董衛(wèi)萍，王志超，張磊，金術(shù)俊

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因硬度高、抗疲勞性好、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于艙體、機(jī)身、機(jī)翼和彈翼等各類(lèi)主承力、功能結(jié)構(gòu)件中?；贑FRP的制造特點(diǎn)和各向異性、非均勻性的材料性能，碳纖維復(fù)合材料一般采用凈成形技術(shù)，即產(chǎn)品毛坯工藝余量少，僅需少量切邊、銑面和鉆孔加工[1]。由于飛機(jī)裝配孔數(shù)量龐大，鉆削和锪窩成為復(fù)合材料裝配過(guò)程中較繁重的機(jī)械加工工序[2]。然而，碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能受加載方向的影響很大，在制孔和锪窩時(shí)極易產(chǎn)生纖維拔出、毛刺、分層、撕裂、微裂紋和基體灼傷等多種形式的損傷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)隱患[3]。因此，CFRP在飛機(jī)制造中的大量應(yīng)用對(duì)制孔和锪窩技術(shù)以及刀具設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)CFRP的制孔工藝和技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛研究。K?ning W.等[4]提出了軸向鉆削力小于臨界鉆削力時(shí)不會(huì)出現(xiàn)分層損傷的概念；Zitoune R.等[5]對(duì)復(fù)合材料/鋁合金疊層進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，探討了工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料、鋁合金的切削力、制孔質(zhì)量以及切屑形貌的影響；Marques A.T.等[6]研究了麻花鉆、匕首鉆和階梯鉆等不同結(jié)構(gòu)鉆頭對(duì)復(fù)合材料分層損傷的影響。王豪等[7]對(duì)復(fù)合材料/鋁合金疊層在不同工藝參數(shù)下使用不同刀具的制孔工藝進(jìn)行了研究，探討了工藝參數(shù)對(duì)孔徑精度、表面粗糙度以及鋁合金出口毛刺的影響規(guī)律；劉國(guó)興[8]和張建國(guó)[9]研究發(fā)現(xiàn)，由于金剛石具有高硬度、高耐磨性等特性，采用PCD和金剛石涂層刀具可有效改善制孔質(zhì)量。

因此，針對(duì)復(fù)合材料制孔損傷，優(yōu)化復(fù)合材料手工制孔方案和提高刀具壽命對(duì)航空用碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和生產(chǎn)有較大的促進(jìn)作用和實(shí)際意義。

2 CFRP锪窩質(zhì)量問(wèn)題分析

通過(guò)從源頭進(jìn)行調(diào)研分析，總結(jié)出目前碳纖維復(fù)合材料锪窩存在的問(wèn)題：①某機(jī)型初期采用硬質(zhì)合金锪窩鉆進(jìn)行復(fù)材锪窩，刀具磨損快，刀具壽命約為100個(gè)/把，刀具單價(jià)約250元/把，性價(jià)比低。②隨著PCD刀具技術(shù)不斷成熟，PCD锪窩鉆單價(jià)約500元/把，刀具壽命約600個(gè)/把，具有較高的性價(jià)比，但由于刀具缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，種類(lèi)雜、結(jié)構(gòu)形式多樣，刀具性能存在差異，同時(shí)操作要求也不盡相同，容易導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。③由于材料特性差異，復(fù)合材料與金屬锪窩操作差異明顯，金屬锪窩時(shí)刀具進(jìn)給軸向力大，會(huì)導(dǎo)致刀具刃部扎入復(fù)材疊層表面，伴隨刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，疊層產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。④為減少锪窩劈裂的產(chǎn)生，工人常在锪窩前用去毛刺工具打磨孔口(見(jiàn)圖1)或采用紙膠帶保護(hù)锪窩面(見(jiàn)圖2)，操作費(fèi)力費(fèi)時(shí)，而且難以有效保證锪窩質(zhì)量的可靠性。

圖1 锪窩前孔面打磨

圖2 锪窩面紙膠帶保護(hù)

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料锪窩產(chǎn)生撕裂的問(wèn)題，結(jié)合CFRP的鋪疊特性和缺陷產(chǎn)生機(jī)理發(fā)現(xiàn)，隨著刀具受到的軸向力增大、徑向力減少，復(fù)合材料的撕裂現(xiàn)象會(huì)得到改善[10]。

