層疊鋁合金鉆削層間毛刺試驗研究

徐曉霞，胡永祥，姚振強

(1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245;2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

在飛機、火箭等裝配中，主要的連接方式是機械連接。機械連接會涉及到大量的孔加工。對接裝配孔的加工，除了在鉆入和鉆出表面會形成鉆削毛刺，在裝配的兩層或多層工件間也會形成層間毛刺［1-5］。傳統(tǒng)的鉆削加工會形成較大的層間毛刺，需要大量的人力、財力和時間進行層間毛刺去除工作，并對部件進行二次裝配，嚴重影響了零部件的機械性能，裝配質(zhì)量難以保證。為了提高火箭裝配孔加工質(zhì)量，保證火箭高可靠性要求，開展層疊材料鉆削層間毛刺主動抑制方法研究是十分必要的。

近些年來，隨著航空航天事業(yè)在我國的迅猛發(fā)展，對加工質(zhì)量和加工效率有了更高的要求，層疊材料的層間毛刺問題日益突出，引起了越來越多的研究人員的關(guān)注。Ramulu等［6］發(fā)現(xiàn)對Ti-6Al-4V和石墨纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)合材料組成的疊層材料進行鉆削加工時，硬質(zhì)合金刀具比高速鋼刀具具有更好的切削過程魯棒性，在給定的轉(zhuǎn)速和進給量范圍內(nèi)，毛刺高度沒有太大的波動，硬質(zhì)合金刀具的毛刺尺寸優(yōu)于高速鋼刀具，這可能與硬質(zhì)合金刀具的熱硬度好有關(guān)。Melkote［7］和 Newton［8］等人對飛機蒙皮和框裝配的制孔作了部分試驗研究，對刀具、預(yù)加載壓緊方式等參數(shù)的影響作了一定分析。他們對由7075-T6和2024-T3兩種鋁合金組成的疊層材料進行了鉆削實驗，結(jié)果表明壓緊方式、刀尖角和孔距壓緊源的距離對層間毛刺的形成有顯著影響，刀尖形式和切削參數(shù)有一定的影響，而鉆頭的磨損對毛刺大小的影響則很小。國內(nèi)南京航空航天大學(xué)王珉、薛少丁、陳文亮，上海飛機制造有限責(zé)任公司航空制造技術(shù)研究所陳磊、蔣紅宇［9］對飛機疊層薄壁結(jié)構(gòu)鉆削層間毛刺進行了靜力學(xué)數(shù)值仿真和實驗研究，但是實驗的對象及壓緊方案與自動化裝配差距較遠。商丘師范學(xué)院的張興華、鄭慧慧［10］，通過對Ti-6Al-4V鈦合金和7075-T6鋁合金組成的疊層材料進行干式鉆削實驗，分析了疊層次序、壓緊力、進給量和轉(zhuǎn)速對層間毛刺高度和寬度的影響，并觀察了毛刺的微觀形態(tài)，指出疊層順序和壓緊力對層間毛刺的大小有顯著的影響，而主軸轉(zhuǎn)速和進給量對層間毛刺的高度影響不明顯。

利用田口正交試驗設(shè)計方法，通過對鋁合金2024-T3和7075-T6組成的層疊材料進行干式鉆削試驗，在工件不發(fā)生塑性擾曲變形的前提下，分析了疊層順序、預(yù)加載壓緊力、進給量和鉆速對層間毛刺的影響。試驗表明預(yù)加載壓緊力和鉆削進給量對層間毛刺的大小影響較大。

1 試驗材料和設(shè)備

鋁合金2024-T3是鋁-銅系可熱處理強化合金，是常用的中等強度的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的韌性、塑性，鋁合金7075-T6是鋁-鋅-鎂-銅系可熱處理強化高強度合金，靜強度高。這兩種鋁合金是航空航天的常用結(jié)構(gòu)材料［11，12］。選用這兩種材料作為試驗用材料，其主要機械和物理性能屬性及規(guī)格見表1所示。

