基于自動鉆鉚技術的碳纖維復合材料制孔工藝分析

王 巍,孔令天,王誠鑫

(沈陽航空航天大學 航空宇航學院，沈陽 110136)

近年來，碳纖維復合材料已經逐漸應用到各大產業(yè)，在航空企業(yè)也成為了一種非常富有前景的材料[1-2]。碳纖維復合材料是一種各向異性的材料，在其力學性能和自身結構上，都具有足夠的優(yōu)越性[3-4]。與傳統的金屬材料相對比，碳纖維復合材料的密度更小，卻具有更高的比強度和比模量?？罩锌蛙嚬局赋觯瑴p少30%的機身重量，飛行成本會下降約40%?？湛凸镜拇笮涂蜋CA380約25%的部分是由復合材料制造的，并且首次將復合材料應用到了后壓力艙后部的后機身。波音公司也同樣將碳纖維復合材料應用到了B777和B787兩款客機上[5-7]。在B777上應用的碳纖維復合材料達到了整體布局的11%，B787上占比高達50%，碳纖維復合材料應用到了機翼、機身等關鍵部位，B787材料占比如圖1所示。

圖1 B787材料占比

隨著全球各大航空企業(yè)對大飛機的要求逐年提高，復合材料在飛機上所占用機身結構的應用比例已經成了衡量大型客機是否先進的重要標準。針對于定位問題，Rearick等[8]提出了確定柔性鈑金件需要夾持點數目和位置的優(yōu)化算法。Cai[9]提出了針對可變性鈑金件的“N-2-1”定位原則。Camelio等[10]把定位件看作誤差源，提出了結合有限元分析法和非線性規(guī)劃法的優(yōu)化算法。因此對碳纖維復合材料進行充分認識與分析，是未來大型客機發(fā)展的前提。

1 碳纖維復合材料在自動鉆鉚中定位分析與優(yōu)化

相比于國外一些先進的航空企業(yè)，我國自動鉆鉚技術在大型客機上的應用還是相對較弱，尤其是應用在正在逐漸被重視的碳纖維復合材料上。新興的碳纖維復合材料在大型客機上的應用比例逐漸提高，因此針對這種材料的自動鉆鉚技術的研究就顯得更有必要。由于碳纖維復合材料的輕質高強、鋪層結構的特點，使得其加工方式、參數等有別于傳統的金屬材料，這就給自動鉆鉚技術造成了更多的難點，因此需要大量的實驗、方法、數據的分析來攻克。本文主要分析了定位的誤差分析和鉆孔質量優(yōu)化兩個方面。圖2所示為典型自動鉆鉚系統。

圖2 典型自動鉆鉚系統

1.1 定位誤差來源

飛機的服役時間以及飛行性能受到鉚接質量的直接影響。不論是定位工裝還是要鉆鉚的部件本身，尤其大型壁板，其加工制造以及自身的變形都會造成誤差。由于定位誤差的存在使得在鉚接的過程中，組件的實際位置同其理論數模的位置無法建立精確的映射關系。

圖3 壁板定位誤差流

圖3所示為壁板定位誤差流，由圖3可見，定位誤差主要來源于3部分：系統誤差、剛性誤差、柔性誤差。系統誤差主要是由于Z向立柱的誤差和圍框的變形導致的，而這個誤差對產品的質量影響可以忽略不計，因此對于系統誤差通常不予考慮；剛性誤差主要來源于零件的制造誤差以及零件間連接的誤差；柔性誤差指的是壁板的制造誤差以及在托架上的變形誤差。

圖4 自動鉆鉚定位工裝

如圖4所示，設定位板上形成點陣參與壁板定位的若干定位點為Li(i為從1到NL的自然數，NL為定位點的總數)，則工裝裝配后點Li的誤差表達式為

(1)

取壁板上任意特征點Pi，它的誤差δi由壁板制造誤差Δmi、剛性部分誤差Δi、柔性變形誤差Δdi3個部分組成，如公式(2)所示。

δi=Δmi+Δi+Δdi

(2)

依據壁板設計的精度要求通過Monte-Corlo模擬計算，能夠得出壁板制造誤差Δmi，在重力場下對壁板進行有限元分析可以得到剛性誤差Δi和柔性誤差Δdi的耦合結果。

1.2 定位誤差優(yōu)化方法

相比于傳統的合金材料，碳纖維復合材料具備了更高的比強度和比模量，其輕質高強的特點充分發(fā)揮出了優(yōu)勢。由于碳纖維復合材料的剛度更高，相對產生的形變量小，因而可以通過建模來對誤差進行分析，從而能夠對工裝上的定位點進行重新調整，借此來優(yōu)化夾持點的整體布局，可以有效地降低實際施鉚點同理論施鉚點之間的映射關系，使其達到裝配的精確度要求，并大大提高裝配效率。

