守财奴阅读:飛機裝配自動制孔刀具技術研究

《守财奴》的寓意 www.kcqpw.icu 2015-5-26 20:05:18 人評論 次瀏覽 分類:航空制造技術

單位:中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司  作者:唐臣升

進入20世紀90年代后,飛機制造行業對飛機裝配技術提出了高質量、高速度、低成本的生產要求,飛機裝配自動制孔技術便由此產生。自動制孔設備類別主要表現為CNC機床和機器人等。由于采用數控設備或機器人移動而被加工構件不動的方式,因而靈活性較好,且對被加工構件的適應性較好,同時能夠極大地提高制孔效率和精度,因此,在國外已得到廣泛研究和應用。如美國EOA公司與波音公司也聯合生產研制了一種機器人多功能制孔系統,該系統可以完成對鈦合金、鋁合金、復合材料及其疊層等飛機蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔工作。

飛機裝配自動制孔的特點與要求

1 飛機裝配自動制孔的優點

飛機裝配自動制孔技術以其自動化程度高、適應性強和集成度好的獨特優勢,結合激光跟蹤輔助測量系統、移動平臺導軌和終端執行器等設備,共同構建航空材料的高效、高精度柔性制孔系統,成為飛機裝配連接孔加工的最佳工業解決方案,具有重大的工程應用價值。該項技術能夠極大提高飛機的制造與裝配效率,改善機體疲勞與安全性能,且將工人從惡劣、危險的勞動環境中解放,是當今飛機裝配制造業的發展趨勢。作為數字化裝配的重要環節和最終階段,飛機裝配連接孔的制備對裝配質量與飛機整體性能有關鍵影響。

2 飛機裝配自動制孔的工藝特點

令人滿意的鉆削碳纖維復合材料(CFRP)及其與金屬的疊層結構孔是一項挑戰。

切削CFRP及其與金屬的疊層構件時,正確地應用專用的切削刀具是獲得理想孔和減少粉塵污染的關鍵所在。金屬材料的制孔質量標準不完全適用于復合材料制孔,無任何切屑和傳統的表面粗糙度通常不是衡量復合材料制孔質量的標桿??椎鬧柿懇話閌腔詬春喜牧系撞惴擲氳某潭齲ǚ植悖┖涂字腥魏尾杏嗟南宋耄ㄆ屏眩?。一些不能直接檢測到的缺陷,對刀具是否發揮相應的切削效應是一大挑戰;有些孔質量的下降甚至發生在刀具的磨損征兆發生之前。

由于CFRP纖維的硬度高,切削過程中刀具磨損快,當粘合在較軟而粘性大的樹脂中時,就可能出現纖維剝離、彈性錯配以及層間破裂的趨勢。這樣很容易損壞孔入口、出口和孔壁,使其不符合質量要求。另外,當加工疊有鈦或鋁一類的金屬時,刀具必須具有合適的穿透能力。

將新型CFRP材料引入到生產中需要新的方法,并且在建立工件材料屬性時,基于刀具供應商推薦的應用最佳的刀具和切削參數的測試一直是主要的參考依據。它們并非均質材料,并且可加工性的難度要超過金屬。CFRP需要根據表面、結構、纖維、樹脂和厚度(孔深)進行區分。具有疊層時,金屬構件的種類以及厚度是重要因素。

所加工孔的數量往往被看作計算刀具成本因素。在大批量、單一品種CFRP材料制孔時,需要選擇經過優化且一般更為昂貴的刀具才能更有效率。

3 飛機裝配自動制孔對工藝裝備及刀具的需求

3.1 高效率精密飛機自動制孔技術對工藝裝備的需求

在為鉆削CFRP復合材料或疊板材料進行工藝規劃時,需要考慮許多因素。在大量不同的部件材料中理想地鉆削加工高質量的孔也絕非易事。這不僅需要刀具設計與制造技術進行完善與優化,而且為了滿足不同的部件材料制孔的切削加工參數,高效率精密自動制孔設備需要具有準確到位的進給與轉速變化功能。但這一功能的實現是非常困難的,其主要原因有2個方面。一方面是自動制孔設備進給與轉速變化的迅速性與準確性,因為結構件的數學模型與實際零件之間存在一定的誤差,而且結構件在受力時還要發生一定的彈性變形,因此,有必要在自動制孔設備上增加切削力與扭矩傳感器來幫助實現進給與轉速變化的準確性;另一方面,盡管在自動制孔設備上增加切削力與扭矩傳感器,由于機床變參數過程的反應速度慢,因此,也很難滿足自動制孔設備進給與轉速變化的準確性。

