复合材料与钛合金叠层ADU制孔工艺技术研究

复合材料与钛合金叠层 ADU制孔工艺技术研究

彭婷婷 张宪朝

上海飞机制造有限公司

摘要：碳纤维复合材料与钛合金叠层构件在飞机机翼和平尾中应用比较广泛，由于碳纤维复合材料层间结构特点和两种材料的性能差异，在装配制孔过程中加工难度大，特别是在机翼盒段处大厚度大直径复材金属叠层构件的制孔，普通的手工制孔工具已不能满足航空制造领域高效精密制孔的工艺需求，因此在飞机制造领域对其采用自动进给钻制孔。本文通过采用自动进给钻(ADU)对复材金属叠层进行制孔，研究了不同工艺对制孔质量的影响规律。通过制孔刀具对比性实验，揭示了不同复材钛合金叠层形式、有无底孔、有无垫板对制孔的影响规律。

关键词：CFRP/钛合金叠层；自动进给钻；大厚度大直径制孔；工艺优化

碳纤维复合材料与金属材料相比，它具有更好的比强度和比刚度，减重效果明显，在新一代的商用客机中得到了广泛的应用。在飞机制造过程中，钛合金与复材叠层制孔是比较常见的叠层形式，针对大孔径大厚度的叠层制孔，传统的手工工具已经不能满足高效精密制孔的工艺需求，而采用自动进给钻制孔优势明显，降低孔偏差率 ，降低了工人的工作强度，使制孔不再依赖工人操作的熟练程度，提高制孔质量及效率，降低返工率，根据合理的制孔工艺，提高刀具的使用寿命，降低刀具成本。基于此本文研究采用自动进给钻对复材叠层制孔，研究叠层形式、有无底孔、有无垫板对制孔质量的影响规律。

1. 研究背景

在民机制造过程中，部分复材构件中由于材料及孔径大小的因素，超过-12的孔将采用ADU进行制孔，由于复材构件中制孔形式比较复杂，存在很多叠层制孔，特别是复材与金属叠层，复材作为航空新用材料，能够减轻机体重量，但是缺点是作为出口或者入口，将会出现劈裂或撕裂，而这种缺陷是不可修复的，超出可接受范围将会影响飞机性能。另外部分工件本身带有底孔，要在有底孔的情况下制孔，根据钻头的特性，有可能在钻孔时复材会劈裂严重。因此在用于实际工件之前，对刀具性能进行测试十分必要。

2. 研究内容及总体方案

2. 1. 研究内容

（1）对复合材料/钛合金叠、钛合金/复合材料、钛合金/复合材料/钛合金层进行制孔；

（2）对比有无底孔、有无垫板对复材叠层制孔的影响

1. 2. 总体方案

2.2.1制孔材料及制孔方案

本次试验件的金属材料为钛合金，测试过程模拟工况最厚叠层，复材板与钛合金试验件的尺寸大小如表2-1所示。

表格 2-1：试验件尺寸

制孔孔径大小分别为-14、-15、-16、-18、-20， 针对这五种不同孔径制孔方案如表1-2所示。

表格 2-2：不同孔径大小的制孔方案

由图中数据可以看出，-20的制孔方案可以包含了其他孔的制孔方案，只要分别测得在制出直径为10、12、14的孔时没有出现劈裂或撕裂情况，就可以判断此方案的可行性。因此，这次测试选择-20的孔进行测试。

2.2.2叠层形式

复材机翼中复合材料与钛合金的叠层形式如图2-1所示。

图2-1：复材与钛合金叠层形式

在制孔中，有部分工件入口处带有直径为6.35mm的底孔，根据钻头的特性，在有底孔的基础上再采用钻头制孔，材料为复材时劈裂情况会比较严重，针对此情况，采取了两种措施：加垫板或者是采用手工制孔将底孔扩到7.88毫米，然后再用ADU直径为10毫米的扩孔钻进行制孔。排层顺序与是否有底孔的情况，复材与钛合金的制孔可分为10种工况，如表2-3所示。根据每种工况制一个直径为-20的孔进行测试。

表格 2-3：复材与钛合金叠层制孔工况

序号	叠层顺序	底孔	垫板
1	复合材料/钛合金	无	无
2		6.35mm	无
3		6.35mm	2mm铝板
4		7.88mm	无
5	钛合金/复合材料	无	无
6		6.35mm	无
7		6.35mm	2mm铝板
8		7.88mm	无
9	钛合金/复合材料/钛合金	无	无
10		6.35	无