3 CFRP锪窩試驗(yàn)研究

飛機(jī)制造中常用的碳纖維復(fù)合材料表面狀態(tài)有單向帶、織物、銅網(wǎng)和噴漆四種，分別選取相同尺寸的上述四種碳纖維復(fù)合材料板作為試驗(yàn)工件，使用手工風(fēng)鉆進(jìn)行锪窩試驗(yàn)，對(duì)比分析圖3所示的硬質(zhì)合金锪窩鉆和PCD锪窩鉆的锪窩加工質(zhì)量，同時(shí)開(kāi)展PCD锪窩鉆應(yīng)用方案研究。锪窩試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

(a)硬質(zhì)合金锪窩鉆

圖4 硬質(zhì)合金锪窩鉆锪窩結(jié)果

圖5 規(guī)范操作方式后PCD锪窩鉆的锪窩結(jié)果

在刀具研制方面，結(jié)合CFRP的鋪疊特性和缺陷產(chǎn)生機(jī)理，根據(jù)锪窩試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析刀具設(shè)計(jì)參數(shù)與復(fù)材質(zhì)量缺陷的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，減少刀具前角和螺旋角能夠降低锪窩時(shí)產(chǎn)生的徑向力，解決復(fù)材劈裂問(wèn)題，但刀具壽命會(huì)有所下降。因此PCD锪窩刀具常采用0°前角和0°螺旋角設(shè)計(jì)，刀片選用刃口鋒利、耐磨損且導(dǎo)熱性好的中粒度PCD刀片，刀體選用高沖擊韌性且較高硬度的M42高速鋼，保證復(fù)材锪窩無(wú)缺陷，同時(shí)刀具壽命可達(dá)600孔左右。

在刀具應(yīng)用方案研究方面，經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)入刀、出刀進(jìn)行轉(zhuǎn)速、進(jìn)給和垂直度等過(guò)程控制，采用“低速進(jìn)退、高速锪窩”的方式可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量锪窩，該方法無(wú)需進(jìn)行入孔面打磨和保護(hù)，簡(jiǎn)單快捷，具體操作方法見(jiàn)圖6。

圖6 復(fù)合材料PCD锪窩刀具應(yīng)用方案

①裝刀：將PCD锪窩鉆與锪窩限位套進(jìn)行連接；

②調(diào)節(jié)窩深：根據(jù)制孔需求調(diào)節(jié)窩深，每向右轉(zhuǎn)動(dòng)一牙，窩深增加0.025mm；

③找孔位：后拉锪窩鉆套露出刀具引導(dǎo)，緩慢插入導(dǎo)孔，保證垂直，避免刃部“扎入”疊層，造成纖維斷裂；

④進(jìn)刀：緩慢進(jìn)刀直至接觸疊層，轉(zhuǎn)速500～800r/min，保證垂直；

⑤锪窩：勻速進(jìn)給，轉(zhuǎn)速2500～4500r/min，直至抵達(dá)預(yù)設(shè)窩深；

⑥退刀：緩慢退刀直至引導(dǎo)脫離導(dǎo)孔，轉(zhuǎn)速500～800r/min，保證垂直。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從應(yīng)用端開(kāi)展碳纖維锪窩質(zhì)量控制試驗(yàn)研究，總結(jié)出“低速進(jìn)退、高速锪窩”的锪窩方法，并制定了PCD锪窩鉆應(yīng)用規(guī)范。

(1)PCD锪窩刀具采取0°前角和0°螺旋角設(shè)計(jì)，刀片選用刃口鋒利、耐磨損且導(dǎo)熱性好的中粒度PCD刀片，刀體選用高沖擊韌性且較高硬度的M42高速鋼，保證復(fù)材锪窩無(wú)缺陷，同時(shí)刀具壽命可達(dá)600孔左右。

(2)通過(guò)對(duì)入刀、出刀進(jìn)行轉(zhuǎn)速、進(jìn)給和垂直度等過(guò)程控制，采用“低速進(jìn)退、高速锪窩”的方式即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量锪窩。該方法能有效解決復(fù)材表面織物、單向帶撕裂，以及漆層、銅網(wǎng)炸裂的問(wèn)題，質(zhì)量缺陷可降低98%以上。

(3)無(wú)需增加锪窩質(zhì)量缺陷預(yù)防工序(入孔面打磨和锪窩面貼紙膠帶等)，碳纖維锪窩效率提升3倍以上。

(4)通過(guò)PCD锪窩鉆的引入及推廣應(yīng)用，復(fù)材锪窩刀具壽命提升6倍以上，性價(jià)比提升3倍。

綜上所述，本文所提方法具有操作簡(jiǎn)單、锪窩質(zhì)量好和效率高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展操作培訓(xùn)，解決了某機(jī)型長(zhǎng)期以來(lái)存在的復(fù)材操作锪窩劈裂質(zhì)量問(wèn)題。