于丹瑩 連超 楊國武 林海峰

摘 要：隨著復(fù)合材料在飛機結(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)件在飛機裝配中應(yīng)用廣泛，疊層構(gòu)件裝配過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，在一條飛機的裝配線上每年要加工數(shù)以千萬個孔。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展和飛機性能的提高，對飛機的裝配質(zhì)量及使用壽命提出了越來越高的要求。飛機的故障主要由連接部位的疲勞損傷引起，飛機機體結(jié)構(gòu)件一旦損傷很難維修，因此飛機結(jié)構(gòu)件的壽命就決定了飛機的總壽命。傳統(tǒng)飛機裝配中制孔方式需經(jīng)過鉆孔、鉸孔、锪窩、修毛刺等工序，由于碳纖維增強復(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，對飛機結(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、鉸一體鉆實現(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、擴孔、鉸孔分體完成。國產(chǎn)刀具廠商提制造刀具沒有明確的針對不同牌號碳纖維及金屬特性進行細化分類設(shè)計，因此生產(chǎn)前有必要對不同廠家進行試刀測試，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）見表1;

d）孔出口邊劈裂損傷應(yīng)在長3d，寬2mm的范圍內(nèi);

e）孔壁損傷允許范圍：深0.25mm，寬0.2mm，且不超過孔或埋頭窩周長的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）;長度應(yīng)小于4mm（沿切口長度方向）;

g）制孔質(zhì)量一般采用目視檢查，連接孔質(zhì)量有疑問時，應(yīng)進行無損檢測。

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。由工藝處牽頭機身裝配廠申請試驗料板，通過選取不同廠家的刀具進行復(fù)材制孔產(chǎn)前試驗，確定合適的風(fēng)鉆轉(zhuǎn)速、刀具參數(shù)等來確保復(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 工藝測試要求：

2.2.1 測試試件必須能代表正式零件的裝配類型;

2.2.2 測試的工藝參數(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)確保間距能滿足無損檢測的要求），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 工藝測試目的

通過本工藝測試試驗，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、設(shè)備型號和工藝參數(shù)等加工要素。

2.4 制孔過程控制

通過直接對復(fù)合材料制件上的孔進行目視檢查，復(fù)合材料制件制孔過程中應(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，應(yīng)不超過表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)無不用放大鏡而肉眼即能見到的分層、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)件強度的劈裂損傷。

2.4.4 制孔過程中應(yīng)無過熱跡象。當(dāng)復(fù)合材料孔口表面有變色環(huán)（棕黑色）或有樹脂燒焦的刺激性氣味時，則表面已過熱。必要時應(yīng)使用鉆孔用潤滑劑。

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 對于鉆孔和擴孔操作，當(dāng)?shù)毒叱隹趥?cè)為復(fù)合材料制件時，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夾緊結(jié)構(gòu)，支撐鉆頭和擴孔鉆出口面。

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

2.4.8 可采用擴孔的方式鉆制復(fù)合材料疊層構(gòu)件大直徑孔，單步擴孔量應(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確定單步擴孔量，但應(yīng)確保所采用的擴孔余量不能使復(fù)合材料孔口出現(xiàn)分層、劈裂等缺陷。手動擴孔時，應(yīng)使用帶導(dǎo)向的硬質(zhì)合金擴孔鉆或擴鉸刀進行擴孔，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，進給速度不宜太快，在孔快鉆透時應(yīng)放慢進給速度，以免孔出口面分層或劈裂。并應(yīng)經(jīng)常用細絲刷或揩布擦拭鉆頭、擴孔鉆和鉸刀，以除去刀具上積聚的切屑。

2.5 锪窩過程控制

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)，對于锪窩角度容差以緊固件的安裝要求為準(zhǔn)，若無特殊規(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，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碳纖維復(fù)合材料進行锪窩，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。锪鉆與碳纖維復(fù)合材料接觸前應(yīng)處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，以防碎裂。

2.5.3 锪窩時應(yīng)用锪窩限位器，生產(chǎn)前試锪不少于5個窩孔，試锪合格后方可進行正式生產(chǎn)試驗。

2.6 工藝測試方案設(shè)計

2.6.1 方案總體

本次工藝測試方案選取五組典型疊層方式進行工藝驗證，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 測試試驗程序

2.7.1 純復(fù)材疊層形式制孔采用匕首鉆進行制孔。

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

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

2.8 測試過程記錄

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?？赏ㄟ^目視檢驗觀察到

3）毛刺

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

2.9 試刀制孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計匕首鉆平均制孔數(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)形式進行必要產(chǎn)前工藝測試。通過制孔產(chǎn)前工藝測試確定制孔刀具轉(zhuǎn)速、制孔效率、制孔數(shù)量，為試驗件工藝準(zhǔn)備刀具形式、數(shù)量、廠家提供可靠依據(jù)，確保試驗件研制順利開展。

參考文獻：

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