表1 鋁合金2024-T3和鋁合金7075-T6材料的機械和物理特性表

已有研究表明層疊材料制孔過程中材料分層對層間毛刺影響最大，而鉆削毛刺影響的因素主要有刀具、材料、主軸轉(zhuǎn)速和進給量等。因此，選取這幾項因素進行研究。試驗用鉆孔設(shè)備型號德國DMU70evo高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為20～12000rpm，進給量可大范圍變頻無級調(diào)速。鉆床上安裝專用夾具夾緊材料，以確保材料不會在加工過程中振動和移動，如圖1所示。鉆削加工過程中使用扭矩扳手控制對疊層材料的預(yù)加載壓緊力的施加。試驗用刀具選用上海工具廠生產(chǎn)的高速鋼(HSS)標準麻花鉆φ4mm和φ6mm兩種規(guī)格。鉆削毛刺的主要測量指標有鉆削毛刺高度和毛刺厚度。利用KISTLER三維光學(xué)表面輪廓儀測量毛刺高度和毛刺跟厚度，型號為KS-1100。

2 試驗方案

2.1 田口正交試驗方法

正交試驗是利用數(shù)理統(tǒng)計原理科學(xué)地分析試驗結(jié)果、處理多因素試驗的一種方法，能夠通過代表性很強的少數(shù)次試驗摸清各個因素對試驗指標的影響，確定因素的主次順序，找出較好的加工條件或最優(yōu)參數(shù)組合。對單因素或雙因素的實驗設(shè)計，可進行全組合，逐一交叉重復(fù)的試驗方式，即可以進行全面試驗(但水平數(shù)必須有限)。對多于兩個因素的進行全面試驗方法，其工作量將隨因素個數(shù)按指數(shù)方式劇增，既不經(jīng)濟，又浪費時間。田口方法［13］是日本田口玄一博士于1980年提出一種正交試驗計劃法，可化繁為簡，避開深奧難懂的統(tǒng)計學(xué)概念，其準確度雖不如全因子試驗法，但可彌補全因子法要做太多試驗、浪費時間和效率低下等缺點。

圖1 試驗鉆削系統(tǒng)

2.2 試驗因子的確定

疊層材料鉆削加工選擇預(yù)壓緊力、刀具大小、疊層材料、主軸轉(zhuǎn)速和進給量作為試驗的因子進行試驗，研究影響疊層鉆削層間毛刺的主效應(yīng)因子。試驗各因素水平采用等間距的方法選取，如表2所示，表3是材料水平數(shù)所代表的具體參數(shù)。

參考田口正交試驗設(shè)計方法，采用L32(44×21)進行田口正交實驗表頭設(shè)計。L表示正交表，L的下標代表正交表的行數(shù)，即實驗次數(shù);括號內(nèi)的底數(shù)4和2表示各因素的水平數(shù)，指數(shù)表示表的列數(shù)，即最多可以安排實驗的因素個數(shù)。本實驗方案采用無交互作用正交表格設(shè)計，將因子A、B、C、D、E分別確定在L32(44×21)的列上。

表2 鉆削參數(shù)水平總覽表

表3 工件水平一覽表

3 試驗數(shù)據(jù)處理與測量

通常，我們將毛刺高度作為衡量毛刺的參數(shù)，由于毛刺還有一定的厚度，毛刺的根厚度往往需要更高的去除成本。因此，將毛刺高度和毛刺厚度都作為層間毛刺的分析對象。疊層工件鉆削加工層間毛刺可能是上層材料的鉆出毛刺或下層材料的鉆入毛刺的疊加。將上層材料的下表面的毛刺高度與下層材料的上表面毛刺高度相加作為層間毛刺高度。定義層間毛刺高度BARH及毛刺根厚度BART分別為：

