航空鋁合金加工工藝的研究現狀及發展方向

周雙巢+張天意+趙瑞寧+田光哲

摘 要：航空用系列鋁合金的性能多樣，應用情況覆蓋面不同，對于鋁合金孔加工在工藝上需要精益求精，現今國內外飛機鋁合金結構鉆孔工藝的研究現狀大有不同，理應進行對比提出差距和努力方向。

關鍵詞：鋁合金；鉆孔工藝；毛刺模型；材料性能

中圖分類號：TK422 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0038-02

Abstract： Aviation series of aluminum alloys have diverse properties and different application coverage. The drilling process of aluminum alloy holes needs to be refined. Nowadays， the research status of drilling technology of aircraft aluminum alloy structure at home and abroad is very different. This paper argues that we should put forward the gap and the direction of efforts through contrastive research.

Keywords： aluminum alloy； drilling process； burr model； material properties

伴隨著現代社會的高速發展，飛機愈來愈成為人類生活中重要的交通工具。飛機零件的裝配是飛機制造過程中重要的組成部分，飛機制造的質量很大程度上取決于各個細微零件的裝配情況。因此為滿足飛機機體結構高質量，使用長壽命的要求，實現高質量、長壽命、低成本、高效率的裝配連接很有必要[1]。本文對于航空鋁合金制孔工藝的研究十分有意義且具有一定的參考價值。

1 基礎理論

1.1 航空用系列鋁合金的性能和應用情況

飛機需要有高的運輸效率和良好的飛行性能，因而需要結構材料具有高強、高韌、抗疲勞、耐腐蝕和高可焊等性能[2]。而目前飛機中常用的是2024鋁合金。

2024鋁合金塑形高，具有斷裂韌性和抗疲勞擴展性，耐熱性等特點。2024鋁合金厚板主要用在機身、機翼、抗剪肋板和腹板以及對強度要求較高的其他結構件上。2124合金具有較高的韌性，抗疲勞性能和抗應力腐蝕等優良性能。因此常用在波音，空客等民用大飛機上。2224合金是在2024鋁合金的基礎上進一步高純化得到的。其主要用于生產T3511狀態擠壓件，該擠壓件已經用于制造Boeing757和767等大飛機的結構件。2219合金具有良好的焊接性，耐熱性，韌性等性能，在飛機油箱制造過程中得到使用。2324-t39鋁材經過一系列處理后，屈服強度大幅度提高，接近22%，即將在波音系列飛機上廣泛使用[3]。

1.2 鋁合金孔加工工藝存在的問題

鋁合金加工工藝是用塑性加工方法將鋁坯錠加工成材，主要方法有軋制、擠壓、拉伸和鍛造等。此過程中應保證產品達到穩定，一致的所需尺寸精度，力學性能和良好的表面質量。要注意防止機械損傷和腐蝕，控制晶粒度和組織結構，需要靠生產工藝及設備來保證。某些鋁合金為提高耐腐蝕性和加工性還要進行包鋁。鋁合金有過熱敏感性，必須嚴格控制加熱溫度。所以在鋁合金加工中就會存在一些難點和問題：

（1）高精度臺階孔加工后擠壓突起，根據加工零件的尺寸要求及加工前毛坯的余量選擇刀具進行合理設計。

（2）對于孔內表面光潔度要求極高的情況下很難實現，金屬加工本身是由于刀具擠壓零件加工部分由彈性變型-塑性變型-切斷來實現避免刀具撕扯零件加工部位。刀具使用上選取刀刃要鋒利，要零件本身彈性變型塑性變型時間縮短，盡量小的影響加工后表面，還要考慮刀具的耐磨性，提升刀具的材質，另外還要解決斷削問題或連續排削，避免切屑劃傷孔內表面。

（3）螺紋孔口的毛刺，保持最準的進刀量，調整進刀速率與轉速，對鉆頭進行檢測，檢查疊板間表面清潔情況[5]。圖1為制孔毛刺生長模型，d為鉆頭直徑，f為進給量，n為轉速，2φ為鉆頭鋒角，△x為與刀具主切削刃相接觸的工件上x點的變形量，af為切削厚度。

