自動制孔系統(tǒng)在復(fù)材舵面上制孔的工藝參數(shù)研究

謝賀年,王俊玲

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院， 陜西 西安 710089) (2.西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

在飛機(jī)裝配過程中需對部分復(fù)材件進(jìn)行制孔操作，常規(guī)通用的制孔流程為鉆孔—擴(kuò)孔—鉸孔—锪窩，每一道工序都由特制的刀具完成。從最初的小孔，到最后锪窩，至少需要4次換刀，換刀次數(shù)多，制孔效率慢[1]。而在自動制孔系統(tǒng)中，為減少換刀次數(shù)，提升制孔效率，會采用鉆、鉸、锪一體化的復(fù)合刀具[2]。這是一種集鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩等多種功能于一體的階梯型復(fù)合刀具[3-4]。

本文研究這種復(fù)合刀具在復(fù)材舵面的加工參數(shù)。復(fù)材舵面多為復(fù)材(CFRP)與鋁合金(Al)的疊加組合，因此在制孔過程中既要考慮復(fù)材的加工特點，又要考慮鋁合金的制孔特性。

采用鉆鉸锪一體化復(fù)合刀具，可實現(xiàn)復(fù)材與鋁合金材料疊層制孔，工藝參數(shù)需同時滿足兩種材料的切削加工要求。若制孔切削力超過復(fù)材或鋁合金材料的承受范圍，則會導(dǎo)致復(fù)材出現(xiàn)劈裂、毛邊、表面微裂紋、分層、撕裂等缺陷，鋁合金材料出現(xiàn)毛刺過大等缺陷[5]。這些制孔缺陷將直接影響復(fù)材夾層的連接強(qiáng)度、服役時間和維護(hù)頻次，進(jìn)而降低產(chǎn)品壽命。如何控制自動制孔系統(tǒng)中制孔工藝參數(shù)，使復(fù)材與鋁合金材料疊層制孔質(zhì)量滿足設(shè)計要求，是本文要研究的內(nèi)容[6]。

1 自動制孔系統(tǒng)工藝參數(shù)研究試驗方案

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

試驗?zāi)康臑榉治鲎詣又瓶紫到y(tǒng)在不同工藝參數(shù)下的制孔質(zhì)量，建立疊層結(jié)構(gòu)制孔工藝參數(shù)庫，實現(xiàn)制孔工藝參數(shù)的快速匹配。

1.2 試驗方案

自動制孔系統(tǒng)在進(jìn)行復(fù)材舵面疊層制孔時，可控工藝參數(shù)主要是主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量fr、進(jìn)給速度Vf等。由于影響因子較少，不適合采用正交試驗法，因此本文采用全因素法進(jìn)行試驗。

1)試驗參數(shù)選擇。

將自動制孔系統(tǒng)的主軸轉(zhuǎn)速S范圍分為5個等級，分別為1 000，3 000，5 000，7 000，9 000 r/min；進(jìn)給量fr也分為5個等級，分別為0.005，0.020，0.040，0.070，0.100 mm/r，根據(jù)全因素法，列出工藝參數(shù)組合。

2)試驗刀具及材料。

試驗刀具直徑根據(jù)最終孔直徑選取,具體參數(shù)見表1。由于復(fù)材舵面上φ4、φ5、φ6、φ8的螺栓孔數(shù)量最多，且為小間隙配合，抽釘孔數(shù)量次之，因而選取表1中刀具作為試驗刀具。試驗刀具材料均為整體硬質(zhì)合金材料。

表1 刀具規(guī)格列表

用于復(fù)材與鋁合金材料疊層結(jié)構(gòu)試驗的鉆、鉸、锪一體化復(fù)合刀具如圖1所示，它由3個典型切削部分構(gòu)成：第1部分為鉆削刃，包括兩側(cè)的主切削刃與底端橫刃，對材料進(jìn)行鉆孔加工；第2部分為鉸削刃，對已鉆孔進(jìn)行精加工，同時起到修光作用；第3部分為螺旋刃，對材料锪窩[7-8]。

圖1 復(fù)材與鋁合金制孔鉆、鉸、锪一體化復(fù)合刀具

3)試驗過程。

表2為試驗件所需試板規(guī)格，試驗采用不同型號規(guī)格復(fù)材與同型號鋁板疊層結(jié)構(gòu)，即復(fù)材-鋁板形式。

表2 試驗件所需試板規(guī)格

利用表1中所示刀具T3、T4及表2中試板W1進(jìn)行自動制孔試驗。

2 自動制孔系統(tǒng)制孔試驗過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 制孔試驗及數(shù)據(jù)

本文采用XK6132機(jī)床進(jìn)行制孔試驗，采用鉆、鉸、锪復(fù)合刀具進(jìn)行制孔。

由于試驗制孔工作量較大，每組型號板材都有3塊，為了節(jié)約資源與時間，在制孔時，如果在某型號第1塊板材出現(xiàn)制孔異常，那么在其余板材上，主動放棄相同工藝參數(shù)制孔，默認(rèn)會同樣出現(xiàn)制孔異常。對于能夠正常制孔的工藝參數(shù)，在其余板材上依舊進(jìn)行制孔試驗。根據(jù)試驗結(jié)果可知，能夠正常制孔的工藝參數(shù)，在同型號板材上都能夠正常制孔。

