航空復合材料鋁合金疊層制孔技術

易小蘭

（天府新區(qū)通用航空職業(yè)學院，四川 眉山 620564）

連接孔發(fā)生疲勞裂紋，是導致飛機機體故障的常見因素。由于飛機上各類連接件的數(shù)量多達百萬以上，提高航空材料連接孔的加工質(zhì)量就顯得尤為重要。為了減輕材料自重和保證性能達標，航空連接件大多采用復合材料與鋁合金疊層的形式。在自動化制孔中，既要考慮不同材料各自的制孔特性外，還要關注疊層過渡區(qū)的鉆削特性。在疊層制孔中，除了要選擇合適的刀具，還必須優(yōu)化工藝參數(shù)，尤其是進給量、轉(zhuǎn)速兩項指標，是決定制孔精度、制孔質(zhì)量的關鍵因素。基于此，探究復合材料與鋁合金疊層制孔工藝的優(yōu)化策略，對提升加工精度與加工質(zhì)量有積極幫助。

1 航空復合材料鋁合金疊層制孔技術

1.1 刀具的選擇

常規(guī)的硬質(zhì)合金刀具無法滿足復合材料與鋁合金疊層制孔的需要，必須要選擇具有特殊土層的刀具才能提高制孔效果。目前可用于復合材料加工的刀具有2 種類型，即PCD（聚晶金剛石）刀具和CVD（金剛石涂層）刀具。PCD 刀具的優(yōu)勢在于硬度極高、導熱性好、耐磨能力強，能夠滿足復合材料與鋁合金疊層制孔的要求。但是在實際應用中，PCD 刀具由于形狀比較復雜，孔的內(nèi)壁容易出現(xiàn)劃痕，不夠光滑，從而導致制孔質(zhì)量不理想。相比之下，CVD 刀具的幾何形狀比較簡單，制孔時不易產(chǎn)生毛刺，孔壁光滑，加上使用成本較低，因此在航空復合材料鋁合金疊層制孔中應用優(yōu)先級較高。根據(jù)鉆頭形式的不同，又可將CVD 刀具分為三尖鉆和麻花鉆兩種類型[1]。

1.2 制孔精度與制孔質(zhì)量評估

本研究選擇制孔精度、制孔質(zhì)量這兩項指標來評價疊層制孔水平。其中，制孔精度指標下又包括了尺寸精度、圓度、縮孔3 項細分指標；制孔質(zhì)量指標下又包括了粗糙度、金屬毛刺、復材撕裂等多項細分指標，見圖1。

圖1 復合材料/鋁合金疊層制孔精度與制孔質(zhì)量評估指標

本研究選擇尺寸精度（即孔徑）判斷疊層制孔精度，在刀具切削制孔過程中，刀具周圍的材料受熱會發(fā)生膨脹，而冷卻后又容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。因此，如果孔徑變化越小，說明制孔精度越高。本研究選擇毛刺判斷疊層制孔質(zhì)量，毛刺高度越低，說明制孔質(zhì)量越好。

1.3 工藝的優(yōu)化

在復合材料鋁合金疊層制孔中，影響制孔精度和制孔質(zhì)量的因素較多，如刀具的類型、刀具的磨損程度、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的設定等[2]。因此，為了進一步提高疊層制孔效果，還需要對工藝流程進行優(yōu)化設計。在保證制孔精度、質(zhì)量均達到標準的前提下，通過降低刀具磨損以提高制孔的經(jīng)濟性。工藝優(yōu)化流程見圖2。

圖2 工藝參數(shù)優(yōu)化流程

2 工藝參數(shù)范圍的選取試驗

2.1 試驗方法

在復合材料鋁合金疊層制孔工藝中，涉及到的工藝參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速和進給量。為確定最佳工藝參數(shù)，設計了轉(zhuǎn)速上限和進給量上限的確立試驗。本次試驗基于數(shù)控加工平臺進行，用內(nèi)徑千分尺測量加工后的孔徑，用便攜式表面粗糙度儀檢測加工后孔壁的粗糙度，用刀具測量儀檢測刀具的磨損量。試驗所用刀具為三尖鉆和麻花鉆，轉(zhuǎn)速試驗和進給量試驗相互獨立，通過逐步逼近法不斷縮小轉(zhuǎn)速、進給量的上限范圍。

