航空疊層材料制孔技術研究現狀與發(fā)展趨勢分析

李春奇，殷俊，傅玉燦，陳燕，楊浩駿

(1. 沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850； 2. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

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航空疊層材料制孔技術研究現狀與發(fā)展趨勢分析

李春奇1，殷俊1，傅玉燦2，陳燕2，楊浩駿2

(1. 沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850； 2. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：為有效的減輕飛機質量和燃料成本，復合材料/金屬疊層材料已廣泛應用于現代飛機的高科技部件。綜述了包括CFRP/鋁和CFRP/鈦疊層材料制孔技術的最新進展，主要涵蓋了制孔加工刀具、金屬切屑排除、金屬材料毛刺、切削溫度等方面。文獻綜述表明，有多種方式可改善加工品質：1) 改善航空疊層材料的制孔刀具；2) 有效的排除金屬切屑，減少對復合材料的損傷；3) 預防和減少鈦合金和鋁合金毛刺的形成；4) 有效的冷卻方式，減少復合材料的熱損傷。

關鍵詞：復合材料；鈦合金；鋁合金；制孔技術；疊層材料

0引言

隨著航空材料趨于輕型化方向發(fā)展，碳纖維增強復合材料(CFRP)、輕合金等材料在飛機制造領域內被廣泛使用。隨之而來的難題是：大量的復合材料零件、鈦合金零件及鋁合金零件等需要通過緊固件連接裝配在一起，如圖1所示。

據統(tǒng)計，飛機機體75%～80%的疲勞破壞發(fā)生在構件的連接部位上，而飛機裝配中鉚接和螺接約占結構連接形式的70%以上，連接孔的數量多、工作量繁重。傳統(tǒng)飛機裝配連接孔的加工是在零件加工時一次成型，由于加工誤差、壁板變形等多種因素影響，無法保證裝配連接的穩(wěn)定性。因此，航空制造單位通常將具有裝配關系的零件預先裝夾在一起一次性鉆削連接孔，其制孔的精度和品質是保證飛機構件連接可靠性和壽命的關鍵。

圖1　疊層材料結構裝配圖

1疊層材料制孔技術特征

鑒于典型的航空材料(CFRP、鈦合金、鋁合金等)，都存在各自的加工難題。如碳纖維復合材料具有高耐磨性、高硬度，導致刀具磨損嚴重；樹脂基體相軟質，高溫會發(fā)生融化變質，致使其切削溫度不能太高；而高硬增強相混合構成決定的各向異性特征，導致切削過程中刀具經歷多種切削過程，加劇刀具的磨損；層間強度低，層間結構在惡劣的切削力下極易誘發(fā)分層、撕裂等損傷；切削過程形成大量的粉塵切屑，需進行特殊的排屑處理。而對于鈦合金來說，因其彈性模量低，導致其在加工過程中材料在后刀面切削力作用下易發(fā)生變形，而在力的作用消失后發(fā)生回彈現象；鈦合金熱導率小，會導致切削溫度高，80%的熱量傳入刀具體上，而切削鋼鐵材料時刀具僅傳導50%的熱量，致使高溫下刀具更易發(fā)生磨損；高溫下化學反應活潑性高，極易導致其與刀具之間發(fā)生熔焊現象，而致使刀具表面涂層材料脫落。

疊層材料制孔存在的若干問題導致連接裝配中制孔品質差、加工效率低，需要大量額外的去毛刺及修邊工作，因此，本項工作成為飛機制造過程中繁雜而重要的環(huán)節(jié)。

2疊層材料制孔技術研究現狀分析

近年來，國內外學者對疊層材料的制孔技術進行了大量研究[1]，已在疊層材料的加工機理、工藝參數優(yōu)化、制孔工具研制、冷卻、潤滑等多個方面都取得了一定進展，下面將從幾個方面詳細闡述。

1) 疊層材料制孔加工刀具研究。當前航空制造企業(yè)的制孔方法仍然以麻花鉆制孔為主，研究人員對改進型麻花鉆進行了相關試驗探索。德國不萊梅大學開展了CFRP、鋁合金和鈦合金疊層構件的鉆削研究[2](圖2)，采用階梯結構麻花鉆進行制孔試驗，并嘗試使用少量霧化切削液，分析了孔徑公差、刀具磨損等問題，結果表明使用φ15.4~16mm階梯鉆的制孔孔徑和偏差都優(yōu)于傳統(tǒng)刀具(φ16mm)，使用TiB2涂層刀具的制孔尺寸沒有明顯改善，而采用微量切削液(MQL)時的制孔直徑更精確，刀具磨損程度也明顯降低。

