基于自動制孔設(shè)備的復合材料結(jié)構(gòu)無墊板制孔刀具技術(shù)研究

吳 茜 張烘洲 李 明

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

飛機結(jié)構(gòu)連接采用的主要方法是機械連接，一架大型飛機上有150萬～200萬個鉚釘和螺栓。目前鉚釘孔和螺釘孔的制孔過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的裝配需求。相比傳統(tǒng)的手工制孔而言，自動化制孔不僅能夠提高制孔質(zhì)量，而且還能減少操作時間并節(jié)約生產(chǎn)成本。自動制孔技術(shù)在國外現(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，國外的制孔設(shè)備難以在國內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用。在復合材料、鈦合金等難以加工的材料上，國內(nèi)目前大多數(shù)仍采用手工制孔方式，自動制孔技術(shù)還處于起步階段。

復合材料因具有高強度、高剛性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、良好的抗疲勞性和較強的抗腐蝕性等優(yōu)點，在現(xiàn)代商用客機中得到廣泛應(yīng)用，其用量已成為衡量現(xiàn)代商用客機先進性的標志之一。復合材料由于斷裂應(yīng)變小、層間結(jié)合強度低、導熱性能差及力學性能呈各向異性等特點，鉆孔時易在較大軸向力作用下產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺等缺陷，加工起來比較困難。復合材料零件與其他零部件裝配連接時，不可避免地要進行大量孔加工。然而在復合材料結(jié)構(gòu)件制孔過程中，普遍存在著分層、劈裂和毛刺等現(xiàn)象，刀具磨損快，壽命短。而大型客機平尾主要材料為復合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)，為保證孔的協(xié)調(diào)精度必須同時進行加工，此時兩種材料完全不同的加工特性無疑將進一步加大孔的加工難度。

大型客機水平尾翼生產(chǎn)線采用自動化裝配方式，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)制孔的長壽命要求。該設(shè)備在國外已在空客350、380機型上成功應(yīng)用，但其加工工藝并不對國內(nèi)開放，目前國內(nèi)沒有針對大型客機的相關(guān)工藝及刀具選用情況介紹。本文針對復合材料/合金疊層制孔在虛擬五軸設(shè)備上對無墊板制孔刀具的制孔性能進行測試分析，從而確定出適用于實際產(chǎn)品工況的刀具刃口形式。

1 試驗及方法

1.1 測試條件

虛擬五軸設(shè)備如圖1所示，機身床體采用線性光

2 測試過程

2.1 測試方案

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驗的固定工藝參數(shù)，如表2所示，此加工參數(shù)已經(jīng)是經(jīng)過虛擬五軸設(shè)備大范圍試驗之后優(yōu)化出來的結(jié)果，基本代表該刃型刀具應(yīng)用的最佳水平。

表2 實驗參數(shù)列表

2.2 鉆削力采集

加工過程中，采用無墊板支撐進行制孔，每加工一個孔，進行鉆削力的采集，每種刀具都鉆削20個孔，然后對20組鉆削力進行提取，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比圖。從圖中可以看出，在所有實驗參數(shù)下，2號匕首鉆的軸向力偏大，1號X型修磨鉆頭的軸向力最小，可以預(yù)見X型修磨刀具在減小軸向力抑制分層缺陷方面有優(yōu)勢，但仍需通過評價孔口質(zhì)量來進一步對比刀具加工性能。

圖4 不同刀具軸向力對比

圖5 為3種刃口形式刀具在無墊板支撐下加工孔的出口入口情況。從出口情況來看，1號X型修磨刀具鉆削出口質(zhì)量最高，在連續(xù)20個孔的鉆削過程中都保持了較高的孔口質(zhì)量，沒有明顯毛刺和劈裂；2號匕首鉆刀具雖然在開始階段的第5個孔保持了不錯的孔口質(zhì)量，但在之后迅速惡化，在加工第20個孔時出現(xiàn)了嚴重的毛刺和啃邊現(xiàn)象，孔口分層也是顯而易見的；3號三尖鉆刀具則在開始階段便出現(xiàn)了小毛刺，并迅速發(fā)展出大毛刺，在加工第20個孔時則基本達到孔徑級的毛刺高度，刀具性能較差。

通過測試結(jié)果可見，對碳纖維復合材料，在制孔過程中，減小軸向力對孔口劈裂和毛刺的抑制具有重要的作用。這是因為復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。當鉆頭鉆到碳纖維復合材料板最底層時，由于未被切削的材料剛性已經(jīng)很弱，不足以支撐軸向力，當鉆孔軸向力大于碳纖維復合材料的層間接合力時，那么分層將不可避免地產(chǎn)生，而多度的分層則導致出口的劈裂。對于鉆頭而言，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X型修磨鉆頭的螺旋角設(shè)計，可以保證在制孔過程中及時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因為碳纖維粉末的磨粒磨損而變鈍，確保刀具具有較長的壽命。

圖5 3種刃口形式刀具在無墊板支撐下加工孔的出口入口情況

對于2號匕首鉆刀具，其切削區(qū)刃口分為2部分，如圖6所示。兩段切削刃設(shè)計可以有效增加切削刃的長度，在刀具鉆入復合材料過程中，能夠有效避免軸向力大小的突變，使切削過程較為平穩(wěn)，但是從圖5中可以看出，其第一切削刃相當于鉆頭的橫刃，且第一切削刃的刀尖角α比標準麻花鉆要大很多，這也就說明了匕首鉆在剛鉆入復合材料時，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，雖然可以較好解決復合材料入口撕裂的問題，但是卻導致碳纖維切屑粉末無法有效排出，導致制孔中切削區(qū)容易堆積切屑，加速刀具的磨損。2號刀具采用三尖兩刃鉆設(shè)計，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合材料的制孔。

圖6 匕首鉆刃口區(qū)

4 結(jié)束語

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