宋成琳,張璐,董楠,孔繁錦

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展,優(yōu)異性能的飛機(jī)需求量不斷增加,飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、制造工藝和加工工具都需要不斷創(chuàng)新[1]。碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、減震性好、耐疲勞、耐高溫、重量輕的優(yōu)點(diǎn),在航空航天、軍工等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能呈各向異性且層間強(qiáng)度低,加工時(shí)容易出現(xiàn)分層、毛刺等缺陷,而鉆削加工是碳纖維復(fù)合材料的主要切削加工形式之一,鉆削力直接影響鉆孔質(zhì)量,也是造成孔出口撕裂、材料分層的主要原因[2]。

鉆削力是制孔過程的重要表征量,鉆削力包括軸向力和扭矩,其變化可以反映出制孔過程中的加工階段、刀具磨損以及加工振動(dòng)等。本文采用EDU進(jìn)行半自動(dòng)制孔工藝參數(shù)試驗(yàn)研究,利用電流作為軸向力和扭矩的間接測(cè)量手段,對(duì)復(fù)材異質(zhì)疊層制孔過程中的鉆削力進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷制孔過程中的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量所反映的加工狀態(tài)。為復(fù)材異質(zhì)疊層制孔時(shí)線速度的選取提供參考,同時(shí)也可以滿足復(fù)材異質(zhì)疊層的制孔質(zhì)量要求。

2 制孔工藝參數(shù)

2.1 純復(fù)材專用PCD刀具工藝參數(shù)

針對(duì)φ20mm孔徑、75mm厚復(fù)材疊層制孔需求,使用純復(fù)材專用的PCD刀具,選取不同線速度并根據(jù)v=nπd/1000計(jì)算出相應(yīng)工具轉(zhuǎn)速,制定試驗(yàn)方案(見表1)。根據(jù)熱—力耦合結(jié)果進(jìn)行分析,采用φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm分刀方案,針對(duì)各制孔工序,選取三種線速度進(jìn)行試驗(yàn)研究,根據(jù)線速度大小計(jì)算試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量,選取直徑φ11.455mm,φ16.0mm,φ19.8mm三種刀具完成試驗(yàn)。

表1 純復(fù)材制孔試驗(yàn)方案

對(duì)上述試驗(yàn)方案開展純復(fù)疊層PCD刀具的EDU制孔試驗(yàn),φ11.455mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖1,在2532r/min下扭矩最低,軸向力也較低,為較優(yōu)制孔參數(shù);φ16mm擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖2,在1119r/min下扭矩較低,軸向力最低,為較優(yōu)制孔參數(shù);φ19.8mm擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖3,在904r/min下扭矩較低,軸向力最低,為較優(yōu)制孔參數(shù)。

圖1 φ11.455mm PCD鉆頭的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

圖2 φ16mm PCD擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

圖3 φ19.8mm PCD擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)A1-1制孔的實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行刀具切削狀態(tài)、切削力和扭矩變化分析。當(dāng)?shù)毒邚牡谝粚訌?fù)合材料層鉆入、從第二層復(fù)合材料層鉆出時(shí)(見圖4),位置1為復(fù)合材料的鉆入點(diǎn),因在此之前未鉆削材料,故電流整體變化平穩(wěn);位置1到位置2階段為復(fù)合材料的鉆入階段,在此過程中,隨著參與鉆削的刀具主鉆削刃部分越來越多,主軸進(jìn)給電機(jī)電流出現(xiàn)明顯上升;位置2開始進(jìn)入復(fù)合材料的穩(wěn)定鉆削階段,在到達(dá)位置3過程中,刀具主鉆削刃部分全部參與復(fù)合材料層的鉆削加工,電流整體變化平穩(wěn),隨著未鉆削復(fù)合材料層的不斷減小,復(fù)合材料鉆削軸向力逐漸減小,故電流有略微變化。在位置3處,刀具開始鉆出復(fù)合材料,鉆削阻力隨之減小,故電流出現(xiàn)明顯下降;在位置4處,刀具主鉆削刃部分完全鉆出復(fù)合材料,整個(gè)制孔過程完成。

圖4 試驗(yàn)A1-1制孔實(shí)時(shí)曲線圖與刀具切削狀態(tài)分析

2.2 復(fù)材與鈦合金疊層用刀具參數(shù)

