飛機(jī)裝配自動制孔刀具技術(shù)研究

王任沙

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

進(jìn)入新世紀(jì)以來，各類飛機(jī)的更新迭代為飛機(jī)裝配技術(shù)提出了更高的要求，需要在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，飛機(jī)裝配自動制孔技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前自動制孔技術(shù)主要應(yīng)用到CNC 機(jī)床等設(shè)備，尤其是近年來飛速發(fā)展材料科學(xué)，大量的復(fù)合材料被應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。復(fù)合材料和金屬材料疊層構(gòu)件進(jìn)行裝配時，需要應(yīng)用到鉚接工藝，所以需要進(jìn)行大量的制孔作業(yè)。

1 飛機(jī)裝配自動制孔的要求

1.1 飛機(jī)裝配自動制孔的優(yōu)勢

自動制孔技術(shù)具有自動化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)和集成度好等優(yōu)點(diǎn)，并且還能配合激光測量、移動導(dǎo)軌和終端執(zhí)行器等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用，進(jìn)而建立高效、高精度的制孔系統(tǒng)，是目前飛機(jī)裝配過程中必不可少的制造工藝之一。通過應(yīng)用該技術(shù)可以在很大程度上提高飛機(jī)裝配的工作效率和飛機(jī)制造的整體質(zhì)量，是未來飛機(jī)裝配的必然發(fā)展趨勢。

1.2 飛機(jī)裝配自動制孔的工藝特點(diǎn)

在飛機(jī)裝配過程中，如何在碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和金屬的疊層中鉆削結(jié)構(gòu)孔是非常重要的一項(xiàng)工作內(nèi)容。相較于金屬材料的制孔工藝而言，復(fù)合材料制孔有著不同的工藝特點(diǎn)，其制孔質(zhì)量受到復(fù)合材料分層和纖維破裂情況的影響。對于那些不能直接檢測到的缺陷，刀具的切削效應(yīng)就顯得十分重要了。[1]CFRP 纖維的硬度相對較高，在孔的切削過程中，刀具的磨損情況也更加嚴(yán)重，當(dāng)黏合層存在樹脂時就會有可能會導(dǎo)致纖維剝離、層間破裂的問題。此外，當(dāng)加工過程中，CFRP 疊加了鈦或鋁等金屬時，切削刀具還必須要具備一定的穿透能力，進(jìn)而保證制孔質(zhì)量。

2 當(dāng)前飛機(jī)裝配自動制孔對刀具的需求

2.1 高效率精密飛機(jī)自動制孔技術(shù)

在進(jìn)行CFRP 復(fù)合材料進(jìn)項(xiàng)鉆削作業(yè)時，需要對鉆削刀具設(shè)計(jì)和加工工藝進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，這就要求制孔設(shè)備具有精確地準(zhǔn)確的進(jìn)給以及必要的轉(zhuǎn)速調(diào)整。實(shí)現(xiàn)這兩個功能有著以下兩種困難：首先，對于制孔設(shè)備的進(jìn)給以及轉(zhuǎn)速變化的準(zhǔn)確性和及時性提出了更高的要求，由于實(shí)際加工件在結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)力分布上與數(shù)學(xué)模型之間存在一定的差異，因此需要在制孔設(shè)備上設(shè)置扭矩傳感器，以此保證進(jìn)給與轉(zhuǎn)速調(diào)整的準(zhǔn)確性；其次，即便通過設(shè)置切削力與扭矩傳感器的方式可以在一定程度上保證加工工藝的準(zhǔn)確性，但是加工設(shè)備調(diào)整參數(shù)的過程依然相對緩慢。[2]因此，高精度的制孔技術(shù)不僅在加工方法上提出相對較高的要求，而且對工藝裝備及加工刀也需要進(jìn)行相應(yīng)改善及優(yōu)化。

2.2 飛機(jī)自動制孔的刀具技術(shù)

2.2.1 對刀具的需求

隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，其加工工藝所面臨的挑戰(zhàn)也越來越多。理論上而言復(fù)合材料的加工并不存在技術(shù)難題，但是相較于科技研發(fā)而言，加工過程更加注重的質(zhì)量和效率，如何快速地制造出符合相關(guān)質(zhì)量要求的孔，對于目前飛機(jī)制造業(yè)而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。而在復(fù)合材料的加工過程中，孔的加工又處于十分重要的地位，因此制孔刀具的發(fā)展及應(yīng)用就像顯得尤為重要了。

2.2.2 制孔刀具的特點(diǎn)

通過分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造需求，可以看出CFRP 復(fù)合材料制造過程中會涉及分層和劈裂等問題，制孔刀具需要根據(jù)材料的特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。一般而言，在CFRP 或CFRP-金屬疊板構(gòu)件的加工部位相對較少，但是其加工特性對關(guān)鍵技術(shù)的要求更為苛刻。

第一，CFRP 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能相對差，且在加工過程中沒有切屑產(chǎn)出，這導(dǎo)致了切削過程中產(chǎn)生的熱量無法快速的散出，進(jìn)而造成局部溫度過高，樹脂存在融化而失去粘結(jié)的作用；第二，在強(qiáng)調(diào)節(jié)能的背景下，CFRP 復(fù)合材料的使用率不斷提高，飛機(jī)的零部件中廣泛使用到了CFRP復(fù)合材料，這為切削工藝增加了難度。[3]

2.2.3 制孔刀具的新方案

通過優(yōu)化鉆尖和增強(qiáng)鉆柄的設(shè)計(jì)，可以在保證刀具后角和排屑能力的基礎(chǔ)上，提升切削效應(yīng)。目前，在CFRP復(fù)合材料切削工藝中比較前沿的技術(shù)是在鉆頭復(fù)合聚晶金剛石（PCD），PCD 是當(dāng)前已知能夠應(yīng)用的最硬刀具材料，且其耐磨性十分優(yōu)秀。通過不同鉆尖形式的PCD 涂層刀具，可以提升刀具的強(qiáng)度和加工精度，進(jìn)而延長刀具使用壽命，保證加工精度，提高制孔工作效率。