式中：H1為上層材料的出口毛刺高度，H2為下層材料的入口毛刺高度;T1為上層材料的毛刺根厚度，T2為下層材料的毛刺根厚度。

利用三維光學(xué)表面輪廓儀測得層間毛刺高度BARH及毛刺厚度BART，圖2所示為利用三維光學(xué)表面形貌儀的后處理軟件KS-Analyer得到某一孔垂直截面上的表面形貌曲線。

圖2 毛刺測量結(jié)果圖

4 試驗結(jié)果與分析

通過Minitab軟件可以得到各參數(shù)對層間毛刺高度及根厚度的主效應(yīng)圖，分別對影響層間毛刺高度及層間毛刺根厚度的主效應(yīng)因素進行分析。

對于層間毛刺來說，希望愈小愈好，使用望小特性分析層間毛刺數(shù)據(jù)。

圖3是毛刺高度的主效應(yīng)圖。從圖3看出，在同樣的鉆削參數(shù)下，大直徑刀具的切削量大，塑性變形區(qū)域大，使得層間毛刺也比較大;預(yù)加載壓緊力對層間毛刺高度的影響顯著，在工件不發(fā)生擾性變形的情況下，預(yù)加載壓緊力越大，層間毛刺越小，這可能與預(yù)加載壓緊力能夠減小層間分層有關(guān);在小進給量時，切削層較小，工件塑性變形較小，大部分的材料將會被切除。隨著進給量增加，工件塑性變形區(qū)域變大，切削層厚度小于塑性變形區(qū)域，毛刺增大;主軸轉(zhuǎn)速對層間毛刺的高度的影響是先減小后增大又減小的反復(fù)過程，這可能是由于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速升高時，材料會發(fā)生熱軟化，鉆削軸向推力與壓緊力方向相反且減小，工件在垂直于鉆削推力方向的塑性變形區(qū)域變小，加工第一層工件時下層板為上層材料提供了支撐，在一定程度上抑制了材料在軸向推力方向的塑性變形，使得層間毛刺隨著主軸轉(zhuǎn)速反復(fù)變化;材料的疊加順序?qū)娱g毛刺高度有顯著的影響。鋁合金7075-T6材料由于其自身的較低的延展性等材料屬性，使得產(chǎn)生層間毛刺高度比較小，而鋁合金2024-T3在鉆削過程中容易產(chǎn)生大毛刺。將鋁合金7075-T3置于下層材料，抑制了材料的塑性變形，材料的切除量大于被擠出量，有利于層間毛刺的抑制。這主要是因為在鉆削韌性大、延伸率大的材料時，材料的塑性變形不足以使工件材料發(fā)生破壞，形成大毛刺。因此在滿足加工需求的前提下，應(yīng)盡可能選用變形硬化較大、延伸率較小的材料，以減少毛刺的形成。

圖3 毛刺高度的主效應(yīng)圖

圖4是毛刺根厚度的主效應(yīng)圖。各因素對毛刺高度的影響規(guī)律類似，層間毛刺根厚度隨著鉆削刀具半徑的減小而減小，預(yù)壓緊力的施加能夠有效的減小層間毛刺根厚度，鉆削進給量對層間毛刺根厚度的影響比主軸轉(zhuǎn)速大。材料疊加順序?qū)娱g毛刺根厚度平均值的主效應(yīng)圖表明，鋁合金7075-T6的延伸性較小，鋁合金2024-T3的塑性較好，在同樣加工條件下，鋁合金2024-T3材料變形大，上下層的工件在層間的相互作用較大，接合面形成的物理空間大，層間毛刺根厚度也比較大。

在試驗數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，疊層鉆削加工中的上層工件下表面的毛刺比下層工件的上表面毛刺明顯，這點與單層鉆削過程中鉆出毛刺大于鉆入毛刺的規(guī)律基本一致。因此，我們對上層工件下表面的毛刺進行微觀形態(tài)觀察。

