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        航空復(fù)合材料鋁合金疊層制孔技術(shù)

        2022-12-05 12:19:32易小蘭
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年35期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料

        易小蘭

        (天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院,四川 眉山 620564)

        連接孔發(fā)生疲勞裂紋,是導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)體故障的常見(jiàn)因素。由于飛機(jī)上各類連接件的數(shù)量多達(dá)百萬(wàn)以上,提高航空材料連接孔的加工質(zhì)量就顯得尤為重要。為了減輕材料自重和保證性能達(dá)標(biāo),航空連接件大多采用復(fù)合材料與鋁合金疊層的形式。在自動(dòng)化制孔中,既要考慮不同材料各自的制孔特性外,還要關(guān)注疊層過(guò)渡區(qū)的鉆削特性。在疊層制孔中,除了要選擇合適的刀具,還必須優(yōu)化工藝參數(shù),尤其是進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速兩項(xiàng)指標(biāo),是決定制孔精度、制孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素?;诖?,探究復(fù)合材料與鋁合金疊層制孔工藝的優(yōu)化策略,對(duì)提升加工精度與加工質(zhì)量有積極幫助。

        1 航空復(fù)合材料鋁合金疊層制孔技術(shù)

        1.1 刀具的選擇

        常規(guī)的硬質(zhì)合金刀具無(wú)法滿足復(fù)合材料與鋁合金疊層制孔的需要,必須要選擇具有特殊土層的刀具才能提高制孔效果。目前可用于復(fù)合材料加工的刀具有2 種類型,即PCD(聚晶金剛石)刀具和CVD(金剛石涂層)刀具。PCD 刀具的優(yōu)勢(shì)在于硬度極高、導(dǎo)熱性好、耐磨能力強(qiáng),能夠滿足復(fù)合材料與鋁合金疊層制孔的要求。但是在實(shí)際應(yīng)用中,PCD 刀具由于形狀比較復(fù)雜,孔的內(nèi)壁容易出現(xiàn)劃痕,不夠光滑,從而導(dǎo)致制孔質(zhì)量不理想。相比之下,CVD 刀具的幾何形狀比較簡(jiǎn)單,制孔時(shí)不易產(chǎn)生毛刺,孔壁光滑,加上使用成本較低,因此在航空復(fù)合材料鋁合金疊層制孔中應(yīng)用優(yōu)先級(jí)較高。根據(jù)鉆頭形式的不同,又可將CVD 刀具分為三尖鉆和麻花鉆兩種類型[1]。

        1.2 制孔精度與制孔質(zhì)量評(píng)估

        本研究選擇制孔精度、制孔質(zhì)量這兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)疊層制孔水平。其中,制孔精度指標(biāo)下又包括了尺寸精度、圓度、縮孔3 項(xiàng)細(xì)分指標(biāo);制孔質(zhì)量指標(biāo)下又包括了粗糙度、金屬毛刺、復(fù)材撕裂等多項(xiàng)細(xì)分指標(biāo),見(jiàn)圖1。

        圖1 復(fù)合材料/鋁合金疊層制孔精度與制孔質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

        本研究選擇尺寸精度(即孔徑)判斷疊層制孔精度,在刀具切削制孔過(guò)程中,刀具周圍的材料受熱會(huì)發(fā)生膨脹,而冷卻后又容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。因此,如果孔徑變化越小,說(shuō)明制孔精度越高。本研究選擇毛刺判斷疊層制孔質(zhì)量,毛刺高度越低,說(shuō)明制孔質(zhì)量越好。

        1.3 工藝的優(yōu)化

        在復(fù)合材料鋁合金疊層制孔中,影響制孔精度和制孔質(zhì)量的因素較多,如刀具的類型、刀具的磨損程度、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的設(shè)定等[2]。因此,為了進(jìn)一步提高疊層制孔效果,還需要對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證制孔精度、質(zhì)量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下,通過(guò)降低刀具磨損以提高制孔的經(jīng)濟(jì)性。工藝優(yōu)化流程見(jiàn)圖2。

        圖2 工藝參數(shù)優(yōu)化流程

        2 工藝參數(shù)范圍的選取試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)方法

        在復(fù)合材料鋁合金疊層制孔工藝中,涉及到的工藝參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。為確定最佳工藝參數(shù),設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速上限和進(jìn)給量上限的確立試驗(yàn)。本次試驗(yàn)基于數(shù)控加工平臺(tái)進(jìn)行,用內(nèi)徑千分尺測(cè)量加工后的孔徑,用便攜式表面粗糙度儀檢測(cè)加工后孔壁的粗糙度,用刀具測(cè)量?jī)x檢測(cè)刀具的磨損量。試驗(yàn)所用刀具為三尖鉆和麻花鉆,轉(zhuǎn)速試驗(yàn)和進(jìn)給量試驗(yàn)相互獨(dú)立,通過(guò)逐步逼近法不斷縮小轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量的上限范圍。

