飛機(jī)弱剛性疊層自動(dòng)制孔錯(cuò)孔分析

付建超，譚明維，楊建成，張 龍，連志敏

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

機(jī)械連接是飛機(jī)最主要的連接方式，通常一架飛機(jī)設(shè)計(jì)有上百萬(wàn)的連接件，用于實(shí)現(xiàn)框、梁、蒙皮等結(jié)構(gòu)件的連接[1]，而這些連接區(qū)往往也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，對(duì)飛機(jī)的疲勞壽命有著明顯的影響。連接孔的局部應(yīng)力集中將會(huì)導(dǎo)致裂紋，隨后導(dǎo)致部件失效，因此飛機(jī)疊層制孔是飛機(jī)裝配過(guò)程中重要的一環(huán)[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制孔仍主要采用手工制孔的方式，手工制孔易出現(xiàn)孔徑超差、橢孔、垂直度差等缺陷，同時(shí)制孔步驟較為繁雜，包含鉆孔、鉸孔、锪窩等多道工序。隨著復(fù)合材料與鈦合金等難加工材料在新一代飛機(jī)上大量使用，傳統(tǒng)的手工制孔在制孔質(zhì)量與效率上已經(jīng)難以滿足制造要求，因此為了提高制孔質(zhì)量與生產(chǎn)效率，采用自動(dòng)化制孔成為必然選擇。目前應(yīng)用效果較為理想的自動(dòng)化疊層制孔工藝為鉆鍃一體加工工藝，通過(guò)特制鉆鍃一體刀具，實(shí)現(xiàn)疊層一刀加工形成終孔，在保證加工質(zhì)量的前提下大大提升了制孔效率[4-5]。

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件厚度普遍較薄，在制孔過(guò)程中易產(chǎn)生變形。在傳統(tǒng)手工制孔時(shí)，采用了多道工序完成制孔，單次鉆孔與鉸孔的切削量不大，軸向切削力較小，因此疊層變形也較小,但在鉆鍃一刀加工工藝中，由于一刀形成終孔，切削量較大，造成軸向切削力較大，結(jié)構(gòu)變形明顯，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)易產(chǎn)生層間毛刺與層間錯(cuò)孔現(xiàn)象[6-8]。層間毛刺得到了較多的關(guān)注，研究人員提出了通過(guò)增加壓腳壓緊力、減小切削力等等手段減少層間毛刺[9-11]，但缺少針對(duì)層間錯(cuò)孔的研究，僅清華大學(xué)的高宇浩等人開(kāi)展了少量研究[12]。

當(dāng)疊層出現(xiàn)錯(cuò)孔時(shí)，連接件在疊層界面將受到顯著增加的剪切載荷，極易造成連接件壽命下降，影響整機(jī)壽命[13-14]。經(jīng)過(guò)大量制孔結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，層間錯(cuò)孔現(xiàn)象主要發(fā)生在弱剛性結(jié)構(gòu)處，如機(jī)表壁板與鋁合金帶板，最大錯(cuò)孔量可達(dá)0.04 mm，而對(duì)于剛性較好的部位，如機(jī)表壁板與主框、大梁的連接處，幾乎不存在層間錯(cuò)孔，因此研究飛機(jī)弱剛性疊層錯(cuò)孔的影響因素具有重要意義。

1 弱剛性疊層制孔錯(cuò)孔形成過(guò)程

1.1 典型弱剛性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在大量統(tǒng)計(jì)分析制孔結(jié)果錯(cuò)孔量后，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)孔主要集中在下層材料為鋁合金且厚度較薄的部位。該部位的典型結(jié)構(gòu)特征如圖1所示，疊層的上層為碳纖維復(fù)材，典型厚度為4 mm，疊層的下層為鋁合金，典型厚度為2～3 mm，且下層鋁合金零件通常為帶板，其結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，無(wú)筋、肋等加強(qiáng)特征。疊層通過(guò)間隔一定間距的抽釘連接，抽釘間距100～300 mm不等。

