某型機(jī)復(fù)材疊層制孔生產(chǎn)前工藝測(cè)試

于丹瑩 連超 楊國(guó)武 林海峰

摘 要：隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用比例的大幅度提高，碳纖維復(fù)合材料與金屬材料構(gòu)成的性能差異的疊層構(gòu)件在飛機(jī)裝配中應(yīng)用廣泛，疊層構(gòu)件裝配過(guò)程中需要大量的鉚接或螺接孔。由于碳纖維復(fù)合材料層間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和兩種材料性能的巨大差異，制孔質(zhì)量難以保證。復(fù)合材料制孔方面存在的問(wèn)題逐漸突出。

關(guān)鍵詞：復(fù)材制孔;疊層結(jié)構(gòu);毛刺;劈裂

1引言

孔加工在航空制造業(yè)中占有重要地位，在一條飛機(jī)的裝配線上每年要加工數(shù)以千萬(wàn)個(gè)孔。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展和飛機(jī)性能的提高，對(duì)飛機(jī)的裝配質(zhì)量及使用壽命提出了越來(lái)越高的要求。飛機(jī)的故障主要由連接部位的疲勞損傷引起，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件一旦損傷很難維修，因此飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的壽命就決定了飛機(jī)的總壽命。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配中制孔方式需經(jīng)過(guò)鉆孔、鉸孔、锪窩、修毛刺等工序，由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層疊結(jié)構(gòu)及各向異性，在鉆削軸向力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂、縮孔等缺陷，是典型的難加工材料。現(xiàn)代飛機(jī)裝配中鋁合金、鈦合金及碳纖維復(fù)合材料等難加工的材料使用量不斷提升，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制孔提出了更高的要求。關(guān)于碳纖維復(fù)合材料裝配制孔現(xiàn)在有兩種制孔方式。第一，純復(fù)材疊層或復(fù)材單層結(jié)構(gòu)可采用鉆、擴(kuò)、鉸一體鉆實(shí)現(xiàn)快速高效制孔。第二，復(fù)材與金屬疊層結(jié)構(gòu)因材料屬性不同，可采用鉆初孔、擴(kuò)孔、鉸孔分體完成。國(guó)產(chǎn)刀具廠商提制造刀具沒(méi)有明確的針對(duì)不同牌號(hào)碳纖維及金屬特性進(jìn)行細(xì)化分類設(shè)計(jì)，因此生產(chǎn)前有必要對(duì)不同廠家進(jìn)行試刀測(cè)試，已確定刀具使用風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)及刀具使用效率和壽命。

2 復(fù)材制孔產(chǎn)前工藝測(cè)試

2.1 .1 復(fù)材制孔要求

a）鉆孔和锪窩表面粗糙度不低于Ra6.3，鉸孔不低于Ra1.6;

b）孔入口處不應(yīng)有分層，孔邊緣的毛刺應(yīng)清除;

c）孔出口邊允許損傷（分層，掉渣）見(jiàn)表1;

d）孔出口邊劈裂損傷應(yīng)在長(zhǎng)3d，寬2mm的范圍內(nèi);

e）孔壁損傷允許范圍：深0.25mm，寬0.2mm，且不超過(guò)孔或埋頭窩周長(zhǎng)的25%;

f）復(fù)合材料件邊緣分層范圍：深度應(yīng)小于0.5mm（垂直于切口邊緣）;長(zhǎng)度應(yīng)小于4mm（沿切口長(zhǎng)度方向）;

g）制孔質(zhì)量一般采用目視檢查，連接孔質(zhì)量有疑問(wèn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

基于上述要求，為了確保復(fù)材制孔質(zhì)量滿足技術(shù)文件要求。由工藝處牽頭機(jī)身裝配廠申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)料板，通過(guò)選取不同廠家的刀具進(jìn)行復(fù)材制孔產(chǎn)前試驗(yàn)，確定合適的風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速、刀具參數(shù)等來(lái)確保復(fù)材制孔質(zhì)量。

2.1.2 終孔特征要素

要素1： 復(fù)合材料制件孔的刀具入口表面;

要素2：復(fù)合材料制件孔或埋頭窩孔壁表面;

要素3：復(fù)合材料制件疊層構(gòu)件之間的接觸表面;

要素4：復(fù)合材料制件孔的刀具出口表面;

要素5：復(fù)合材料制件埋頭窩與孔的同心度;

要素6：復(fù)合材料制件埋頭窩的锪窩角度。

2.2 工藝測(cè)試要求：

2.2.1 測(cè)試試件必須能代表正式零件的裝配類型;

