劉坤祥，高延峰，楊 興

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP)具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕等優(yōu)良性能，且容易整體成型，適合制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、汽車等領(lǐng)域[1-2]。成型后的CFRP零件需要通過連接孔與其他零件裝配在一起[3]，因此，孔加工在飛機(jī)裝配中占有非常重要的地位。然而，由于CFRP構(gòu)件為層合板結(jié)構(gòu)，層間強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性差、纖維硬度大，且具有各向異性，在制孔過程中極易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等缺陷，大幅降低了連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命[4]。因此，如何提高連接孔的加工質(zhì)量是生產(chǎn)中面臨的主要問題。

目前，在飛機(jī)裝配階段，大量的孔加工仍然需要通過手工完成。譚雪鋒[5]對(duì)碳纖維復(fù)合材料手工氣鉆加工過程中造成制孔缺陷的因素進(jìn)行了分析，提出了手工鉆孔時(shí)應(yīng)選擇較鋒利、鉆速高、穩(wěn)定性好的刀具。復(fù)合材料手工鉆孔過程中，手的穩(wěn)定性差會(huì)導(dǎo)致鉆孔時(shí)手部在空間中產(chǎn)生三個(gè)方向的抖動(dòng)，容易引起制孔缺陷。但國內(nèi)外學(xué)者對(duì)手工鉆孔過程中手部抖動(dòng)與鉆孔質(zhì)量的關(guān)系研究較少。為此，本文研究了碳纖維復(fù)合材料手工氣鉆鉆孔過程中手部抖動(dòng)情況與制孔質(zhì)量之間的關(guān)系。試驗(yàn)中利用兩種鉆頭進(jìn)行鉆孔加工，采集鉆孔過程中手部抖動(dòng)、切削力、制孔溫度等數(shù)據(jù)，分析手部抖動(dòng)劇烈程度與切削力、制孔溫度和鉆孔質(zhì)量之間的關(guān)系，最后分析兩種刀具對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的鉆孔試驗(yàn)裝置如圖1所示，其主要由Kistler 9124B三向測(cè)力儀、Leap Motion三維數(shù)據(jù)追蹤傳感設(shè)備、紅外熱像儀、氣鉆和氣壓機(jī)(圖中未示出)等組成。

圖1 鉆孔試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料和刀具

試驗(yàn)材料選用東麗公司生產(chǎn)的型號(hào)為T300C-1000-59C的碳纖維復(fù)合材料板，基體材料為環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料為碳纖維。其中，碳纖維體積含量為70%，板厚為5 mm，密度為1.6 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為3 530 MPa，拉伸模量為230 GPa，伸長(zhǎng)率為1.5%。

試驗(yàn)所用刀具為高速鋼麻花鉆(螺旋角35°、頂角118°)和高速鋼三尖鉆(螺旋角35°)，直徑均為6 mm，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)刀具

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)所用氣壓為0.8 MPa～1 MPa，利用測(cè)速儀測(cè)出該氣壓區(qū)間氣鉆轉(zhuǎn)速的最大值、最小值，再計(jì)算其平均轉(zhuǎn)速，如表1所示。

表1 氣壓與氣鉆轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鉆頭制孔過程手部抖動(dòng)分析

鉆孔過程可分為入口區(qū)、中間區(qū)和出口區(qū)三個(gè)階段，如圖3所示。入口區(qū)為鉆頭橫刃剛接觸工件表面至主切削刃完全切入工件階段，深度h1=2 mm；中間區(qū)為主切削刃全部參與加工階段，深度h2=3 mm；出口區(qū)為主切削刃逐漸鉆出階段，深度h3=2 mm。

王立江教授通過對(duì)各區(qū)段切削機(jī)理研究和指定各段切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了區(qū)段劃分，得出在各個(gè)切削階段速度與刀具(麻花鉆)幾何尺寸的關(guān)系，可表示為：

(1)

其中：D為麻花鉆直徑，mm；b為鉆頭橫刃寬度，mm；p為鉆頭半頂角，(°)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)通常b=0.3D，2p=118°,則式(1)簡(jiǎn)化為：

h1=0.21D.

(2)

圖3 鉆孔過程三個(gè)階段

由于鉆孔過程中，手部不會(huì)單獨(dú)在z方向發(fā)生抖動(dòng)，主要是x、y方向上的抖動(dòng)引起z方向的位移變化，因而對(duì)z方向所采集的抖動(dòng)數(shù)據(jù)不作分析。圖4為兩種鉆頭加工時(shí)手部在x、y方向的抖動(dòng)與鉆孔深度之間的關(guān)系。