2.2.3制孔刀具及设备

本次测试使用的刀具为钻扩铰刀，如图2-2所示。自动进给钻转速设定460 r/min,进给为0.025 mm/min。

图2-2：制孔刀具及自动进给钻

3. 测试结果分析

3.1复合材料/钛合金叠层制孔

在此条件进行制孔时，复材是入口，钛合金为出口，如图4-1所示。根据有无底孔、垫板的情况可将试验工况分为四种：无底孔无垫板、底孔6.35mm无垫板、底孔6.35mm加垫板、底孔7.88mm无垫板。底孔为7.88mm时，采用ADU制孔将省略钻孔这道工序，直接用10mm扩孔钻进行。

根据实验结果，有底孔无垫板工况下制的孔达不到孔质量要求，无底孔无垫板与有底孔有垫板工况下制的孔都符合规范要求，图3-1为加垫板的制孔形式。

图3-1：复合材料/钛合金叠层6.35mm底孔加垫板夹紧形式

3.2 钛合金/复合材料叠层制孔

此种情况下，钛合金是入口，复合材料为出口，测试工况与3.1一致，经过测试得出以下结果。

3.2.1无底孔无垫板

钛合金的入口质量好，复材作为出孔，在无垫板的情况下，如表3-1所示，制直径为8毫米的初孔劈裂严重，长度达到了5毫米，但是逐步扩到10、12、14、15.7时劈裂被扩掉，还有稍微的劈裂，根据规范要求，劈裂长度可接受。但是这种制孔方式适合-16以上的孔，若是孔径较小劈裂在扩孔时扩掉的较少，终孔的劈裂长度可能超过范围要求。

表3-1：钛合金/复合材料无底孔无垫板条件下孔入口与出口质量

3.2.2 底孔6.35mm无垫板

在有底孔的条件下，复材板作为出口面不加垫板，由测试结果可以看出，钛孔完全没问题。在有底孔无垫板的条件下，用直径8毫米的钻头直接钻孔，复材出口除了因为夹紧位置原因产生的偏差，出口质量不错，但是到了扩孔时劈裂严重，扩到10毫米孔的右下角有约3毫米的劈裂，扩到12毫米时孔周围劈裂较多，长度减短。扩到14.2时，在孔上面中间位置出现了劈裂，长达4毫米，这个长度在孔铰到15.7时变短，有1.5毫米长，经过最后一刀精铰，劈裂长度没有变长，在可接受范围内。这种条件下制孔适合-20的大孔径孔。

表3-2：钛合金/复合材料底孔6.35mm无垫板条件下孔入口与出口质量

3.2.3 底孔7.88mm无垫板

底孔手工制到7.88mm，然后用ADU直接采用扩孔钻，每一步制孔的结果如表3-3所示，钛合金入口质量都好，复材作为出口，扩到10mm、12mm时，出口劈裂达都到了4mm，超出了规范要求范围内，扩到14.2mm时劈裂长度减小至1.5mm,但是制到终孔15.9mm时劈裂长度又增加到4mm，在规范要求范围内。此种条件下制孔不适合小于-20的孔。

表3-3：钛合金/复合材料底孔7.88mm无垫板条件下孔入口与出口质量

3.3 钛合金/复合材料/钛合金叠层制孔

在此条件进行制孔是将两块复材板夹中间，两边分别用两块钛板，复材在钛板中间，相当于加了垫板作用，孔的入口出口都符合制孔要求。

四、小结

由测试得出，在无底孔的情况下，不管叠层以何种形式，孔的质量是有保证的，当复材作为出口时孔虽有劈裂，但都在可接受范围。有6.35mm的底孔无垫板的情况，复材不管作为入孔或者是出口，劈裂都会较为严重，特别是作为入口的情况，劈裂超出可接受范围。与此相反，有6.35mm底孔并在复材一侧加垫板的情况，孔径很好。在另一种带有7.88mm底孔，使用ADU直接采用10mm扩孔钻的条件下，复材作为入口，孔质量好，但作为出口，只有-20的孔可以用，较小孔径的孔劈裂则超出可接受范围。总结来说，为了孔都符合制孔要求，在有底孔的情况下复材作为出口或者入口都要加垫板。