小。

CO₂的状态会随着压力和温度的改变而发生变化。当压力超过7.4 MPa，温度超过31 ℃，CO₂会转变为ScCO₂（图1），并同时具有液态的密度和气态的黏度。相较于常规低温介质，ScCO₂更容易进入实际加工区域，确保充分的冷却。同时，润滑油在ScCO₂中也有较高的溶解性，两者更易混合。

CMQL冷却润滑系统试验平台如图2所示。室温下，钢瓶中的CO₂为5.7 MPa的气液混合状态，经减压阀减压至0.8 MPa变为气态CO₂进入供油装置，与润滑油混合后作为增压泵的输入，并增压至7.4 MPa以上。由于增压泵持续压缩CO₂进行做功，使其内能增加，因此进入缓冲罐的CO₂温度经实测达到31 ℃以上，CO₂变为超临界态。此时，缓冲罐内的ScCO₂与润滑油形成溶液，当开始加工时，打开冷却润滑系统的开关阀门，混合后的ScCO₂与润滑油通过加工系统旋转接头与内部冷却通道，流向刀具内冷孔，并从内冷孔喷出。

将实际钻削过程转换为斜角切削过程，ScCO₂与润滑油混合物从内冷孔喷出后的冷却润滑原理如图3所示。基于ScCO₂的CMQL雾化及冷却过程主要经历以下3个阶段。

（1）射流从内冷孔释放：ScCO₂与润滑油的混合物射流从刀具内冷孔喷出，在高压作用下射流迅速充斥切削区域，如图3（a）所示。

（2）ScCO₂初步相变：由于外部压力降低，ScCO₂初步相变为液态和固态CO₂，如图3（b）所示，相变过程中吸收大量热量，对刀具后刀面与已加工表面进行降温，同时，由于液态和固态CO₂对润滑油的溶解度降低，润滑油逐渐从CO₂中析出。

（3）润滑油雾化：液态和固态CO₂进一步吸热相变为气态CO₂，对加工区域进行降温，此时润滑油在CO₂中的溶解度大幅降低，析出后形成均匀油雾，如图3（c）所示。

在切削材料时，刀具与工件间的界面近似毛细管通道，尺寸为μm级间隙。基于ScCO₂的CMQL冷却润滑系统，不仅通过相变过程吸收了大量的钻削热量，同时析出的润滑油颗粒形成油雾后迅速填充于钻削区域内，在刀具与工件间的间隙内形成润滑膜，减少钻削时的摩擦。

MQL的雾化效果直接影响其润滑能力。一般认为，当MQL雾化油滴颗粒直径小且尺寸均匀时，可以在加工时产生较好的润滑效果^{[ [18] ISKANDAR Y, TENDOLKAR A, ATTIA M H, et al. Flow visualization and characterization for optimized MQL machining of composites[J]. CIRP Annals, 2014, 63(1): 77–80.
18 ]}。气态、液态及超临界态CO₂对润滑油的溶解能力存在差异，影响CMQL的雾化效果；同时，不同状态下的CO₂从喷嘴释放后，相变吸热能力也不同。为研究CMQL雾化及冷却能力，分别探究了不同CO₂压力及不同润滑油流量下的输出射流温度和雾化油滴的颗粒分布情况，测试使用的润滑油流量分别为2.29 g/min、2.97 g/min、3.71 g/min、4.21 g/min，CO₂压力为5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa和9 MPa，使用的润滑油为AccuLube LB2000润滑油。为测试CMQL系统的雾化能力，将喷嘴固定在立式升降台铣床B1–400K机床的主轴处，在喷嘴下方150 mm处放置硅片承载油滴颗粒，雾化性能测试工装如图4（a）所示，试验时，喷嘴与硅片的横向相对移动速度为30 mm/s。为避免试验误差对油滴颗粒分布统计的影响，相同压力下的雾化性能测试3次。使用直径0.8 mm的喷嘴作为CMQL冷却润滑系统测试的输出装置，并使用K型热电偶测量15 mm处的射流温度，以比较不同CO₂状态下的冷却性能，CQML冷却性能的测试工装如图4（b）所示。

