高飞，张璐，袁志敏，董楠
中航西安飞机工业集团股份有限公司
碳纤维复合材料具有高硬度、抗疲劳性好、抗腐蚀、热膨胀系数小、重量轻等优点，越来越多地被应用于飞机结构设计以及制造中，其广泛应用也在钻削加工和装配上带来了一些难题[1]。由于碳纤维复合材料具有高脆性、非均质和各向异性的特点，材料的力学性能受加载方向的影响极大，制孔时极易产生基体灼伤、毛刺、分层及撕裂等多种形式的损伤，导致产品存在质量隐患[2，3]。
王豪等[4]研究了针对复铝叠层在不同工艺参数下使用不同刀具的制孔工艺，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。山特维克研制了碳纤维复合材料和铝合金叠层加工用刀具，该刀具能在一定程度上抑制铝合金出口毛刺和复合材料分层[5]。罗海勇等[6]采用CVD和PVD硬质合金棒料，通过使用匕首钻、麻花钻和金刚砂涂层扩孔锯进行复合材料钻铰孔试验，针对不同孔径选择合适的转速和进给量，提高了制孔技术水平。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的使用寿命，以提高生产效率和降低生产成本，对航空用复合材料的发展和生产应用有较大的促进作用和实际意义。
在复合材料正式制孔前，须进行生产前工艺测试，明确刀具寿命，通过定期换刀来减少刀具异常对产品质量的影响，严格控制飞机装配质量的稳定性。
2.1 复材制孔的工艺优化方案
针对复合材料手工制孔刀具寿命测试试验耗时耗资巨大的问题，从源头进行调研分析如下：①缺乏统一的刀具技术规范，未对刀具材料、参数及涂层等进行明确规定，造成不同品牌的刀具质量差异明显，且同一厂家不同批次刀具的质量稳定性也存在部分差异，因此刀具寿命难以统一，最终仅能按品牌进行刀具寿命测试，造成寿命差异明显且管理难度大；
②在同类或同种制孔技术需求下，不同站位所用刀具不统一，刀具切削余量、刀具结构不同且刀具规格种类多，造成刀具寿命测试和管理的难度增加；
③手工制孔刀具使用寿命的影响因素较多，如刀具使用过程中风钻的转速、进给量和冷却等因素，操作人员的技能和工况的差异等；
④根据前期大量制孔经验，在相同工况和刀具质量稳定的前提下，相近刀具的使用寿命差异不大，对所有刀具进行寿命试验必然会导致时间和资金的浪费。
因此降低所需测试的刀具数量是复合材料手工制孔刀具寿命管控的关键，控制刀具质量稳定性，转变刀具寿命按品牌测试和管理的方式，从源头统一刀具规格，减少刀具种类，科学合理地选取典型寿命测试刀具。
针对以上问题，制定复合材料手工制孔技术规范，对复合材料手工制孔刀具(匕首钻、钻头、扩孔钻、铰刀及锪窝钻)的材料、参数等进行明确规定，并规范相关刀具的应用条件和风钻转速、进给量和冷却等因素，以确保刀具的品质及寿命的稳定性，使刀具寿命从按品牌分类测试转变为依据规范标准进行测试。
本文通过对纯CF材料以及CF/Al叠层材料进行统一分刀方案和刀具结构，引入碳纤维专用匕首钻和PCD锪窝钻进行复材制孔工艺优化，加工方式为手持风钻手工制孔，所选刀具为硬质合金匕首钻、钻头、扩孔钻、铰刀以及PCD锪窝钻，刀具规格从原172种降低至128种。方案制定前后刀具规格数量对比见图1。
图1 方案制定前后刀具规格和数量对比
由表1可见，引入碳纤维专用匕首钻和PCD锪窝钻后，使用钻头、扩孔钻和铰刀的数量都有不同程度的降低，总体上复材制孔所需刀具的总数降低了25.58%，达到了复材制孔工艺优化的目的，从源头解决了刀具规格多的问题，为降低刀具寿命测试和管理难度提供了条件。
