杜曉偉， 談敦銘， 楊后川， 孫鋒山

(空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校， 河南信陽， 464000)

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料所占的比例日益加大，雖然復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、抗疲勞腐蝕性好、結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)點[1]，但也存在易受損傷、損傷后修復(fù)困難，特別是常規(guī)膠接修理方法耗時過長等問題[2]。

對于只需要恢復(fù)必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和一定程度的任務(wù)能力(包括至少再出動一次或飛回后方修理所)的戰(zhàn)傷搶修而言，因無需考慮疲勞強(qiáng)度等持續(xù)適航性要求，可采用機(jī)械連接法快速搶修。機(jī)械連接法需要首先在損傷的復(fù)合材料上鉆孔以安裝連接件。但是復(fù)合材料本身的物理特性造成傳統(tǒng)制孔方法存在效率低、刀具容易磨損甚至損壞、易損傷復(fù)合材料等問題。

針對這些問題，目前國內(nèi)外比較有效的解決辦法是采用超聲振動制孔，該技術(shù)興起于日本，最早提出在刀具上施加振動并進(jìn)行試驗驗證的是日本的隈部淳一郎教授[3]，國內(nèi)北航張德遠(yuǎn)教授及其團(tuán)隊研究超聲振動制孔技術(shù)在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用較成熟[4]。近年來超聲振動加工技術(shù)已為特種難加工領(lǐng)域中的一個研究熱點，諸多學(xué)者向各自的行業(yè)推廣[5-6]。但是現(xiàn)有的超聲振動制孔方案主要針對機(jī)床等大型設(shè)備[7-8]，在工業(yè)部門的工廠車間使用，難以在缺乏必要配套條件的部隊前線機(jī)場戰(zhàn)傷搶修環(huán)境中使用，為此本文專門研究了基于超聲縱振的復(fù)合材料便攜式制孔技術(shù)。

1 超聲縱振制孔機(jī)理

1.1 鉆頭運動分析

圖1為超聲縱振[9-10]鉆孔原理示意圖，超聲縱振鉆孔的刀具切削刃運動軌跡由刀具自轉(zhuǎn)、刀具沿著縱向相對于工件的進(jìn)給運動和高頻小振幅的超聲波縱向振動復(fù)合而成，并且為周期性接觸-分離的脈沖式動態(tài)切削。超聲縱振鉆孔的刀具側(cè)面副切削刃為垂直方向，刀具的副切削刃將加工出最終孔徑，超聲縱振鉆孔的縱向(Z向)進(jìn)給切削過程為動態(tài)切削、徑向(X和Y向)的切削過程恒定。

1.2 切削刃運動分析

兩刃鉆頭的刀尖橫刃和主切削刃在超聲高頻脈沖激勵下，均以高頻小振幅的正弦波軌跡進(jìn)行切削運動，使得刀尖切削刃與工件切削表面間實現(xiàn)周期性接觸-分離的相對運動，如圖2所示。這種周期性接觸-分離的切削模式，能夠有效降低摩擦力、降低切削力、降低切削溫度、改善冷卻效果、實現(xiàn)斷屑效果、改善排屑效果、改善切削系統(tǒng)剛性和穩(wěn)定性等。

圖2 相對于工件的分離斷續(xù)切削過程

2 超聲縱振制孔系統(tǒng)

超聲縱振制孔系統(tǒng)由超聲振動氣鉆、刀具及超聲振動電源組成。

2.1 縱振手鉆

超聲振動氣鉆是將普通氣鉆的卡頭替換成超聲振動換能器刀桿，通過控制盒實現(xiàn)不同的鉆頭對超聲振動換能器的控制，從而使一只普通的氣鉆變成產(chǎn)生振動鉆削工具，如圖3所示。

圖3 超聲縱振手鉆

2.2 縱振電源

超聲振動電源為超聲振動換能器提供需要的電流大小、頻率[11-12]，適應(yīng)不同孔徑的刀具及不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動需求，兼顧加工精度與效率。

圖4 超聲振動電源

通過縱振手鉆和電源分離的設(shè)計模式，以及換能器與手鉆集成的方式，實現(xiàn)最大程度利用現(xiàn)有的設(shè)備，同時確保設(shè)備的便攜性及在野戰(zhàn)機(jī)場搶修的可行性。

超聲縱振制孔系統(tǒng)中，核心部分為振動換能器，實現(xiàn)電能向機(jī)械振動的轉(zhuǎn)化。

3 超聲縱振換能器設(shè)計

3.1 換能器振動分析

綜合考慮精密氣鉆的便捷和普遍適用性，采用在現(xiàn)有精密氣鉆上配超聲振動換能器[13]夾頭。換能器的安裝固定采用懸臂式后端蓋與氣鉆連接，換能器與氣鉆和刀具采用螺紋連接，確保結(jié)構(gòu)小巧，換刀裝夾方便，如圖5所示。

圖5 超聲縱振換能器的安裝

超聲振動頭換能器采用壓電式縱向振動換能器[14]，工作原理為：在外加電信號激勵下，換能器儲能元件的電場發(fā)生變化，借助電場的“力效應(yīng)”，產(chǎn)生了一個對換能器的機(jī)械振動系統(tǒng)的策動力，使之進(jìn)入振動狀態(tài)。該振動以波的形式沿?fù)Q能器軸線方向傳播，形成機(jī)械波。在換能器的端面，機(jī)械波向負(fù)載介質(zhì)中輻射出聲波信號，對負(fù)載做功。