2.2.2 測(cè)試的工藝參數(shù)和生產(chǎn)條件必須能代表正式生產(chǎn)條件;

2.2.3 測(cè)試試件的外形尺寸由工藝自定（厚度除外），孔間距和孔邊距可按正式零件的間距要求執(zhí)行（但應(yīng)確保間距能滿足無(wú)損檢測(cè)的要求），也可按不小于3 倍直徑的孔間距和不小于2 倍直徑的孔邊距的要求執(zhí)行。

2.3 工藝測(cè)試目的

通過(guò)本工藝測(cè)試試驗(yàn)，摸索總結(jié)復(fù)材+復(fù)材、金屬（鋁合金或30CrMnSiA）+復(fù)材、金屬+復(fù)材+金屬、金屬+復(fù)材+復(fù)材、復(fù)材+復(fù)材+復(fù)材疊層加工出孔的作業(yè)，制孔包括鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、倒角和锪窩等工序中的一道或多道組合。確定所采用的制孔方式、刀具品牌及型號(hào)、設(shè)備型號(hào)和工藝參數(shù)等加工要素。

2.4 制孔過(guò)程控制

通過(guò)直接對(duì)復(fù)合材料制件上的孔進(jìn)行目視檢查，復(fù)合材料制件制孔過(guò)程中應(yīng)避免因分層、劈裂和掉渣等因素引起的孔邊損傷（要素1和要素4），孔邊損傷范圍示意圖如圖1所示。

2.4.1 用肉眼目視檢查復(fù)合材料制件孔或埋頭窩表面時(shí)，應(yīng)不超過(guò)表1中所規(guī)定的碎裂極限或分層范圍。

2.4.2 孔壁或埋頭窩表面上（要素2）應(yīng)無(wú)不用放大鏡而肉眼即能見(jiàn)到的分層、劃傷或工具印痕等缺陷。

2.4.3 孔的鉆入或鉆出表面（或锪窩表面）的毛刺、灰塵等影響緊固件貼合或與結(jié)構(gòu)緊密接觸的缺陷應(yīng)除去（要素3），孔口表面不允許有影響結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的劈裂損傷。

2.4.4 制孔過(guò)程中應(yīng)無(wú)過(guò)熱跡象。當(dāng)復(fù)合材料孔口表面有變色環(huán)（棕黑色）或有樹(shù)脂燒焦的刺激性氣味時(shí)，則表面已過(guò)熱。必要時(shí)應(yīng)使用鉆孔用潤(rùn)滑劑。

2.4.5 在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上鉆鉸孔，其孔壁表面粗糙度不大于Ra 3.2。

2.4.6 對(duì)于鉆孔和擴(kuò)孔操作，當(dāng)?shù)毒叱隹趥?cè)為復(fù)合材料制件時(shí)，應(yīng)在鉆出表面采用夾布膠木板、玻璃纖維板、硬塑料板，或其它規(guī)定的材料作為墊板。鉆孔操作時(shí)用夾緊或其它合適的方法將墊板和工件緊密接觸，只要可行的話，推薦使用碳纖維復(fù)合材料用夾鉗、C形夾等一類的工具來(lái)夾緊結(jié)構(gòu)，支撐鉆頭和擴(kuò)孔鉆出口面。

2.4.7 當(dāng)采用高速鉆孔方法時(shí)，推薦采用20000 r/min（額定轉(zhuǎn)速）固定式鉆孔設(shè)備來(lái)鉆制等于或小于4.8 mm（3/16 in.）直徑的孔，同時(shí)所采用的刀具應(yīng)與設(shè)備相匹配。禁止不加潤(rùn)滑劑來(lái)進(jìn)行高速鉆孔。

2.4.8 可采用擴(kuò)孔的方式鉆制復(fù)合材料疊層構(gòu)件大直徑孔，單步擴(kuò)孔量應(yīng)在1.0 mm - 6.0 mm之間，也可根據(jù)所采用設(shè)備/工具的功率及制孔工序來(lái)確定單步擴(kuò)孔量，但應(yīng)確保所采用的擴(kuò)孔余量不能使復(fù)合材料孔口出現(xiàn)分層、劈裂等缺陷。手動(dòng)擴(kuò)孔時(shí)，應(yīng)使用帶導(dǎo)向的硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆或擴(kuò)鉸刀進(jìn)行擴(kuò)孔，導(dǎo)柱的直徑應(yīng)比孔徑小0.02 mm - 0.05 mm。

