摘要:針對疊層材料在數(shù)控機(jī)加制孔中出現(xiàn)的孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質(zhì)量問題，從工藝方案、疊層間隙、刀具動(dòng)平衡等方面著手，分析了疊層材料孔口孔徑超大和孔壁表面缺陷的要因。基于分析結(jié)果提出了疊層材料裝配組件制備過程的優(yōu)化方法及其階梯組合制孔的技術(shù)方案，并在A350客機(jī)大型疊層材料構(gòu)件上應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該研究極大地提高了疊層材料制孔質(zhì)量，制孔合格率也由70%提升至95%以上，實(shí)現(xiàn)了疊層材料高精度孔的數(shù)控加工。

　　關(guān)鍵詞:疊層材料;工藝方案;階梯組合制孔

　　隨著航空裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，對航空裝備的性能提出了更高的要求，引入了大量的新型高性能材料，其中由碳纖維復(fù)合材料、液體墊片(含剝離纖維)與金屬材料等構(gòu)成的疊層構(gòu)件憑借其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢而在飛機(jī)機(jī)翼和尾舵等組件中得到廣泛應(yīng)用[1]，尤以空客A350飛機(jī)應(yīng)用最多，其機(jī)翼下垂板、擾流片均采用疊層材料組成的構(gòu)件。這種疊層構(gòu)件可有效改善或克服各組分材料的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮各組分材料的優(yōu)點(diǎn)，獲得單一組分材料不易具備的性能和功能，并可以按照結(jié)構(gòu)和受力的要求進(jìn)行材料疊層的最佳設(shè)計(jì)。

　　但疊層構(gòu)件各層材料的物理力學(xué)特征及加工機(jī)理的不同給疊層材料的數(shù)控加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是疊層構(gòu)件的數(shù)控制孔，在疊層構(gòu)件上制孔時(shí)，刀具必須應(yīng)對不同的材料加工性能、疊層間的間隙、切屑成形以及排屑等問題，因此由于層間材料性能不同，制孔中易導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定、孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質(zhì)量問題，是典型的難加工材料。

　　面向疊層材料制孔過程中的難題，國內(nèi)外學(xué)者在其切削機(jī)理、刀具以及工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了一定的研究，并取得了較多的成果，國外學(xué)者Takashi等人利用鉆削力模型預(yù)測了碳纖維復(fù)合材料和鈦合金疊層的切屑流動(dòng)，為后續(xù)制孔方案以及刀具優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支撐[2];C.L.Kuo用金剛石涂層鉆頭對Al/CFRP/Ti疊層構(gòu)件進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)，并分析了不同工藝參數(shù)對孔表面完整性的影響[3];RedouaneZitoun等人使用硬質(zhì)合金麻花鉆探究了工藝參數(shù)對CFRP/Al疊層制孔質(zhì)量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對于CFRP材料，使用低進(jìn)給量時(shí)孔徑的圓度及表面質(zhì)量較好[4];B.Denkenal等人從加工方式出發(fā)，采用“以銑帶切”的加工方式對疊層構(gòu)件進(jìn)行制孔，并能取得良好的加工質(zhì)量[5];J.Choi等人建立了鉆削疊層材料層間間隙的數(shù)學(xué)模型，指出了預(yù)緊壓力對層間間隙的影響[6];Newtonhe和Melkote等通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了疊層材料制孔孔口毛刺高度的影響因素，并研究發(fā)現(xiàn)鉆頭頂角、夾緊裝置、壓緊裝置與孔的間距對層間間隙大小影響最大[8]。

　　國內(nèi)學(xué)者張選龍研究了碳纖維復(fù)合材料與鈦合金疊層構(gòu)件鉆削加工的缺陷，研究了一體化制孔的鉆削方式，并通過變工藝參數(shù)的優(yōu)化策略提高了孔的精度和質(zhì)量[9];孫鑫對疊層模型進(jìn)行簡化，利用ABAQUS軟件模擬了不同壓緊方式和壓緊力對疊層構(gòu)件層間間隙的影響大小，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[10]。現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)給疊層材料制孔提供一定的解決途徑，但對疊層材料的疊層間隙的處理以及其數(shù)控制孔工藝方案研究甚少，以至于該疊層材料現(xiàn)場制孔過程中依然存在孔徑超大、孔壁以及孔口缺陷等問題。