圖2　階梯鉆(左)、多種刀具類型的制孔尺寸及偏差(右)

韓國學者研究了鎢碳鋼(WC)與PCD涂層刀具鉆削CFRP/鈦合金疊層時的刀具磨損機制[3]，通過測量扭矩和軸向力、觀測刀具磨損形貌(通過掃面電鏡及共聚焦顯微鏡)等手段進行磨損機理分析。結果表明CFRP 的磨蝕和鈦合金的粘結是刀具磨損的兩個主要因素，刀具轉速越高，扭矩和軸向力數值越大，原因是更多的切削熱加速了刀具的磨損。波音公司針對復合材料/鈦合金疊層材料的新型機翼裝配的制孔工作開發(fā)了一種集鉆、鉸、鍃一體的刀具(圖3)，從而有效提高了制孔效率，大幅度減輕了制孔的工作量。

圖3　鉆、鉸、鍃一體新型刀具

法國學者使用K20硬質合金刀具對CFRP/鈦合金疊層材料進行了鉆削工藝研究[4]，大量試驗結果表明對疊層材料分別選取合理的加工參數，可獲得較高的制孔品質。

2) 疊層材料制孔工藝參數的研究。當前，鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的工藝參數主要還是參照鈦合金的加工參數進行的。伯明翰大學學者采用CVD涂層刀具鉆削Ti/CFRP/Al(30/120/120，36/144/144)疊層板材[5]，目的是評估鉆削速度和進給量對制孔品質的影響，當鉆削速度設置為30/120/120m/min，進給量為0.08mm/rev時，得到疊層孔壁平均粗糙度為0.60/0.87/0.27μm，當鉆削速度提高到36/144/144m/min，平均粗糙度提高到0.84/1.6/0.43μm。

美國華盛頓大學針對復合材料/鈦合金疊層板構件采用了硬質合金、HSS和Co-HSS等不同材質的刀具進行鉆削研究[6]，圖4為進給量與主軸轉速對表面粗糙度的影響。研究表明硬質合金刀具在鉆削中具有較好的加工性能，制孔表面的機械損傷和熱損傷均較小，適合工藝參數為660r/min、0.08mm/rev。研究還說明不合適的工藝參數會引起工具的劇烈磨損，甚至嚴重燒傷復合材料工件。

圖4　主軸轉速和進給量對不同材料孔壁粗糙度的影響

上海交通大學與吉林大學[7]綜合考慮疊層材料的結構、性能特性和鉆削加工的具體過程，提出階躍式多元變參數振動鉆削新方法。結果表明，階躍式多元變參數振動鉆削顯著提高了孔的加工精度。

3) 疊層材料加工品質-層間毛刺的研究。有學者對飛機蒙皮和框裝配的制孔進行了部分試驗研究[8]，分析了刀具結構、預壓緊方式等參數的影響，對由7075-T6和2024-T3兩種鋁合金組成的疊層材料進行了實驗，結果表明刀尖角、壓緊方式和壓緊源至孔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有一定的影響，而鉆頭的磨損對毛刺大小的影響則很小。

4) 疊層材料制孔加工冷卻方式研究。在航空制造領域，通常復合材料的切削加工過程不允許使用切削液，當前的工廠生產基本采用干式鉆削加工。對于復合材料/金屬疊層材料，由于鉆削鈦合金、鋁合金過程中產生大量的切削熱，極易造成復合材料的損傷。對此，研究人員和航空制造單位進行了制孔加工冷卻方式的初步研究。

5) 鑒于鉆削運動學規(guī)律，某些學者進行了其他制孔方法的研究。有德國學者在傳統(tǒng)鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的基礎上，在進給方向增加了低頻輔助振動(振幅0.01~0.2 mm，固定頻率1.5/rev)，有節(jié)奏變化的進給量弱化了鈦合金切屑的尺寸，進而使切屑順利排出，減小了CFRP孔壁的損傷[9,10]，另外鉆削鈦合金產生的切削熱較之傳統(tǒng)鉆削降低了40%，對CFRP基本沒有產生熱損傷。

德國漢諾威—萊布尼茨大學研究學者針對螺旋銑削制孔技術分析了軸向進給、切削量及切削力對加工品質的影響[11]，對不同工藝參數下損傷環(huán)直徑的大小進行了量化分析。目前，采用行星鉆末端執(zhí)行器與機器人組成自動制孔系統(tǒng)在波音和空客公司得到應用，代表了先進自動化制孔技術發(fā)展趨勢。