換能器的機(jī)械振動可視為一個無質(zhì)量彈簧振子系統(tǒng)的受迫阻尼運動。質(zhì)點M在周期性策動力F的作用下，經(jīng)過一段時間后，達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)牛頓運動定律，系統(tǒng)的運動方程可表示為：

(1)

各參數(shù)說明如下：

2)M為換能器等效質(zhì)量，它不是換能器各部分質(zhì)量的簡單代數(shù)之和，而是要依據(jù)機(jī)械波在換能器中傳播時的動量守恒定律求得：

各部件的波動動量：

動量守恒：

3)Rm為等效力阻，它是系統(tǒng)克服阻尼消耗能量的總和。

4)F為換能器等效外力(由外加電壓產(chǎn)生)，F(xiàn)=Fmcos(ωt)=Fmejωt，則振動系統(tǒng)的振速穩(wěn)態(tài)解為：

(2)

振動系統(tǒng)的振動位移穩(wěn)態(tài)解為：

(3)

3.2 換能器仿真優(yōu)化

在換能器振動分析的基礎(chǔ)上，換能器采用半波長換能器設(shè)計方法[15-16]，并采用有限元方法進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)仿真。半波長換能器如圖6所示，其主要結(jié)構(gòu)為后蓋板、壓電陶瓷堆、前蓋板及變幅桿，變幅桿與前蓋板在設(shè)計上可為同一個零件。其中半波長換能器的節(jié)面未知可以變化，可以移動到壓電陶瓷和前蓋板的交界面、壓電陶瓷和后蓋板的交界面以及壓電陶瓷堆內(nèi)部。理論上說節(jié)面上位移為0，一般作為夾持位置。考慮到階梯型變幅桿容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低振幅產(chǎn)生發(fā)熱等缺點，采用圓角進(jìn)行過渡。變幅桿大端與小端直徑比為2。

圖6 半波長換能器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電振子采用PZT8環(huán)形陶瓷片，厚度為3 mm。變幅桿和后蓋板均采用不銹鋼材質(zhì)，能夠保證剛度、強(qiáng)度及耐用度要求。其材料參數(shù)見表1。

表1 換能器材料參數(shù)表

根據(jù)材料性質(zhì)等效確定各部分長度，后蓋板長度l3=10 mm，壓電陶瓷堆長度I2=12 mm，前蓋板與變幅桿為一體設(shè)計，其長度為I1+I4=59 mm。各部分直徑根據(jù)壓電陶瓷直徑及變幅桿直徑比值確定。由以上尺寸建立有限元仿真模型，并進(jìn)行模態(tài)仿真，其縱向振動模態(tài)仿真結(jié)果見圖7。

圖7 換能器縱向振動模態(tài)仿真圖

沿軸線方向，其節(jié)點振動位移分布如圖8所示。

圖8 軸線節(jié)點振動位移分布圖

采用激勵電壓為500 V，建立16～36 MHz諧響應(yīng)仿真，得到其端面最大振幅與頻率關(guān)系見圖9，雙邊振幅約為18 μm。

以上完成換能器尺寸計算及仿真，通過換能器與超聲電源的匹配，可用于換能器控制盒選擇于鉆頭適宜的最優(yōu)振動頻率，以便獲得最大振動幅度。實際過程中由于換能器陶瓷片參數(shù)差異以及裝配過程中操作會導(dǎo)致?lián)Q能器諧振頻率及實際振幅產(chǎn)生偏差。

圖9 ANSYS仿真端面縱向振幅

4 實驗結(jié)果

4.1 鉆削實驗

鉆削屬于粗加工工序，復(fù)合材料鉆削容易出現(xiàn)分層及毛刺缺陷[17]。因此試驗研究重點主要為鉆削加工中容易出現(xiàn)的入口及出口缺陷。

圖10為普通鉆削入口及出口照片。入口處出現(xiàn)分層，出口處出現(xiàn)嚴(yán)重撕裂，明顯無法滿足加工要求。圖11為超聲鉆削入口及出口處形貌。超聲鉆削入口及出口處未出現(xiàn)明顯分層及撕裂缺陷。因此復(fù)合材料采用超聲鉆削方式能夠避免常見分層及撕裂缺陷。

圖10 普通鉆削φ3.8孔入口及出口

圖11 超聲鉆削φ3.8孔入口及出口

4.2 鉸孔實驗

鉸孔為孔精加工工序，決定最終孔的質(zhì)量。試驗研究中采用超聲振動鉸孔氣鉆(1 300 r/min)及硬質(zhì)合金鉸刀(直徑7.6 mm)進(jìn)行鉆孔的精加工。圖12為普通鉸孔加工與超聲振動鉸孔加工后出入口照片，普通鉸孔之后入口出現(xiàn)了拔絲、部分纖維未被切斷的現(xiàn)象。超聲振動鉸孔無明顯缺陷。普通鉸孔出口處出現(xiàn)了樹脂基變色以及纖維毛刺的現(xiàn)象，超聲振動鉸孔無明顯缺陷。

圖12 普通鉸孔與超聲振動鉸孔對比

5 結(jié)論

超聲縱振能有效解決復(fù)合材料制孔的質(zhì)量需求，基于普通手鉆加縱振換能器、超聲電源的小型便攜式縱振制孔系統(tǒng)可實現(xiàn)一線野戰(zhàn)機(jī)場條件下對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速鉆孔，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接法快速搶修創(chuàng)造了條件。