　　針對疊層材料制孔中出現(xiàn)一系列問題，本文以A350飛機(jī)機(jī)翼和尾舵中的疊層材料為研究對象，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析了其制孔缺陷的要因，基于分析結(jié)果，開展了疊層材料制孔過程的裝配以及制孔方式研究，提出了疊層材料裝配組件制備過程的優(yōu)化方法以及階梯組合鉆孔的制孔方法，解決了疊層材料制孔缺陷。提高了疊層材料的制孔質(zhì)量和合格率。

　　1疊層材料特征及其制孔難點(diǎn)

　　A350項(xiàng)目是空客公司遠(yuǎn)程飛機(jī)系列的最新型號，其復(fù)合材料重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的52%，是迄今為止，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種新型客機(jī)，同時(shí)其機(jī)翼下垂板、擾流片大量應(yīng)用疊層材料，且工藝方案復(fù)雜，加工精度要求高，給目前傳統(tǒng)的單材質(zhì)加工方法帶來極大挑戰(zhàn)。

　　1.1疊層材料特征

　　A350項(xiàng)目疊層材料由鋁合金、碳纖維夾層結(jié)構(gòu)以及液體墊片(含玻璃纖維)等復(fù)合材料構(gòu)成，其中液體墊片的作用是填充鋁合金零件與碳纖維夾層結(jié)構(gòu)外形面之間的間隙，彌補(bǔ)上述兩種零件在裝配時(shí)由于外形誤差而出現(xiàn)的裝配不協(xié)調(diào)問題。

　　1.2疊層材料制孔難點(diǎn)

　　疊層材料主要加工內(nèi)容為制孔，尤其是高精度孔，以提高零件的連接強(qiáng)度、配合精度。在實(shí)際工程應(yīng)用中通常采用多道工序分別加工碳纖維復(fù)合材料和金屬件，然后組裝在一起，但是由于應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，飛機(jī)上的疊層構(gòu)件是通過液體墊片將各連接件組裝在一起時(shí)加工出來的，因此疊層材料制孔的特殊性造成疊層材料制孔表現(xiàn)出以下幾處難點(diǎn):

　　(1)各層材料的力學(xué)性能及加工特性的迥異性增加了疊層材料制孔的難度，加工中刀具需要連續(xù)穿過多種材料，切削力在層間會出現(xiàn)突變，這種突變會對周邊區(qū)域造成沖擊，進(jìn)而易造成孔壁缺陷以及孔口直徑超大等現(xiàn)象。

　　(2)疊層材料各層材料的不完全貼合導(dǎo)致了疊層間隙，致使加工過程中產(chǎn)生的廢屑聚集在間隙中無法排除并反復(fù)刮蹭孔壁各層孔口，從而造成孔壁缺陷以及孔口纖維剝離。

　　2疊層材料制孔問題分析

　　2.1疊層材料制孔缺陷因素分析

　　為了實(shí)現(xiàn)疊層材料孔的高質(zhì)加工，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對影響疊層材料制孔缺陷的相關(guān)因素進(jìn)行了逐一分析。對影響疊層材料制孔缺陷的7個(gè)相關(guān)因素進(jìn)行分析確認(rèn)，金屬接頭與液體墊片之間的間隙”和“鉆孔方式”是影響制孔缺陷的要因，其余均為非要因。要實(shí)現(xiàn)疊層材料的鉆孔加工，先要對疊層材料各個(gè)組件進(jìn)行組裝。首先將金屬接頭粘上膠帶，該接頭材料為鋁合金;其次在碳纖維組件接頭配合處刷涂液體墊片(含玻璃纖維);最后通過限位器將金屬接頭與碳纖維零件固定在工裝上，實(shí)現(xiàn)零件的組裝，固化后形成疊層材料。通過對多架份的液體墊片表面檢查發(fā)現(xiàn)，裝配人員對墊片的刷涂質(zhì)量難以保證，墊片表面質(zhì)量較差，存在凹坑、褶皺等質(zhì)量問題，從而導(dǎo)致碳纖維零件和鋁合金層之間存在疊層間隙。