總之,高效率精密制孔技術要求工藝裝備不僅在軟硬件上要達到很高的水平,而且對工藝裝備及加工刀具都有很高的要求。

3.2 飛機裝配自動制孔的刀具技術

(1)飛機自動制孔技術對刀具的需求。

在不斷發展的復合材料領域,加工面臨著新的挑戰。從根本上而言,這些材料并非難以加工。目前的挑戰在于更為高效、安全地加工出更高質量要求的孔尤其是加工帶有金屬疊板材料的復合材料。這就要求我們開發出更為優異的刀具解決方案來應對不斷提升的需求。

同時,由于在復合材料不同工藝裝備的加工領域,孔的加工居于主導地位,因而鉆頭正在經歷一次切削刀具技術的全面變革。

(2)飛機裝配自動制孔刀具的特點。

復合材料及其疊層結構裝配自動制孔刀具的特點是需要刀具具有專用性。

基于復合材料本身特性的制造缺陷,鉆削CFRP復合材料會涉及分層和劈裂等問題。此外,當不得不使用相同的刀具在各種航空結構件中的CFRP/金屬疊板上制孔時,就需要專用于具體應用的解決方案,這一點非常重要。如此一來,刀具也就必須應對完全不同的工況、材料可加工性能、切屑形成以及排屑。

CFRP和CFRP/金屬疊板構件上需要加工的部位通常少于傳統金屬零件,但由于其材料的加工特性,凸顯關鍵技術的品質要求更為苛刻。CFRP復合材料的加工涉及到纖維的割斷,這時為了獲得凈切削,在刀具和加工方法上就需要有所改變。導熱性差,并且沒有切屑形成,這樣一來,切削復合材料期間所產生的熱就很成問題,因為在高溫下,復合材料的樹脂存在很大風險。因此,與金屬相比,這些材料在切削工藝中更能表現出難加工性,屬性變化很大,具有不可預測性,另一方面CFRP復合材料作為零件材料的比重與日劇增,需要不斷改善才能保證切削工藝富有競爭力。

(3)飛機裝配自動制孔刀具的新方案。

硬質合金刀具可通過其鉆尖設計和鉆柄進行增強,同時在保證刀具后角和排屑能力最大化的前提下,確保最佳的切削效應。

目前,主要的刀具解決方案基于金剛石涂層硬質合金鉆和燒結金剛石鉆頭概念。聚晶金剛石(PCD)是最硬的刀具材料,耐磨性最好。同時,它也是非常適合于加工CFRP及其疊板材料的刀具材料。在質量水平和一致性更趨嚴格并且對生產效率要求更高的現狀下,采用硬質合金作為鉆頭基體材料而PCD為切削刃的鉆頭可作為復合材料孔加工的理想刀具。

為了獲得更長的刀具壽命、更精確的孔公差和更短加工時間,可用不同鉆尖形式的新一代的PCD涂層刀具提升此類產品的強度和精度。類金剛石涂層是硬質合金鉆頭的備選,具有高通用性、低成本以及可重磨的優點。

飛機裝配自動制孔的工藝難點

1 單一材料的切削加工性能

1.1 復合材料的切削加工性能

碳纖維復合材料是一種采用鋪層方式的材料,以碳纖維作為增強體,以環氧樹脂作基體,一層一層鋪陳而成。在鉆削加工時,由于層與層之間結合劑的強度與纖維本身的強度的不同、纖維方向與切削刃角度不同而表現出的不同性能,導致制孔后形成了各種各樣的缺陷。

