飛機裝配自動制孔刀具技術研究

王任沙

摘 要 在飛機制造業中，復合材料由于具有良好的材料性能，而被廣泛的應用。復合材料和金屬材料疊層構件進行裝配時，大量應用到鉚接工藝，而鉚接工藝必須要在復合材料上進行制孔，但復合材料的多層結構在制孔過程中很容易產生劈裂、分層等問題，嚴重影響了自動制孔的效率和質量。文章對飛機裝配自動制孔的要求和工藝特點進行了簡要介紹，分析了其對于設備及刀具的需求和加工工藝上的難點，并列舉一些自動制孔刀具結構設計與制造的案例。

關鍵詞 飛機裝配 自動制孔 復合材料 制孔工藝

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）06-0006-02

進入新世紀以來，各類飛機的更新迭代為飛機裝配技術提出了更高的要求，需要在保證生產質量的前提下，降低生產成本，提高生產效率，飛機裝配自動制孔技術應運而生。目前自動制孔技術主要應用到CNC機床等設備，尤其是近年來飛速發展材料科學，大量的復合材料被應用于飛機結構當中。復合材料和金屬材料疊層構件進行裝配時，需要應用到鉚接工藝，所以需要進行大量的制孔作業。

1 飛機裝配自動制孔的要求

1.1 飛機裝配自動制孔的優勢

自動制孔技術具有自動化程度高、適應性強和集成度好等優點，并且還能配合激光測量、移動導軌和終端執行器等設備聯機使用，進而建立高效、高精度的制孔系統，是目前飛機裝配過程中必不可少的制造工藝之一。通過應用該技術可以在很大程度上提高飛機裝配的工作效率和飛機制造的整體質量，是未來飛機裝配的必然發展趨勢。

1.2 飛機裝配自動制孔的工藝特點

在飛機裝配過程中，如何在碳纖維復合材料（CFRP）和金屬的疊層中鉆削結構孔是非常重要的一項工作內容。相較于金屬材料的制孔工藝而言，復合材料制孔有著不同的工藝特點，其制孔質量受到復合材料分層和纖維破裂情況的影響。對于那些不能直接檢測到的缺陷，刀具的切削效應就顯得十分重要了。[1]CFRP纖維的硬度相對較高，在孔的切削過程中，刀具的磨損情況也更加嚴重，當黏合層存在樹脂時就會有可能會導致纖維剝離、層間破裂的問題。此外，當加工過程中，CFRP疊加了鈦或鋁等金屬時，切削刀具還必須要具備一定的穿透能力，進而保證制孔質量。

2 當前飛機裝配自動制孔對刀具的需求

2.1 高效率精密飛機自動制孔技術

在進行CFRP復合材料進項鉆削作業時，需要對鉆削刀具設計和加工工藝進行相應的優化，這就要求制孔設備具有精確地準確的進給以及必要的轉速調整。實現這兩個功能有著以下兩種困難：首先，對于制孔設備的進給以及轉速變化的準確性和及時性提出了更高的要求，由于實際加工件在結構特性和應力分布上與數學模型之間存在一定的差異，因此需要在制孔設備上設置扭矩傳感器，以此保證進給與轉速調整的準確性;其次，即便通過設置切削力與扭矩傳感器的方式可以在一定程度上保證加工工藝的準確性，但是加工設備調整參數的過程依然相對緩慢。[2]因此，高精度的制孔技術不僅在加工方法上提出相對較高的要求，而且對工藝裝備及加工刀也需要進行相應改善及優化。

2.2 飛機自動制孔的刀具技術

2.2.1 對刀具的需求

隨著復合材料技術的不斷發展，其加工工藝所面臨的挑戰也越來越多。理論上而言復合材料的加工并不存在技術難題，但是相較于科技研發而言，加工過程更加注重的質量和效率，如何快速地制造出符合相關質量要求的孔，對于目前飛機制造業而言是一個巨大的挑戰。而在復合材料的加工過程中，孔的加工又處于十分重要的地位，因此制孔刀具的發展及應用就像顯得尤為重要了。

2.2.2 制孔刀具的特點

通過分析復合材料的結構特點和制造需求，可以看出CFRP復合材料制造過程中會涉及分層和劈裂等問題，制孔刀具需要根據材料的特性和結構進行相應的調整。一般而言，在CFRP或CFRP-金屬疊板構件的加工部位相對較少，但是其加工特性對關鍵技術的要求更為苛刻。

第一，CFRP復合材料的導熱性能相對差，且在加工過程中沒有切屑產出，這導致了切削過程中產生的熱量無法快速的散出，進而造成局部溫度過高，樹脂存在融化而失去粘結的作用;第二，在強調節能的背景下，CFRP復合材料的使用率不斷提高，飛機的零部件中廣泛使用到了CFRP復合材料，這為切削工藝增加了難度。[3]

2.2.3 制孔刀具的新方案

通過優化鉆尖和增強鉆柄的設計，可以在保證刀具后角和排屑能力的基礎上，提升切削效應。目前，在CFRP復合材料切削工藝中比較前沿的技術是在鉆頭復合聚晶金剛石（PCD），PCD是當前已知能夠應用的最硬刀具材料，且其耐磨性十分優秀。通過不同鉆尖形式的PCD涂層刀具，可以提升刀具的強度和加工精度，進而延長刀具使用壽命，保證加工精度，提高制孔工作效率。

