1715-TASIF16

1715-TASIF16

 

隨著空中客車飛機新機型的出現，使用鋁合金材料制造飛機機身的比例不斷下降。在對材料強度要求高的地方，已經用鈦合金和合金鋼代替鋁合金。為降低飛機重量，提高飛行經濟性，纖維增強復合材料的使用比例在上升。對于復合板構件而言，首先是選用鈦合金和鋁合金復合板，因為這樣可以以小的構件厚度獲得高的強度。在如機艙門等特殊結構處，也使用合金鋼板，典型的是用Cr-Ni合金鋼板。復合板件的數量和厚度等必須滿足承載需求。這類復合板具有復合材料和連接材料的特性，也給加工帶來了很大的問題。因為首先要對飛機機身上的這些復合板鉆孔，然后再用鉚釘將其聯接起來。復合板在不同部位的層數(厚度)是不同的，因此可加工性也是不同的，但要求盡可能在一道加工工序中用一把鉆頭完成加工，這對鉆頭材料及其潤滑形式提出了一個很高的要求。顯然，對大構件機身而言，普通潤滑方式是不適用的，應采用一種小量冷卻液(MMS)技術進行加工。有關鋁-鈦合金復臺板加工和鐵合金的干切削加工方面的研究報道很少。在加工鋁-鈦合金復合板時，通過優選刀具材料、刀具幾何參數和切削加工參數等，可提高切削效率。加工這種材料時，鋒利又未折斷的鈦合金切屑會粘在刀具表面，使得鋁合金板上孔徑增大。對鋁合金的干切削加工研究主要集中在銑削加工方面。使用MMS技術已成功地鉆削過共晶鋁合金。鉆削變形鋁合金時也可使用MMS法；在完全干式鉆削鋁合金深孔時，鋁合金強烈的粘附作用會使刀具壽命迅速降低。使用MMS法和硬質合金鉆頭鉆削TiAlV時，鉆孔速度可由平時的v_c=15～30m/min提高到v_c=50m/min或更高，但會出現嚴重的排屑問題，且因溫度過高出現切屑著火現象，因此需要增加一個緩沖切削循環。若采用高壓冷卻，可實現v_c=90m/min的切削速度。本文介紹了在漢堡工業大學切削加工研究所根據Airbus的要求，對鋁-鈦合金復合板的鉆削加工進行的系列研究中，不同加工工藝對鉆削孔質量的影響。

1 試驗

試驗使用了4種結構的鋁鈦復合板，鋁板材料為鋁變形合金3.1364 T351(4.4%Cu-1.5%Mg-0.6%Mn)；鈦板材料為鈦合金3.716411(6%Al-4%V)。鋁鈦復合板分別標記為Al-Ti(4.5mm鋁板+1.2mm鈦板)、Al-A1+3×2Ti(6衄鋁板+4mm鋁板+3層2蛐鈦板1、A1.Al+5×2Ti(6mm鋁板+6mm鋁板+5層2mm鈦板)、Al-Al+8×2Ti(6mm鋁板+2mm鋁板+8層2mm鈦板)。一般使用?4.8～6.3mm的粉末冶金硬質合金(VHM)鉆頭，牌號K40和K30F(細晶)；作為比較也使用含鈷高速鋼麻花鉆頭(HSS-E 1.3243)。另外還使用涂層刀具(TiCN，TiAlN)。試驗在F.Deckel Type FP3A CNC鉆銑機床上進行。使用了無毒無刺激性冷卻液，包括脂肪醇產品A(良好生物降解)和產品B(快速生物降解)以及一種脂肪酸酯(完全生物降解)。采用干式切削的MMS法鉆削，霧化后的冷卻液再同壓縮空氣混合，從外部噴向鉆頭。小量冷卻液供給裝置為Rexim Typ31105。噴嘴與刀具相距約30mm，噴嘴直徑比鉆頭直徑要大，大約有30%的冷卻液噴到了鉆頭。用內徑側量儀測量不同板的孔徑。

2 試驗結果與分析

2.1 鉆削鋁-鈦復合板的孔徑

在對Al-Al+3×2Ti進行鉆削時，發現第1塊Al板的孔徑比第2塊Al板的直徑小，但均大于鈦合金板的孔徑，鋁板孔的內表面呈不平滑狀。為了找出其原因，分別測量了單獨鉆削鋁扳復合板、鈦板復合板和Al-Al+5×2Ti復合板的孔徑?？梢钥闯?，在對鋁-鈦復合板進行鉆削時，鋁板的孔徑比鈦板的孔徑大，并且超出了公差許可；但在單獨鉆削鋁板或鈦板時，各塊板的孔徑均在允差范圍內。鉆削鋁-鈦合金的切屑形態。鈦臺金切屑不易分類，大致呈不規則連續鋸齒形，這是由不均勻塑性變形、周期性擠壓和局部剪切變形所致。鈦合金切屑的摩擦是產生鋁-鈦合金孔徑超差的根本原因。試驗發現，Ⅰ型切屑較少，Ⅱ型和Ⅲ型鈦合金切屑對鋁板的孔徑影響大。因此，控制鈦合金的切屑流出量及切屑形態，是提高復合板孔徑質量的主要方法。