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        在進(jìn)給量上限試驗(yàn)中,保持鉆具的轉(zhuǎn)速恒定為3 600 rpm,對(duì)于進(jìn)給量設(shè)置5 個(gè)變量,分別是0.04 mm/r、0.06 mm/r、0.08 mm/r、0.10 mm/r、0.12 mm/r。在相同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)給量下分別完成復(fù)合材料鋁合金疊層制孔,并在加工結(jié)束后觀察制孔質(zhì)量、刀具磨損情況。所得結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 3 600 rpm 轉(zhuǎn)速下進(jìn)給量范圍確立試驗(yàn)

        根據(jù)表1 可知,在不同的進(jìn)給量下,使用麻花鉆制孔,刀具刃口完好;而使用三尖鉆制孔,當(dāng)進(jìn)給量增加至0.12 mm/r 時(shí),刀具刃口出現(xiàn)崩刃的情況?;诖耍谵D(zhuǎn)速為3 600 rpm 下,使用三尖刀進(jìn)行復(fù)合材料鋁合金疊層制孔,進(jìn)給量的上限為0.10 mm/r;如果將刀具替換成麻花鉆,則本次試驗(yàn)中進(jìn)給量的上限為0.12 mm/r。按照同樣的思路,將進(jìn)給量上限恒定為0.06 mm/r,改變轉(zhuǎn)速,同樣設(shè)計(jì)5 個(gè)變量,分別是1 800 rpm、3 600 rpm、5 400 rpm、7 200 rpm、9 000 rpm。在相同進(jìn)給量、不同轉(zhuǎn)速下,分別完成復(fù)合材料鋁合金疊層制孔,并在加工結(jié)束后觀察制孔質(zhì)量、刀具磨損情況[3]。所得結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 0.06 mm/r 進(jìn)給量下轉(zhuǎn)速范圍確立試驗(yàn)

        結(jié)合表2,在進(jìn)給量為0.06 mm/r,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?gòu)? 800 rpm 至9 000 rpm,麻花鉆刃口完好;而相同條件下使用三尖鉆,在轉(zhuǎn)速升高至7 200 rpm 后,刀具刃口開(kāi)始出現(xiàn)輕微崩裂。這種裂口的存在,會(huì)導(dǎo)致刀具在繼續(xù)使用過(guò)程中磨損速度進(jìn)一步加快。在制孔質(zhì)量方面,使用兩種刀具在相同材料上制孔,均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷,制孔質(zhì)量均能滿足要求。基于此,在進(jìn)給量為0.06 mm/r 下,麻花鉆的轉(zhuǎn)速上限可以達(dá)到9 000 rpm,而三尖鉆的轉(zhuǎn)速上限為5 400 rpm。

        3 提高制孔精度和制孔質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化

        3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本次試驗(yàn)使用的復(fù)合材料為CCF300,厚度為3.5 mm;鋁合金為7075,厚度為2.8 mm。試驗(yàn)使用的2 種鉆頭,三尖鉆可加工600 個(gè)孔,麻花鉆可加工800 個(gè)孔。以前100 個(gè)孔的孔徑誤差和毛刺高度,作為評(píng)價(jià)制孔精度與制孔質(zhì)量的指標(biāo)。為了消除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,試驗(yàn)中對(duì)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量分別設(shè)計(jì)了5個(gè)水平(見(jiàn)表3),兩者交叉共進(jìn)行5×5=25 組試驗(yàn)。每種組合下制孔數(shù)量為3 個(gè),本次試驗(yàn)中制孔數(shù)量共計(jì)75 個(gè)。這樣既可以保證刀具磨損量較小,同時(shí)還能保證樣本數(shù)量足夠多,使試驗(yàn)結(jié)果的可靠性得到了保證。

        表3 工藝優(yōu)化參數(shù)選取水平

        依次檢測(cè)75 孔的孔徑、毛刺高度,并將每種組合下3 個(gè)孔的測(cè)量結(jié)果取平均值。使用二次回歸模型(X)展開(kāi)分析:

        式中:n 表示轉(zhuǎn)速;f 表示進(jìn)給量;C0~C5表示待定常數(shù);X 表示優(yōu)化對(duì)象,是孔徑、毛刺高度中的一種。

        3.2 孔徑分析

        孔徑(尺寸精度)是評(píng)價(jià)制孔精度的一個(gè)核心指標(biāo),在航空飛機(jī)的裝配中,要求連接件的尺寸精度≥H8 級(jí)。以直徑為5 mm 的孔為例,上偏差≤18 μm,下偏差≥0 μm。在試驗(yàn)中使用內(nèi)徑千分尺測(cè)量孔徑。

        3.2.1 三尖鉆制孔精度分析

        將測(cè)得結(jié)果帶入到二次回歸模型,可以得到使用三尖鉆制孔時(shí)復(fù)合材料(DCFRP)和鋁合金(DAl)的孔徑,結(jié)果如下:

