復材異質疊層半自動制孔工藝參數研究

宋成琳,張璐,董楠,孔繁錦

中航西安飛機工業集團股份有限公司

1 引言

隨著航空工業的不斷發展,優異性能的飛機需求量不斷增加,飛機結構設計、材料性能、制造工藝和加工工具都需要不斷創新[1]。碳纖維復合材料具有強度高、減震性好、耐疲勞、耐高溫、重量輕的優點,在航空航天、軍工等領域中得到了廣泛應用。

碳纖維復合材料的力學性能呈各向異性且層間強度低,加工時容易出現分層、毛刺等缺陷,而鉆削加工是碳纖維復合材料的主要切削加工形式之一,鉆削力直接影響鉆孔質量,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等。本文采用EDU進行半自動制孔工藝參數試驗研究,利用電流作為軸向力和扭矩的間接測量手段,對復材異質疊層制孔過程中的鉆削力進行監測,判斷制孔過程中的轉速和進給量所反映的加工狀態。為復材異質疊層制孔時線速度的選取提供參考,同時也可以滿足復材異質疊層的制孔質量要求。

2 制孔工藝參數

2.1 純復材專用PCD刀具工藝參數

針對φ20mm孔徑、75mm厚復材疊層制孔需求,使用純復材專用的PCD刀具,選取不同線速度并根據v=nπd/1000計算出相應工具轉速,制定試驗方案(見表1)。根據熱—力耦合結果進行分析,采用φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm分刀方案,針對各制孔工序,選取三種線速度進行試驗研究,根據線速度大小計算試驗轉速和進給量,選取直徑φ11.455mm,φ16.0mm,φ19.8mm三種刀具完成試驗。

表1 純復材制孔試驗方案

對上述試驗方案開展純復疊層PCD刀具的EDU制孔試驗,φ11.455mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗結果見圖1,在2532r/min下扭矩最低,軸向力也較低,為較優制孔參數;φ16mm擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果見圖2,在1119r/min下扭矩較低,軸向力最低,為較優制孔參數;φ19.8mm擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果見圖3,在904r/min下扭矩較低,軸向力最低,為較優制孔參數。

圖1 φ11.455mm PCD鉆頭的軸向力和扭矩試驗結果

圖2 φ16mm PCD擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果

圖3 φ19.8mm PCD擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果

根據試驗A1-1制孔的實時曲線進行刀具切削狀態、切削力和扭矩變化分析。當刀具從第一層復合材料層鉆入、從第二層復合材料層鉆出時(見圖4),位置1為復合材料的鉆入點,因在此之前未鉆削材料,故電流整體變化平穩;位置1到位置2階段為復合材料的鉆入階段,在此過程中,隨著參與鉆削的刀具主鉆削刃部分越來越多,主軸進給電機電流出現明顯上升;位置2開始進入復合材料的穩定鉆削階段,在到達位置3過程中,刀具主鉆削刃部分全部參與復合材料層的鉆削加工,電流整體變化平穩,隨著未鉆削復合材料層的不斷減小,復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,刀具開始鉆出復合材料,鉆削阻力隨之減小,故電流出現明顯下降;在位置4處,刀具主鉆削刃部分完全鉆出復合材料,整個制孔過程完成。

圖4 試驗A1-1制孔實時曲線圖與刀具切削狀態分析

2.2 復材與鈦合金疊層用刀具參數

針對φ20mm孔徑、75mm厚復材與鈦合金疊層制孔需求,使用硬質合金涂層鉆鉸刀和擴孔鉆,并選取不同線速度計算出相應工具轉速,制定試驗方案(見表2)。根據前期熱—力耦合分析結果,采用φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm分刀方案,選取三種線速度對各制孔工序進行試驗。根據線速度計算試驗轉速和進給量,選取直徑為φ11.8mm,φ15.8mm,φ19.8mm三種刀具完成試驗。

表2 復材/鈦合金疊層制孔方案

針對上述試驗方案開展復鈦疊層EDU制孔試驗,φ11.8mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗結果見圖5。

圖5 φ11.8mm鉆頭的軸向力和扭矩試驗結果

在404r/min下的扭矩較低,軸向力也較低,綜合考慮制孔效率,此工藝參數為較優制孔參數。同理,φ15.8mm擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果見圖6,211r/min為較優制孔參數。φ19.8mm擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果見圖7,168r/min為較優制孔參數。

圖6 φ15.8mm擴孔鉆的軸向力和扭矩試驗結果

圖7 φ19.8mm擴孔鉆軸向力和扭矩試驗結果

B2-2制孔試驗的實時曲線見圖8,進行刀具切削狀態與切削力、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。在此之前未鉆削材料,故電流整體變化平穩;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,這是由于刀具為臺階擴孔鉆,第一段上升為第一臺階切削,第二段上升為第二臺階切削;從位置2開始進入鈦合金層的穩定鉆削階段,在到達位置3的過程中,電流整體變化平穩,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象,其原因為: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,刀具在到達間隙時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,刀具在短時間內開始復合材料層的切削,故電流在下降后迅速上升;位置3到位置4為疊層過渡區域切削階段,可視為復合材料層的切入階段,在位置4時,第一臺階開始參與復合材料層的切削,到位置5時第二臺階切入,進入復合材料穩定鉆削階段,電流進入平穩階段。在位置6處刀具開始鉆出復合材料層,在位置7處第一臺階切入最后一層鈦合金層,在位置8處第二臺階切入最后一層鈦合金層;在到達位置9的過程中,電流整體變化平穩,隨著鈦合金層的未切削部分不斷減少,電流出現明顯下降;在位置10處刀具切削刃完全鉆出鈦合金層,完成整個疊層材料制孔過程。

2.3 實驗結果

結合孔加工領域的切削材料“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加工對象,選擇自動進給鉆的轉速和進給推薦值,推薦值見表3。

表3 自動進給鉆轉速和進給推薦值

3 結語

采用EDU進行半自動制孔工藝參數試驗,利用電流作為軸向力和扭矩的間接測量手段,對制孔過程中的重要表征量鉆削力進行監測,通過對制孔實時曲線圖進行刀具切削狀態與切削力、扭矩變化分析,在綜合考慮制孔效率和質量的情況下,純復疊層鉆孔推薦線速度約為75mm/min,擴孔推薦線速度為56mm/min左右,復鈦疊層鉆孔推薦線速度約為15mm/min,擴孔推薦線速度為10～13mm/min。該研究不僅為復材異質疊層制孔時線速度的選取提供參考依據,還滿足了復材異質疊層的加工質量要求。