试验结束后，使用HRX–01三维数字显微镜拍摄油滴形貌。在硅片沿中心线间隔相同的5处位置上截取相同大小的采样区域，对其中的油滴分布情况进行统计（图4（a）右部分）。采用单位面积内不同粒径范围的油滴数量来反映雾化效果，对不同粒径范围的油滴数量进行统计，并换算成1 mm²面积内油滴的数量。

叠层结构钻削试验使用的CFRP层合板厚度为10 mm，铺层顺序为[45°/90°/–45°/0°/–45°/0°/45°]_4s，纤维体积分数为65%；Ti6Al4V材料厚度为10 mm；将Ti6Al4V与CFRP制成200 mm（长）×15 mm（宽）×10 mm（高）的条状试件。钻削试验在Seti–Tec自动进给钻上进行，试验装置如图5所示，L型转接板通过螺钉螺母固定在机床上，EDU钻套部分与转接板中心孔配合，并通过定位螺钉固定。CFRP/Ti6Al4V叠层结构通过夹具与测力仪固定，并使用压板固定在机床台面上。通过旋转接头将CMQL装置输出端与EDU内冷通道相连接，冷却润滑介质通过丝杠内冷通道及刀具内冷孔喷射到加工区。试验刀具为装配式EDU硬质合金双顶角钻头，如图6所示，刀具直径为12.7 mm，内冷孔直径为500 μm，结构参数如表1所示。

为研究CMQL工艺中CO₂状态对CFRP/Ti6Al4V叠层结构钻削的影响，使用Kistler 9272切削力测量系统采集钻削过程中的钻削力和扭矩，并通过Kistler 5070A电荷放大器将采集的电荷按比例转换为电压，然后由数据采集卡记录。同时，使用FLIR红外热像仪测量工件外壁温度，外壁厚度为1 mm。由于CFRP切削速度范围较大，因此根据Ti6Al4V的切削速度范围设置主轴转速。Ti6Al4V切削速度一般控制在10~40 m/min^{[ [19] YANG H J, CHEN Y, XU J H, et al. Chip control analysis in low-frequency vibration-assisted drilling of Ti–6Al–4V titanium alloys[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2020, 21(4): 565–584.
19 ]}，为避免加工硬化倾向，进给量控制在0.02~0.1 mm/r；CFRP进给量通常小于0.1 mm/r，且由于EDU主轴转速上限为503 r/min，因此转速设置为400 r/min，切削速度为15.95 m/min。对进给量f采用变进给策略：当钻头钻入CFRP层时，选择较小的进给量（0.015 mm/r），而在钻入Ti6Al4V层时，则切换到较大的进给量（0.025 mm/r），叠层结构钻削试验参数见表2。每种参数下使用新钻尖重复试验3次，钻削力、钻削温度及钻削质量取平均值进行分析。钻孔结束后，使用HRX–01三维数字显微镜测量Ti6Al4V的出口毛刺高度，使用KSI V400E超声扫描显微镜检测CFRP的出口分层，并使用Sensofar三维轮廓仪观察孔壁形貌及测量孔的表面粗糙度。

当润滑油流量为2.29 g/min时，不同压力下的油滴雾化分布及油滴粒径分布统计结果分别如图7和8所示。当系统压力为5 MPa和6 MPa（图7（a）和（b））时，统计得到不同采样区域内的油滴数量范围分别为1146~1558个/mm²和1624~1898个/mm²，直径<1 μm的油滴数量多，占比分别为50%和28.6%；当压力升高至7 MPa、8 MPa和9 MPa（图7（c）~（e）），油滴数量范围分别为3811~4691个/mm²、10583~12057个/mm²和9243~12203个/mm²。可以看出，当CO₂达到超临界态时，射流从喷嘴释放后析出的油滴颗粒迅速增多，但当CO₂为气态（5 MPa）或液态（6~7 MPa）时，润滑油在CO₂中的溶解度较低，更多的润滑油沉积在储气罐内，仅有少量油滴随射流从喷嘴喷出落在硅片上。

