飛機疊層材料精密制孔工藝研究

　　摘要:針對疊層材料在數(shù)控機加制孔中出現(xiàn)的孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質量問題，從工藝方案、疊層間隙、刀具動平衡等方面著手，分析了疊層材料孔口孔徑超大和孔壁表面缺陷的要因。基于分析結果提出了疊層材料裝配組件制備過程的優(yōu)化方法及其階梯組合制孔的技術方案，并在A350客機大型疊層材料構件上應用。應用結果表明，該研究極大地提高了疊層材料制孔質量，制孔合格率也由70%提升至95%以上，實現(xiàn)了疊層材料高精度孔的數(shù)控加工。

　　關鍵詞:疊層材料,工藝方案,階梯組合制孔

　　隨著航空裝備技術的不斷發(fā)展，對航空裝備的性能提出了更高的要求，引入了大量的新型高性能材料，其中由碳纖維復合材料、液體墊片(含剝離纖維)與金屬材料等構成的疊層構件憑借其得天獨厚的優(yōu)勢而在飛機機翼和尾舵等組件中得到廣泛應用[1]，尤以空客A350飛機應用最多，其機翼下垂板、擾流片均采用疊層材料組成的構件。

　　這種疊層構件可有效改善或克服各組分材料的弱點，充分發(fā)揮各組分材料的優(yōu)點，獲得單一組分材料不易具備的性能和功能，并可以按照結構和受力的要求進行材料疊層的最佳設計。但疊層構件各層材料的物理力學特征及加工機理的不同給疊層材料的數(shù)控加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是疊層構件的數(shù)控制孔。

　　在疊層構件上制孔時，刀具必須應對不同的材料加工性能、疊層間的間隙、切屑成形以及排屑等問題，因此由于層間材料性能不同，制孔中易導致切削過程不穩(wěn)定、孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質量問題，是典型的難加工材料。

　　面向疊層材料制孔過程中的難題，國內外學者在其切削機理、刀具以及工藝參數(shù)等方面進行了一定的研究，并取得了較多的成果，國外學者Takashi等人利用鉆削力模型預測了碳纖維復合材料和鈦合金疊層的切屑流動，為后續(xù)制孔方案以及刀具優(yōu)化提供了強有力的支撐[2];C.L.Kuo用金剛石涂層鉆頭對Al/CFRP/Ti疊層構件進行制孔實驗，并分析了不同工藝參數(shù)對孔表面完整性的影響[3]。

　　RedouaneZitoun等人使用硬質合金麻花鉆探究了工藝參數(shù)對CFRP/Al疊層制孔質量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于CFRP材料，使用低進給量時孔徑的圓度及表面質量較好[4];B.Denkenal等人從加工方式出發(fā)，采用“以銑帶切”的加工方式對疊層構件進行制孔，并能取得良好的加工質量[5];J.Choi等人建立了鉆削疊層材料層間間隙的數(shù)學模型，指出了預緊壓力對層間間隙的影響[6];Newtonhe和Melkote等通過實驗詳細研究了疊層材料制孔孔口毛刺高度的影響因素，并研究發(fā)現(xiàn)鉆頭頂角、夾緊裝置、壓緊裝置與孔的間距對層間間隙大小影響最大[8]。

　　國內學者張選龍研究了碳纖維復合材料與鈦合金疊層構件鉆削加工的缺陷，研究了一體化制孔的鉆削方式，并通過變工藝參數(shù)的優(yōu)化策略提高了孔的精度和質量[9];孫鑫對疊層模型進行簡化，利用ABAQUS軟件模擬了不同壓緊方式和壓緊力對疊層構件層間間隙的影響大小，并通過實驗進行了驗證[10]。

　　現(xiàn)有的研究文獻給疊層材料制孔提供一定的解決途徑，但對疊層材料的疊層間隙的處理以及其數(shù)控制孔工藝方案研究甚少，以至于該疊層材料現(xiàn)場制孔過程中依然存在孔徑超大、孔壁以及孔口缺陷等問題。