　　2.2疊層材料的制孔方案分析

　　針對疊層材料的制孔，當(dāng)前采用的是一體化鉆削技術(shù)，但是受疊層材料力學(xué)特性和加工特性的影響，制孔質(zhì)量難以保證。本文以��7.85mm的刀具鉆頭制中��7.77～7.90mm孔為例，通過制孔試驗(yàn)得出，一體化鉆削方式，還不能滿足高質(zhì)量孔的要求。

　　3疊層材料制孔工藝研究

　　基于疊層材料制孔問題的分析，本文在結(jié)合實(shí)際工況條件下，對疊層材料制孔過程中的疊層間隙、以及制孔方案進(jìn)行了研究，并提出了可行的解決方案。

　　3.1疊層材料裝配組件制備過程的研究

　　在分析液體墊片凹坑產(chǎn)生原因的過程中，發(fā)現(xiàn)疊層間隙出現(xiàn)的部位與鋁合金零件上的膠帶褶皺或氣泡處位置基本對應(yīng)。經(jīng)過跟蹤現(xiàn)場加墊過程，發(fā)現(xiàn)操作人員在向鋁合金零件底面粘貼單面時(shí)，因?yàn)檎衬z帶面不是平面，存在多處轉(zhuǎn)折，造成膠帶粘貼不平整，存在褶皺和氣泡;此外，操作人員刷涂液體墊片時(shí)，局部區(qū)域刷涂量不夠，導(dǎo)致液體墊片與鋁合金粘膠帶面接觸不完全。

　　3.2基于階梯組合鉆孔的制孔方法

　　針對疊層復(fù)合材料，在規(guī)避生產(chǎn)要素限制的前提下，提出了階梯組合鉆孔的制孔方法，依據(jù)材料的不同進(jìn)行分層鉆削，首先加工碳纖維夾芯層，在碳纖維夾芯層制出初孔，然后選用直徑小于初孔的鉆頭在鋁合金層加工初孔，最后將碳纖維夾芯層與鋁合金層作為整體，通過擴(kuò)孔和鉸孔，實(shí)現(xiàn)碳纖維夾芯-鋁合金疊層材料高精孔的加工。利用小直徑鉆頭在初孔基礎(chǔ)上制鋁合金通孔的目的是改善鉆鋁合金時(shí)的排屑狀態(tài)，以及減少鉆終孔時(shí)的鋁合金切削量，從而提高孔的加工質(zhì)量。改善后，疊層材料組件精孔加工孔口質(zhì)量好，且無超差現(xiàn)象。

　　4疊層材料精密制孔技術(shù)示范應(yīng)用

　　疊層材料精密制孔加工技術(shù)的突破，解決了疊層材料制孔缺陷的瓶頸問題。該技術(shù)成果已在A350項(xiàng)目上得以成功應(yīng)用，解決了A350項(xiàng)目投產(chǎn)初期，因?yàn)榀B層復(fù)合材料高精度孔孔徑超差，累計(jì)造成8件零件實(shí)物故障，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度嚴(yán)重滯后，影響零件發(fā)運(yùn)計(jì)劃的難題。采用新技術(shù)方案后，精孔全部加工合格，迄今為止再未出現(xiàn)精孔孔徑超差故障。

　　5結(jié)語

　　本文針對疊層材料制孔中出現(xiàn)的孔口孔徑超大、孔壁表面缺陷等質(zhì)量問題，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出疊層間隙、制孔方式為制孔缺陷產(chǎn)生的主要原因。基于原因分析，結(jié)合實(shí)際工況提出了消除疊層間隙的裝配組件制備方法，以及階梯組合制孔的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了疊層材料高精度孔的數(shù)控加工。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]劉姿.飛機(jī)壁板疊層材料精密制孔工藝研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2015.

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

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

　　[4]RedouaneZitoune，VijayanKrishnaraj，F(xiàn)rancisCollombet.Studyofdrillingofcompositematerialandaluminumstack[J].CompositeStructures，2010(92):1246-1255.

　　機(jī)械工程師論文范文：航空飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備故障檢測

　　這篇電子工程師論文發(fā)表了航空飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備故障檢測，隨著航空電子設(shè)備的逐漸發(fā)達(dá)，飛機(jī)對通用航空飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備的依賴性越來越大，但是一旦出現(xiàn)故障就會造成嚴(yán)重的后果，論文總結(jié)了通用航空飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備故障診斷方法，對故障的分類進(jìn)行了研究。