飞机叠层材料精密制孔工艺研究

　　摘要:针对叠层材料在数控机加制孔中出现的孔口孔径超大、孔壁表面缺陷等质量问题，从工艺方案、叠层间隙、刀具动平衡等方面着手，分析了叠层材料孔口孔径超大和孔壁表面缺陷的要因。基于分析结果提出了叠层材料装配组件制备过程的优化方法及其阶梯组合制孔的技术方案，并在A350客机大型叠层材料构件上应用。应用结果表明，该研究极大地提高了叠层材料制孔质量，制孔合格率也由70%提升至95%以上，实现了叠层材料高精度孔的数控加工。

　　关键词:叠层材料,工艺方案,阶梯组合制孔

　　随着航空装备技术的不断发展，对航空装备的性能提出了更高的要求，引入了大量的新型高性能材料，其中由碳纤维复合材料、液体垫片(含剥离纤维)与金属材料等构成的叠层构件凭借其得天独厚的优势而在飞机机翼和尾舵等组件中得到广泛应用[1]，尤以空客A350飞机应用最多，其机翼下垂板、扰流片均采用叠层材料组成的构件。

　　这种叠层构件可有效改善或克服各组分材料的弱点，充分发挥各组分材料的优点，获得单一组分材料不易具备的性能和功能，并可以按照结构和受力的要求进行材料叠层的最佳设计。但叠层构件各层材料的物理力学特征及加工机理的不同给叠层材料的数控加工带来了巨大的挑战，尤其是叠层构件的数控制孔。

　　在叠层构件上制孔时，刀具必须应对不同的材料加工性能、叠层间的间隙、切屑成形以及排屑等问题，因此由于层间材料性能不同，制孔中易导致切削过程不稳定、孔口孔径超大、孔壁表面缺陷等质量问题，是典型的难加工材料。

　　面向叠层材料制孔过程中的难题，国内外学者在其切削机理、刀具以及工艺参数等方面进行了一定的研究，并取得了较多的成果，国外学者Takashi等人利用钻削力模型预测了碳纤维复合材料和钛合金叠层的切屑流动，为后续制孔方案以及刀具优化提供了强有力的支撑[2];C.L.Kuo用金刚石涂层钻头对Al/CFRP/Ti叠层构件进行制孔实验，并分析了不同工艺参数对孔表面完整性的影响[3]。

　　RedouaneZitoun等人使用硬质合金麻花钻探究了工艺参数对CFRP/Al叠层制孔质量的影响规律，发现对于CFRP材料，使用低进给量时孔径的圆度及表面质量较好[4];B.Denkenal等人从加工方式出发，采用“以铣带切”的加工方式对叠层构件进行制孔，并能取得良好的加工质量[5];J.Choi等人建立了钻削叠层材料层间间隙的数学模型，指出了预紧压力对层间间隙的影响[6];Newtonhe和Melkote等通过实验详细研究了叠层材料制孔孔口毛刺高度的影响因素，并研究发现钻头顶角、夹紧装置、压紧装置与孔的间距对层间间隙大小影响最大[8]。

　　国内学者张选龙研究了碳纤维复合材料与钛合金叠层构件钻削加工的缺陷，研究了一体化制孔的钻削方式，并通过变工艺参数的优化策略提高了孔的精度和质量[9];孙鑫对叠层模型进行简化，利用ABAQUS软件模拟了不同压紧方式和压紧力对叠层构件层间间隙的影响大小，并通过实验进行了验证[10]。

　　现有的研究文献给叠层材料制孔提供一定的解决途径，但对叠层材料的叠层间隙的处理以及其数控制孔工艺方案研究甚少，以至于该叠层材料现场制孔过程中依然存在孔径超大、孔壁以及孔口缺陷等问题。

　　针对叠层材料制孔中出现一系列问题，本文以A350飞机机翼和尾舵中的叠层材料为研究对象，通过现场试验分析了其制孔缺陷的要因，基于分析结果，开展了叠层材料制孔过程的装配以及制孔方式研究，提出了叠层材料装配组件制备过程的优化方法以及阶梯组合钻孔的制孔方法，解决了叠层材料制孔缺陷。提高了叠层材料的制孔质量和合格率。

　　1叠层材料特征及其制孔难点

　　A350项目是空客公司远程飞机系列的最新型号，其复合材料重量占全机结构重量的52%，是迄今为止，复合材料结构重量占全机结构重量比例最大的一种新型客机，同时其机翼下垂板、扰流片大量应用叠层材料，且工艺方案复杂，加工精度要求高，给目前传统的单材质加工方法带来极大挑战。

　　1.1叠层材料特征

　　A350项目叠层材料由铝合金、碳纤维夹层结构以及液体垫片(含玻璃纤维)等复合材料构成，其中液体垫片的作用是填充铝合金零件与碳纤维夹层结构外形面之间的间隙，弥补上述两种零件在装配时由于外形误差而出现的装配不协调问题。

　　1.2叠层材料制孔难点

　　叠层材料主要加工内容为制孔，尤其是高精度孔，以提高零件的连接强度、配合精度。在实际工程应用中通常采用多道工序分别加工碳纤维复合材料和金属件，然后组装在一起，但是由于应用领域的特殊性，飞机上的叠层构件是通过液体垫片将各连接件组装在一起时加工出来的，因此叠层材料制孔的特殊性造成叠层材料制孔表现出以下几处难点:(1)各层材料的力学性能及加工特性的迥异性增加了叠层材料制孔的难度，加工中刀具需要连续穿过多种材料，切削力在层间会出现突变，这种突变会对周边区域造成冲击，进而易造成孔壁缺陷以及孔口直径超大等现象。(2)叠层材料各层材料的不完全贴合导致了叠层间隙，致使加工过程中产生的废屑聚集在间隙中无法排除并反复刮蹭孔壁各层孔口，从而造成孔壁缺陷以及孔口纤维剥离。

