復合材料手工制孔刀具的壽命優(yōu)化

高飛，張璐，袁志敏，董楠

中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司

1 引言

碳纖維復合材料具有高硬度、抗疲勞性好、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、重量輕等優(yōu)點，越來越多地被應用于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造中，其廣泛應用也在鉆削加工和裝配上帶來了一些難題[1]。由于碳纖維復合材料具有高脆性、非均質(zhì)和各向異性的特點，材料的力學性能受加載方向的影響極大，制孔時極易產(chǎn)生基體灼傷、毛刺、分層及撕裂等多種形式的損傷，導致產(chǎn)品存在質(zhì)量隱患[2，3]。

王豪等[4]研究了針對復鋁疊層在不同工藝參數(shù)下使用不同刀具的制孔工藝，探討了工藝參數(shù)對孔徑精度、表面粗糙度以及鋁合金出口毛刺的影響規(guī)律。山特維克研制了碳纖維復合材料和鋁合金疊層加工用刀具，該刀具能在一定程度上抑制鋁合金出口毛刺和復合材料分層[5]。羅海勇等[6]采用CVD和PVD硬質(zhì)合金棒料，通過使用匕首鉆、麻花鉆和金剛砂涂層擴孔鋸進行復合材料鉆鉸孔試驗，針對不同孔徑選擇合適的轉(zhuǎn)速和進給量，提高了制孔技術(shù)水平。因此，針對復合材料制孔損傷優(yōu)化復合材料手工制孔方案和提高刀具的使用壽命，以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，對航空用復合材料的發(fā)展和生產(chǎn)應用有較大的促進作用和實際意義。

2 制定試驗方案

在復合材料正式制孔前，須進行生產(chǎn)前工藝測試，明確刀具壽命，通過定期換刀來減少刀具異常對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，嚴格控制飛機裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.1 復材制孔的工藝優(yōu)化方案

針對復合材料手工制孔刀具壽命測試試驗耗時耗資巨大的問題，從源頭進行調(diào)研分析如下：①缺乏統(tǒng)一的刀具技術(shù)規(guī)范，未對刀具材料、參數(shù)及涂層等進行明確規(guī)定，造成不同品牌的刀具質(zhì)量差異明顯，且同一廠家不同批次刀具的質(zhì)量穩(wěn)定性也存在部分差異，因此刀具壽命難以統(tǒng)一，最終僅能按品牌進行刀具壽命測試，造成壽命差異明顯且管理難度大；②在同類或同種制孔技術(shù)需求下，不同站位所用刀具不統(tǒng)一，刀具切削余量、刀具結(jié)構(gòu)不同且刀具規(guī)格種類多，造成刀具壽命測試和管理的難度增加；③手工制孔刀具使用壽命的影響因素較多，如刀具使用過程中風鉆的轉(zhuǎn)速、進給量和冷卻等因素，操作人員的技能和工況的差異等；④根據(jù)前期大量制孔經(jīng)驗，在相同工況和刀具質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，相近刀具的使用壽命差異不大，對所有刀具進行壽命試驗必然會導致時間和資金的浪費。

因此降低所需測試的刀具數(shù)量是復合材料手工制孔刀具壽命管控的關(guān)鍵，控制刀具質(zhì)量穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)變刀具壽命按品牌測試和管理的方式，從源頭統(tǒng)一刀具規(guī)格，減少刀具種類，科學合理地選取典型壽命測試刀具。

針對以上問題，制定復合材料手工制孔技術(shù)規(guī)范，對復合材料手工制孔刀具(匕首鉆、鉆頭、擴孔鉆、鉸刀及锪窩鉆)的材料、參數(shù)等進行明確規(guī)定，并規(guī)范相關(guān)刀具的應用條件和風鉆轉(zhuǎn)速、進給量和冷卻等因素，以確保刀具的品質(zhì)及壽命的穩(wěn)定性，使刀具壽命從按品牌分類測試轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)規(guī)范標準進行測試。

本文通過對純CF材料以及CF/Al疊層材料進行統(tǒng)一分刀方案和刀具結(jié)構(gòu)，引入碳纖維專用匕首鉆和PCD锪窩鉆進行復材制孔工藝優(yōu)化，加工方式為手持風鉆手工制孔，所選刀具為硬質(zhì)合金匕首鉆、鉆頭、擴孔鉆、鉸刀以及PCD锪窩鉆，刀具規(guī)格從原172種降低至128種。方案制定前后刀具規(guī)格數(shù)量對比見圖1。

圖1 方案制定前后刀具規(guī)格和數(shù)量對比

由表1可見，引入碳纖維專用匕首鉆和PCD锪窩鉆后，使用鉆頭、擴孔鉆和鉸刀的數(shù)量都有不同程度的降低，總體上復材制孔所需刀具的總數(shù)降低了25.58%，達到了復材制孔工藝優(yōu)化的目的，從源頭解決了刀具規(guī)格多的問題，為降低刀具壽命測試和管理難度提供了條件。