2.2影響鋁-鈦復臺板鉆孔孔徑的主要因素

1. 不同冷卻液對孔徑的影響
2. 進給速度對孔徑的影響
3. 鉆頭頂角對孔徑的影響
對厚度相對小的鋁-鈦合金進行冷卻液影響研究時，用TiCN涂層VHM锪孔鉆以恒定進給速度鉆削。每一種工具鉆了約400個孔。冷卻液供給量為0.40ml/min；每孔鉆削時間約3s，使用冷卻液量約0.02ml。在鉆削Al-Ti(4.5+1.2mm)復合板時，由于鋒利硬度高的鈦臺金切屑在排出過程中與臺金板相摩擦，使得鋁合金板的孔徑比鈦合金孔徑要大。鋁合金板的孔徑尺寸公差分布于H8和H9之間，而鈦合金板孔直徑公差只在H8之下。對于三種冷卻液而言，合金板的平均直徑公差均在H8～H9間，相差不多，鈦合金板直徑變化也很小，兩者相差15～20μm：鋁合金板上孔的直徑波動遠大于鈦合金板直徑的波動。在鉆削400個孔的試驗結果中，孔徑分布表現出使用脂肪酸時孔偏差大。但在使用另外的同種刀具進行補測試驗時，發現這種現象已不復存在，這可能表明了刀具供銷商提供的刀具存在偏差，它對鉆孔孔徑的影響很大。這種偏差表現在刀刃主偏角(大相差0'20")、進給后角(大相差100")、進給前角(大相差0'20")、刃帶寬度(大相差0.03mm)，以及刀刃前后刀面的鋒利程度和表面粗糙度的波動。使用A1-Al+3×2Ti板進行了進給速度對孔徑的影響試驗。試驗結果表明，使用未涂層刀具時復合板孔徑的波動范圍與進給速度無關。但在使用涂層刀具時，隨著進給速度的增加，鈦板孔徑相差5μm，孔徑平均值增加。在v_c=5～30m/min范圍內，鋁板孔徑相差20μm。這是因為進給速度越高，溫度升高，連續型鈦合金切屑的比例越大，對鉆扳孔徑的影響增大。進給速度增加后，切屑排出速度提高，摩擦增大。鉆削溫度有所上升也使得MMS冷卻霧化液的作用效果降低。使用兩個頂角不同但其他幾何參數相同的未涂層麻花鉆鉆頭，分別鉆削了25個A1-Al+3×2Ti復合板孔。隨著鉆頭頂角的增大，鋁板的孔徑增大，在鉆頭頂角σ=140°～165°之間時，孔徑平均值相差約20μm，而且孔徑波動相差甚大，甚至超出了孔的允許上偏差H11。但是鉆頭頂角對鈦合金板孔徑的影響可忽略不計。上述結果與孔深也有關系。顯然在第2塊鋁扳處，孔徑大：孔呈嗽叭形，而鈦合金板上的孔仍為圓柱形。

2.3改善復合板鉆孔尺寸精度的方法

1. 增加退刀排屑行程
2. 采用擴孔方式加工
3. 減小鉆頭刃帶寬度
4. 增大進給前角
5. 使用階梯鉆頭
增加退刀排屑行程，排出生成的鈦合金切屑，減少其對鋁合金板孔徑的影響。在鉆削Al-Al+8×2Ti時，試驗了兩種一次鉆通的方法。一種方法是在鉆削第7層鈦板前退刀一次；另一種方法是采用兩次退刀行程，即在鉆削第4層、第7層鈦板前各退刀一次，此時鋁板孔的表面質量比一次退刀行程的要好，第2層鋁板的孔徑平均值已在H11范圍內。同時給出了加工Al-Al+8×2Ti板時的孔徑尺寸，即預先鉆孔、再采用二次退刀排屑法進行擴孔加工。擴孔鉆(預鉆孔徑為4.8mm)鉆削第4層、第7層鈦板前各退刀一次，可以使孔徑完全符合質量要求。減小鉆頭刃帶寬度可以改善切削受力和排屑條件。在將正常刃寬由O.50～0.60mm減小到0.20～0.25mm后，加工Al-Al+8x2Ti板時，鈦板的孔徑波動很小，鋁板的孔徑波動和平均值均下降，孔徑可完全符合質量要求。試驗表明，加工Al-Al+8x2Ti板時，進給前角在增大到30°時第2層鋁板的孔徑質量顯著提高。不過，此時需要考慮刀具的強度。試驗中使用的刀具刀刃已進行了圓角增強處理。使用階梯鉆頭可以得到非常好的鉆孔質量。試驗對使用锪孔鉆退刀加工和階梯鉆退刀加工Al-Al+8×2Ti的結果進行了對比。在使用階梯鉆時鋁扳的孔徑偏差小，鈦板孔徑幾乎同鉆頭直徑相同。退刀位置的確定同樣是十分重要的。

3 結論

1. 鈦板切屑的摩擦磨損作用，是造成鋁板孔徑波動幅度較大、平均孔徑值偏差大和孔里喇叭形的原因。
2. 試驗用的3種冷卻液對鉆削孔徑影響不大。用涂層刀具加工時，鉆削孔徑同進給速度呈正比。鉆頭頂角越大。鋁板的孔徑越大，但鈦板的孔徑不變。
3. 采用退刀排屑和擴孔方式加工，減小刃帶寬度，增大進給前角和使用階梯鉆頭可以減小孔徑的偏差，保證加工孔徑質量。

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