航空复合材料铝合金叠层制孔技术

易小兰

（天府新区通用航空职业学院，四川 眉山 620564）

连接孔发生疲劳裂纹，是导致飞机机体故障的常见因素。由于飞机上各类连接件的数量多达百万以上，提高航空材料连接孔的加工质量就显得尤为重要。为了减轻材料自重和保证性能达标，航空连接件大多采用复合材料与铝合金叠层的形式。在自动化制孔中，既要考虑不同材料各自的制孔特性外，还要关注叠层过渡区的钻削特性。在叠层制孔中，除了要选择合适的刀具，还必须优化工艺参数，尤其是进给量、转速两项指标，是决定制孔精度、制孔质量的关键因素。基于此，探究复合材料与铝合金叠层制孔工艺的优化策略，对提升加工精度与加工质量有积极帮助。

1 航空复合材料铝合金叠层制孔技术

1.1 刀具的选择

常规的硬质合金刀具无法满足复合材料与铝合金叠层制孔的需要，必须要选择具有特殊土层的刀具才能提高制孔效果。目前可用于复合材料加工的刀具有2 种类型，即PCD（聚晶金刚石）刀具和CVD（金刚石涂层）刀具。PCD 刀具的优势在于硬度极高、导热性好、耐磨能力强，能够满足复合材料与铝合金叠层制孔的要求。但是在实际应用中，PCD 刀具由于形状比较复杂，孔的内壁容易出现划痕，不够光滑，从而导致制孔质量不理想。相比之下，CVD 刀具的几何形状比较简单，制孔时不易产生毛刺，孔壁光滑，加上使用成本较低，因此在航空复合材料铝合金叠层制孔中应用优先级较高。根据钻头形式的不同，又可将CVD 刀具分为三尖钻和麻花钻两种类型[1]。

1.2 制孔精度与制孔质量评估

本研究选择制孔精度、制孔质量这两项指标来评价叠层制孔水平。其中，制孔精度指标下又包括了尺寸精度、圆度、缩孔3 项细分指标；制孔质量指标下又包括了粗糙度、金属毛刺、复材撕裂等多项细分指标，见图1。

图1 复合材料/铝合金叠层制孔精度与制孔质量评估指标

本研究选择尺寸精度（即孔径）判断叠层制孔精度，在刀具切削制孔过程中，刀具周围的材料受热会发生膨胀，而冷却后又容易出现缩孔现象。因此，如果孔径变化越小，说明制孔精度越高。本研究选择毛刺判断叠层制孔质量，毛刺高度越低，说明制孔质量越好。

1.3 工艺的优化

在复合材料铝合金叠层制孔中，影响制孔精度和制孔质量的因素较多，如刀具的类型、刀具的磨损程度、转速等工艺参数的设定等[2]。因此，为了进一步提高叠层制孔效果，还需要对工艺流程进行优化设计。在保证制孔精度、质量均达到标准的前提下，通过降低刀具磨损以提高制孔的经济性。工艺优化流程见图2。

图2 工艺参数优化流程

2 工艺参数范围的选取试验

2.1 试验方法

在复合材料铝合金叠层制孔工艺中，涉及到的工艺参数主要有转速和进给量。为确定最佳工艺参数，设计了转速上限和进给量上限的确立试验。本次试验基于数控加工平台进行，用内径千分尺测量加工后的孔径，用便携式表面粗糙度仪检测加工后孔壁的粗糙度，用刀具测量仪检测刀具的磨损量。试验所用刀具为三尖钻和麻花钻，转速试验和进给量试验相互独立，通过逐步逼近法不断缩小转速、进给量的上限范围。

2.2 试验结果

在进给量上限试验中，保持钻具的转速恒定为3 600 rpm，对于进给量设置5 个变量，分别是0.04 mm/r、0.06 mm/r、0.08 mm/r、0.10 mm/r、0.12 mm/r。在相同转速、不同进给量下分别完成复合材料铝合金叠层制孔，并在加工结束后观察制孔质量、刀具磨损情况。所得结果见表1。

表1 3 600 rpm 转速下进给量范围确立试验

根据表1 可知，在不同的进给量下，使用麻花钻制孔，刀具刃口完好；而使用三尖钻制孔，当进给量增加至0.12 mm/r 时，刀具刃口出现崩刃的情况。基于此，在转速为3 600 rpm 下，使用三尖刀进行复合材料铝合金叠层制孔，进给量的上限为0.10 mm/r；如果将刀具替换成麻花钻，则本次试验中进给量的上限为0.12 mm/r。按照同样的思路，将进给量上限恒定为0.06 mm/r，改变转速，同样设计5 个变量，分别是1 800 rpm、3 600 rpm、5 400 rpm、7 200 rpm、9 000 rpm。在相同进给量、不同转速下，分别完成复合材料铝合金叠层制孔，并在加工结束后观察制孔质量、刀具磨损情况[3]。所得结果见表2。

表2 0.06 mm/r 进给量下转速范围确立试验

结合表2，在进给量为0.06 mm/r，调节转速从1 800 rpm 至9 000 rpm，麻花钻刃口完好；而相同条件下使用三尖钻，在转速升高至7 200 rpm 后，刀具刃口开始出现轻微崩裂。这种裂口的存在，会导致刀具在继续使用过程中磨损速度进一步加快。在制孔质量方面，使用两种刀具在相同材料上制孔，均未发现明显缺陷，制孔质量均能满足要求。基于此，在进给量为0.06 mm/r 下，麻花钻的转速上限可以达到9 000 rpm，而三尖钻的转速上限为5 400 rpm。

