航空疊層材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)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(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110850； 2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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航空疊層材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)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(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110850； 2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：為有效的減輕飛機(jī)質(zhì)量和燃料成本，復(fù)合材料/金屬疊層材料已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)的高科技部件。綜述了包括CFRP/鋁和CFRP/鈦疊層材料制孔技術(shù)的最新進(jìn)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(xiàn)綜述表明，有多種方式可改善加工品質(zhì)：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(fù)合材料的損傷；3) 預(yù)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(fù)合材料的熱損傷。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；鈦合金；鋁合金；制孔技術(shù)；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(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、輕合金等材料在飛機(jī)制造領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用。隨之而來的難題是：大量的復(fù)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(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)機(jī)體75%～80%的疲勞破壞發(fā)生在構(gòu)件的連接部位上，而飛機(jī)裝配中鉚接和螺接約占結(jié)構(gòu)連接形式的70%以上，連接孔的數(shù)量多、工作量繁重。傳統(tǒng)飛機(jī)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(guān)系的零件預(yù)先裝夾在一起一次性鉆削連接孔，其制孔的精度和品質(zhì)是保證飛機(jī)構(gòu)件連接可靠性和壽命的關(guān)鍵。

圖1　疊層材料結(jié)構(gòu)裝配圖

1疊層材料制孔技術(shù)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(fù)合材料具有高耐磨性、高硬度，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重；樹脂基體相軟質(zhì)，高溫會發(fā)生融化變質(zhì)，致使其切削溫度不能太高；而高硬增強(qiáng)相混合構(gòu)成決定的各向異性特征，導(dǎo)致切削過程中刀具經(jīng)歷多種切削過程，加劇刀具的磨損；層間強(qiáng)度低，層間結(jié)構(gòu)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(jìn)行特殊的排屑處理。而對于鈦合金來說，因其彈性模量低，導(dǎo)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(xiàn)象；鈦合金熱導(dǎo)率小，會導(dǎo)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(dǎo)50%的熱量，致使高溫下刀具更易發(fā)生磨損；高溫下化學(xué)反應(yīng)活潑性高，極易導(dǎo)致其與刀具之間發(fā)生熔焊現(xiàn)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(dǎo)致連接裝配中制孔品質(zhì)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(xiàng)工作成為飛機(jī)制造過程中繁雜而重要的環(huán)節(jié)。

2疊層材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對疊層材料的制孔技術(shù)進(jìn)行了大量研究[1]，已在疊層材料的加工機(jī)理、工藝參數(shù)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(jìn)展，下面將從幾個方面詳細(xì)闡述。

1) 疊層材料制孔加工刀具研究。當(dāng)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(jìn)型麻花鉆進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)探索。德國不萊梅大學(xué)開展了CFRP、鋁合金和鈦合金疊層構(gòu)件的鉆削研究[2](圖2)，采用階梯結(jié)構(gòu)麻花鉆進(jìn)行制孔試驗(yàn)，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(jié)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(xué)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(jī)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(jìn)行磨損機(jī)理分析。結(jié)果表明CFRP 的磨蝕和鈦合金的粘結(jié)是刀具磨損的兩個主要因素，刀具轉(zhuǎn)速越高，扭矩和軸向力數(shù)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(fù)合材料/鈦合金疊層材料的新型機(jī)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(xué)者使用K20硬質(zhì)合金刀具對CFRP/鈦合金疊層材料進(jìn)行了鉆削工藝研究[4]，大量試驗(yàn)結(jié)果表明對疊層材料分別選取合理的加工參數(shù)，可獲得較高的制孔品質(zhì)。

2) 疊層材料制孔工藝參數(shù)的研究。當(dāng)前，鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的工藝參數(shù)主要還是參照鈦合金的加工參數(shù)進(jìn)行的。伯明翰大學(xué)學(xué)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(jìn)給量對制孔品質(zhì)的影響，當(dāng)鉆削速度設(shè)置為30/120/120m/min，進(jìn)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(dāng)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(xué)針對復(fù)合材料/鈦合金疊層板構(gòu)件采用了硬質(zhì)合金、HSS和Co-HSS等不同材質(zhì)的刀具進(jìn)行鉆削研究[6]，圖4為進(jìn)給量與主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響。研究表明硬質(zhì)合金刀具在鉆削中具有較好的加工性能，制孔表面的機(jī)械損傷和熱損傷均較小，適合工藝參數(shù)為660r/min、0.08mm/rev。研究還說明不合適的工藝參數(shù)會引起工具的劇烈磨損，甚至嚴(yán)重?zé)齻麖?fù)合材料工件。

圖4　主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對不同材料孔壁粗糙度的影響

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

3) 疊層材料加工品質(zhì)-層間毛刺的研究。有學(xué)者對飛機(jī)蒙皮和框裝配的制孔進(jìn)行了部分試驗(yàn)研究[8]，分析了刀具結(jié)構(gòu)、預(yù)壓緊方式等參數(shù)的影響，對由7075-T6和2024-T3兩種鋁合金組成的疊層材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(shù)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(lǐng)域，通常復(fù)合材料的切削加工過程不允許使用切削液，當(dāng)前的工廠生產(chǎn)基本采用干式鉆削加工。對于復(fù)合材料/金屬疊層材料，由于鉆削鈦合金、鋁合金過程中產(chǎn)生大量的切削熱，極易造成復(fù)合材料的損傷。對此，研究人員和航空制造單位進(jìn)行了制孔加工冷卻方式的初步研究。