當使用標準麻花鉆鉆削加工時,一般情況下入口不產生缺陷,而出口易產生分層、毛邊和撕裂3種缺陷,其中毛邊最為常見。標準麻花鉆鉆尖處為負前角,切削負荷最大,故鉆尖處磨損比其他位置快得多。在很大程度上碳纖維復合材料表面加工質量取決于鉆尖的鋒利程度,只有鉆尖足夠鋒利,才能切斷每根碳纖維絲,一旦鉆尖磨損嚴重,鉆尖不能對碳纖維絲形成剪切,而靠擠壓作用將其斷裂,這樣就會產生撕裂現象,嚴重時還會在孔的出口處產生分層現象。標準麻花鉆有很長的橫刃,在鉆削加工中,有50%以上的鉆削軸向力產生在橫刃處,橫刃越長,則鉆削產生的軸向力就越大。在鉆削碳纖維復合材料時,鉆削軸向力的大小是衡量刀具加工性能的一項重要指標。鉆削產生的軸向力越大,則越容易在零件的孔壁產生分層現象。分層與否取決于鉆削軸向力間與層間結合力的大小關系。即使在孔的出、入口處表面是完好無損的,但是如果通過探傷發現內部有分層,孔的加工質量也是不合格的。橫刃如果太長還會直接影響到定心的準確性,導致橢圓形孔的出現或孔徑偏大,這樣就產生了圓度誤差和尺寸誤差。

1.2 鈦合金材料的切削加工性能

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難,小于HB300時則容易出現粘刀現象,也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面,關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金具有如下切削特點。

(1)變形系數小。這是鈦合金切削加工的顯著特點,變形系數小于或接近于1,切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。

(2)切削溫度高。由于鈦合金的導熱系數很?。ㄖ幌嗟庇?5#鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產生的熱不易傳出,集中在切削區和切削刃附近的較小范圍內,切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45#鋼時高出1倍以上。

(3)單位面積上的切削力大。主切削力比切鋼時約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統應具有較好的剛性。

(4)冷硬現象嚴重。由于鈦的化學活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現象不僅會降低零件的疲勞強度,而且將加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個極重要的特點。

(5)刀具易磨損。由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強,在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產生粘結磨損。

2 復合疊層結構特征及其自動制孔的切削加工性能

碳纖維復合材料與金屬材料構成的性能差異的疊層構件在飛機機翼和尾舵中應用廣泛,疊層構件裝配過程中需要大量的鉚接或螺接孔。在這些航空產品裝配制孔中,最佳的工藝是在碳纖維復合材料和金屬材料疊層構件上同時加工出所需要的鉚接或螺接孔,這是確保疊層材料構件產品連接強度、剛度和安全性的主要手段。然而由于碳纖維復合材料層間結構特點和2種材料性能的巨大差異,制孔質量難以保證并且刀具磨損劇烈。特別是隨著飛機自動制孔技術的發展,其關鍵技術之一就是要求在裝配過程中采用一道工序同時高效加工碳纖維復合材料和鈦合金以及鋁合金等完全不同性質的材料。

自動制孔刀具結構設計與制造

自動制孔因具有較高的加工效率與精度,因而,已越來越廣泛應用在飛機裝配制孔的加工過程中。

要實現高精度、高效率的飛機裝配制孔的加工,對自動制孔刀具的要求比較高。首先,自動制孔刀具必須為鉆鉸锪一體的復合刀具。圖1是一種整體硬質合金鉆鉸锪一體的復合制孔刀具結構圖。圖2為一種PCD鉆鉸锪復合刀具結構圖。其次,刀具必須具有很高的精度與結構強度。最后,刀具必須具有很好的切削性能。


圖1  整體硬質合金鉆鉸锪復合刀具結構圖

圖2  PCD鉆鉸锪復合刀具結構圖

針對上述高精度、效率的飛機裝配制孔的加工要求,飛機裝配自動制孔刀具的設計原則主要體現在以下幾方面。

(1)自動制孔刀具的設計。

多種材料疊層結構加工刀具設計原則一般是以切削加工性能差的材料為加工對象來設計刀具的結構參數,同時,兼顧復合疊層結構中其他材料的切削加工特點適當地調整刀具的結構參數。

