基于自動(dòng)制孔設(shè)備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)墊板制孔刀具技術(shù)研究

吳 茜 張烘洲 李 明

（1.上海大學(xué)，上海 200444；2. 上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接采用的主要方法是機(jī)械連接，一架大型飛機(jī)上有150萬(wàn)～200萬(wàn)個(gè)鉚釘和螺栓。目前鉚釘孔和螺釘孔的制孔過(guò)程大多采用手工制孔，制孔質(zhì)量、連接質(zhì)量難以滿足高性能飛機(jī)的裝配需求。相比傳統(tǒng)的手工制孔而言，自動(dòng)化制孔不僅能夠提高制孔質(zhì)量，而且還能減少操作時(shí)間并節(jié)約生產(chǎn)成本。自動(dòng)制孔技術(shù)在國(guó)外現(xiàn)已發(fā)展出較為成熟的工藝加工方法，并被廣泛應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金等多種材料的裝配生產(chǎn)中。但由于材料和工況的不同，國(guó)外的制孔設(shè)備難以在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用。在復(fù)合材料、鈦合金等難以加工的材料上，國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)仍采用手工制孔方式，自動(dòng)制孔技術(shù)還處于起步階段。

復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度、高剛性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、良好的抗疲勞性和較強(qiáng)的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代商用客機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，其用量已成為衡量現(xiàn)代商用客機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。復(fù)合材料由于斷裂應(yīng)變小、層間結(jié)合強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性能差及力學(xué)性能呈各向異性等特點(diǎn)，鉆孔時(shí)易在較大軸向力作用下產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等缺陷，加工起來(lái)比較困難。復(fù)合材料零件與其他零部件裝配連接時(shí)，不可避免地要進(jìn)行大量孔加工。然而在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制孔過(guò)程中，普遍存在著分層、劈裂和毛刺等現(xiàn)象，刀具磨損快，壽命短。而大型客機(jī)平尾主要材料為復(fù)合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)，為保證孔的協(xié)調(diào)精度必須同時(shí)進(jìn)行加工，此時(shí)兩種材料完全不同的加工特性無(wú)疑將進(jìn)一步加大孔的加工難度。

大型客機(jī)水平尾翼生產(chǎn)線采用自動(dòng)化裝配方式，制孔設(shè)備為西班牙Loxin公司的虛擬五軸系統(tǒng)，要求刀具一次制孔就完成锪鉆的加工，并具備持續(xù)制孔的長(zhǎng)壽命要求。該設(shè)備在國(guó)外已在空客350、380機(jī)型上成功應(yīng)用，但其加工工藝并不對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)放，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有針對(duì)大型客機(jī)的相關(guān)工藝及刀具選用情況介紹。本文針對(duì)復(fù)合材料/合金疊層制孔在虛擬五軸設(shè)備上對(duì)無(wú)墊板制孔刀具的制孔性能進(jìn)行測(cè)試分析，從而確定出適用于實(shí)際產(chǎn)品工況的刀具刃口形式。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 測(cè)試條件

虛擬五軸設(shè)備如圖1所示，機(jī)身床體采用線性光

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 測(cè)試方案

根據(jù)虛擬五軸設(shè)備的使用情況，優(yōu)化制定了本次工藝實(shí)驗(yàn)的固定工藝參數(shù)，如表2所示，此加工參數(shù)已經(jīng)是經(jīng)過(guò)虛擬五軸設(shè)備大范圍試驗(yàn)之后優(yōu)化出來(lái)的結(jié)果，基本代表該刃型刀具應(yīng)用的最佳水平。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表

2.2 鉆削力采集

加工過(guò)程中，采用無(wú)墊板支撐進(jìn)行制孔，每加工一個(gè)孔，進(jìn)行鉆削力的采集，每種刀具都鉆削20個(gè)孔，然后對(duì)20組鉆削力進(jìn)行提取，如表3所示。

表3 3種不同刃型刀具鉆削力

3 分析與討論

圖4所示為3種不同刃口形式刀具的軸向力對(duì)比圖。從圖中可以看出，在所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，2號(hào)匕首鉆的軸向力偏大，1號(hào)X型修磨鉆頭的軸向力最小，可以預(yù)見(jiàn)X型修磨刀具在減小軸向力抑制分層缺陷方面有優(yōu)勢(shì)，但仍需通過(guò)評(píng)價(jià)孔口質(zhì)量來(lái)進(jìn)一步對(duì)比刀具加工性能。