为定量比较不同压力下的油滴颗粒分布情况，使用正态分布拟合油滴颗粒的统计结果，拟合函数为

式中，y₀为偏移量；A为拟合幅度相关量；x为油滴粒径；x_c为油滴粒径平均值；ω/2为标准差。

当压力为5 MPa和6 MPa时，CO₂对润滑油的溶解度过低，油滴粒径主要集中在1 μm左右，基本不符合正态分布（图8（a）和（b））。当CO₂压力为7 MPa、8 MPa和9 MPa时，油滴粒径服从正态分布，如图8（c）、（d）和（e）所示，输出的油滴平均粒径分别为2.11 μm、2.26 μm和2.79 μm，正态分布的标准差分别1.53、1.53和0.52，粒径小于5 μm的油滴平均占比分别为89%、77%和89%。不同压力下的油滴粒径区别不大，但7 MPa（液态）和8 MPa（超临界态）下的油滴颗粒分布更分散，9 MPa（超临界态）下的油滴颗粒分布更集中，因此可以认为，增加CO₂压力有助于提高CMQL工艺的雾化效果，进而提升其润滑能力。

当改变润滑油流量时，输出的油滴数量和粒径均值没有明显变化。以压力8 MPa为例，4种润滑油流量下油滴的雾化分布及粒径分布统计结果分别如图9和10所示，此时油滴粒径服从正态分布。在4种润滑油流量下，油滴的平均粒径分别为2.26 μm、2.78 μm、2.92 μm和2.51 μm，可见润滑油流量变化对粒径的影响不显著；油滴数量分别为10583~12057个/mm²、9880~10622个/mm²、11053~11965个/mm²和10260~10682个/mm²，油滴数量统计结果也没有显著差别；正态分布的标准差在1.53~0.58的范围内波动变化，但粒径保持了较高的集中分布，粒径小于5 μm的油滴数量占比≥77%，说明CO₂的压力主导了粒径的生成与油滴数量。

输出温度的变化主要由CO₂的膨胀及相变引起，以CO₂压力7 MPa为例，不同润滑油流量下CMQL系统的输出温度变化情况相似，如图11所示。以润滑油流量为2.29 g/min的温度测量结果为例，不同CO₂压力下CMQL冷却润滑系统的输出射流温度有较大差异，如图12所示。随着压力从5 MPa增至9 MPa，输出温度从–25 ℃降至–80 ℃左右。在压力5~7 MPa时，输出温度的下降趋势较缓，这是因为测温点处的CO₂已基本相变为气态。当压力从7 MPa增至8 MPa时，此时CO₂变为超临界态，温度迅速从–35 ℃降至–80 ℃，这是因为ScCO₂在喷嘴处迅速膨胀，转变为固态及液态CO₂，并进一步相变为气态CO₂，吸收了周围环境的大量热量，使得温度迅速降低。可见，较高的CO₂压力（8 MPa和9 MPa）不仅能显著提升油滴的雾化效果，还能有效降低输出温度。相较于润滑油流量，CO₂压力对CMQL系统的油滴雾化效果及输出温度具有更显著的影响。因此，后续主要研究CO₂压力变化对CFRP/Ti6Al4V叠层结构钻削加工的影响。

CMQL冷却润滑工艺通过低温介质大幅降低钻削温度，同时雾化后的润滑油也可以减少钻削过程中刀具和工件之间的摩擦，降低钻削摩擦热。以CO₂压力5 MPa为例，使用红外热像仪测量得到的外壁温度如图13所示。根据钻头在叠层结构中的钻削深度分为5个阶段，分别对应图13和14中的Ⅰ~Ⅴ。入钻时，由于冷却润滑系统开始工作，CFRP温度略有降低；随着钻头进入工件深度的增加，CFRP外壁温度开始快速升高，在即将钻出CFRP层时达到最大温度；当钻头到达层间界面时，CFRP层温度快速降低；当钻头到达Ti6Al4V层，外壁温度迅速升高，并在即将钻出时达到最大温度；当钻头钻出Ti6Al4V层，由于冷却润滑系统继续工作，温度迅速下降。