針對(duì)φ20mm孔徑、75mm厚復(fù)材與鈦合金疊層制孔需求,使用硬質(zhì)合金涂層鉆鉸刀和擴(kuò)孔鉆,并選取不同線速度計(jì)算出相應(yīng)工具轉(zhuǎn)速,制定試驗(yàn)方案(見表2)。根據(jù)前期熱—力耦合分析結(jié)果,采用φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm分刀方案,選取三種線速度對(duì)各制孔工序進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)線速度計(jì)算試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量,選取直徑為φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm三種刀具完成試驗(yàn)。

表2 復(fù)材/鈦合金疊層制孔方案

針對(duì)上述試驗(yàn)方案開展復(fù)鈦疊層EDU制孔試驗(yàn),φ11.8mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 φ11.8mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

在404r/min下的扭矩較低,軸向力也較低,綜合考慮制孔效率,此工藝參數(shù)為較優(yōu)制孔參數(shù)。同理,φ15.8mm擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖6,211r/min為較優(yōu)制孔參數(shù)。φ19.8mm擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果見圖7,168r/min為較優(yōu)制孔參數(shù)。

圖6 φ15.8mm擴(kuò)孔鉆的軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

圖7 φ19.8mm擴(kuò)孔鉆軸向力和扭矩試驗(yàn)結(jié)果

B2-2制孔試驗(yàn)的實(shí)時(shí)曲線見圖8,進(jìn)行刀具切削狀態(tài)與切削力、扭矩變化分析。

刀具由第一層鈦合金層鉆入,從第三層鈦合金層鉆出,位置1為鈦合金的鉆入點(diǎn)。在此之前未鉆削材料,故電流整體變化平穩(wěn);位置1到位置2階段為鈦合金層的鉆入階段,在此過程中電流有兩段明顯上升,這是由于刀具為臺(tái)階擴(kuò)孔鉆,第一段上升為第一臺(tái)階切削,第二段上升為第二臺(tái)階切削;從位置2開始進(jìn)入鈦合金層的穩(wěn)定鉆削階段,在到達(dá)位置3的過程中,電流整體變化平穩(wěn),隨著未切削鈦合金層的不斷減小,軸向力逐漸減小,故電流有略微變化;在位置3處電流有明顯的下降突變現(xiàn)象,其原因?yàn)?雖然在疊層材料制孔過程中施加了一定的壓緊力,但是疊層之間仍然存在部分間隙,刀具在到達(dá)間隙時(shí)部分鉆削刃未參與鉆削,故電流較之前有明顯下降,由于疊層間的間隙很小,刀具在短時(shí)間內(nèi)開始復(fù)合材料層的切削,故電流在下降后迅速上升;位置3到位置4為疊層過渡區(qū)域切削階段,可視為復(fù)合材料層的切入階段,在位置4時(shí),第一臺(tái)階開始參與復(fù)合材料層的切削,到位置5時(shí)第二臺(tái)階切入,進(jìn)入復(fù)合材料穩(wěn)定鉆削階段,電流進(jìn)入平穩(wěn)階段。在位置6處刀具開始鉆出復(fù)合材料層,在位置7處第一臺(tái)階切入最后一層鈦合金層,在位置8處第二臺(tái)階切入最后一層鈦合金層;在到達(dá)位置9的過程中,電流整體變化平穩(wěn),隨著鈦合金層的未切削部分不斷減少,電流出現(xiàn)明顯下降;在位置10處刀具切削刃完全鉆出鈦合金層,完成整個(gè)疊層材料制孔過程。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合孔加工領(lǐng)域的切削材料“就難”原則和線速度選取原則,以疊層材料中最難加工的切削才材料為目標(biāo)加工對(duì)象,選擇自動(dòng)進(jìn)給鉆的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給推薦值,推薦值見表3。

表3 自動(dòng)進(jìn)給鉆轉(zhuǎn)速和進(jìn)給推薦值

3 結(jié)語(yǔ)

采用EDU進(jìn)行半自動(dòng)制孔工藝參數(shù)試驗(yàn),利用電流作為軸向力和扭矩的間接測(cè)量手段,對(duì)制孔過程中的重要表征量鉆削力進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過對(duì)制孔實(shí)時(shí)曲線圖進(jìn)行刀具切削狀態(tài)與切削力、扭矩變化分析,在綜合考慮制孔效率和質(zhì)量的情況下,純復(fù)疊層鉆孔推薦線速度約為75mm/min,擴(kuò)孔推薦線速度為56mm/min左右,復(fù)鈦疊層鉆孔推薦線速度約為15mm/min,擴(kuò)孔推薦線速度為10～13mm/min。該研究不僅為復(fù)材異質(zhì)疊層制孔時(shí)線速度的選取提供參考依據(jù),還滿足了復(fù)材異質(zhì)疊層的加工質(zhì)量要求。