圖5是通過三維光學(xué)表面輪廓儀獲得的疊層工件均為鋁合金2024-T3的疊層鉆削加工上層材料下表面毛刺微觀形態(tài)。從圖中可以看出，隨著預(yù)加載壓緊力的增加，層間毛刺越小?？v向觀察圖5，當(dāng)預(yù)壓緊力較小時，在層間易產(chǎn)生劃痕及細屑，隨著壓緊力的增加，孔表面加工質(zhì)量越好。這主要是因為隨著預(yù)壓緊力的增加，層間間隙減小，進入層間的鉆屑變少，毛刺及層間表面質(zhì)量得到了改善。進給量對毛刺形態(tài)和層間表面質(zhì)量有較明顯的影響。橫向比較毛刺微觀圖可以看到，隨著進給量的增加，毛刺和層間質(zhì)量先減小后增大。因此，如何控制預(yù)壓緊力、合理選取鉆削加工參數(shù)是抑制層間毛刺的關(guān)鍵。

圖4 毛刺厚度主效應(yīng)圖

圖5 疊層材料均為2024-T3不同鉆削參數(shù)下的毛刺微觀形態(tài)

5 結(jié)束語

(1)軸向預(yù)加載壓緊力可以有效的抑制層間毛刺。在工件不發(fā)生塑性撓曲變形的前提下，預(yù)加載壓緊力越大抑制層間毛刺的效果越好。

(2)鉆削進給量對層間毛刺的影響比主軸轉(zhuǎn)速對層間毛刺的影響大。隨著進給量的增大，層間毛刺也變大。材料的塑性越大、硬度越小，層間毛刺越大，將材料塑性較差、加工硬度較高的工件置于底層有利于抑制層間毛刺。

(3)在疊層工件鉆削加工過程中，各種參數(shù)對加工孔質(zhì)量影響的大小依次是：軸向預(yù)加載壓緊力＞進給量＞主軸轉(zhuǎn)速。因此，在疊層材料制孔加工時，選擇合理的預(yù)加載壓緊力尤為重要。

［1］羅蒙.金屬切削過程中毛刺形成機理及控制方法的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［2］朱云明，王磊，王貴成.鉆削毛刺的形成與分析模型［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，30(10)：7415 －7421.

［3］陳鎮(zhèn)宇，王貴成.毛刺的研究現(xiàn)狀及去除技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2004(2)：126－128.

［4］Guo.Y，Domfeld D.Finite element analysis of drilling burr in ionization with a back up material.Transactions of NAMR/SME.1998，207：207 －211.

［5］David dornfeld，Dae-Eun Lee.Precision Manufacturing［D］.Springer Science+Business Media，LLC，2008.

［6］Ramulu M，Branson T，Kim D.A study on the drilling of composite and titanium stacks［J］.Compos Struct，2001(54)：67－77.

［7］Melkote S N，Newton T R，Hellstern C，et al.Interfacial burr formation in drilling of stacked aerospace materials.In：Proceedings of the CIRP International Conference on Burrs：A-nalysis Control and Removal，University of Kaiserslautern，Germany，2009：89 －98.

［8］Newton T R，Morehouse J，Melkote S N，et al.An experimental study of interfacial burr formation in drilling of stacked aluminums sheets［J］.Transactions of NAMRI/SME，2008(36)：437－444.

［9］王珉，薛少丁，陳磊，等.面向飛機自動化裝配的單向壓緊制孔毛刺控制技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2011(9)：26－29.

［10］張興華，鄭慧慧.金屬疊層材料層間毛刺形成的鉆削實驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(10)：79－82.

［11］林美安.飛機機身裝配工藝及仿真技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

［12］飛機設(shè)計員手冊編輯委員會.飛機設(shè)計手冊(第三版)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2007.

［13］王萬中.試驗的設(shè)計與分析［M］.北京：高等教育出版社，2004.