　　2叠层材料制孔问题分析

　　2.1叠层材料制孔缺陷因素分析

　　为了实现叠层材料孔的高质加工，通过现场试验对影响叠层材料制孔缺陷的相关因素进行了逐一分析。对影响叠层材料制孔缺陷的7个相关因素进行分析确认，金属接头与液体垫片之间的间隙”和“钻孔方式”是影响制孔缺陷的要因，其余均为非要因。要实现叠层材料的钻孔加工，先要对叠层材料各个组件进行组装。

　　首先将金属接头粘上胶带，该接头材料为铝合金;其次在碳纤维组件接头配合处刷涂液体垫片(含玻璃纤维);最后通过限位器将金属接头与碳纤维零件固定在工装上，实现零件的组装，固化后形成叠层材料。通过对多架份的液体垫片表面检查发现，装配人员对垫片的刷涂质量难以保证，垫片表面质量较差，存在凹坑、褶皱等质量问题，从而导致碳纤维零件和铝合金层之间存在叠层间隙。

　　为确认叠层间隙大小对制孔的质量的影响，选取不同间隙的叠层板材料进行钻孔，观察孔质量。从实验结果中可知，装配间隙对孔加工质量影响显著，且间隙越大，精孔加工质量越差。

　　2.2叠层材料的制孔方案分析

　　针对叠层材料的制孔，当前采用的是一体化钻削技术，但是受叠层材料力学特性和加工特性的影响，制孔质量难以保证。一体化钻削方式，还不能满足高质量孔的要求。

　　3叠层材料制孔工艺研究

　　基于叠层材料制孔问题的分析，本文在结合实际工况条件下，对叠层材料制孔过程中的叠层间隙、以及制孔方案进行了研究，并提出了可行的解决方案。

　　3.1叠层材料装配组件制备过程的研究

　　在分析液体垫片凹坑产生原因的过程中，发现叠层间隙出现的部位与铝合金零件上的胶带褶皱或气泡处位置基本对应。经过跟踪现场加垫过程，发现操作人员在向铝合金零件底面粘贴单面时，因为粘胶带面不是平面，存在多处转折，造成胶带粘贴不平整，存在褶皱和气泡;此外，操作人员刷涂液体垫片时，局部区域刷涂量不够，导致液体垫片与铝合金粘胶带面接触不完全。

　　因此，提出一种分区域粘贴单面胶带的方式，即将铝合金粘胶带面分为3个部分，每个部分近似平面，可以实现胶带的平整粘贴，然后通过增加金属接头处液体垫片刷涂量，保证溢胶超出接头轮廓范围2mm以上。采用厚度为0.01mm的塞尺进行检验，发现其间隙均符合要求，达到了消除金属接头与液体垫片之间间隙的目的。

　　3.2基于阶梯组合钻孔的制孔方法

　　针对叠层复合材料，在规避生产要素限制的前提下，提出了阶梯组合钻孔的制孔方法，依据材料的不同进行分层钻削，首先加工碳纤维夹芯层，在碳纤维夹芯层制出初孔，然后选用直径小于初孔的钻头在铝合金层加工初孔，最后将碳纤维夹芯层与铝合金层作为整体，通过扩孔和铰孔，实现碳纤维夹芯-铝合金叠层材料高精孔的加工。

　　利用小直径钻头在初孔基础上制铝合金通孔的目的是改善钻铝合金时的排屑状态，以及减少钻终孔时的铝合金切削量，从而提高孔的加工质量。改善后，叠层材料组件精孔加工孔口质量好，且无超差现象。

　　4叠层材料精密制孔技术示范应用

　　叠层材料精密制孔加工技术的突破，解决了叠层材料制孔缺陷的瓶颈问题。该技术成果已在A350项目上得以成功应用，解决了A350项目投产初期，因为叠层复合材料高精度孔孔径超差，累计造成8件零件实物故障，导致项目进度严重滞后，影响零件发运计划的难题。采用新技术方案后，精孔全部加工合格，迄今为止再未出现精孔孔径超差故障。

　　5结语

　　本文针对叠层材料制孔中出现的孔口孔径超大、孔壁表面缺陷等质量问题，通过现场试验得出叠层间隙、制孔方式为制孔缺陷产生的主要原因。基于原因分析，结合实际工况提出了消除叠层间隙的装配组件制备方法，以及阶梯组合制孔的技术方案，实现了叠层材料高精度孔的数控加工。

　　参考文献

　　[1]刘姿.飞机壁板叠层材料精密制孔工艺研究[D].南京:南京航空航天大学，2015.

　　[2]TakashiMatsumura，Shoichiamnia.Cuttingforcemodelindrillingofmulti-layeredmaterials[J].ProcediaCIFP，2013:182-187.

　　[3]KuoCL，SooSL，AspinwallDK.Theeffectofcuttingspeedandfeedrateonholesurfaceintegrityinsingleshotdrillingofmetallic-compositestacks[J].ProcediaCIRP，2014，13:405-410.

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