玻璃纖維與鈦合金疊層的裝配制孔工藝技術(shù)研究

邢欣，王偉，趙凌云，王志超，孔繁錦，幸銳

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

新型高溫固化環(huán)氧玻璃纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模及耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。由于玻璃纖維復(fù)合材料與鈦合金的性能差異較大，針對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層進(jìn)行高質(zhì)量制孔成為飛機(jī)制造業(yè)中的一大難題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同疊層材料制孔展開了試驗(yàn)與研究。山特維克通過分析復(fù)合材料的加工機(jī)理，研制出了基于燒結(jié)技術(shù)的鉆頭，減緩了復(fù)合材料的分層[1]；吳碧金等[2]在復(fù)合材料板上對(duì)金剛石涂層匕首鉆和普通鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)，得出了金剛石涂層匕首鉆更適合復(fù)合材料的加工；章易鐮等[3]通過對(duì)CFRP/Ti疊層的變參數(shù)鉆削、原理及自適應(yīng)鉆孔工藝等進(jìn)行研究，開發(fā)出了異性難加工疊層自適應(yīng)制孔功能模塊。飛機(jī)平尾前緣玻璃纖維與鈦合金疊層加工工況復(fù)雜，疊層材料貼合面間隙大，無(wú)法徹底夾緊，鉆孔過程中玻璃纖維出孔面極易出現(xiàn)分層缺陷(見圖1)。

圖1 分層缺陷圖2 復(fù)合材料制件孔間分層

平尾前緣蒙皮曲率大，空間受限程度高，無(wú)法通過增加工藝墊板或紙膠帶的方法解決出孔面的分層缺陷。為了研究疊層制孔的最優(yōu)工藝方案及制孔刀具，針對(duì)常用鉆頭、三尖兩刃鉆頭及斜刃匕首鉆進(jìn)行疊層制孔對(duì)比試驗(yàn)，探究三種刀具在相同試驗(yàn)條件下的切削性能、制孔穩(wěn)定性及制孔效率，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，完成金屬與新型玻璃纖維疊層材料擴(kuò)孔專用直刃匕首鉆的制造，且針對(duì)此疊層的切削性能差異提出了逐層加工的裝配工藝方案。

2 疊層制孔缺陷形成機(jī)理分析

針對(duì)疊層制孔目前遇到的問題，基于鈦合金與復(fù)材特性，明確了分層缺陷是材料在鉆削過程中由于軸向力對(duì)未切削材料的堆擠作用超過了復(fù)合材料層間的剪切強(qiáng)度而造成的，通過對(duì)比普通鉆頭、三尖兩刃鉆頭及斜刃匕首鉆對(duì)鈦合金與復(fù)材疊層制孔的適用性實(shí)驗(yàn)，探究三種刀具是否滿足切削要求。

2.1 新型玻璃纖維復(fù)合材料及鈦合金性能分析

新型玻璃纖維屬于難加工材料。玻璃纖維復(fù)合材料主要以纖維及纖維制品為增強(qiáng)材料，合成樹脂為基體材料，各層纖維組織有玻璃布、帶、氈和紗等，且纖維組織不均勻，纏繞方式雜亂無(wú)規(guī)律。在鉆削過程中，軸向力對(duì)未切削材料的堆擠作用超過了復(fù)合材料層間的剪切強(qiáng)度時(shí)，且在切削熱和切削力的共同作用下，易出現(xiàn)分層、劈裂和出孔面纖維拔出等問題(見圖2～圖4)。為避免此類問題，在玻璃纖維制孔過程中應(yīng)采用低進(jìn)給量鉆削。

(a)入孔面

(a)織物類

鈦合金屬于典型的難加工材料。由于鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑且導(dǎo)熱性能差，在高溫下，切削區(qū)域溫度上升迅速，形成較大的熱應(yīng)力，容易造成刀刃破損，發(fā)生黏刀與燒刀現(xiàn)象，使切削性能與切削精度降低。為避免此類問題，在鈦合金制孔過程中采用較低的切削速度。

2.2 傳統(tǒng)工藝方案適用性分析

由兩種材料性能分析可得，玻璃纖維復(fù)合材料與鈦合金的性能差異較大，適合玻璃纖維復(fù)合材料的切削速度較高，而適用于鈦合金的切削速度較低，因此無(wú)法用相同的切削速度對(duì)疊層進(jìn)行制孔加工，需使用其他工藝方案。

常規(guī)擴(kuò)孔鉆和鉸刀無(wú)法消除玻璃纖維鉆孔產(chǎn)生的分層缺陷，且擴(kuò)鉸孔后分層缺陷更加嚴(yán)重，而普通匕首鉆又無(wú)法加工疊層中的金屬材料，且易出現(xiàn)排屑困難和單層材料擴(kuò)孔出現(xiàn)的孔徑超差等問題。通過梳理新型玻璃纖維的現(xiàn)場(chǎng)加工信息，分析玻璃纖維的材料特性，依據(jù)碳纖維材料的加工經(jīng)驗(yàn)，選用高轉(zhuǎn)速(n=6300r/min)的手槍鉆作為制孔工具，選用常規(guī)鉆頭、斜刃匕首鉆和三尖兩刃鉆作為鉆孔刀具，開展刀具切削對(duì)比試驗(yàn)(見表1)。