圖1 錯(cuò)孔集中部位結(jié)構(gòu)特征示意圖

1.2 疊層制孔錯(cuò)孔形成過(guò)程

圖2為疊層材料制孔的各個(gè)階段。圖2a為疊層鉆孔前的初始狀態(tài)。圖2b為鉆削上層碳纖維復(fù)材層時(shí)的受力情況，此時(shí)上層復(fù)材層受末端執(zhí)行器施加的壓力Fp與鉆削過(guò)程產(chǎn)生的軸向鉆削力Ft，上層復(fù)材層與下層鋁合金層共同發(fā)生彎曲變形，兩層之間不產(chǎn)生明顯的間隙。圖2c為鉆削下層鋁合金層的受力情況，上層復(fù)材層由于自身剛性較好且不再受鉆削力Ft的作用，相對(duì)于圖2b產(chǎn)生部分變形回彈，鉆削力Ft單獨(dú)作用于下層鋁合金層上。由于上層復(fù)材層材料強(qiáng)度高，厚度較厚，結(jié)構(gòu)剛性明顯優(yōu)于下層鋁合金層。同時(shí)，由于鋁合金層所受的切削力大于復(fù)材層所受的壓緊力，因此鋁合金層會(huì)發(fā)生比復(fù)材層更加劇烈的變形，上下疊層發(fā)生分離，產(chǎn)生層間間隙。此時(shí)刀具對(duì)上層復(fù)材層存在鉸孔效果并鉆削形成下層鋁合金層的通孔。由于工件的變形，理想的制孔軸線會(huì)隨工件彎曲發(fā)生變化，使得實(shí)際制孔軸線與理論制孔軸線存在偏差。圖2d鉆削結(jié)束后，上下層疊層變形回彈后形成的錯(cuò)孔結(jié)果[12]。

(a) 初始狀態(tài) (b) 鉆削上層

2 疊層錯(cuò)孔量理論計(jì)算

2.1 建立二維簡(jiǎn)化的力學(xué)模型

連接使用的抽釘在安裝后提供的拉緊力約為2000 N，遠(yuǎn)大于切削過(guò)程中的壓緊力(約200 N)與切削軸向力(約250 N)，因此可將相鄰兩抽釘間的疊層梁簡(jiǎn)化成兩端固支梁結(jié)構(gòu)，二維簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖3所示，力F的作用點(diǎn)為鉆孔位置。

圖3 二維簡(jiǎn)化力學(xué)模型

2.2 錯(cuò)孔量計(jì)算

對(duì)于簡(jiǎn)化后的兩端固支梁結(jié)構(gòu)，在小變形情況下，上下層橫截面形心的軸向位移很小，因此其產(chǎn)生錯(cuò)孔的主要原因?yàn)樯舷聦釉趬壕o力與切削力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使制孔孔壁與結(jié)構(gòu)表面不垂直，在疊層的交界處出現(xiàn)錯(cuò)孔。在不考慮橫截面形心軸向變形的情況下，疊層在下層切削形成的錯(cuò)孔結(jié)果如圖4所示，TA為上層復(fù)材的厚度；TB為下層鋁合金的厚度；θA為上層復(fù)材在壓緊力作用下產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角；θB為下層鋁合金在壓緊力作用下產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角。

圖4 錯(cuò)孔示意圖

上下疊層在交界面產(chǎn)生的錯(cuò)孔量可以表示為：

(1)

2.3 結(jié)構(gòu)受力變形計(jì)算

在切削下層鋁合金時(shí)，由于鋁合金層的剛性小于復(fù)材層，且鋁合金所受的切削力大于復(fù)材層所受的壓緊力，因此上下疊層將發(fā)生顯著變形分離，產(chǎn)生間隙。此時(shí)可以忽略鋁合金與復(fù)材的相互作用力，近似看做上層復(fù)材僅受壓緊力Fp，下層鋁合金僅受鉆削力Ft。將鋁合金和復(fù)材的變形單獨(dú)計(jì)算，則可以將受力情況簡(jiǎn)化為圖5，復(fù)材與鋁合金疊層在兩端各受支反力FA、FB與支反力矩MA、MB作用。

圖5 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

以下層鋁合金變形計(jì)算為例，其受力情況如圖6所示。

圖6 下層梁受力示意圖

受力平衡方程為：

∑F=0
∑M=0

(2)

對(duì)于固定梁兩側(cè)，其截面轉(zhuǎn)角應(yīng)為0，因此可增加變形協(xié)調(diào)方程：

θB1=0
θB2=0

(3)