2.4.9 鉸孔時(shí)應(yīng)用硬質(zhì)合金鉸刀鉸至最后尺寸。鉸孔前應(yīng)留出余量0.10 mm - 0.40 mm，也可根據(jù)所采用設(shè)備/工具的功率及制孔工序來(lái)確定鉸孔余量，但應(yīng)確保所采用的鉸孔余量不能使復(fù)合材料孔口出現(xiàn)分層、劈裂等缺陷。

2.4.10 使用手風(fēng)鉆時(shí)，進(jìn)給速度不宜太快，在孔快鉆透時(shí)應(yīng)放慢進(jìn)給速度，以免孔出口面分層或劈裂。并應(yīng)經(jīng)常用細(xì)絲刷或揩布擦拭鉆頭、擴(kuò)孔鉆和鉸刀，以除去刀具上積聚的切屑。

2.5 锪窩過(guò)程控制

2.5.1 埋頭窩與孔軸線應(yīng)同心，誤差在0.076 mm （0.003 in.）以內(nèi)，如圖2所示。埋頭窩軸線應(yīng)平行于孔軸線，誤差在1以內(nèi)，對(duì)于锪窩角度容差以緊固件的安裝要求為準(zhǔn)，若無(wú)特殊規(guī)定，锪窩角度容差為3，埋頭窩的表面粗糙度不大于Ra 6.3。

2.5.2 手工锪窩時(shí)，應(yīng)用一帶圓弧的導(dǎo)向硬質(zhì)合金或多晶金剛石锪鉆對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行锪窩，轉(zhuǎn)速最大為2000 r/min，導(dǎo)柱的直徑應(yīng)比孔徑小0.02 mm-0.05 mm，以保證孔/埋頭孔的同軸度要求，并能防止在刀具和孔之間移動(dòng)。锪鉆與碳纖維復(fù)合材料接觸前應(yīng)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，以防碎裂。

2.5.3 锪窩時(shí)應(yīng)用锪窩限位器，生產(chǎn)前試锪不少于5個(gè)窩孔，試锪合格后方可進(jìn)行正式生產(chǎn)試驗(yàn)。

2.6 工藝測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.6.1 方案總體

本次工藝測(cè)試方案選取五組典型疊層方式進(jìn)行工藝驗(yàn)證，分別復(fù)材+復(fù)材、金屬+復(fù)材、金屬+復(fù)材+金屬、金屬+復(fù)材+復(fù)材、復(fù)材+復(fù)材+復(fù)材疊層。五組疊層方式滿足可代表正式零件的裝配類型、工藝參數(shù)和生產(chǎn)條件可能代表正式生產(chǎn)條件要求。

2.7 測(cè)試試驗(yàn)程序

2.7.1 純復(fù)材疊層形式制孔采用匕首鉆進(jìn)行制孔。

2.7.2復(fù)材與金屬疊層形式制孔采用鉆孔→擴(kuò)孔→鉸孔→锪窩進(jìn)行制孔。

2.7.3 制孔完成后使用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行連接

2.8 測(cè)試過(guò)程記錄

2.8.1 復(fù)材表面損傷形式

1）分層

由制造缺陷或?qū)娱g殘余應(yīng)力等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫黏現(xiàn)象

2）劈裂

構(gòu)件表面纖維的撕裂，通常可通過(guò)目視檢驗(yàn)觀察到

3）毛刺

構(gòu)件表面的纖維沒(méi)有被切削刃沿圓周方向切斷而形成的一類缺陷，可通過(guò)目視檢驗(yàn)觀察到

2.9 試刀制孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)匕首鉆平均制孔數(shù)量為100-120;φ3.1鉆頭平均制孔數(shù)量為65-80擴(kuò)孔鉆平均制孔數(shù)量為180-240;鉸刀平均制孔數(shù)量為300-400;锪窩鉆平均制孔數(shù)量為：800-1000。

三 結(jié)論

復(fù)材制孔需要根據(jù)不同材料特性、不同疊層結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行必要產(chǎn)前工藝測(cè)試。通過(guò)制孔產(chǎn)前工藝測(cè)試確定制孔刀具轉(zhuǎn)速、制孔效率、制孔數(shù)量，為試驗(yàn)件工藝準(zhǔn)備刀具形式、數(shù)量、廠家提供可靠依據(jù)，確保試驗(yàn)件研制順利開(kāi)展。

參考文獻(xiàn)：

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