由圖4可以看出：三尖鉆的抖動(dòng)劇烈程度明顯大于麻花鉆；且兩種鉆頭在三個(gè)區(qū)域的抖動(dòng)均表現(xiàn)為入口區(qū)抖動(dòng)最劇烈，中間區(qū)、出口區(qū)抖動(dòng)較小。在入口區(qū)，當(dāng)麻花鉆剛開始加工時(shí)，接觸區(qū)域只為橫刃，導(dǎo)致定心不穩(wěn)，并且主切削刃部分參與切削，所以鉆頭不穩(wěn)容易引起手部抖動(dòng)；三尖鉆只有一個(gè)鉆尖參與加工，導(dǎo)致定心不穩(wěn)，所以手部抖動(dòng)劇烈。進(jìn)入中間穩(wěn)定區(qū)，麻花鉆主切削刃全部參與加工，而且鉆孔形成一個(gè)天然套筒，手部抖動(dòng)減??；三尖鉆三個(gè)鉆尖全部接觸工件，保證了鉆頭的穩(wěn)定性，手部抖動(dòng)減小。出口區(qū)中，麻花鉆相對(duì)于中間區(qū)抖動(dòng)沒有明顯變化，這是因?yàn)殡m然麻花鉆主切削刃開始切出工件，會(huì)引起進(jìn)給量變大，但麻花鉆的錐形鉆尖具有維穩(wěn)性，所以抖動(dòng)無明顯變化；然而三尖鉆抖動(dòng)卻有明顯變大趨勢(shì)，這是因?yàn)樽铋L(zhǎng)鉆尖開始切出工件，降低了鉆頭穩(wěn)定性，同時(shí)兩短尖承受了主要的切削力，進(jìn)給量變大，兩短尖卻不能很好地保證鉆頭的穩(wěn)定性，所以抖動(dòng)隨之變大。通過兩種鉆頭鉆孔過程的抖動(dòng)程度對(duì)比分析，得出麻花鉆抖動(dòng)較小，鉆孔過程更加平穩(wěn)。

圖4 兩種鉆頭在x、y方向的抖動(dòng)與鉆孔深度的關(guān)系

2.2 切削力分析

圖5為兩種鉆頭在鉆孔過程中x、y方向切削力的變化。由圖5可以看出：在整個(gè)鉆孔過程中，麻花鉆x、y方向的切削力變化幅度均小于三尖鉆。這與鉆頭抖動(dòng)趨勢(shì)較為吻合，可以認(rèn)為三尖鉆鉆孔加工過程抖動(dòng)更為劇烈，導(dǎo)致鉆頭與孔壁摩擦嚴(yán)重，在x、y方向的切削力更大。

圖5 兩種鉆頭在x、y方向切削力的變化

2.3 切削溫度分析

CFRP材料導(dǎo)熱性差，因此在加工過程中容易產(chǎn)生高溫，使碳纖維材料產(chǎn)生燒傷、熱分解等缺陷。本文采用德國歐普士生產(chǎn)的Optris PI 160紅外熱成像儀對(duì)加工過程中的溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖6所示。兩種鉆頭在鉆孔過程中的溫度與鉆孔深度之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6 加工過程中的溫度采集

由圖7 可知：在刀具開始切入工件時(shí)溫度快速上升，隨著刀具完全切入工件溫度上升速度變緩，加工完成后溫度逐漸趨于室溫；入口區(qū)刀具開始接觸工件，手部抖動(dòng)比較劇烈，溫度以較快速度開始上升；進(jìn)入中間區(qū)后，手部抖動(dòng)減緩，切削溫度上升速度變緩；出口區(qū)中，兩種刀具切削溫度繼續(xù)緩慢上升至鉆削結(jié)束。整個(gè)加工過程中麻花鉆的制孔溫度小于三尖鉆，這是因?yàn)殂@孔過程中麻花鉆抖動(dòng)更小，切削力變化更平穩(wěn)，刀具與工件的切削摩擦力較小，沒有與孔壁產(chǎn)生劇烈的摩擦，所以產(chǎn)生的切削溫度也更低。

2.4 制孔質(zhì)量

同一氣壓條件下兩種鉆頭的孔入口質(zhì)量如圖8所示，孔出口質(zhì)量如圖9 所示。

圖7 鉆孔過程中的溫度與鉆孔深度之間的關(guān)系

由圖8可以看出：三尖鉆孔入口處圓度低、剝離嚴(yán)重，入口質(zhì)量差；麻花鉆孔入口處圓度更好，沒有明顯剝離，入口質(zhì)量較好。

圖8 同一氣壓條件下兩種鉆頭的孔入口質(zhì)量

由圖9可以看出：三尖鉆孔出口處撕裂長(zhǎng)度大于麻花鉆，并且撕裂嚴(yán)重。

圖9 同一氣壓條件下兩種鉆頭的孔出口質(zhì)量

3 結(jié)論

(1) 在同樣的加工參數(shù)下，麻花鉆的手部抖動(dòng)、切削力和切削溫度均小于三尖鉆。

(2) 相比三尖鉆，麻花鉆的入口毛刺、出口毛刺更少，制孔質(zhì)量更好，更適合CFRP人工手動(dòng)鉆孔。