對于復合材料與鈦合金疊層結構自動制孔刀具的材料選擇以加工復合材料的刀具材料為主,同時兼顧鈦合金材料加工的刀具材料;對于復合材料與鋁合金疊層結構加工刀具的材料選擇以加工復合材料的刀具材料為主,同時兼顧鋁合金材料加工的刀具材料;對于鈦合金與鋁合金疊層結構加工刀具的材料選擇以加工鈦合金材料的刀具材料為主,同時兼顧鋁合金材料加工的刀具材料;對于復合材料與鈦合金及鋁合金復合疊層結構加工刀具的材料選擇以加工復合材料的刀具材料為主,同時兼顧鈦合金和鋁合金材料加工的刀具材料。

(2)自動制孔刀具的制造。

·硬質合金自動制孔刀具的刃磨。

為了保證自動制孔刀具鉆尖的強度,工作部分鉆芯厚度較大,因而增加了鉆孔的軸向力。因此,在鉆尖必須做修薄橫刃,這樣可以提高鉆尖的切削性能,從而也達到了減小鉆孔的軸向切削力的目的。修薄橫刃有多種形式,其中,具有螺旋面的修薄橫刃(亦稱螺旋面鉆尖)是一種性能優于普通鉆尖的新刃型,具有鉆削過程自動定心、鉆削力小等特點。為探索不同結構螺旋面刃型對減少硬質合金鉆頭加工碳纖維復合材料孔毛刺的可行性,同時也為后續的“碳纖維復合材料/鋁合金”一體化制孔探索一條新路子。

·硬質合金刀具切削刃表面涂層處理。

為了提高刀具的表面硬度、降低刀具加工過程切屑及被加工表面與刀具切削刃表面的摩擦力,一般對高速鋼、整體硬質合金刀具的表面進行PVD、CVD以及金剛石涂層處理。

·金剛石自動制孔刀具的刃磨。

金剛石自動制孔刀具主要采用傳統的焊接和燒結技術的PCD刀具,燒結PCD刀具就是在硬質合金鉆體中集成了PCD切削刃。燒結技術使得開發更多的金剛石鉆尖刃形角度成為可能,采用傳統的焊接PCD工藝就無法實現這一點。這樣,無論在剛性差還是剛性好的工況下,都可以提供不同的優化鉆尖設計來穩定加工出大量高品質的孔。

PCD刀具主要采用專用的設備對其切削刃進行刃磨,而且對高應力的集中區域經過精密研磨可以使鉆頭更能保持鋒利性,并確保更長的刀具壽命。同時也能確保刀具在低鉆削力下切削CFRP纖維,這樣在復材層或金屬層的孔出端,可保證最小化劈裂、分層和毛刺等缺陷風險。

(3)自動制孔刀具的修磨技術要求。

為了提高刀具的總使用壽命以及降低刀具的成本,一般需要對自動制孔刀具進行多次修磨,修磨的次數主要取決于刀具的材料及其結構、被加工材料組成及其結構。

自動制孔刀具修磨的關鍵是如何保證原有刀具的主要幾何參數及其切削性能。一般來說,最好的修磨原則是“誰制造誰修磨”,這是因為各刀具廠家加工刀具的工藝方法及其工裝工具不盡相同,因此,其他刀具制造廠家很難確定原制造廠家的工藝方法及其工裝工具。如果不是原刀具制造廠家實施刀具修磨,那么,必須對鉆尖以及螺旋槽的結構尺寸做精確的測量及其測量數據分析,最后,確定最佳的砂輪的結構參數以及修磨方法(包含最佳的數控修磨程序),最終實現保持原刀具切削性能的最佳修磨技術。

應用實例及驗證

在碳纖維復合材料/鈦合金/鋁合金疊層結構的自動制孔的加工過程中,孔φ5mm、锪孔的錐角為100°,應用了具有自主知識產權的整體硬質合金鉆锪復合刀具(ZL201320338726.7)在自動制孔設備上完成了該項自動制孔的加工。實踐證明,該項技術的研究成果完全滿足飛機裝配自動制孔需要。其加工性能以及質量和效率不低于國外同類產品,成本且遠低于國外,因此,完全可以替代國外進口的同類產品,可以極大降低飛機裝配自動制孔的刀具成本。

結束語

該項飛機裝配自動制孔刀具技術研究成果不僅解決了飛機裝配自動制孔質量差、效率低的問題,而且所研究的飛機裝配自動制孔刀具及其切削加工參數,對高精度、高效率的飛機裝配自動制孔的加工,具有一定的指導意義。

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