3 飛機裝配自動制孔的工藝難點

3.1 單一材料的切削加工性能

3.1.1 復合材料的切削加工性能

結合碳纖維復合材料的結構特點，其一般是以碳纖維為增強體，環氧樹脂為基體，一層層鋪疊加工開來。在進行制孔作業時，由于各層碳纖維的纖維方向的差異，以及切削刃角度的不同，制孔過程中會出現多種缺陷。一般而言，在使用麻花鉆加工時，其加工入口處不易產生缺陷，缺陷往往集中在出口處，缺陷的形式一般為分層、毛邊和撕裂等，其中又以毛邊的問題最為突出。在使用麻花鉆進行加工時，由于其鉆尖位置為負前角，切削的負荷也相對較大，因此鉆尖處的磨損也最大。因此復合材料的加工質量在一定程度上與鉆尖的鋒利程度成正比，一旦鉆尖出現磨損，鉆尖的鋒利程度就會下降，就不和能對碳纖維絲形成剪切效應，只能通過擠壓作用，這樣就很容易造成撕裂現象的產生。[4]此外，麻花鉆有著較長的橫刃，在鉆削過程中，一般的鉆削軸向力位于橫刃處，而鉆削軸向力又是衡量刀具加工性能的重要指標之一。軸向力越大產生孔壁分層的概率就越高。即便在加工孔在出、入口處的加工合格，但是內部有分層現象，同樣也是導致孔不合格的主要原因之一。

3.1.2 鈦合金材料的切削加工性能

當鈦合金硬度大于HB350時，切削加工難度相對較大，而當其硬度小于HB300時，優惠導致則粘刀現象。總結鈦合金制孔工藝具有以下特點：

第一，鈦合金變形系數小，鈦合金的變形系數普遍小于或接近1，增大了切屑在前刀面上滑動摩擦的行程，導致刀具的磨損加快。

第二，鈦合金傳熱系數相對較低，熱量的傳輸困難，熱量的集中導致局部切削溫度很高。

第三，鈦合金主切削力比切鋼時20%，切屑與前刀面的接觸長度非常短，導致單位接觸面積上的切削力十分大，在加工過程中很容易造成崩刃的現象。

第四，鈦單質的化學性能較為活潑，切削溫度較高時，鈦合金內的鈦很容易與氧和氮形成化合物，這部分化合物具有硬度大而結構脆弱的熱點，這在一定程度上降低了零件的疲勞強度，加劇了加工刀具磨損。

3.2 復合疊層結構特征及其自動制孔的切削加工性能

碳纖維復合材料在機翼和尾舵中的應用十分廣泛，碳纖維復合材料的層間結構具有明顯的差異，加之金屬和碳纖維復合材料之間的性能存在十分巨大的差異，其制孔質量難以得到保證。要實現高精度、高效率的飛機裝配制孔，飛機裝配自動制孔刀具設計需要注意以下幾個方面。

3.2.1 自動制孔刀具的設計

在對多種材料疊層結構進行制孔加工時，刀具需要以切削加工性能最差的材料為研究對象進行設計，結合其他材料的特點對刀具進行適當的調整。

在對復合材料與鈦合金或者鋁合金疊層結構進行制孔加工時，刀具需要以復合材料為主進行設計，同時結合鈦合金或者鋁合金材料的特點對刀具進行適當的調整。對鈦合金與鋁合金疊層結構進行制孔加工時，刀具需要以鈦合金材料為主進行設計，同時結合鋁合金材料特點對刀具進行適當的調整。為保證刀具的鉆尖強度，應該增加工作部分鉆芯厚度，進而增加鉆孔的軸向力。因此，在鉆尖必須做修薄橫刃，不僅可以提高切削性能，還可以減小鉆孔的軸向切削力。

3.2.2 自動制孔刀具的修磨技術要求

在實際的加工使用過程中，為了提高刀具的使用壽命，降低生產成本，一般都會對刀具進行多次的修磨，其能夠修磨次數主要不僅取決于自身材料和結構，而且還受到加工材料的影響。刀具修磨的關鍵問題是其結構上的幾何參數和切削性能。[5]修磨的原則一般為“誰制造誰修磨”，刀具供應商在刀具自身的加工工藝和結構特點上更為了解，在修磨過程中能夠結合刀具的特點制定相應的修磨方案。

4 結語

隨著復合材料在飛機結構中的大量應用，如何對復合材料進行制孔加工成為了當前飛機制造業所面臨的主要問題之一。筆者結合切身實踐，分析了單一材料的切削加工性能、復合疊層結構切削加工性能的自動制孔工藝難點進行了分析，希望能為飛機裝配的自動制孔工藝的進步提供一定的幫助。

參考文獻：

[1] 羅群，薛宏，劉博鋒，劉思悅，李城.飛機自動制孔離線編程數據準確提取技術[J].航空制造技術，2021，64（04）：97-102.

[2] 楊超.大飛機活動翼面機器人自動制孔應用[J].裝備維修技術，2020（02）：379.

[3] 朱文杰.飛機壁板機器人制孔系統換刀技術研究[D].浙江大學，2020.

[4] 薛宏，羅群，劉博鋒，劉義明，鄭煒，肖瀟.大飛機活動翼面機器人自動制孔應用研究[J].航空制造技術，2019，62（19）： 86-91，98.

[5] 王俊玲，謝賀年.復材制孔刀具磨損工藝參數研究[C].中國航空學會.2019年（第四屆）中國航空科學技術大會論文集.中國航空學會：中國航空學會，2019：555-568.