以大型碳纖維復合材料壁板為例，盡管其強度較高，不易變形，但因為其結構較大，為了提高裝配精度，除了主要的剛性誤差外，還需要考慮其微弱的柔性變形誤差，因此其實際施鉚點位與理論施鉚點位之間的差值也就是剛性誤差和柔性變形誤差兩部分。通過Whitney總結的剛性件的裝配誤差的齊次坐標變換法建立剛性誤差傳遞的模型，然后再通過Abaqus二次開發(fā)進行有限元仿真分析法計算出柔性變形誤差。二者結合就是施鉚點位的誤差值，將其作為輸入值，通過Monte-Carlo模擬法來對定位誤差進行分析，從而可以得出數值基礎。再綜合考慮壁板的結構特點，依據“N-2-1”定位原則，通過NSGA-Ⅱ的定位點布局優(yōu)化，達到優(yōu)化整個壁板件的布局的目的。這樣能夠確定誤差補償的方案，從而可以為定位工裝的設計提供指導思路，通過工裝的重新調整可以有效控制壁板的變形誤差，由此可以大大提高裝配的效率。

1.3 定位誤差優(yōu)化仿真

圖5所示為某型機翼下側壁板某組件，對其0～6共7組定位結構進行分析，通過在MATLAB環(huán)境下的Monte-Carlo隨機模擬程序生成誤差矩陣，通過對其變換矩陣進行求解耦合計算出剛性部分誤差。將工裝誤差作為邊界條件，通過Abaqus進行有限元分析，將得到的結果作為壁板定位誤差。在Isight環(huán)境下集成Abaqus，調用python腳本，應用NSGA-Ⅱ算法處理其輸入輸出參數，進行定位點布局優(yōu)化。得到Pareto最優(yōu)解集，以各點誤差的平方和及方差最小為原則，輔以人工選擇，確定最合適的解。

優(yōu)化前后的壁板誤差程度如圖6所示，優(yōu)化前后關鍵點的取值對比曲線圖如圖7所示。從曲線中能夠看出，關鍵特征點的誤差曲線更加趨于平緩，大部分關鍵點的誤差范圍明顯減小，雖然有少部分關鍵點較優(yōu)化前更大，但這是綜合考慮多目標優(yōu)化不可避免的結果。對于采用離線編程控制方式的自動鉆鉚系統，壁板實際位置與理論數模位置重合度更高，對裝配精度的提高更加明顯。

在已有實踐管理與學術研究基礎上，筆者認為，水生態(tài)文明建設是以水生態(tài)系統為對象，通過工程性措施與非工程性措施建設，使其滿足人類社會發(fā)展需求，并最終形成一種可自我更替、完善的良性演化過程。

圖5 壁板定位的托板布局

圖6 優(yōu)化前后壁板誤差對比

圖7 優(yōu)化前后特征點定位誤差

2 碳纖維復合材料在自動鉆鉚中制孔工藝中的優(yōu)化

2.1 鉆孔缺陷分析

盡管碳纖維復合材料擁有優(yōu)質的使用性能，但它的加工性能卻較差。與傳統的合金材料所不同的是，碳纖維復合材料是一種鋪層結構，其物理特性較金屬具有更高的比強度和比模量以及各向異性等特點，使其加工的方式與金屬材料有所不同。

圖8 碳纖維復合材料鉆孔缺陷示意圖

碳纖維復合材料在制孔工藝中產生的缺陷分為兩類，一類是金屬材料中常見的缺陷，包括孔的尺寸誤差、位置誤差和圓度誤差等，這些誤差的處理辦法通常也與金屬材料相同;另一類缺陷則是碳纖維復合材料特有的，其中包括材料分層、入口劈裂、出口撕裂、毛邊等現象。

圖8所示為碳纖維復合材料鉆孔缺陷示意圖。在制孔過程中，由于切削力超過了材料本身的強度極限，所以導致了碳纖維復合材料的分層、撕裂、劈裂等缺陷。起毛的缺陷主要是由于切削刃不夠鋒利導致的，切削刃不夠鋒利，不僅會降低切削性能，也會增大切削力，從而導致各種缺陷的產生。因此對切削刃鋒利性的提高，也是提高鉚接孔的必要措施。在碳纖維復合材料的制孔缺陷中，出口撕裂是比較直觀的現象，制孔過程中通常將其作為缺陷的判定依據。分層主要是出現在板材內部的缺陷，分層的程度則可以判定孔質量的高低。

