復合材料戰(zhàn)傷搶修中的超聲縱振制孔技術(shù)

杜曉偉， 談敦銘， 楊后川， 孫鋒山

(空軍工程大學航空機務士官學校， 河南信陽， 464000)

現(xiàn)代飛機機體結(jié)構(gòu)中復合材料所占的比例日益加大，雖然復合材料具有比強度高、抗疲勞腐蝕性好、結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)點[1]，但也存在易受損傷、損傷后修復困難，特別是常規(guī)膠接修理方法耗時過長等問題[2]。

對于只需要恢復必要的結(jié)構(gòu)強度和一定程度的任務能力(包括至少再出動一次或飛回后方修理所)的戰(zhàn)傷搶修而言，因無需考慮疲勞強度等持續(xù)適航性要求，可采用機械連接法快速搶修。機械連接法需要首先在損傷的復合材料上鉆孔以安裝連接件。但是復合材料本身的物理特性造成傳統(tǒng)制孔方法存在效率低、刀具容易磨損甚至損壞、易損傷復合材料等問題。

針對這些問題，目前國內(nèi)外比較有效的解決辦法是采用超聲振動制孔，該技術(shù)興起于日本，最早提出在刀具上施加振動并進行試驗驗證的是日本的隈部淳一郎教授[3]，國內(nèi)北航張德遠教授及其團隊研究超聲振動制孔技術(shù)在航空制造領域應用較成熟[4]。近年來超聲振動加工技術(shù)已為特種難加工領域中的一個研究熱點，諸多學者向各自的行業(yè)推廣[5-6]。但是現(xiàn)有的超聲振動制孔方案主要針對機床等大型設備[7-8]，在工業(yè)部門的工廠車間使用，難以在缺乏必要配套條件的部隊前線機場戰(zhàn)傷搶修環(huán)境中使用，為此本文專門研究了基于超聲縱振的復合材料便攜式制孔技術(shù)。

1 超聲縱振制孔機理

1.1 鉆頭運動分析

圖1為超聲縱振[9-10]鉆孔原理示意圖，超聲縱振鉆孔的刀具切削刃運動軌跡由刀具自轉(zhuǎn)、刀具沿著縱向相對于工件的進給運動和高頻小振幅的超聲波縱向振動復合而成，并且為周期性接觸-分離的脈沖式動態(tài)切削。超聲縱振鉆孔的刀具側(cè)面副切削刃為垂直方向，刀具的副切削刃將加工出最終孔徑，超聲縱振鉆孔的縱向(Z向)進給切削過程為動態(tài)切削、徑向(X和Y向)的切削過程恒定。

1.2 切削刃運動分析

兩刃鉆頭的刀尖橫刃和主切削刃在超聲高頻脈沖激勵下，均以高頻小振幅的正弦波軌跡進行切削運動，使得刀尖切削刃與工件切削表面間實現(xiàn)周期性接觸-分離的相對運動，如圖2所示。這種周期性接觸-分離的切削模式，能夠有效降低摩擦力、降低切削力、降低切削溫度、改善冷卻效果、實現(xiàn)斷屑效果、改善排屑效果、改善切削系統(tǒng)剛性和穩(wěn)定性等。

圖2 相對于工件的分離斷續(xù)切削過程

2 超聲縱振制孔系統(tǒng)

超聲縱振制孔系統(tǒng)由超聲振動氣鉆、刀具及超聲振動電源組成。

2.1 縱振手鉆

超聲振動氣鉆是將普通氣鉆的卡頭替換成超聲振動換能器刀桿，通過控制盒實現(xiàn)不同的鉆頭對超聲振動換能器的控制，從而使一只普通的氣鉆變成產(chǎn)生振動鉆削工具，如圖3所示。

圖3 超聲縱振手鉆

2.2 縱振電源

超聲振動電源為超聲振動換能器提供需要的電流大小、頻率[11-12]，適應不同孔徑的刀具及不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動需求，兼顧加工精度與效率。

圖4 超聲振動電源

通過縱振手鉆和電源分離的設計模式，以及換能器與手鉆集成的方式，實現(xiàn)最大程度利用現(xiàn)有的設備，同時確保設備的便攜性及在野戰(zhàn)機場搶修的可行性。

超聲縱振制孔系統(tǒng)中，核心部分為振動換能器，實現(xiàn)電能向機械振動的轉(zhuǎn)化。

3 超聲縱振換能器設計

3.1 換能器振動分析

綜合考慮精密氣鉆的便捷和普遍適用性，采用在現(xiàn)有精密氣鉆上配超聲振動換能器[13]夾頭。換能器的安裝固定采用懸臂式后端蓋與氣鉆連接，換能器與氣鉆和刀具采用螺紋連接，確保結(jié)構(gòu)小巧，換刀裝夾方便，如圖5所示。

圖5 超聲縱振換能器的安裝

超聲振動頭換能器采用壓電式縱向振動換能器[14]，工作原理為：在外加電信號激勵下，換能器儲能元件的電場發(fā)生變化，借助電場的“力效應”，產(chǎn)生了一個對換能器的機械振動系統(tǒng)的策動力，使之進入振動狀態(tài)。該振動以波的形式沿換能器軸線方向傳播，形成機械波。在換能器的端面，機械波向負載介質(zhì)中輻射出聲波信號，對負載做功。