        將上述二次回歸模型導(dǎo)入到Matlab 軟件中,繪制出三維曲面圖,可以觀察到使用三尖鉆加工復(fù)合材料和鋁合金時(shí)孔徑的變化情況。結(jié)合三維曲面圖可知,使用三尖鉆在復(fù)合材料上制孔,隨著工藝參數(shù)的變化,孔徑?jīng)]有明顯的改變;而使用三尖鉆在鋁合金上制孔,當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí),孔徑也有一定幅度的增大。但是進(jìn)給量增加對(duì)孔徑變化的影響不明顯。綜合來(lái)看,使用三尖鉆制孔,復(fù)合材料上的孔徑要小于鋁合金上的孔徑,說(shuō)明復(fù)合材料制孔更容易發(fā)生縮孔現(xiàn)象[4]。

        3.2.2 麻花鉆制孔精度分析

        按照同樣的處理方式,求得麻花鉆制孔時(shí)復(fù)合材料(dCFRP)和鋁合金(dAl)的孔徑,結(jié)果如下:

        將上述擬合公式導(dǎo)入到Matlab 軟件中,繪制麻花鉆加工復(fù)合材料和鋁合金時(shí)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的三維曲面圖。觀察可知,使用麻花鉆在復(fù)合材料、鋁合金上制孔,隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增加,孔徑也相應(yīng)的變大。并且在工藝參數(shù)相同的情況下,復(fù)合材料孔徑要小于鋁合金孔徑,說(shuō)明復(fù)合材料制孔更容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象,與前文試驗(yàn)結(jié)果一致。

        3.2.3 孔徑優(yōu)化結(jié)果

        從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,雖然工藝參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致孔徑發(fā)生改變,但是變化并不明顯。使用三尖鉆在復(fù)合材料上制孔時(shí),25 種工藝下最大孔徑和最小孔徑的差值為0.003 mm;使用麻花鉆在符合材料上制孔時(shí),25種工藝下最大孔徑和最小孔徑的差值為0.007 mm。在平均縮孔值方面,三尖鉆為0.002 mm,明顯低于麻花鉆的0.007 8 mm。但是這2 種刀具加工后的孔徑均未達(dá)到H8 精度,故需要對(duì)孔徑進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化公式為:

        式中:dbest表示優(yōu)化后的刀具直徑;d 表示最開(kāi)始的刀具直徑;DAl和DCFRP分別代表復(fù)合材料和鋁合金在不同工藝參數(shù)下的平均孔徑。根據(jù)上式,如果選擇三尖鉆進(jìn)行復(fù)合材料和鋁合金疊層制孔,則需要在刀具原始孔徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔,擴(kuò)大值為0.020 8 mm;如果選擇麻花鉆進(jìn)行復(fù)合材料和鋁合金疊層制孔,則需要在刀具原始孔徑的基礎(chǔ)上再擴(kuò)大0.009 3 mm。經(jīng)過(guò)擴(kuò)孔后,才能保證達(dá)到H8 精度要求。

        3.3 毛刺分析

        毛刺屬于鋁合金材料制孔中比較常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷,本次試驗(yàn)中將孔口毛刺高度作為評(píng)價(jià)制孔質(zhì)量的主要因素。在制孔結(jié)束后,使用TEC 白光干涉三維形貌儀測(cè)量正交的4 個(gè)點(diǎn),以這4 個(gè)點(diǎn)毛刺高度的平均值作為毛刺高度[5]。根據(jù)制孔流程和鉆削特點(diǎn),毛刺高度主要與工藝參數(shù)有關(guān),擬合公式如下:

        按照上文所述方法,將擬合公式導(dǎo)入到Matlab 軟件中,可以得到2 種刀具在鋁合金制孔中毛刺高度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明,使用三尖鉆在鋁合金上制孔,毛刺高度不受轉(zhuǎn)速的影響,但是與進(jìn)給量呈正相關(guān),并且毛刺高度的變化范圍為50~100 μm。使用麻花鉆在鋁合金上制孔,毛刺高度隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增加而增加,毛刺高度的變化范圍為80~140 μm。在工藝參數(shù)相同的情況下,使用三尖鉆制孔,毛刺高度要低于麻花鉆,高度差為45 μm。

        4 結(jié)論

        在航空復(fù)合材料和鋁合金疊層制孔中,選用合適的刀具、科學(xué)設(shè)定工藝參數(shù),對(duì)提高制孔精度和制孔質(zhì)量有積極幫助。從試驗(yàn)來(lái)看,三尖鉆在復(fù)合材料和鋁合金疊層制孔中具有更為明顯的優(yōu)勢(shì),例如孔徑變化較小、孔口毛刺更低等。在使用三尖鉆進(jìn)行疊層制孔時(shí),適當(dāng)減少進(jìn)給量、保持較高的轉(zhuǎn)速,能夠兼顧成孔質(zhì)量和制孔效率。從試驗(yàn)來(lái)看,刀具選用三尖鉆,轉(zhuǎn)速控制在3 600 rpm、進(jìn)給量控制在0.06 mm/r,能夠讓復(fù)合材料和鋁合金疊合制孔的質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

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