利用疊加法，可得到固定梁左右兩端的轉(zhuǎn)角分別為：

(4)

可得：

(5)

轉(zhuǎn)角為：

(6)

因此，下層鋁合金在鉆削力Ft作用點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為：

(7)

式中，

(8)

同理，上層復(fù)材在壓緊力Fp作用點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為：

(9)

式中，

(10)

綜合式(1)、式(7)、式(9)，即可估算出弱剛性結(jié)構(gòu)梁在壓緊力及鉆削力作用下的錯(cuò)孔量。

2.4 錯(cuò)孔量分析

實(shí)際加工中的典型參數(shù)如表1所示，在該參數(shù)下的的錯(cuò)孔分布如圖7所示。

表1 錯(cuò)孔量計(jì)算參數(shù)表

圖7 錯(cuò)孔分布情況

錯(cuò)孔量最大的位置發(fā)生在約0.28L與0.72L的位置，綜合最大錯(cuò)孔量約為0.022 mm，其中復(fù)材層的最大錯(cuò)孔量約為0.005 mm，占比22.7%，鋁合金層的最大錯(cuò)孔量約為0.017 mm，占比77.3%，因此錯(cuò)孔的主要原因?yàn)殇X合金層彎曲變形。在靠近抽釘連接處，由于抽釘?shù)睦o作用，錯(cuò)孔量較小。在梁的正中間，由于上下層懸臂梁的變形轉(zhuǎn)角均為0，此處雖然會(huì)出現(xiàn)上下層分層的現(xiàn)象，但最終不會(huì)形成上下層錯(cuò)孔。由此可知，在下層材料剛性較弱，上層材料剛性較好時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)孔的主要原因?yàn)橄聦硬牧显谇邢鬟^(guò)程受力產(chǎn)生的彎曲變形。

2.5 各因素對(duì)錯(cuò)孔量的影響

由于在實(shí)際情況中，復(fù)材層的厚度TA、壓緊力Fp、切削力Ft均相對(duì)穩(wěn)定，在此主要分析抽釘間距L、鋁合金層厚度TB、鋁合金層寬度wB對(duì)錯(cuò)孔量的影響。

(1)抽釘間距L對(duì)錯(cuò)孔量的影響。隨著抽釘間距L減小，疊層結(jié)構(gòu)的錯(cuò)孔量顯著下降，如圖8所示。當(dāng)L由350 mm減小至100 mm后，抽釘間距減少71.4%，最大錯(cuò)孔量由0.042 9 mm下降至0.003 5 mm，下降91.8%?，F(xiàn)場(chǎng)孔徑精度要求為H9，對(duì)于φ6.1的螺栓孔，公差范圍為0～0.036 mm，因此可將最大抽釘間距確定為150 mm。在實(shí)際產(chǎn)品加工過(guò)程中，由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征確定，在局部區(qū)域可通過(guò)減小抽釘間距、減小下層切削進(jìn)給速度從而降低切削力來(lái)減小錯(cuò)孔量。

圖8 不同間距L的錯(cuò)孔量

(2)鋁合金層厚度TB對(duì)錯(cuò)孔量的影響。圖9為抽釘間距為150 mm時(shí)，不同鋁合金厚度下的制孔錯(cuò)孔量。由此結(jié)果可知，隨著鋁合金厚度減小，疊層結(jié)構(gòu)的錯(cuò)孔量增大。在最小厚度2 mm的情況下，最大錯(cuò)孔量為0.015 4 mm。

圖9 不同鋁合金厚度TB的錯(cuò)孔量

(3)鋁合金層寬度wB對(duì)錯(cuò)孔量的影響。圖10為抽釘間距為150 mm，鋁合金厚度2 mm時(shí)，不同鋁合金寬度下的制孔錯(cuò)孔量。實(shí)際產(chǎn)品寬度在60～80 mm之間變化，隨著鋁合金寬度的減小，疊層結(jié)構(gòu)的錯(cuò)孔量增大。最小寬度60 mm的情況下，最大錯(cuò)孔量為0.019 8 mm。