2.2 試驗結果

在進給量上限試驗中，保持鉆具的轉(zhuǎn)速恒定為3 600 rpm，對于進給量設置5 個變量，分別是0.04 mm/r、0.06 mm/r、0.08 mm/r、0.10 mm/r、0.12 mm/r。在相同轉(zhuǎn)速、不同進給量下分別完成復合材料鋁合金疊層制孔，并在加工結束后觀察制孔質(zhì)量、刀具磨損情況。所得結果見表1。

表1 3 600 rpm 轉(zhuǎn)速下進給量范圍確立試驗

根據(jù)表1 可知，在不同的進給量下，使用麻花鉆制孔，刀具刃口完好；而使用三尖鉆制孔，當進給量增加至0.12 mm/r 時，刀具刃口出現(xiàn)崩刃的情況。基于此，在轉(zhuǎn)速為3 600 rpm 下，使用三尖刀進行復合材料鋁合金疊層制孔，進給量的上限為0.10 mm/r；如果將刀具替換成麻花鉆，則本次試驗中進給量的上限為0.12 mm/r。按照同樣的思路，將進給量上限恒定為0.06 mm/r，改變轉(zhuǎn)速，同樣設計5 個變量，分別是1 800 rpm、3 600 rpm、5 400 rpm、7 200 rpm、9 000 rpm。在相同進給量、不同轉(zhuǎn)速下，分別完成復合材料鋁合金疊層制孔，并在加工結束后觀察制孔質(zhì)量、刀具磨損情況[3]。所得結果見表2。

表2 0.06 mm/r 進給量下轉(zhuǎn)速范圍確立試驗

結合表2，在進給量為0.06 mm/r，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從1 800 rpm 至9 000 rpm，麻花鉆刃口完好；而相同條件下使用三尖鉆，在轉(zhuǎn)速升高至7 200 rpm 后，刀具刃口開始出現(xiàn)輕微崩裂。這種裂口的存在，會導致刀具在繼續(xù)使用過程中磨損速度進一步加快。在制孔質(zhì)量方面，使用兩種刀具在相同材料上制孔，均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，制孔質(zhì)量均能滿足要求。基于此，在進給量為0.06 mm/r 下，麻花鉆的轉(zhuǎn)速上限可以達到9 000 rpm，而三尖鉆的轉(zhuǎn)速上限為5 400 rpm。

3 提高制孔精度和制孔質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗設計

本次試驗使用的復合材料為CCF300，厚度為3.5 mm；鋁合金為7075，厚度為2.8 mm。試驗使用的2 種鉆頭，三尖鉆可加工600 個孔，麻花鉆可加工800 個孔。以前100 個孔的孔徑誤差和毛刺高度，作為評價制孔精度與制孔質(zhì)量的指標。為了消除其他因素對試驗結果的干擾，試驗中對轉(zhuǎn)速和進給量分別設計了5個水平（見表3），兩者交叉共進行5×5=25 組試驗。每種組合下制孔數(shù)量為3 個，本次試驗中制孔數(shù)量共計75 個。這樣既可以保證刀具磨損量較小，同時還能保證樣本數(shù)量足夠多，使試驗結果的可靠性得到了保證。

表3 工藝優(yōu)化參數(shù)選取水平

依次檢測75 孔的孔徑、毛刺高度，并將每種組合下3 個孔的測量結果取平均值。使用二次回歸模型（X）展開分析：

式中：n 表示轉(zhuǎn)速；f 表示進給量；C0～C5表示待定常數(shù)；X 表示優(yōu)化對象，是孔徑、毛刺高度中的一種。

3.2 孔徑分析

孔徑（尺寸精度）是評價制孔精度的一個核心指標，在航空飛機的裝配中，要求連接件的尺寸精度≥H8 級。以直徑為5 mm 的孔為例，上偏差≤18 μm，下偏差≥0 μm。在試驗中使用內(nèi)徑千分尺測量孔徑。

3.2.1 三尖鉆制孔精度分析

將測得結果帶入到二次回歸模型，可以得到使用三尖鉆制孔時復合材料（DCFRP）和鋁合金（DAl）的孔徑，結果如下：

將上述二次回歸模型導入到Matlab 軟件中，繪制出三維曲面圖，可以觀察到使用三尖鉆加工復合材料和鋁合金時孔徑的變化情況。結合三維曲面圖可知，使用三尖鉆在復合材料上制孔，隨著工藝參數(shù)的變化，孔徑?jīng)]有明顯的改變；而使用三尖鉆在鋁合金上制孔，當轉(zhuǎn)速增加時，孔徑也有一定幅度的增大。但是進給量增加對孔徑變化的影響不明顯。綜合來看，使用三尖鉆制孔，復合材料上的孔徑要小于鋁合金上的孔徑，說明復合材料制孔更容易發(fā)生縮孔現(xiàn)象[4]。

