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谈碳纤维复合材料与钛合金制孔技术

2019/08/26 阅读:

【摘要】碳纤维复合材料以及钛合金都属于很难加工的材料,通常在钻削碳纤维复合材料时,采用高转速和小进给量的加工参数,切削液对复合材料的性能存在不良的影响,所以通常会采用干切加工的方式,由于复合材料自身的热导率比较小,热胀系数和弹性恢复非常大,所以就造成复合材料容易出现缩孔的问题。在针对碳纤维复合材料与钛合金夹层结构钻削过程中,由于这些问题的存在,容易导致复合材料加工质量受到影响,因此必须针对加工问题选取合适的工艺参数和工艺方法,提高加工工艺的整体质量,通过本文的研究结果表明目前的钻削工艺还存在一定的改进空间,通过选择合适的操作工艺方法,能够有效避免夹层结构出现缩孔的问题。

【关键词】碳纤维复合材料;钛合金;叠层结构;自动化制孔

现代飞机结构中复合材料、钛合金运用占比不断提高,对复合材料低损伤制孔、连接技术提出了更高要求。复合材料制孔中,容易出现分层、劈裂、毛刺、过热、粗糙度差等问题,对复合材料制孔刀具的材料、几何参数、表面涂层等提出了更高要求,对切削速度、进给速度、切削量、冷却方式提出了更多限制。用于复合材料制孔的刀具、加工参数不同于金属材料加工,例如复合材料制孔需要高转速,而钛合金材料制孔需要低转速,复合材料和钛合金叠层的传统方法制孔难度较大,而数字化设备制孔可以精确控制每一种叠层材料不同阶段的制孔工艺参数,自动化制孔可显著提高复合材料和钛合金叠层的制孔质量和制孔效率。

1现阶段碳纤维符合材料/钛合金材料加工存在的问题

传统飞机壁板通过分段式的结构利用铆钉和螺栓进行连接,导致整个结构的重量大,比强度低,密封性差等问题,难以适应现代飞机的经济性和可靠性要求,复合材料整体壁板不仅能够减少自身零组件的重量,提高飞机结构强度和疲劳寿命,而且也可以更好的缩短装配周期,保证装配生产效率,加强对复合材料壁板与钛合金叠层结构制孔及锪窝技术的研究具有重要意义。由于碳纤维复合材料壁板以及钛合金机翼目前多数为人工加工,不仅加工质量严重依赖工人技能水平,而且加工效率低,复合材料加工一旦出现质量问题比金属材料难修复,容易引起报废损失,无法适应飞机批量化生产的高效率、低成本装配要求[1]。

2碳纤维复合材料钛合金叠层结构特点以及钻孔加工的研究现状

碳纤维复合材料具有良好的物理性能和机械性能,所以在航空工业中被广泛的应用,与其他材料相比较,碳纤维复合材料具有高比强度和高比刚度,并且具有抗疲劳性能,耐温性能,抗腐蚀性能等特点。但是碳纤维复合材料由于自身的导热性能较差,所以在加工的过程中往往会因为高温而软化,为此在加工的过程中必须要加强对于碳纤维复合材料切削速度的控制。钛合金主要就是在钛基础中加入其它元素,并且经过特殊工艺处理而形成的合金,由于钛合金的密度小,比强度高,耐腐蚀性好,所以在工业领域中被广泛的应用。例如可以在飞机发动机吊挂,起落架部件以及活动翼面滑轨接头等进行应用[2]。钛合金自身的密度低比强度高,而且热稳定性好,具有良好的抗腐蚀性能和抗低温性能,所以钛合金在航天工业中应用范围越来越广泛,但是钛合金在加工的过程中同样也存在不足,一方面是因为钛合金自身的导热性能也比较差,所以在加工的过程中,如果热量不能够及时散出,很容易导致刀具的使用寿命受到高温影响,另外钛合金的刚性非常差,在切削的过程中由于加工表面的回弹变形大很容易与当面产生摩擦影响刀具的使用寿命,而且钛合金由于其自身的活性非常高,在高温条件下也会产生多种的化学反应形成硬化现象,很容易给刀具造成损伤,由于碳纤维复合材料与钛合金两种材料之间的性能差异非常大,在加工的过程中也存在明显的不同。通常来说在利用同一种刀具加工两种材料是金属材料的特性,会影响叠层结构的加工质量,而且在加工碳纤维复合材料和钛合金材料由于会导致刀具磨损,所以很容易影响加工质量[3]。