表1 刀具切削試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，斜刃匕首鉆可以有效解決純玻璃纖維疊層材料存在的分層缺陷，但三種刀具均無(wú)法解決玻璃纖維疊層材料制孔的其他問題。常規(guī)鉆頭與三尖兩刃鉆頭的鉆尖部位都有分裂橫刃，在本次切削實(shí)驗(yàn)中分裂橫刃并無(wú)切削功能，但產(chǎn)生了軸向力，使玻璃纖維產(chǎn)生分層、劈裂和毛刺，同時(shí)在鉆孔過程中產(chǎn)生大量熱量，這是玻璃纖維制孔過程中產(chǎn)生缺陷的主要原因。因此，傳統(tǒng)工藝方案及刀具不適用于玻璃纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層的制孔。

3 逐層加工工藝方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

本次疊層制孔試驗(yàn)對(duì)象為玻璃纖維復(fù)合材料/鈦合金/玻璃纖維復(fù)合材料，其中兩個(gè)玻璃纖維復(fù)合材料的厚度均為4mm；鈦合金的厚度為2mm；選用高轉(zhuǎn)速(n=6300r/min)的手槍鉆作為制孔工具，減小切削時(shí)的軸向力，進(jìn)而降低加工時(shí)材料的分層缺陷程度；分別選用φ3.2mm的斜刃匕首鉆和φ3.2mm的鉆頭在復(fù)材和鈦合金上鉆初孔，采用φ4.1mm的直刃匕首鉆對(duì)疊層進(jìn)行擴(kuò)孔，φ4.2mm的鉸刀對(duì)疊層進(jìn)行鉸孔。

分析疊層制孔缺陷形成的機(jī)理，提出逐層加工的工藝方案來解決鈦合金與玻璃纖維疊層材料出孔面的分層缺陷，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1)使用直徑3.2mm的斜刃匕首鉆在第一層玻璃纖維上制初孔。

(2)將第一層玻璃纖維與鈦合金重疊，以第一層玻璃纖維上導(dǎo)孔為基準(zhǔn)，使用直徑3.2mm的鉆頭在鈦合金上制孔。

(3)制孔后的玻璃纖維與鈦合金疊層，與第二層玻璃纖維重疊，以疊層上導(dǎo)孔為基準(zhǔn)，使用直徑3.2mm的斜刃匕首鉆在第二層玻璃纖維上制孔。

(4)使用直徑4.1mm的專用直刃匕首鉆對(duì)所有疊層進(jìn)行擴(kuò)孔。

(5)使用直徑4.2mm的普通鉸刀對(duì)所有疊層進(jìn)行鉸孔，逐層制孔加工流程如圖5所示。

圖5 玻璃纖維+鈦合金+玻璃纖維疊層材料逐層加工流程

試驗(yàn)要求孔徑范圍為4.167～4.242mm，通過測(cè)量，最終孔徑為4.205mm，滿足孔徑要求。與傳統(tǒng)工藝方案相比，孔口光潔度得到了明顯改善(見圖6)。

圖6 改進(jìn)前后制孔效果對(duì)比

通過對(duì)常規(guī)鉆頭、三尖兩刃鉆頭與斜刃匕首鉆的分析與論證，針對(duì)新型玻璃纖維疊層材料制孔研制了多種結(jié)構(gòu)形式的刀具，基于相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及加工分析(見表2)，最終選擇了專用直刃匕首鉆(見圖7)。

表2 玻璃纖維材料加工方案

該刀具是集鉆、鉸于一體的復(fù)合刀具，與常規(guī)鉆頭和三尖兩刃鉆頭相比，直刃匕首鉆在鉆尖位置無(wú)分裂橫刃，使制孔過程的軸向力大幅減小，其切削刃刃口鋒利，更易切斷纖維，在一定程度上減小了新型玻璃纖維制孔過程中的分層、劈裂和毛刺問題；將匕首鉆由斜刃改為直刃，解決了制孔過程中排屑困難的問題。經(jīng)刀具切削試驗(yàn)，自制直刃匕首鉆的切削性能完全滿足該疊層材料的加工要求，試驗(yàn)結(jié)果得到了認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新型玻璃纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層切削性能分析及制孔工藝方案研究，通過疊層制孔試驗(yàn)對(duì)常規(guī)鉆頭、三尖兩刃鉆頭及斜刃匕首鉆三種刀具進(jìn)行對(duì)比分析，取得了以下成果。

(1)完成了新型玻璃纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層制孔的工具選型方案、刀具方案和工藝加工方案，提出逐層加工的裝配工藝方法，解決了新型玻璃纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層制孔產(chǎn)生的分層缺陷問題，積累了玻璃纖維復(fù)合材料制孔的加工經(jīng)驗(yàn)，一定程度填補(bǔ)了新型玻璃纖維復(fù)合材料加工區(qū)域的技術(shù)空白，為新型玻璃纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用提供了重要技術(shù)保障，為新型玻璃纖維復(fù)合材料在新機(jī)型上的研制與使用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)完成了金屬與新型玻璃纖維疊層材料擴(kuò)孔專用直刃匕首鉆的制造，使其具備金屬與新型玻璃纖維疊層材料擴(kuò)孔專用直刃匕首鉆的制造能力，解決了新型玻璃纖維存在的分層缺陷，保證了飛機(jī)的研制進(jìn)度。

(3)裝配孔質(zhì)量好，無(wú)需裝配孔的后續(xù)修整處理工序，使裝配制孔效率提高了3倍以上。