而制孔過程中也會出現不同的毛刺類型，有均勻毛刺，瞬態毛刺和冠狀毛刺等分類，如圖2所示。

整體來說加工過程的問題會存在很多，其他還有孔位的偏移，對位失準，孔徑失真，孔壁內碎屑鉆污過多，孔內玻璃纖維突出，內層孔環的釘頭過度，孔壁粗糙，有殘屑，鉆頭易斷，賭孔等這些都是孔加工工藝中存在的問題[6]。整體的鉆孔工藝離不開人、機、物、法、環五大因素。下面把用魚骨圖分列出影響鉆孔的因素，如圖3所示。

從圖可以詳細的看出鉆孔過程中，鉆咀，機器，板材，環境，參數以及鋁片墊板所對應的方面起到的作用，需要進行全盤考慮才能有一個好的加工。

2 國內外飛機鋁合金結構鉆孔工藝的研究現狀

2.1 國外

國外對鋁合結構的研究起步較早，目前的研究已經比較成熟，在材料特性，構件計算，連接設計，防火設計等方面取得了很多研究成果。從鋁合金的材料特性，構件計算，連接設計，防火設計，到鋁合金結構的整體計算，都有相當多的研究成果。

國外鋁加工工藝質量精益求精，產品附加值更高，并節能環保，向著更細化的方向發展，在加工裝備上向著智能化的方向發展。

2.2 國內

我國進行的實驗主要有研究鉆孔參數對孔圓柱度、夾層毛刺的影響，鉆孔圓柱度模型建立，鉆孔出口毛刺形成飛機構件之間大多進行連接，需要加工大量連接孔更好的為鉚接和螺接服務，傳統麻花鉆鉆孔工藝存在軸向力大、刀具磨損嚴重、出口毛刺大、表面形貌差等問題。利用超聲振動鉆削的加工方法，開展鋁合金和鈦合金超聲振動鉆削工藝試驗，研究加工參數對鉆削軸向力、刀具磨損、表面質量、出口毛刺的影響規律。對于材料的去除機理、切屑成形及最小切屑厚度，切削力和表面質量，加工工藝優化等角度，選取了金屬材料的微銑和微鉆工藝進行研究[6]。

3 展望

我國鋁行業正處在一個高速發展期，應高速發展鋁合金生產，在鋁合金加工工藝上，向著更細化方向發展，在鋁加工裝備上向著智能化方向發展[8]。

具體可以：

（1）大合并，上規模。優勝劣汰，綜合一些高科技產業，加大生產規模，提升核心競爭力。

（2）產品結構大調整，了解市場需求，敢于與進口產業學習競爭，調整產品結構。

（3）大搞科技進步，鼓勵創新，增大研發投入。

（4）加大自主知識產權宣傳，鼓勵自身研發，創建更多的國內自主產物。

參考文獻：

[1]張新明，劉勝膽.航空鋁合金及其材料加工[J].中國材料進展，2013，32（1）：40-46.

[2]沈祖炎，郭小農，李之齊.鋁合金結構研究現狀簡述[J].建筑結構學報，2007，28（6）：100-104.

[3]袁紅璇.飛機結構件連接孔制造技術[J].航空制造技術，2007，18（1）：97-99.

[4]洪華舟.面對飛機長壽命連接的制孔工藝研究[D].南京：南京航空航天大學，2012：1-6.

[5]王亞軍，盧志軍.焊接技術在航空航天工業中的應用和發展建議[J].航空制造技術，2008，32（16）：26-30.

[6]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，2015：2-8.

[7]劉靜安.淺談中國鋁及鋁合金材料產業發展戰略[J].鋁合金，2006，01（166）：1-3.

[8]卜泳，許國康，肖慶東.飛機結構件的自動化精密制孔技術[J].航空制造技術，2009，12（24）：61-64.endprint