碳纤维复合材料的锪窝质量控制技术研究

2022-11-15董卫萍王志超张磊金术俊

工具技术 2022年9期

董卫萍，王志超，张磊，金术俊

中航西安飞机工业集团股份有限公司

1 引言

碳纤维复合材料(CFRP)因硬度高、抗疲劳性好、抗腐蚀、热膨胀系数小和重量轻等优点，被广泛应用于舱体、机身、机翼和弹翼等各类主承力、功能结构件中。基于CFRP的制造特点和各向异性、非均匀性的材料性能，碳纤维复合材料一般采用净成形技术，即产品毛坯工艺余量少，仅需少量切边、铣面和钻孔加工[1]。由于飞机装配孔数量庞大，钻削和锪窝成为复合材料装配过程中较繁重的机械加工工序[2]。然而，碳纤维复合材料的力学性能受加载方向的影响很大，在制孔和锪窝时极易产生纤维拔出、毛刺、分层、撕裂、微裂纹和基体灼伤等多种形式的损伤，导致产品质量出现隐患[3]。因此，CFRP在飞机制造中的大量应用对制孔和锪窝技术以及刀具设计提出了挑战。

针对CFRP的制孔工艺和技术，国内外学者开展了广泛研究。Köning W.等[4]提出了轴向钻削力小于临界钻削力时不会出现分层损伤的概念；Zitoune R.等[5]对复合材料/铝合金叠层进行了钻削试验，探讨了工艺参数对复合材料、铝合金的切削力、制孔质量以及切屑形貌的影响；Marques A.T.等[6]研究了麻花钻、匕首钻和阶梯钻等不同结构钻头对复合材料分层损伤的影响。王豪等[7]对复合材料/铝合金叠层在不同工艺参数下使用不同刀具的制孔工艺进行了研究，探讨了工艺参数对孔径精度、表面粗糙度以及铝合金出口毛刺的影响规律；刘国兴[8]和张建国[9]研究发现，由于金刚石具有高硬度、高耐磨性等特性，采用PCD和金刚石涂层刀具可有效改善制孔质量。

因此，针对复合材料制孔损伤，优化复合材料手工制孔方案和提高刀具寿命对航空用碳纤维复合材料的发展和生产有较大的促进作用和实际意义。

2 CFRP锪窝质量问题分析

通过从源头进行调研分析，总结出目前碳纤维复合材料锪窝存在的问题：①某机型初期采用硬质合金锪窝钻进行复材锪窝，刀具磨损快，刀具寿命约为100个/把，刀具单价约250元/把，性价比低。②随着PCD刀具技术不断成熟，PCD锪窝钻单价约500元/把，刀具寿命约600个/把，具有较高的性价比，但由于刀具缺乏技术标准，种类杂、结构形式多样，刀具性能存在差异，同时操作要求也不尽相同，容易导致产品质量缺陷。③由于材料特性差异，复合材料与金属锪窝操作差异明显，金属锪窝时刀具进给轴向力大，会导致刀具刃部扎入复材叠层表面，伴随刀具转动，叠层产生撕裂现象。④为减少锪窝劈裂的产生，工人常在锪窝前用去毛刺工具打磨孔口(见图1)或采用纸胶带保护锪窝面(见图2)，操作费力费时，而且难以有效保证锪窝质量的可靠性。

图1 锪窝前孔面打磨

图2 锪窝面纸胶带保护

针对碳纤维复合材料锪窝产生撕裂的问题，结合CFRP的铺叠特性和缺陷产生机理发现，随着刀具受到的轴向力增大、径向力减少，复合材料的撕裂现象会得到改善[10]。

3 CFRP锪窝试验研究

飞机制造中常用的碳纤维复合材料表面状态有单向带、织物、铜网和喷漆四种，分别选取相同尺寸的上述四种碳纤维复合材料板作为试验工件，使用手工风钻进行锪窝试验，对比分析图3所示的硬质合金锪窝钻和PCD锪窝钻的锪窝加工质量，同时开展PCD锪窝钻应用方案研究。锪窝试验结果如图4和图5所示。

(a)硬质合金锪窝钻

图4 硬质合金锪窝钻锪窝结果

图5 规范操作方式后PCD锪窝钻的锪窝结果

在刀具研制方面，结合CFRP的铺叠特性和缺陷产生机理，根据锪窝试验结果，对比分析刀具设计参数与复材质量缺陷的关系发现，减少刀具前角和螺旋角能够降低锪窝时产生的径向力，解决复材劈裂问题，但刀具寿命会有所下降。因此PCD锪窝刀具常采用0°前角和0°螺旋角设计，刀片选用刃口锋利、耐磨损且导热性好的中粒度PCD刀片，刀体选用高冲击韧性且较高硬度的M42高速钢，保证复材锪窝无缺陷，同时刀具寿命可达600孔左右。

在刀具应用方案研究方面，经大量试验验证，通过对入刀、出刀进行转速、进给和垂直度等过程控制，采用“低速进退、高速锪窝”的方式可实现高质量锪窝，该方法无需进行入孔面打磨和保护，简单快捷，具体操作方法见图6。