表1 方案制定前后不同刀具的应用结果
2.2 复材制孔的寿命测试试验方案
在解决以上难点的基础上，针对科学合理选取典型寿命测试刀具的问题，制定了复合材料手工制孔刀具寿命测试试验方案，进行材料、工具和制造工艺控制、孔径关键特征(质量和大小)检测及刀具寿命计算。合并相同或相似孔径，在相近孔径规格中选取最高孔径精度的制孔刀具作为寿命测试所用刀具规格。刀具连接方式分为圆柱柄和螺纹柄两类，由于螺纹柄与直柄刀具的切削状态相同，试验仅进行直柄刀具的寿命测试。因此，刀具寿命测试规格从185种减至34种，大幅降低了刀具寿命测试耗资耗时大的问题。
根据手工制孔刀具切削特性确定复合材料刀具寿命计算原则，若试验结果满足n×80%≤刀具制孔数≤n×150%，则该批刀具合格，且刀具最终寿命值是以同规格测试刀具无缺陷制孔长度的算数平均值，计算公式为
L=n×h
(1)
N=L×75%
(2)
式中，L为刀具最终寿命值(mm)；
n为平均制孔数量(个)；
h为测试板厚度(mm)；
N为刀具使用寿命(mm)。
图2和图3分别为纯CF和CF/Al的材料厚度。在实际正式生产应用中，为了减少刀具异常对复材制孔质量的影响，刀具寿命达到最终寿命的75%时采取强制换刀措施。
图2 纯CF材料厚度
图3 CF/Al材料厚度
对于小孔径采用一刀制孔，而加工大孔径时，为避免钻削过程中切削力太大对刀具和孔径产生影响，需要分刀制孔，所以使用扩孔钻或扩铰刀时存在多种规格刀具。本文采用不同的测试板厚度，在加工不同孔径时采用不同的分刀方案，以同一工序、不同规格刀具制孔的最后一刀为例分析刀具应用情况。
对于纯CF材料，钻削过程中钻削轴向力的分布越向钻头中心集中，越容易发生分层损伤，钻削轴向力的分布越均衡于整个孔域，越不容易发生分层缺陷。匕首钻在钻削时最不容易发生分层缺陷，试验采用匕首钻和扩铰刀完成复合材料手工制孔，得到匕首钻和扩铰刀的使用寿命见图4。
CF(6mm)材料的制孔孔径为2.464mm，由图4a可见，仅需要匕首钻一刀制孔即可。对于CF/Al叠层材料，试验采用钻头、扩孔钻、铰刀和锪窝钻完成复合材料手工制孔，其使用寿命见图4b、图4c及图4d。可见，对于不同测试板厚度的纯CF材料及CF/Al叠层材料手工制孔，制孔刀具的寿命都不相同，但是其偏差都稳定在均值上下。
(a)
(b)
(c)
(d)
经刀具寿命测试，同类刀具寿命基本稳定且相对原刀具均有大幅提升(见表2)。尽管后期刀具制孔比较困难，且刀具有磨损，但仍可正常使用，无劈裂、烧伤和叠层现象，分开检验后发现，CF未出现撕裂和烧伤等问题。
表2 刀具寿命对比及增长效果
通过复合材料手工制孔刀具寿命技术研究，制定了复材手工制孔刀具应用方案，并统一分刀方案，从源头减少刀具规格，将规格从172种降低至128种，有效降低了刀具寿命管控难度。通过典型寿命测试科学合理地选取刀具，所需测试的刀具规格从185种减少至34种，以及刀具数量、刀具寿命测试时间及耗资都大幅降低。
复材手工制孔刀具以技术规范为依据，引进复材制孔专用匕首钻和PCD锪窝钻，对比前期其他品牌刀具寿命平均提升1.96倍，不仅提升了刀具质量和寿命的稳定性，还提升了刀具的使用寿命，获得的刀具寿命可直接推广应用于其他刀具寿命管理，为新材料的刀具寿命研究提供技术依据。
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