圖10 不同鋁合金寬度wB的錯(cuò)孔量

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)樣件

工藝試驗(yàn)開(kāi)展的依據(jù)為理論分析結(jié)果與產(chǎn)品特征，選擇使用了碳纖維復(fù)合材料板與7050鋁合金板，復(fù)材板的尺寸為：300 mm×80 mm×4 mm，鋁合金板的材料為：300 mm×80 mm×3 mm。碳纖維復(fù)材板與鋁合金板通過(guò)8顆抽釘連接，抽釘牌號(hào)為AF5075-4-3，單顆抽釘能提供約2000 N拉力。疊層板在拉緊后貼合程度較好，目視檢查沒(méi)有明顯間隙，試驗(yàn)樣件與裝夾條件如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)樣件與裝夾條件示意

共在鋁板上制孔57個(gè)，制孔位置如圖12所示，其中X方向的孔間距為12 mm，Y方向的孔間距為20 mm。

圖12 制孔孔位

3.2 切削刀具及切削參數(shù)

切削使用的刀具為山特維克的鉆鍃一體刀具，刀具直徑為6.112 mm。切削使用的切削參數(shù)為：復(fù)材層切削轉(zhuǎn)速為4000 r/min，進(jìn)給速度為160 mm/min，鋁合金層切削轉(zhuǎn)速為4000 r/min，進(jìn)給速度為160 mm/min，壓緊力大小為200 N，采用干切的切削方式。

3.3 測(cè)孔量結(jié)果

測(cè)量錯(cuò)孔量使用的工具是INSIZE公司的數(shù)顯內(nèi)測(cè)千分尺，測(cè)量范圍為6～8 mm。錯(cuò)孔量的測(cè)量原理如圖13所示，先測(cè)量上層復(fù)材疊層的孔徑D1，然后測(cè)量上下層交界處直徑D2，則錯(cuò)孔量：

圖13 錯(cuò)孔量的測(cè)量原理示意圖

ΔD=D1-D2

(11)

圖14為疊層制孔試驗(yàn)錯(cuò)孔量結(jié)果。

(a) 1～9號(hào)孔錯(cuò)孔量，最大錯(cuò)孔量為0.035 mm (b) 20～38號(hào)孔錯(cuò)孔量，最大錯(cuò)孔量為0.029 mm

試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)測(cè)錯(cuò)孔量與理論計(jì)算值的存在一定偏差，偏差大小為0.001～0.01 mm，但實(shí)際錯(cuò)孔量的分布趨勢(shì)與理論計(jì)算值較為一致。

4 結(jié)論

本文對(duì)飛機(jī)弱剛性疊層自動(dòng)制孔中產(chǎn)生的錯(cuò)孔現(xiàn)象開(kāi)展研究，分析了自動(dòng)化制孔中易出現(xiàn)錯(cuò)孔的弱剛性結(jié)構(gòu)特征，將其簡(jiǎn)化為上層剛性強(qiáng)、下層剛性弱的兩端固支疊層梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)疊層梁的二維簡(jiǎn)化受力模型，計(jì)算了疊層在壓緊力與切削力綜合作用下的變形量與在交界面產(chǎn)生的錯(cuò)孔量，在下層材料剛性較弱、上層材料剛性較好時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)孔的主要原因?yàn)橄聦硬牧显谇邢鬟^(guò)程受力產(chǎn)生的彎曲變形，最大錯(cuò)孔量發(fā)生在兩相鄰預(yù)連接件約0.28L與0.72L的位置。

針對(duì)弱剛性疊層自動(dòng)制孔錯(cuò)孔控制問(wèn)題，研究了錯(cuò)孔生產(chǎn)的各項(xiàng)影響因素。根據(jù)實(shí)際加工情況，將上層復(fù)材層的厚度、壓緊力、切削力作為定值，詳細(xì)分析了其余各變量對(duì)錯(cuò)孔量的影響，隨著下層鋁合金層的厚度減少、寬度變小以及抽釘間距減小，錯(cuò)孔量均會(huì)顯著增加。在實(shí)際產(chǎn)品加工過(guò)程中，由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征確定，可通過(guò)減小抽釘間距、減小下層切削進(jìn)給速度從而降低切削力來(lái)減小錯(cuò)孔量。在工藝驗(yàn)證試驗(yàn)中，試驗(yàn)件加工后的實(shí)測(cè)錯(cuò)孔量與理論計(jì)算錯(cuò)孔量存在0.001～0.01 mm的偏差，分布趨勢(shì)較為一致。