　　針對疊層材料制孔中出現(xiàn)一系列問題，本文以A350飛機機翼和尾舵中的疊層材料為研究對象，通過現(xiàn)場試驗分析了其制孔缺陷的要因，基于分析結果，開展了疊層材料制孔過程的裝配以及制孔方式研究，提出了疊層材料裝配組件制備過程的優(yōu)化方法以及階梯組合鉆孔的制孔方法，解決了疊層材料制孔缺陷。提高了疊層材料的制孔質量和合格率。

　　1疊層材料特征及其制孔難點

　　A350項目是空客公司遠程飛機系列的最新型號，其復合材料重量占全機結構重量的52%，是迄今為止，復合材料結構重量占全機結構重量比例最大的一種新型客機，同時其機翼下垂板、擾流片大量應用疊層材料，且工藝方案復雜，加工精度要求高，給目前傳統(tǒng)的單材質加工方法帶來極大挑戰(zhàn)。

　　1.1疊層材料特征

　　A350項目疊層材料由鋁合金、碳纖維夾層結構以及液體墊片(含玻璃纖維)等復合材料構成，其中液體墊片的作用是填充鋁合金零件與碳纖維夾層結構外形面之間的間隙，彌補上述兩種零件在裝配時由于外形誤差而出現(xiàn)的裝配不協(xié)調問題。

　　1.2疊層材料制孔難點

　　疊層材料主要加工內容為制孔，尤其是高精度孔，以提高零件的連接強度、配合精度。在實際工程應用中通常采用多道工序分別加工碳纖維復合材料和金屬件，然后組裝在一起，但是由于應用領域的特殊性，飛機上的疊層構件是通過液體墊片將各連接件組裝在一起時加工出來的，因此疊層材料制孔的特殊性造成疊層材料制孔表現(xiàn)出以下幾處難點:(1)各層材料的力學性能及加工特性的迥異性增加了疊層材料制孔的難度，加工中刀具需要連續(xù)穿過多種材料，切削力在層間會出現(xiàn)突變，這種突變會對周邊區(qū)域造成沖擊，進而易造成孔壁缺陷以及孔口直徑超大等現(xiàn)象。(2)疊層材料各層材料的不完全貼合導致了疊層間隙，致使加工過程中產生的廢屑聚集在間隙中無法排除并反復刮蹭孔壁各層孔口，從而造成孔壁缺陷以及孔口纖維剝離。

　　2疊層材料制孔問題分析

　　2.1疊層材料制孔缺陷因素分析

　　為了實現(xiàn)疊層材料孔的高質加工，通過現(xiàn)場試驗對影響疊層材料制孔缺陷的相關因素進行了逐一分析。對影響疊層材料制孔缺陷的7個相關因素進行分析確認，金屬接頭與液體墊片之間的間隙”和“鉆孔方式”是影響制孔缺陷的要因，其余均為非要因。要實現(xiàn)疊層材料的鉆孔加工，先要對疊層材料各個組件進行組裝。

　　首先將金屬接頭粘上膠帶，該接頭材料為鋁合金;其次在碳纖維組件接頭配合處刷涂液體墊片(含玻璃纖維);最后通過限位器將金屬接頭與碳纖維零件固定在工裝上，實現(xiàn)零件的組裝，固化后形成疊層材料。通過對多架份的液體墊片表面檢查發(fā)現(xiàn)，裝配人員對墊片的刷涂質量難以保證，墊片表面質量較差，存在凹坑、褶皺等質量問題，從而導致碳纖維零件和鋁合金層之間存在疊層間隙。

　　為確認疊層間隙大小對制孔的質量的影響，選取不同間隙的疊層板材料進行鉆孔，觀察孔質量。從實驗結果中可知，裝配間隙對孔加工質量影響顯著，且間隙越大，精孔加工質量越差。