3 飛機(jī)裝配自動制孔的工藝難點(diǎn)

3.1 單一材料的切削加工性能

3.1.1 復(fù)合材料的切削加工性能

結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其一般是以碳纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂為基體，一層層鋪疊加工開來。在進(jìn)行制孔作業(yè)時，由于各層碳纖維的纖維方向的差異，以及切削刃角度的不同，制孔過程中會出現(xiàn)多種缺陷。一般而言，在使用麻花鉆加工時，其加工入口處不易產(chǎn)生缺陷，缺陷往往集中在出口處，缺陷的形式一般為分層、毛邊和撕裂等，其中又以毛邊的問題最為突出。在使用麻花鉆進(jìn)行加工時，由于其鉆尖位置為負(fù)前角，切削的負(fù)荷也相對較大，因此鉆尖處的磨損也最大。因此復(fù)合材料的加工質(zhì)量在一定程度上與鉆尖的鋒利程度成正比，一旦鉆尖出現(xiàn)磨損，鉆尖的鋒利程度就會下降，就不和能對碳纖維絲形成剪切效應(yīng)，只能通過擠壓作用，這樣就很容易造成撕裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。[4]此外，麻花鉆有著較長的橫刃，在鉆削過程中，一般的鉆削軸向力位于橫刃處，而鉆削軸向力又是衡量刀具加工性能的重要指標(biāo)之一。軸向力越大產(chǎn)生孔壁分層的概率就越高。即便在加工孔在出、入口處的加工合格，但是內(nèi)部有分層現(xiàn)象，同樣也是導(dǎo)致孔不合格的主要原因之一。

3.1.2 鈦合金材料的切削加工性能

當(dāng)鈦合金硬度大于HB350 時，切削加工難度相對較大，而當(dāng)其硬度小于HB300 時，優(yōu)惠導(dǎo)致則粘刀現(xiàn)象。總結(jié)鈦合金制孔工藝具有以下特點(diǎn)：

第一，鈦合金變形系數(shù)小，鈦合金的變形系數(shù)普遍小于或接近1，增大了切屑在前刀面上滑動摩擦的行程，導(dǎo)致刀具的磨損加快。

第二，鈦合金傳熱系數(shù)相對較低，熱量的傳輸困難，熱量的集中導(dǎo)致局部切削溫度很高。

第三，鈦合金主切削力比切鋼時20%，切屑與前刀面的接觸長度非常短，導(dǎo)致單位接觸面積上的切削力十分大，在加工過程中很容易造成崩刃的現(xiàn)象。

第四，鈦單質(zhì)的化學(xué)性能較為活潑，切削溫度較高時，鈦合金內(nèi)的鈦很容易與氧和氮形成化合物，這部分化合物具有硬度大而結(jié)構(gòu)脆弱的熱點(diǎn)，這在一定程度上降低了零件的疲勞強(qiáng)度，加劇了加工刀具磨損。

3.2 復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)特征及其自動制孔的切削加工性能

碳纖維復(fù)合材料在機(jī)翼和尾舵中的應(yīng)用十分廣泛，碳纖維復(fù)合材料的層間結(jié)構(gòu)具有明顯的差異，加之金屬和碳纖維復(fù)合材料之間的性能存在十分巨大的差異，其制孔質(zhì)量難以得到保證。要實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的飛機(jī)裝配制孔，飛機(jī)裝配自動制孔刀具設(shè)計(jì)需要注意以下幾個方面。

3.2.1 自動制孔刀具的設(shè)計(jì)

在對多種材料疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行制孔加工時，刀具需要以切削加工性能最差的材料為研究對象進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合其他材料的特點(diǎn)對刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

在對復(fù)合材料與鈦合金或者鋁合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行制孔加工時，刀具需要以復(fù)合材料為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時結(jié)合鈦合金或者鋁合金材料的特點(diǎn)對刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對鈦合金與鋁合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行制孔加工時，刀具需要以鈦合金材料為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時結(jié)合鋁合金材料特點(diǎn)對刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為保證刀具的鉆尖強(qiáng)度，應(yīng)該增加工作部分鉆芯厚度，進(jìn)而增加鉆孔的軸向力。因此，在鉆尖必須做修薄橫刃，不僅可以提高切削性能，還可以減小鉆孔的軸向切削力。

3.2.2 自動制孔刀具的修磨技術(shù)要求

在實(shí)際的加工使用過程中，為了提高刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，一般都會對刀具進(jìn)行多次的修磨，其能夠修磨次數(shù)主要不僅取決于自身材料和結(jié)構(gòu)，而且還受到加工材料的影響。刀具修磨的關(guān)鍵問題是其結(jié)構(gòu)上的幾何參數(shù)和切削性能。[5]修磨的原則一般為“誰制造誰修磨”，刀具供應(yīng)商在刀具自身的加工工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上更為了解，在修磨過程中能夠結(jié)合刀具的特點(diǎn)制定相應(yīng)的修磨方案。

4 結(jié)語

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用，如何對復(fù)合材料進(jìn)行制孔加工成為了當(dāng)前飛機(jī)制造業(yè)所面臨的主要問題之一。筆者結(jié)合切身實(shí)踐，分析了單一材料的切削加工性能、復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)切削加工性能的自動制孔工藝難點(diǎn)進(jìn)行了分析，希望能為飛機(jī)裝配的自動制孔工藝的進(jìn)步提供一定的幫助。