3碳纤维复合材料以及钛合金叠层加工的自动化制孔技术分析

3.1多功能末端执行器

多功能末端执行器作为飞机装配制孔应用最广泛的部件,随着计算机技术,数控机床技术以及智能机器人技术的发展而得到了广泛的应用,通过末端执行器集成在机器人或机床等设备上,,不仅提高了设备的可靠性,而且也能够提高制孔的精度和效率,为了能够进一步实现机翼装配关键连接孔的自动化加工,通过设计具有螺旋铣锪窝加工功能的末端执行器。在多功能末端执行器中,包括机械主轴单元。底座压紧单元以及法相测量单元等,不仅具有制孔和锪窝的功能,而且还可以自动化检测记录质量信息,以及监控刀具寿命等相关功能[4]。

3.2多功能末端执行器的机械结构

多功能末端执行器机械结构包括主轴自转公转,偏心距调节以及圆弧摆动单元,可以实现自由转轴机构,公转轴机构,偏心轴机构等。由于自转轴机构能够实现自动电主轴的转动,并且在循环冷却水系统的保护下,可以连续高速旋转24h,另外主轴还能够保证刀具中心的冷却功能,可以实现吹风冷却或者油雾冷却,通过刀具固定在刀柄上,利用气动的方式可以实现主轴的安装与拆卸,而勾转轴机构的运动则是由公转轴机电驱动的公转轴电机可以通过同步带传动机构电主轴连接进行控制同步带的工作面属于齿形工作面,能够与带轮的齿槽啮合传动,保证传送带的抗拉性能,并且也可以提高传送带整体的截线长度不变[5]。针对飞机整体机翼装配的实际需求,利用碳纤维复合材料钛合金叠层结构自动制孔工艺和钛合金板锪窝加工工艺进行研究,基于末端执行器的螺旋铣椭圆涡自动化制孔系统,可以有效的针对飞机整体机翼装配的加工工艺加工参数以及叠层结构自动制孔和锪窝加工质量的影响进行分析,保证叠层结构及一单侧固定连接孔的质量和效率得到全面的提升,彻底解决人工加工过程中效率低质量不足的问题,而且通过运用碳纤维复合材料钛合金叠层结构机翼自动化制孔技术的研究,也能够填补我国碳纤维复合材料钛合金叠层结构机翼自动化生产的空白,促进螺旋铣锪窝加工技术的快速发展,促进整体式机翼装配制孔的质量和水平得到全面的提升[6]。

4结论

随着航空工业的快速发展,现在飞机对于气动性和整体性的要求也在不断提高,由于传统铝合金机翼结构重量过大,强度刚度比较弱,密封性差等缺点,所以无法适应现阶段的飞机机翼的装配要求运用碳纤维复合材料壁板和钛合金材料的过程中,由于内部骨架会形成叠层机一,所以单侧固定连接孔的加工目的多为钻扩铰或人工锪窝工艺方式进行加工,不仅无法保障加工效率,而且加工成品率不高,为了能够改进整体式机翼装配至孔的质量,可以针对整体式机翼装配进行自动化加工设计,通过一种螺旋铣功能和锪窝加工功能的多功能末端执行器设计,以及针对碳纤维复合材料钛合金叠层结构自动制孔来进行钛合金工艺可以有效避免复合材料出现损伤。

参考文献

[1]侯书军,高晓星,李慨,裴腾飞,曲云霞.碳纤维复合材料/钛合金叠层板振动辅助钻孔技术[J].南京航空航天大学学报,2018,50(03):295-301.

[2]蒲景威.CFRP/钛合金叠层材料自动制孔变参数工艺优化研究[D].南昌航空大学,2018.

[3]刘俊义,孙会来,聂晓菊,赵方方.碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔工艺优化[J].宇航材料工艺,2018,48(02):78-81.

[4]冷小龙,李鹏南,邱新义,牛秋林,李常平.阶梯钻钻削碳纤维复合材料-钛合金叠层板刀具磨损试验研究[J].宇航材料工艺,2018,48(02):86-90.

[5]高晓星.碳纤维增强复合材料与钛合金钻孔技术研究[J].设备管理与维修,2018(06):111-112.

[6]胡勃.基于递归分析的碳纤维复合材料微缺陷超声检测技术研究[D].浙江大学,2018.

作者:李城 单位:航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司

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