表1 方案制定前后不同刀具的應用結(jié)果

2.2 復材制孔的壽命測試試驗方案

在解決以上難點的基礎(chǔ)上，針對科學合理選取典型壽命測試刀具的問題，制定了復合材料手工制孔刀具壽命測試試驗方案，進行材料、工具和制造工藝控制、孔徑關(guān)鍵特征(質(zhì)量和大小)檢測及刀具壽命計算。合并相同或相似孔徑，在相近孔徑規(guī)格中選取最高孔徑精度的制孔刀具作為壽命測試所用刀具規(guī)格。刀具連接方式分為圓柱柄和螺紋柄兩類，由于螺紋柄與直柄刀具的切削狀態(tài)相同，試驗僅進行直柄刀具的壽命測試。因此，刀具壽命測試規(guī)格從185種減至34種，大幅降低了刀具壽命測試耗資耗時大的問題。

根據(jù)手工制孔刀具切削特性確定復合材料刀具壽命計算原則，若試驗結(jié)果滿足n×80%≤刀具制孔數(shù)≤n×150%，則該批刀具合格，且刀具最終壽命值是以同規(guī)格測試刀具無缺陷制孔長度的算數(shù)平均值，計算公式為

L=n×h

(1)

N=L×75%

(2)

式中，L為刀具最終壽命值(mm)；n為平均制孔數(shù)量(個)；h為測試板厚度(mm)；N為刀具使用壽命(mm)。

圖2和圖3分別為純CF和CF/Al的材料厚度。在實際正式生產(chǎn)應用中，為了減少刀具異常對復材制孔質(zhì)量的影響，刀具壽命達到最終壽命的75%時采取強制換刀措施。

圖2 純CF材料厚度

圖3 CF/Al材料厚度

3 試驗結(jié)果與分析

對于小孔徑采用一刀制孔，而加工大孔徑時，為避免鉆削過程中切削力太大對刀具和孔徑產(chǎn)生影響，需要分刀制孔，所以使用擴孔鉆或擴鉸刀時存在多種規(guī)格刀具。本文采用不同的測試板厚度，在加工不同孔徑時采用不同的分刀方案，以同一工序、不同規(guī)格刀具制孔的最后一刀為例分析刀具應用情況。

對于純CF材料，鉆削過程中鉆削軸向力的分布越向鉆頭中心集中，越容易發(fā)生分層損傷，鉆削軸向力的分布越均衡于整個孔域，越不容易發(fā)生分層缺陷。匕首鉆在鉆削時最不容易發(fā)生分層缺陷，試驗采用匕首鉆和擴鉸刀完成復合材料手工制孔，得到匕首鉆和擴鉸刀的使用壽命見圖4。

CF(6mm)材料的制孔孔徑為2.464mm，由圖4a可見，僅需要匕首鉆一刀制孔即可。對于CF/Al疊層材料，試驗采用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀和锪窩鉆完成復合材料手工制孔，其使用壽命見圖4b、圖4c及圖4d?？梢姡瑢τ诓煌瑴y試板厚度的純CF材料及CF/Al疊層材料手工制孔，制孔刀具的壽命都不相同，但是其偏差都穩(wěn)定在均值上下。

(a)

(b)

(c)

(d)

經(jīng)刀具壽命測試，同類刀具壽命基本穩(wěn)定且相對原刀具均有大幅提升(見表2)。盡管后期刀具制孔比較困難，且刀具有磨損，但仍可正常使用，無劈裂、燒傷和疊層現(xiàn)象，分開檢驗后發(fā)現(xiàn)，CF未出現(xiàn)撕裂和燒傷等問題。

表2 刀具壽命對比及增長效果

4 結(jié)語

通過復合材料手工制孔刀具壽命技術(shù)研究，制定了復材手工制孔刀具應用方案，并統(tǒng)一分刀方案，從源頭減少刀具規(guī)格，將規(guī)格從172種降低至128種，有效降低了刀具壽命管控難度。通過典型壽命測試科學合理地選取刀具，所需測試的刀具規(guī)格從185種減少至34種，以及刀具數(shù)量、刀具壽命測試時間及耗資都大幅降低。

復材手工制孔刀具以技術(shù)規(guī)范為依據(jù)，引進復材制孔專用匕首鉆和PCD锪窩鉆，對比前期其他品牌刀具壽命平均提升1.96倍，不僅提升了刀具質(zhì)量和壽命的穩(wěn)定性，還提升了刀具的使用壽命，獲得的刀具壽命可直接推廣應用于其他刀具壽命管理，為新材料的刀具壽命研究提供技術(shù)依據(jù)。