在不同CO₂压力作用下，钻削过程中CFRP及Ti6Al4V外壁的最高温度如图15所示。当CO₂压力为5 MPa（气体）时，CFRP和Ti6Al4V外壁的最高温度分别为63.5 ℃和147.5 ℃；当CO₂压力为6 MPa和7 MPa（液态）时，CFRP外壁的最高温度分别为77.2 ℃和60.9 ℃，Ti6Al4V外壁的最高温度分别为122.0 ℃和119.9 ℃；而当CO₂压力为8 MPa和9 MPa（超临界态）时，CFRP外壁的最高温度分别为53.5 ℃和53.4 ℃，Ti6Al4V外壁的最高温度分别为78.7 ℃和72.6 ℃。增加CO₂压力可以有效降低CFRP和Ti6Al4V钻削时的外壁温度，且当CO₂从气态转变为ScCO₂时，Ti6Al4V外壁的最高温度大幅降低，最大降幅达到50.78%（CO₂压力5 MPa与9 MPa时对比）。但由于CFRP的平均导热系数低于Ti6Al4V，测量的外壁最高温度与实际钻削区域的温度差异更大，因此当CO₂压力从5 MPa增至9 MPa，CFRP外壁的最高温度仅降低15.91%。

不同压力下CMQL工艺的雾化性能存在一定差异，影响该工艺在钻削时的润滑性能。为比较不同压力下CMQL工艺的润滑作用，提取CFRP及Ti6Al4V钻削阶段的平均轴向力及扭矩，如图16所示。当CO₂压力从5 MPa增至9 MPa，状态从气态转变为超临界态，CFRP层的轴向力从348.0 N增至574.95 N（提高了65.22%），扭矩从0.60 N·m降至0.46 N·m（降幅为23.33%）；Ti6Al4V层的轴向力从1203.0 N增至1446.75 N（提高了20.26%），扭矩从3.34 N·m降至2.78 N·m。增大CO₂压力，CMQL系统的输出射流温度降低，CFRP及Ti6Al4V材料的强度和硬度增大，钻削时的切削抗力增大，导致钻削轴向力增大。CO₂压力增大后润滑油的雾化效果提高，Ti6Al4V层的钻削平均扭矩降低，当压力从5 MPa增至9 MPa，Ti6Al4V层的扭矩降低了16.77%。

综上所述，增加CO₂压力至超临界态，显著提升了CMQL工艺的冷却能力与润滑能力，有效降低了CFRP与Ti6Al4V的钻削温度；同时，虽然钻削轴向力有所增加，但ScCO₂状态下润滑油的润滑能力提高，减小了Ti6Al4V的钻削扭矩。

Ti6Al4V的出口毛刺是金属在钻削轴向力作用下的塑性变形，导致材料断裂和被压碎，致使出口处产生环状和尖角等不规则多余部分^{[ [8] XU J Y, JI M, CHEN M, et al. Experimental investigation on drilling machinability and hole quality of CFRP/Ti6Al4V stacks under different cooling conditions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 109(5): 1527–1539.
8 ]}。降低钻削温度可以减少Ti6Al4V材料的塑性变形，避免叠层结构钻削出口毛刺过高的问题。CO₂压力对Ti6Al4V出口毛刺高度的影响如图17所示，当CO₂压力从5 MPa增至9 MPa后，Ti6Al4V出口毛刺高度从465.6 μm降至269.85 μm，降幅为42.04%。通过增加CO₂压力，提高系统射流后的相变吸热能力，增强油滴雾化后的润滑能力，基于ScCO₂的CMQL工艺降低了叠层结构的钻削温度，有效减少了Ti6Al4V的出口毛刺高度。此外，系统压力从7 MPa增至8 MPa时对应的毛刺高度降幅远高于8 MPa增至9 MPa时的毛刺高度降幅，说明改变CO₂状态，增强其相变换热过程，对降低Ti6Al4V出口毛刺高度的影响更显著。当CO₂压力从8 MPa增至9 MPa时，输出射流温度及钻削外壁温度均无明显变化（图11和15），两种压力下的Ti6Al4V出口毛刺高度相当。