換能器的機械振動可視為一個無質(zhì)量彈簧振子系統(tǒng)的受迫阻尼運動。質(zhì)點M在周期性策動力F的作用下，經(jīng)過一段時間后，達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)牛頓運動定律，系統(tǒng)的運動方程可表示為：

(1)

各參數(shù)說明如下：

2)M為換能器等效質(zhì)量，它不是換能器各部分質(zhì)量的簡單代數(shù)之和，而是要依據(jù)機械波在換能器中傳播時的動量守恒定律求得：

各部件的波動動量：

動量守恒：

3)Rm為等效力阻，它是系統(tǒng)克服阻尼消耗能量的總和。

4)F為換能器等效外力(由外加電壓產(chǎn)生)，F(xiàn)=Fmcos(ωt)=Fmejωt，則振動系統(tǒng)的振速穩(wěn)態(tài)解為：

(2)

振動系統(tǒng)的振動位移穩(wěn)態(tài)解為：

(3)

3.2 換能器仿真優(yōu)化

在換能器振動分析的基礎上，換能器采用半波長換能器設計方法[15-16]，并采用有限元方法進行模態(tài)及諧響應仿真。半波長換能器如圖6所示，其主要結(jié)構(gòu)為后蓋板、壓電陶瓷堆、前蓋板及變幅桿，變幅桿與前蓋板在設計上可為同一個零件。其中半波長換能器的節(jié)面未知可以變化，可以移動到壓電陶瓷和前蓋板的交界面、壓電陶瓷和后蓋板的交界面以及壓電陶瓷堆內(nèi)部。理論上說節(jié)面上位移為0，一般作為夾持位置。考慮到階梯型變幅桿容易產(chǎn)生應力集中，降低振幅產(chǎn)生發(fā)熱等缺點，采用圓角進行過渡。變幅桿大端與小端直徑比為2。

圖6 半波長換能器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電振子采用PZT8環(huán)形陶瓷片，厚度為3 mm。變幅桿和后蓋板均采用不銹鋼材質(zhì)，能夠保證剛度、強度及耐用度要求。其材料參數(shù)見表1。

表1 換能器材料參數(shù)表

根據(jù)材料性質(zhì)等效確定各部分長度，后蓋板長度l3=10 mm，壓電陶瓷堆長度I2=12 mm，前蓋板與變幅桿為一體設計，其長度為I1+I4=59 mm。各部分直徑根據(jù)壓電陶瓷直徑及變幅桿直徑比值確定。由以上尺寸建立有限元仿真模型，并進行模態(tài)仿真，其縱向振動模態(tài)仿真結(jié)果見圖7。

圖7 換能器縱向振動模態(tài)仿真圖

沿軸線方向，其節(jié)點振動位移分布如圖8所示。

圖8 軸線節(jié)點振動位移分布圖

采用激勵電壓為500 V，建立16～36 MHz諧響應仿真，得到其端面最大振幅與頻率關(guān)系見圖9，雙邊振幅約為18 μm。

以上完成換能器尺寸計算及仿真，通過換能器與超聲電源的匹配，可用于換能器控制盒選擇于鉆頭適宜的最優(yōu)振動頻率，以便獲得最大振動幅度。實際過程中由于換能器陶瓷片參數(shù)差異以及裝配過程中操作會導致?lián)Q能器諧振頻率及實際振幅產(chǎn)生偏差。

圖9 ANSYS仿真端面縱向振幅

4 實驗結(jié)果

4.1 鉆削實驗

鉆削屬于粗加工工序，復合材料鉆削容易出現(xiàn)分層及毛刺缺陷[17]。因此試驗研究重點主要為鉆削加工中容易出現(xiàn)的入口及出口缺陷。

圖10為普通鉆削入口及出口照片。入口處出現(xiàn)分層，出口處出現(xiàn)嚴重撕裂，明顯無法滿足加工要求。圖11為超聲鉆削入口及出口處形貌。超聲鉆削入口及出口處未出現(xiàn)明顯分層及撕裂缺陷。因此復合材料采用超聲鉆削方式能夠避免常見分層及撕裂缺陷。

圖10 普通鉆削φ3.8孔入口及出口

圖11 超聲鉆削φ3.8孔入口及出口

4.2 鉸孔實驗

鉸孔為孔精加工工序，決定最終孔的質(zhì)量。試驗研究中采用超聲振動鉸孔氣鉆(1 300 r/min)及硬質(zhì)合金鉸刀(直徑7.6 mm)進行鉆孔的精加工。圖12為普通鉸孔加工與超聲振動鉸孔加工后出入口照片，普通鉸孔之后入口出現(xiàn)了拔絲、部分纖維未被切斷的現(xiàn)象。超聲振動鉸孔無明顯缺陷。普通鉸孔出口處出現(xiàn)了樹脂基變色以及纖維毛刺的現(xiàn)象，超聲振動鉸孔無明顯缺陷。

圖12 普通鉸孔與超聲振動鉸孔對比

5 結(jié)論

超聲縱振能有效解決復合材料制孔的質(zhì)量需求，基于普通手鉆加縱振換能器、超聲電源的小型便攜式縱振制孔系統(tǒng)可實現(xiàn)一線野戰(zhàn)機場條件下對飛機復合材料結(jié)構(gòu)的快速鉆孔，從而為復合材料結(jié)構(gòu)的機械連接法快速搶修創(chuàng)造了條件。