　　2.2疊層材料的制孔方案分析

　　針對疊層材料的制孔，當前采用的是一體化鉆削技術，但是受疊層材料力學特性和加工特性的影響，制孔質量難以保證。一體化鉆削方式，還不能滿足高質量孔的要求。

　　3疊層材料制孔工藝研究

　　基于疊層材料制孔問題的分析，本文在結合實際工況條件下，對疊層材料制孔過程中的疊層間隙、以及制孔方案進行了研究，并提出了可行的解決方案。

　　3.1疊層材料裝配組件制備過程的研究

　　在分析液體墊片凹坑產生原因的過程中，發(fā)現(xiàn)疊層間隙出現(xiàn)的部位與鋁合金零件上的膠帶褶皺或氣泡處位置基本對應。經(jīng)過跟蹤現(xiàn)場加墊過程，發(fā)現(xiàn)操作人員在向鋁合金零件底面粘貼單面時，因為粘膠帶面不是平面，存在多處轉折，造成膠帶粘貼不平整，存在褶皺和氣泡;此外，操作人員刷涂液體墊片時，局部區(qū)域刷涂量不夠，導致液體墊片與鋁合金粘膠帶面接觸不完全。

　　因此，提出一種分區(qū)域粘貼單面膠帶的方式，即將鋁合金粘膠帶面分為3個部分，每個部分近似平面，可以實現(xiàn)膠帶的平整粘貼，然后通過增加金屬接頭處液體墊片刷涂量，保證溢膠超出接頭輪廓范圍2mm以上。采用厚度為0.01mm的塞尺進行檢驗，發(fā)現(xiàn)其間隙均符合要求，達到了消除金屬接頭與液體墊片之間間隙的目的。

　　3.2基于階梯組合鉆孔的制孔方法

　　針對疊層復合材料，在規(guī)避生產要素限制的前提下，提出了階梯組合鉆孔的制孔方法，依據(jù)材料的不同進行分層鉆削，首先加工碳纖維夾芯層，在碳纖維夾芯層制出初孔，然后選用直徑小于初孔的鉆頭在鋁合金層加工初孔，最后將碳纖維夾芯層與鋁合金層作為整體，通過擴孔和鉸孔，實現(xiàn)碳纖維夾芯-鋁合金疊層材料高精孔的加工。

　　利用小直徑鉆頭在初孔基礎上制鋁合金通孔的目的是改善鉆鋁合金時的排屑狀態(tài)，以及減少鉆終孔時的鋁合金切削量，從而提高孔的加工質量。改善后，疊層材料組件精孔加工孔口質量好，且無超差現(xiàn)象。

　　4疊層材料精密制孔技術示范應用

　　疊層材料精密制孔加工技術的突破，解決了疊層材料制孔缺陷的瓶頸問題。該技術成果已在A350項目上得以成功應用，解決了A350項目投產初期，因為疊層復合材料高精度孔孔徑超差，累計造成8件零件實物故障，導致項目進度嚴重滯后，影響零件發(fā)運計劃的難題。采用新技術方案后，精孔全部加工合格，迄今為止再未出現(xiàn)精孔孔徑超差故障。

　　5結語

　　本文針對疊層材料制孔中出現(xiàn)的孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質量問題，通過現(xiàn)場試驗得出疊層間隙、制孔方式為制孔缺陷產生的主要原因�；�于原因分析，結合實際工況提出了消除疊層間隙的裝配組件制備方法，以及階梯組合制孔的技術方案，實現(xiàn)了疊層材料高精度孔的數(shù)控加工。

　　參考文獻

　　[1]劉姿.飛機壁板疊層材料精密制孔工藝研究[D].南京:南京航空航天大學，2015.

　　[2]TakashiMatsumura，Shoichiamnia.Cuttingforcemodelindrillingofmulti-layeredmaterials[J].ProcediaCIFP，2013:182-187.

　　[3]KuoCL，SooSL，AspinwallDK.Theeffectofcuttingspeedandfeedrateonholesurfaceintegrityinsingleshotdrillingofmetallic-compositestacks[J].ProcediaCIRP，2014，13:405-410.

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