2.2 鉆孔設計依據

孔的質量直接影響到飛機的質量與壽命，因此解決碳纖維復合材料鉆孔過程中出現的缺陷也是飛機裝配中自動鉆鉚技術的重點。目前很多企業(yè)對碳纖維復合材料的加工都是使用加工傳統合金材料的硬質合金麻花鉆。在對復合材料進行制孔時，通常是鉆頭的主切削刃先剝開碳纖維，然后再切斷，這就容易對入口處的最外層材料產生不良影響，如果切削刃沒有在纖維剝開時切斷纖維，就會產生入口劈裂的缺陷。在鉆孔的過程中，材料表面始終受到麻花鉆的鉆削軸向力，這個鉆削軸向力使得復合材料的各層纖維產生沿著厚度方向的拉力，即孔壁周圍材料產生的層間應力，如果層間應力足夠大，則出現分層缺陷。麻花鉆鉆頭鉆出材料時，在出口處由于纖維層數的減少而剛性降低，當麻花鉆的橫刃首先接觸到最外層纖維時，相當于施加了一個推力，由此在出口處首先會發(fā)生分層現象，當鉆頭繼續(xù)深入，缺陷也在纖維方向上延伸，當纖維被切斷，缺陷的擴展超過孔直徑時便形成了影響孔質量的最終缺陷。

孔兩側的分層因子受到進給量的影響是不同的，在入口處，由于進給量的不斷增大，使得分層因子也不斷增大，產生這種情況的主要原因是軸向力的增大。在出口處，由于熱量的積累，使得基體材料產生了軟化，因此切削性得到了改善，從而降低了分層因子。為了提高切削刃的鋒利性，除了提高切削刃的材料，還可以改變切削刃的形狀，綜合刀具的設計原則，針對傳統麻花鉆頭加工時出現的毛刺等缺陷，可以將鉆頭的鉆尖磨成螺旋面。相比于傳統的麻花鉆鉆尖，其橫刃為S型，這使得螺旋面鉆頭橫刃的前角變大，在靠近鉆尖處的后角增大，因此定心有所改善，使其切入穩(wěn)定，鉆削軸向力能夠降低15%～20%，且排屑性能也有所提高。

2.3 新型鉆頭可用性分析

如圖10所示為外緣切削刃式鉆頭鉆孔示意圖。當鉆頭出空時，刃尖已經將剪切出來的圓形纖維板推出，副切削刃則繼續(xù)工作，對所制孔進行最后修正，有效地切斷剩余毛刺，最終孔則得以完成。這種設計有效縮短了橫刃的長度，鉆頭中心處的刃尖在制孔工程中的作用是定心，余量的去除由鋒利的外緣刀尖完成，因此鉆孔時由橫刃產生的軸向力較小，從而可以有效降低撕裂和分層等缺陷。通過對3種鉆頭進行試驗分析，該種設計可以有效的提高鉆頭的使用壽命，并極大地減少碳纖維復合材料制孔時出現的缺陷問題。圖11所示為3種鉆頭加工的第20個孔時的情況。

圖9 外緣切削刃式鉆頭

圖10 外緣切削刃式鉆頭鉆孔示意圖

3 結論

碳纖維復合材料以其優(yōu)異的性能逐漸提高其在大型客機上的材料占比，其應用也逐漸從次承力部件逐級發(fā)展到主承力結構。本文詳細分析了碳纖維復合材料的力學特性、自身的結構特點，敘述了其在各大型客機上的應用與收益，通過與傳統合金材料在自動鉆鉚制孔工藝下的對比，說明了碳纖維復合材料在定位與制孔中存在的問題與難點。

圖11 各鉆頭加工20個孔的情況

(1)基于定位精度問題，本文從分析誤差來源，到依據“N-2-1”定位原則，通過Abaqus二次開發(fā)進行有限元分析到NSGA-Ⅱ的定位點布局優(yōu)化，最后通過優(yōu)化后的定位點布局來優(yōu)化定位工裝，以此來提高碳纖維復合材料大型壁板在自動鉆鉚技術下的定位精度。

(2)針對自動鉆鉚機鉆頭對碳纖維復合材料的不適用性以及耐久性低的問題，本文從力學角度進行分析，依靠鉆頭的設計原則提出了更合理的鉆頭設計，通過對3種鉆頭的仿真分析發(fā)現，這種外緣切削刃式鉆頭能夠有效提高鉆孔質量和鉆頭壽命。