5) 鑒于鉆削運(yùn)動學(xué)規(guī)律，某些學(xué)者進(jìn)行了其他制孔方法的研究。有德國學(xué)者在傳統(tǒng)鉆削CFRP/鈦合金疊層材料的基礎(chǔ)上，在進(jìn)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(jìn)給量弱化了鈦合金切屑的尺寸，進(jìn)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(chǎn)生的切削熱較之傳統(tǒng)鉆削降低了40%，對CFRP基本沒有產(chǎn)生熱損傷。

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

3疊層材料制孔技術(shù)研究的發(fā)展趨勢

總結(jié)前人研究情況，文中認(rèn)為航空結(jié)構(gòu)件疊層材料制孔技術(shù)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(zhì)與耐用度。對于航空裝配領(lǐng)域內(nèi)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(dǎo)致加工困難的最大問題是什么？關(guān)于這個問題，一般認(rèn)為復(fù)合材料/金屬疊層材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度，導(dǎo)致材料蝕除難；2) 根據(jù)制孔試驗(yàn)的結(jié)果合理選擇刀具幾何結(jié)構(gòu)，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(jī)理，提高刀具使用壽命，也可以根據(jù)磨損情況分析并調(diào)整加工工藝，如主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量等。

b) 改善金屬切屑排除條件，降低切屑對復(fù)合材料的損傷。在復(fù)合材料/金屬材料疊層鉆削加工中，切屑排除是對復(fù)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(dǎo)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(fù)材損傷、實(shí)現(xiàn)精密高效鉆削復(fù)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(zhì)及裝配效率。對航空典型疊層材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，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(shù)和刀具結(jié)構(gòu)可以有效降低毛刺的形成，層間毛刺的形成需要考慮預(yù)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(fù)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(dǎo)致復(fù)合材料零件的性能顯著降低而報廢。由于復(fù)合材料的抗水性差，航空標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)潤滑液輔助冷卻，冷卻效果不明顯。因此，飛機(jī)制造廠急需更有效的鉆削過程的冷卻方式。

4結(jié)語

飛機(jī)裝配領(lǐng)域的疊層材料制孔的品質(zhì)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(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用已傳承了若干年，累積了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，這對起步較晚的我國提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但截至目前為止，疊層材料制孔技術(shù)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(jī)。我國應(yīng)從國家安全和技術(shù)升級兩方面出發(fā)，發(fā)揮“產(chǎn)學(xué)研用”平臺的優(yōu)勢，加大研究力度，突破關(guān)鍵技術(shù)，注重研究機(jī)構(gòu)與應(yīng)用單位的有機(jī)合作，推進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)及航空制造技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1] 于曉江，曹增強(qiáng)，蔣紅宇，等. 碳纖維復(fù)合材料與鈦合金結(jié)構(gòu)制孔工藝研究[J]. 航空制造技術(shù)，2011，3: 95-97.

[2] E. Brinksmeler, R. Janssen. Drilling of Multi-layer Composite Materia1s Consisting of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP), Titanium and Aluminum Alloys [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2002, 51(1): 87-89.

[3] K.H. Park, A. Beal, D. Kim. Tool wear in drilling of composite/titanium stacks using carbide and polycrystalline diamond tools[J]. Wear. 2011 ,271:2826-2835.

[4] R. Zitoune, V. Krishnaraj. Influence of machining parameters and new nano-coated tool on drilling performance of CFRP/Aluminium sandwich[J] .Composites: Part B, 2012,43: 1480-1488.

[5] C.L. Kuo, S.L. Soo, D.K. Aspinwall. The effect of cutting speed and feed rate on hole surface integrity in single-shot drilling of metallic-composite tacks[J]. Procedia CIRP. 2014 ,13: 405-410.

[6] M. Ramulu, T. Branson, D. Kim. A Study on the Drilling of Composite and Titanium stacks [J]. Composite Structures. 2001, 54(1): 67-77.

[7] 減雪柏, 趙宏偉, 于繁華，等. 疊層材料變參數(shù)振動鉆削模型與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報. 2001, 31(4): 33-37.

[8] E. Ghassemieh. Performance and wear of coated carbide drill inmachining of carbon fibre reinforced composite/titanium stack. Int. J. Materials and Product Technology. 2012, 43(1): 165-183.

[9] O. Pecat, E. Brinksmeier. Low Damage Drilling of CFRP/Titanium Compound Materials for Fastening[J]. Procedia CIRP. 2014, 13: 1-7.

[10] O. Pecat, E. Brinksmeier. Tool wear analyses in low frequency vibration assisted drilling of CFRP/Ti6Al4V stack material. Procedia CIRP. 2014,14: 142-147.

[11] B. Denkena, D. Boehnke, J.H. Dege. Helical milling of CFRP-titanium layer compounds[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2008 (1): 64-69.

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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272147，10772078)；航空科學(xué)基金(2013ZF52074)；機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)試驗(yàn)室開放基金(1001-IZD13001-1353)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目。 國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2012ZX04010-011)

收稿日期：2014-11-29

中圖分類號：V261.99; TG506.9

文獻(xiàn)標(biāo)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?yàn)轱w機(jī)制造工藝。