圖4 不同刀具軸向力對(duì)比

圖5 為3種刃口形式刀具在無(wú)墊板支撐下加工孔的出口入口情況。從出口情況來(lái)看，1號(hào)X型修磨刀具鉆削出口質(zhì)量最高，在連續(xù)20個(gè)孔的鉆削過(guò)程中都保持了較高的孔口質(zhì)量，沒(méi)有明顯毛刺和劈裂；2號(hào)匕首鉆刀具雖然在開(kāi)始階段的第5個(gè)孔保持了不錯(cuò)的孔口質(zhì)量，但在之后迅速惡化，在加工第20個(gè)孔時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的毛刺和啃邊現(xiàn)象，孔口分層也是顯而易見(jiàn)的；3號(hào)三尖鉆刀具則在開(kāi)始階段便出現(xiàn)了小毛刺，并迅速發(fā)展出大毛刺，在加工第20個(gè)孔時(shí)則基本達(dá)到孔徑級(jí)的毛刺高度，刀具性能較差。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料，在制孔過(guò)程中，減小軸向力對(duì)孔口劈裂和毛刺的抑制具有重要的作用。這是因?yàn)閺?fù)合材料為層間鋪層結(jié)構(gòu)材料，層與層之間存在較多的缺陷，層間接合力一般較小。當(dāng)鉆頭鉆到碳纖維復(fù)合材料板最底層時(shí)，由于未被切削的材料剛性已經(jīng)很弱，不足以支撐軸向力，當(dāng)鉆孔軸向力大于碳纖維復(fù)合材料的層間接合力時(shí)，那么分層將不可避免地產(chǎn)生，而多度的分層則導(dǎo)致出口的劈裂。對(duì)于鉆頭而言，其制孔軸向力的60%～70%由橫刃產(chǎn)生，而X型修磨鉆頭通過(guò)修去橫刃，可以較大幅度地減少軸向力，從而可以有效避免出口劈裂和毛刺。此外，相比匕首鉆，1號(hào)X型修磨鉆頭的螺旋角設(shè)計(jì)，可以保證在制孔過(guò)程中及時(shí)將碳纖維切屑粉末排出，有效避免切屑在鉆頭刃口處堆積，從而保證刀具刃口不會(huì)因?yàn)樘祭w維粉末的磨粒磨損而變鈍，確保刀具具有較長(zhǎng)的壽命。

圖5 3種刃口形式刀具在無(wú)墊板支撐下加工孔的出口入口情況

對(duì)于2號(hào)匕首鉆刀具，其切削區(qū)刃口分為2部分，如圖6所示。兩段切削刃設(shè)計(jì)可以有效增加切削刃的長(zhǎng)度，在刀具鉆入復(fù)合材料過(guò)程中，能夠有效避免軸向力大小的突變，使切削過(guò)程較為平穩(wěn)，但是從圖5中可以看出，其第一切削刃相當(dāng)于鉆頭的橫刃，且第一切削刃的刀尖角α比標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆要大很多，這也就說(shuō)明了匕首鉆在剛鉆入復(fù)合材料時(shí)，軸向力將比麻花鉆要大很多。此外，由于匕首鉆采用0°螺旋角設(shè)計(jì)，雖然可以較好解決復(fù)合材料入口撕裂的問(wèn)題，但是卻導(dǎo)致碳纖維切屑粉末無(wú)法有效排出，導(dǎo)致制孔中切削區(qū)容易堆積切屑，加速刀具的磨損。2號(hào)刀具采用三尖兩刃鉆設(shè)計(jì)，橫刃較小，因此其軸向力也較小，但是由于三尖兩刃鉆的刀尖處強(qiáng)度低，一旦刀尖受到碳纖維切屑粉末的磨粒磨損，容易急劇變鈍，從而加劇刀具的失效，因此也不適用于碳纖維復(fù)合材料的制孔。

圖6 匕首鉆刃口區(qū)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)虛擬五軸設(shè)備對(duì)復(fù)合材料CMS-CP-309單向帶層壓板及與鋁合金的疊層進(jìn)行制孔試驗(yàn)，試驗(yàn)采用直徑約6.35mm的3種國(guó)內(nèi)外不同刃口形式的刀具進(jìn)行自動(dòng)制孔，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出X型修磨改型麻花鉆類(lèi)結(jié)構(gòu)的刀具更加適合加工復(fù)合材料，在多個(gè)孔連續(xù)加工時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定性更高，加工結(jié)果最理想。