3 提高制孔精度和制孔质量的工艺参数优化

3.1 试验设计

本次试验使用的复合材料为CCF300，厚度为3.5 mm；铝合金为7075，厚度为2.8 mm。试验使用的2 种钻头，三尖钻可加工600 个孔，麻花钻可加工800 个孔。以前100 个孔的孔径误差和毛刺高度，作为评价制孔精度与制孔质量的指标。为了消除其他因素对试验结果的干扰，试验中对转速和进给量分别设计了5个水平（见表3），两者交叉共进行5×5=25 组试验。每种组合下制孔数量为3 个，本次试验中制孔数量共计75 个。这样既可以保证刀具磨损量较小，同时还能保证样本数量足够多，使试验结果的可靠性得到了保证。

表3 工艺优化参数选取水平

依次检测75 孔的孔径、毛刺高度，并将每种组合下3 个孔的测量结果取平均值。使用二次回归模型（X）展开分析：

式中：n 表示转速；f 表示进给量；C0～C5表示待定常数；X 表示优化对象，是孔径、毛刺高度中的一种。

3.2 孔径分析

孔径（尺寸精度）是评价制孔精度的一个核心指标，在航空飞机的装配中，要求连接件的尺寸精度≥H8 级。以直径为5 mm 的孔为例，上偏差≤18 μm，下偏差≥0 μm。在试验中使用内径千分尺测量孔径。

3.2.1 三尖钻制孔精度分析

将测得结果带入到二次回归模型，可以得到使用三尖钻制孔时复合材料（DCFRP）和铝合金（DAl）的孔径，结果如下：

将上述二次回归模型导入到Matlab 软件中，绘制出三维曲面图，可以观察到使用三尖钻加工复合材料和铝合金时孔径的变化情况。结合三维曲面图可知，使用三尖钻在复合材料上制孔，随着工艺参数的变化，孔径没有明显的改变；而使用三尖钻在铝合金上制孔，当转速增加时，孔径也有一定幅度的增大。但是进给量增加对孔径变化的影响不明显。综合来看，使用三尖钻制孔，复合材料上的孔径要小于铝合金上的孔径，说明复合材料制孔更容易发生缩孔现象[4]。

3.2.2 麻花钻制孔精度分析

按照同样的处理方式，求得麻花钻制孔时复合材料（dCFRP）和铝合金（dAl）的孔径，结果如下：

将上述拟合公式导入到Matlab 软件中，绘制麻花钻加工复合材料和铝合金时转速和进给量的三维曲面图。观察可知，使用麻花钻在复合材料、铝合金上制孔，随着转速和进给量的增加，孔径也相应的变大。并且在工艺参数相同的情况下，复合材料孔径要小于铝合金孔径，说明复合材料制孔更容易出现缩孔现象，与前文试验结果一致。

3.2.3 孔径优化结果

从试验结果来看，虽然工艺参数的变化会导致孔径发生改变，但是变化并不明显。使用三尖钻在复合材料上制孔时，25 种工艺下最大孔径和最小孔径的差值为0.003 mm；使用麻花钻在符合材料上制孔时，25种工艺下最大孔径和最小孔径的差值为0.007 mm。在平均缩孔值方面，三尖钻为0.002 mm，明显低于麻花钻的0.007 8 mm。但是这2 种刀具加工后的孔径均未达到H8 精度，故需要对孔径进行优化。优化公式为：

式中：dbest表示优化后的刀具直径；d 表示最开始的刀具直径；DAl和DCFRP分别代表复合材料和铝合金在不同工艺参数下的平均孔径。根据上式，如果选择三尖钻进行复合材料和铝合金叠层制孔，则需要在刀具原始孔径的基础上进行扩孔，扩大值为0.020 8 mm；如果选择麻花钻进行复合材料和铝合金叠层制孔，则需要在刀具原始孔径的基础上再扩大0.009 3 mm。经过扩孔后，才能保证达到H8 精度要求。

3.3 毛刺分析

毛刺属于铝合金材料制孔中比较常见的质量缺陷，本次试验中将孔口毛刺高度作为评价制孔质量的主要因素。在制孔结束后，使用TEC 白光干涉三维形貌仪测量正交的4 个点，以这4 个点毛刺高度的平均值作为毛刺高度[5]。根据制孔流程和钻削特点，毛刺高度主要与工艺参数有关，拟合公式如下：

按照上文所述方法，将拟合公式导入到Matlab 软件中，可以得到2 种刀具在铝合金制孔中毛刺高度与工艺参数之间的关系。结果表明，使用三尖钻在铝合金上制孔，毛刺高度不受转速的影响，但是与进给量呈正相关，并且毛刺高度的变化范围为50～100 μm。使用麻花钻在铝合金上制孔，毛刺高度随着转速和进给量的增加而增加，毛刺高度的变化范围为80～140 μm。在工艺参数相同的情况下，使用三尖钻制孔，毛刺高度要低于麻花钻，高度差为45 μm。

4 结论

在航空复合材料和铝合金叠层制孔中，选用合适的刀具、科学设定工艺参数，对提高制孔精度和制孔质量有积极帮助。从试验来看，三尖钻在复合材料和铝合金叠层制孔中具有更为明显的优势，例如孔径变化较小、孔口毛刺更低等。在使用三尖钻进行叠层制孔时，适当减少进给量、保持较高的转速，能够兼顾成孔质量和制孔效率。从试验来看，刀具选用三尖钻，转速控制在3 600 rpm、进给量控制在0.06 mm/r，能够让复合材料和铝合金叠合制孔的质量达到标准。