3.2.2 麻花鉆制孔精度分析

按照同樣的處理方式，求得麻花鉆制孔時復合材料（dCFRP）和鋁合金（dAl）的孔徑，結果如下：

將上述擬合公式導入到Matlab 軟件中，繪制麻花鉆加工復合材料和鋁合金時轉(zhuǎn)速和進給量的三維曲面圖。觀察可知，使用麻花鉆在復合材料、鋁合金上制孔，隨著轉(zhuǎn)速和進給量的增加，孔徑也相應的變大。并且在工藝參數(shù)相同的情況下，復合材料孔徑要小于鋁合金孔徑，說明復合材料制孔更容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，與前文試驗結果一致。

3.2.3 孔徑優(yōu)化結果

從試驗結果來看，雖然工藝參數(shù)的變化會導致孔徑發(fā)生改變，但是變化并不明顯。使用三尖鉆在復合材料上制孔時，25 種工藝下最大孔徑和最小孔徑的差值為0.003 mm；使用麻花鉆在符合材料上制孔時，25種工藝下最大孔徑和最小孔徑的差值為0.007 mm。在平均縮孔值方面，三尖鉆為0.002 mm，明顯低于麻花鉆的0.007 8 mm。但是這2 種刀具加工后的孔徑均未達到H8 精度，故需要對孔徑進行優(yōu)化。優(yōu)化公式為：

式中：dbest表示優(yōu)化后的刀具直徑；d 表示最開始的刀具直徑；DAl和DCFRP分別代表復合材料和鋁合金在不同工藝參數(shù)下的平均孔徑。根據(jù)上式，如果選擇三尖鉆進行復合材料和鋁合金疊層制孔，則需要在刀具原始孔徑的基礎上進行擴孔，擴大值為0.020 8 mm；如果選擇麻花鉆進行復合材料和鋁合金疊層制孔，則需要在刀具原始孔徑的基礎上再擴大0.009 3 mm。經(jīng)過擴孔后，才能保證達到H8 精度要求。

3.3 毛刺分析

毛刺屬于鋁合金材料制孔中比較常見的質(zhì)量缺陷，本次試驗中將孔口毛刺高度作為評價制孔質(zhì)量的主要因素。在制孔結束后，使用TEC 白光干涉三維形貌儀測量正交的4 個點，以這4 個點毛刺高度的平均值作為毛刺高度[5]。根據(jù)制孔流程和鉆削特點，毛刺高度主要與工藝參數(shù)有關，擬合公式如下：

按照上文所述方法，將擬合公式導入到Matlab 軟件中，可以得到2 種刀具在鋁合金制孔中毛刺高度與工藝參數(shù)之間的關系。結果表明，使用三尖鉆在鋁合金上制孔，毛刺高度不受轉(zhuǎn)速的影響，但是與進給量呈正相關，并且毛刺高度的變化范圍為50～100 μm。使用麻花鉆在鋁合金上制孔，毛刺高度隨著轉(zhuǎn)速和進給量的增加而增加，毛刺高度的變化范圍為80～140 μm。在工藝參數(shù)相同的情況下，使用三尖鉆制孔，毛刺高度要低于麻花鉆，高度差為45 μm。

4 結論

在航空復合材料和鋁合金疊層制孔中，選用合適的刀具、科學設定工藝參數(shù)，對提高制孔精度和制孔質(zhì)量有積極幫助。從試驗來看，三尖鉆在復合材料和鋁合金疊層制孔中具有更為明顯的優(yōu)勢，例如孔徑變化較小、孔口毛刺更低等。在使用三尖鉆進行疊層制孔時，適當減少進給量、保持較高的轉(zhuǎn)速，能夠兼顧成孔質(zhì)量和制孔效率。從試驗來看，刀具選用三尖鉆，轉(zhuǎn)速控制在3 600 rpm、進給量控制在0.06 mm/r，能夠讓復合材料和鋁合金疊合制孔的質(zhì)量達到標準。