在CFRP/Ti6Al4V叠层结构的钻削过程中，分层主要发生在钻削时轴向力超过层间结合强度的情况下，会对材料的结构性能产生不利影响，导致CFRP的整体强度、结构完整性及使用可靠性降低，影响材料在高性能结构中的应用。为定量评估不同CO₂压力下叠层结构钻削出口处的分层程度，引入一维分层因子F_d，定义如下。

式中，D_max为分层的最大直径；D为孔的公称直径。

图18为不同CO₂压力下的CFRP分层因子变化情况。随着CO₂压力从5 MPa增至9 MPa，分层因子从1.11缓慢降至1.05（降低了5.41%），并且不同压力下的CFRP出口分层变化趋势与Ti6Al4V的出口毛刺变化趋势相似。CO₂压力从7 MPa增至8 MPa时，分层因子降幅为4.50%，而压力为8 MPa和9 MPa下的CFRP出口处分层因子几乎相同。虽然提高CO₂压力后，钻削时轴向力有所增加（图16），但压力提高后钻削温度的降低也提高了CFRP发生分层损伤的轴向力阈值，因此ScCO₂状态下CFRP的出口分层损伤降低。

孔壁表面粗糙度R_a值随CO₂压力的变化情况如图19所示。随着CO₂压力的增加，CFRP层和Ti6Al4V层的R_a值均呈现减小的趋势。当系统压力从5 MPa增至9 MPa时，Ti6Al4V层的R_a值从2.063 µm降至1.091 µm，降幅为47.12%。当CO₂压力超过7 MPa，CFRP层的R_a值稳定在3.2 µm以下，Ti6Al4V层的R_a值则保持在1.6 µm以下，这归因于CO₂压力升高对加工环境的改善和优化作用。首先，较高的CO₂压力有效降低了钻削过程中的温度，使得CFRP中树脂基体与纤维之间的结合更紧密，从而提升了材料的整体硬度，减少了材料切削时的塑性变形，提高了孔壁表面的平整度，降低粗糙度；其次，在高压力条件下，系统喷射出的油雾混合射流中含有更多的油滴颗粒，显著改善了刀具与工件之间的润滑效果，降低了切削区域的摩擦系数，减少了切削过程中的粘附磨损和摩擦热，从而使孔壁的表面质量得到提升，R_a值进一步减小。

为降低碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）/Ti6Al4V叠层结构的钻削温度，提高钻削质量，本文提出了一种基于超临界二氧化碳（Supercritical carbon dioxide，ScCO₂）的低温微量润滑（Cryogenic minimum quantity lubrication，CMQL）工艺，该工艺基于CO₂相变时润滑油溶解度的变化及相变吸热过程实现了冷却润滑。探究了不同CO₂状态对CMQL冷却润滑能力的影响及CO₂压力对CFRP/Ti6Al4V叠层结构钻削过程及钻削质量的影响，得到以下结论。

（1）提高CO₂压力至超临界态，可以有效提高CMQL工艺的雾化能力及冷却能力，当CO₂从5 MPa增至9 MPa时，CO₂从气态变为超临界态，油滴数量大幅提升，油滴粒径分布更集中，雾化效果更均匀，射流温度从–25 ℃降至–80 ℃以下。

（2）相较于气态及液态，ScCO₂状态下的CMQL工艺有利于降低钻削温度和扭矩。CO₂压力从5 MPa增至9 MPa时，CFRP层和Ti6Al4V层的钻削温度分别下降15.91%和50.78%；压力增大也会引起材料硬度变大，使钻削轴向力增大，CFRP层和Ti6Al4V层的轴向力分别增大了65.22%和20.26%，但由于润滑作用的提升，钻削时的扭矩分别减小了23.33%和16.77%。

（3）提高CO₂压力有利于改善CFRP/Ti6Al4V叠层结构的钻削质量。当CO₂压力从5 MPa增至9 MPa时，Ti6Al4V出口毛刺高度从465.6 μm降低至269.85 μm，降幅为42.04%；CFRP出口分层因子从1.11降至1.05，降幅为5.41%；在CO₂压力超过7 MPa时，CFRP与Ti6Al4V的孔壁粗糙度R_a值分别保持在3.2 µm和1.6 µm以下。