在制孔過程中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號板均出現(xiàn)了制孔異?，F(xiàn)象，以Ⅰ號板為例對試驗結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)分析。圖2為I板的制孔實物照片，表3為制孔異常的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。表中?表示異?？住?/p>

表3 Ⅰ號板制孔異常工藝參數(shù)

圖2 Ⅰ號板制孔實物

造成制孔異常的原因是軸向力Fz和扭矩Mz過大，而主導(dǎo)因素是主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量fr以及孔徑D。從結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

1)不能使S和fr的綜合速度太大，即Vf≤500 mm/min。當(dāng)孔徑不大時，對于Ⅰ、Ⅲ號板，建議S≤7 000 r/min，同時fr≤0.070 mm/r；對于Ⅱ號板，建議S≤7 000 r/min，同時fr≤0.040 mm/r。

2)由于孔徑是不可改變因素，所以工藝參數(shù)要適應(yīng)孔徑的變化，當(dāng)孔徑D增大時，若轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量fr增加則進(jìn)給速度Vf應(yīng)該減小，即Vf≤200 mm/min。對于Ⅰ、Ⅲ號板，建議S≤5 000 r/min，同時fr≤0.040 mm/r；對于Ⅱ號板，S可以稍大，建議S≤7 000 r/min，同時fr≤0.020 mm/r。

2.2 工藝參數(shù)對孔徑的影響分析

以3組Ⅰ號板為例，利用千分表測量所有孔徑，記錄數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件繪制出所有孔徑變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 3組Ⅰ號板孔徑變化曲線圖

從圖3中可以看出，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對于加工異常孔和放棄孔(變化規(guī)律突變的個別孔)，各個孔徑的變化規(guī)律基本一致，因此可以排除系統(tǒng)誤差的影響。為方便計算分析，對于每一個工藝參數(shù)制出的孔，孔徑取3個孔徑測量值的平均值。分析如下：

1)孔徑分析。

從圖3中可以看出，Al孔徑變化幅度比較大，復(fù)材孔徑變化幅度很小，并且二者的孔徑都大于公稱孔徑。

相比而言，Ⅰ號板上Al孔徑與CFRP孔徑差值較大，Ⅲ號板上Al孔徑與CFRP孔徑差值較小，說明制孔方向?qū)l孔徑與CFRP孔徑差值有一定的影響。

由于制孔時出入口孔徑不一致，說明鉆出的孔存在一定的圓柱度誤差。

2)工藝參數(shù)對孔徑的影響。

從圖3中可以看到，CFRP孔徑變化很小，即工藝參數(shù)對CFRP孔徑幾乎沒有影響，可以忽略不計。

Al孔徑變化較大，并有一定的規(guī)律性。依據(jù)工藝參數(shù)排列規(guī)律，以每5個孔為一組分析觀察。在每組孔徑中，前3個孔徑呈增大趨勢，隨后的兩個孔徑減小，說明在相同主軸轉(zhuǎn)速下，進(jìn)給量對孔徑有一定的影響，即孔徑隨進(jìn)給量先增大后減小。而在相同進(jìn)給量下，主軸轉(zhuǎn)速對孔徑幾乎沒有影響。

通過比較具體的孔徑數(shù)值，鉆锪一體化復(fù)合刀具試驗的孔徑實際值比公稱直徑大，而帶擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)鉆頭的孔徑就比公稱直徑大很多，因此鉆锪一體化復(fù)合刀具制孔孔徑尺寸精度要比帶擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)鉆頭制孔的精度高。帶擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)鉆頭制孔時屬于二次加工，如果系統(tǒng)軸向力增大，系統(tǒng)振動不穩(wěn)定，就會影響制孔質(zhì)量。如果從尺寸精度方面考慮，鉆锪一體化復(fù)合刀具則具有一定的優(yōu)越性。

3)工藝參數(shù)方差分析。

根據(jù)測得的所有孔徑，對工藝參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量fr進(jìn)行方差分析。由于T3、T4刀具制孔時出現(xiàn)制孔異常，因此在分析時只針對T3刀具進(jìn)行方差分析。建立的兩因素方差分析表見表4。

表4 S，fr兩因素方差分析表(檢查單位fr)

方差分析離差平方和計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Xij為不同主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量下的孔徑數(shù)值;T為離差平方和；i為行數(shù)據(jù)；j為列數(shù)據(jù)；QⅠ為行數(shù)據(jù)實際平均值；QⅡ為列數(shù)據(jù)實際平均值；QA為行數(shù)據(jù)樣本方差；QB為列數(shù)據(jù)樣本方差；QE為總數(shù)據(jù)樣本方差；FA為行數(shù)據(jù)百分比方差；FB為列數(shù)據(jù)百分比方差；P為樣本平均值；r為行數(shù)；s為列數(shù)；R為材料影響因子。

若取r=s=5，則行列方差比α=0.05，查表可得在α下孔徑方差Fα:

Fα(r-1,(r-1)(s-1))=Fα(s-1,(r-1)(s-1))=3.006 9

分別對Ⅰ號板、Ⅲ號板出入口孔徑共計4組方差進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 孔徑方差分析結(jié)果

從Ⅰ號板可以看出，主軸轉(zhuǎn)速對孔徑?jīng)]有顯著影響，進(jìn)給量對孔徑有顯著影響。而Ⅲ號板主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量對孔徑都沒有顯著影響。對比Ⅰ號板、Ⅲ號板方差分析結(jié)果，表明制孔方向?qū)讖接幸欢ㄓ绊憽?/p>

4)孔徑偏差原因。

相對于Al，由于材料本身特性，CFRP制孔時存在較為嚴(yán)重的縮孔現(xiàn)象，這是由于用刀具刃口切削時，纖維和基體存在一定的壓縮讓刀現(xiàn)象，當(dāng)切削結(jié)束后，壓縮部分反彈，在宏觀上表現(xiàn)為縮孔。溫度越高，縮孔現(xiàn)象越明顯。而當(dāng)?shù)毒邚腁l方向軸向鉆入工件時，切削的能量在刀具刃口積累，在切削CFRP時刀具溫度明顯比直接鉆CFRP要高，所以造成的縮孔更明顯，導(dǎo)致Al和CFRP端孔徑差距較大。

在三維空間下，制孔時其鉆削力包括3部分：X方向徑向力、Y方向切向力、Z方向軸向力。為了方便起見，將X和Y方向定義為橫向，Z方向定義為縱向。如果鉆頭不是完全對稱的，再加上制孔過程十分復(fù)雜，如切屑的影響、材料的均勻性等，很容易導(dǎo)致制孔過程中徑向力和切向力不能完全相互抵消，倘若再加上工藝系統(tǒng)剛性不足，則易引起制孔過程中的橫向振動。

橫向振動主要由制孔橫向力所產(chǎn)生。在鉆削Al時橫向力要比鉆削CFRP時大，所以在Al/CFRP疊層材料上制孔，制孔方向就起到了很大的作用。如果刀具是從Al方向鉆入工件，此時鉆頭只暴露在Al層中，而鉆削Al層的橫向力又比較大，因此刀具容易產(chǎn)生振動，造成制孔過程不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致Al層孔徑受到影響，且變化比較大。當(dāng)?shù)毒咩@入CFRP后，橫向力減小，制孔過程比較穩(wěn)定，并且此時刀具在Al層中，相當(dāng)于在導(dǎo)向孔中，刀具穩(wěn)定，因此CFRP孔徑變化很小。如果刀具從CFRP方向鉆入工件，雖然鉆頭也是暴露在單層材料中，但是鉆削CFRP層的橫向力比較小，所以刀具制孔穩(wěn)定，孔徑就比Al層孔徑好。而當(dāng)?shù)毒咩@入Al后，盡管鉆削Al層橫向力大，但此時刀具在CFRP中，相當(dāng)于在導(dǎo)向孔中，所以制孔很穩(wěn)定，Al層孔徑變化也小，導(dǎo)致兩材料孔徑偏差較小。

綜上所述，針對制孔的影響，可得出以下結(jié)論：

1)主軸轉(zhuǎn)速S對孔徑D沒有顯著影響，進(jìn)給量fr對孔徑D有顯著影響。隨著fr增大，D先增大后減小，在fr=0.040 mm/r時，D達(dá)到最大值，且Al層和CFRP層孔徑偏差最大，因此fr不適合選取0.040 mm/r附近的參數(shù)。

2)考慮到S與fr的乘積Vf對制孔過程的影響，因此S與fr不能選取較大值，對于Ⅰ、Ⅲ號板，建議S≤5 000 r/min，fr≤0.030 mm/r，即Vf≤150 mm/min，對于Ⅱ號板，要求進(jìn)給量更小一些，建議fr≤0.020 mm/r。

3)為了減小孔徑值和不同材料孔徑偏差值，建議制孔方向為CFRP→Al。

3 結(jié)束語

本文分別從復(fù)材面加工制孔及鋁合金面加工制孔對制孔質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)了在不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、進(jìn)給速度的情況下，制孔變形量與孔徑質(zhì)量之間的關(guān)系，得出如下結(jié)論：

1)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速S和進(jìn)給量fr的綜合速度過大時，對制孔所產(chǎn)生的偏差較大，其合格率也相對較低。

2)通過數(shù)理統(tǒng)計的圖表法及雙因素方差分析法，分別從Al一側(cè)、CFRP一側(cè)對制孔質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理統(tǒng)計，并通過主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量fr、制孔方向等因素對制孔偏差進(jìn)行了分析，可知主軸轉(zhuǎn)速S對孔徑D沒有顯著影響，進(jìn)給量fr對孔徑D有顯著影響。隨著fr增大，D先增大后減小。考慮到S與fr的乘積Vf對制孔過程的影響，故S與fr不能選取較大值。

本文對復(fù)材舵面自動制孔工藝進(jìn)行研究，有益于改進(jìn)復(fù)材加工工藝，提升制孔精度，提高裝配性能。