3疊層材料制孔技術研究的發(fā)展趨勢

總結前人研究情況，文中認為航空結構件疊層材料制孔技術研究需從下述幾個方面深入開展。

a) 改善制孔刀具，提高制孔品質與耐用度。對于航空裝配領域內疊層材料制孔刀具的研究，需從3個角度考慮，1) 要分析材料因素導致加工困難的最大問題是什么？關于這個問題，一般認為復合材料/金屬疊層材料具有較高的抗拉強度和硬度，導致材料蝕除難；2) 根據制孔試驗的結果合理選擇刀具幾何結構，這往往意味著刀具要有較為鋒利的正前傾角；3) 分析制孔刀具的磨損特征，分析刀具磨損機理，提高刀具使用壽命，也可以根據磨損情況分析并調整加工工藝，如主軸轉速或進給量等。

b) 改善金屬切屑排除條件，降低切屑對復合材料的損傷。在復合材料/金屬材料疊層鉆削加工中，切屑排除是對復材孔的劃傷和分層撕裂主要的損傷形式。為避免這種損傷，需從2個方面考慮，1) 優(yōu)化切屑，使其更易于從鉆削導槽排除，減小對工件的劃傷；2) 增加微量潤滑，減小切屑排除阻力。因此采用合適的加工條件，優(yōu)化切屑排除條件，對降低切屑引起的復材損傷、實現精密高效鉆削復合材料/金屬疊層材料是一個有待繼續(xù)深入的研究方向。

c) 抑制鈦合金、鋁合金等金屬材料毛刺的形成，提高裝配品質及裝配效率。對航空典型疊層材料進行鉆削試驗，鉆削至金屬層時，由于金屬材料良好的塑性特性，在鉆入和鉆出表面會形成鉆削毛刺，同時在裝配的疊層之間也會形成層間毛刺。對于消除制孔入口、出口毛刺一般從加工工藝和刀具方面考慮，合理的工藝參數和刀具結構可以有效降低毛刺的形成，層間毛刺的形成需要考慮預壓緊力和鉆削軸向力等因素。

d) 采用有效的冷卻方法，以降低鉆削加工溫度，減少鉆削熱對復合材料的損傷。在鉆削疊層材料的金屬材料時，切削刃處的切削溫度會急劇上升，導致復合材料零件的性能顯著降低而報廢。由于復合材料的抗水性差，航空標準要求在加工時不允許使用切削液，目前的冷卻方式是采用微量的油質潤滑液輔助冷卻，冷卻效果不明顯。因此，飛機制造廠急需更有效的鉆削過程的冷卻方式。

4結語

飛機裝配領域的疊層材料制孔的品質和效率對航空制造業(yè)水平的整體發(fā)展有著重要的影響，國際上對該項技術的研究與應用已傳承了若干年，累積了許多寶貴經驗，這對起步較晚的我國提供了寶貴的經驗。但截至目前為止，疊層材料制孔技術仍有許多方面有待改善，仍有著一定的研究空間，也為航空制造水平的跨越式發(fā)展提供了契機。我國應從國家安全和技術升級兩方面出發(fā)，發(fā)揮“產學研用”平臺的優(yōu)勢，加大研究力度，突破關鍵技術，注重研究機構與應用單位的有機合作，推進飛機裝配技術及航空制造技術發(fā)展。

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Research Status and Trend Analysis of Hole Making Technology

of Aeronautic Stacked Materials

LI Chun-qi1, YIN Jun1,FU Yu-can2,CHEN Yan2,YANG Hao-jun2

(1. Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110850, China; 2. College of Mechanical

and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:To effectively reduce aircraft weight and fuel costs, composite-metal stacked materials are extensively used in high-tech components of modern aircrafts. This article summarizes an up-to-date progress in hole making of material stack combinations, including CFRP stacked with aluminum (Al) and titanium (Ti). It mainly covers hole making tool, metal chip removal, metal burrs and cutting temperature. This literature indicates that a number of ways can be used to improve machining quality: 1) Hole making tools for aeronautic stacked materials are improved, 2) Metal chip is efficiently removed to reduce the damage of composite materials, 3) Burr formation of titanium and aluminum alloy is prevented and minimized, 4) Effective cooling methods are used to reduce thermal damage of composites.

Keywords:CFRP; titanium; aluminum; hole making technology; stacked materials

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272147，10772078)；航空科學基金(2013ZF52074)；機械結構力學及控制國家重點試驗室開放基金(1001-IZD13001-1353)；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目。 國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(2012ZX04010-011)

收稿日期：2014-11-29

中圖分類號：V261.99; TG506.9

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0024-03

作者簡介：李春奇(1968-)，男，遼寧沈陽人，博士，工程師，研究方向為飛機制造工藝。