飞机弱刚性叠层自动制孔错孔分析

付建超，谭明维，杨建成，张 龙，连志敏

(成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610092)

0 引言

机械连接是飞机最主要的连接方式，通常一架飞机设计有上百万的连接件，用于实现框、梁、蒙皮等结构件的连接[1]，而这些连接区往往也是飞机结构的薄弱区，对飞机的疲劳寿命有着明显的影响。连接孔的局部应力集中将会导致裂纹，随后导致部件失效，因此飞机叠层制孔是飞机装配过程中重要的一环[2-3]。目前，国内的飞机制孔仍主要采用手工制孔的方式，手工制孔易出现孔径超差、椭孔、垂直度差等缺陷，同时制孔步骤较为繁杂，包含钻孔、铰孔、锪窝等多道工序。随着复合材料与钛合金等难加工材料在新一代飞机上大量使用，传统的手工制孔在制孔质量与效率上已经难以满足制造要求，因此为了提高制孔质量与生产效率，采用自动化制孔成为必然选择。目前应用效果较为理想的自动化叠层制孔工艺为钻鍃一体加工工艺，通过特制钻鍃一体刀具，实现叠层一刀加工形成终孔，在保证加工质量的前提下大大提升了制孔效率[4-5]。

由于飞机结构零件厚度普遍较薄，在制孔过程中易产生变形。在传统手工制孔时，采用了多道工序完成制孔，单次钻孔与铰孔的切削量不大，轴向切削力较小，因此叠层变形也较小,但在钻鍃一刀加工工艺中，由于一刀形成终孔，切削量较大，造成轴向切削力较大，结构变形明显，在实际应用中发现易产生层间毛刺与层间错孔现象[6-8]。层间毛刺得到了较多的关注，研究人员提出了通过增加压脚压紧力、减小切削力等等手段减少层间毛刺[9-11]，但缺少针对层间错孔的研究，仅清华大学的高宇浩等人开展了少量研究[12]。

当叠层出现错孔时，连接件在叠层界面将受到显著增加的剪切载荷，极易造成连接件寿命下降，影响整机寿命[13-14]。经过大量制孔结果分析发现，层间错孔现象主要发生在弱刚性结构处，如机表壁板与铝合金带板，最大错孔量可达0.04 mm，而对于刚性较好的部位，如机表壁板与主框、大梁的连接处，几乎不存在层间错孔，因此研究飞机弱刚性叠层错孔的影响因素具有重要意义。

1 弱刚性叠层制孔错孔形成过程

1.1 典型弱刚性结构特点

在大量统计分析制孔结果错孔量后，发现错孔主要集中在下层材料为铝合金且厚度较薄的部位。该部位的典型结构特征如图1所示，叠层的上层为碳纤维复材，典型厚度为4 mm，叠层的下层为铝合金，典型厚度为2～3 mm，且下层铝合金零件通常为带板，其结构为平板结构，无筋、肋等加强特征。叠层通过间隔一定间距的抽钉连接，抽钉间距100～300 mm不等。

图1 错孔集中部位结构特征示意图

1.2 叠层制孔错孔形成过程

图2为叠层材料制孔的各个阶段。图2a为叠层钻孔前的初始状态。图2b为钻削上层碳纤维复材层时的受力情况，此时上层复材层受末端执行器施加的压力Fp与钻削过程产生的轴向钻削力Ft，上层复材层与下层铝合金层共同发生弯曲变形，两层之间不产生明显的间隙。图2c为钻削下层铝合金层的受力情况，上层复材层由于自身刚性较好且不再受钻削力Ft的作用，相对于图2b产生部分变形回弹，钻削力Ft单独作用于下层铝合金层上。由于上层复材层材料强度高，厚度较厚，结构刚性明显优于下层铝合金层。同时，由于铝合金层所受的切削力大于复材层所受的压紧力，因此铝合金层会发生比复材层更加剧烈的变形，上下叠层发生分离，产生层间间隙。此时刀具对上层复材层存在铰孔效果并钻削形成下层铝合金层的通孔。由于工件的变形，理想的制孔轴线会随工件弯曲发生变化，使得实际制孔轴线与理论制孔轴线存在偏差。图2d钻削结束后，上下层叠层变形回弹后形成的错孔结果[12]。

(a) 初始状态 (b) 钻削上层

2 叠层错孔量理论计算

2.1 建立二维简化的力学模型

连接使用的抽钉在安装后提供的拉紧力约为2000 N，远大于切削过程中的压紧力(约200 N)与切削轴向力(约250 N)，因此可将相邻两抽钉间的叠层梁简化成两端固支梁结构，二维简化力学模型如图3所示，力F的作用点为钻孔位置。

图3 二维简化力学模型

2.2 错孔量计算

对于简化后的两端固支梁结构，在小变形情况下，上下层横截面形心的轴向位移很小，因此其产生错孔的主要原因为上下层在压紧力与切削力的作用下发生偏转，使制孔孔壁与结构表面不垂直，在叠层的交界处出现错孔。在不考虑横截面形心轴向变形的情况下，叠层在下层切削形成的错孔结果如图4所示，TA为上层复材的厚度；TB为下层铝合金的厚度；θA为上层复材在压紧力作用下产生的偏转角；θB为下层铝合金在压紧力作用下产生的偏转角。

图4 错孔示意图

上下叠层在交界面产生的错孔量可以表示为：

(1)

2.3 结构受力变形计算

在切削下层铝合金时，由于铝合金层的刚性小于复材层，且铝合金所受的切削力大于复材层所受的压紧力，因此上下叠层将发生显著变形分离，产生间隙。此时可以忽略铝合金与复材的相互作用力，近似看做上层复材仅受压紧力Fp，下层铝合金仅受钻削力Ft。将铝合金和复材的变形单独计算，则可以将受力情况简化为图5，复材与铝合金叠层在两端各受支反力FA、FB与支反力矩MA、MB作用。

图5 结构简化示意图

以下层铝合金变形计算为例，其受力情况如图6所示。

图6 下层梁受力示意图

受力平衡方程为：

∑F=0
∑M=0

(2)

对于固定梁两侧，其截面转角应为0，因此可增加变形协调方程：

θB1=0
θB2=0

(3)

利用叠加法，可得到固定梁左右两端的转角分别为：

(4)

可得：

(5)

转角为：

(6)

因此，下层铝合金在钻削力Ft作用点的转角为：

(7)

式中，

(8)

同理，上层复材在压紧力Fp作用点的转角为：

(9)

式中，

(10)

综合式(1)、式(7)、式(9)，即可估算出弱刚性结构梁在压紧力及钻削力作用下的错孔量。

2.4 错孔量分析

实际加工中的典型参数如表1所示，在该参数下的的错孔分布如图7所示。

表1 错孔量计算参数表

图7 错孔分布情况

错孔量最大的位置发生在约0.28L与0.72L的位置，综合最大错孔量约为0.022 mm，其中复材层的最大错孔量约为0.005 mm，占比22.7%，铝合金层的最大错孔量约为0.017 mm，占比77.3%，因此错孔的主要原因为铝合金层弯曲变形。在靠近抽钉连接处，由于抽钉的拉紧作用，错孔量较小。在梁的正中间，由于上下层悬臂梁的变形转角均为0，此处虽然会出现上下层分层的现象，但最终不会形成上下层错孔。由此可知，在下层材料刚性较弱，上层材料刚性较好时，产生错孔的主要原因为下层材料在切削过程受力产生的弯曲变形。

2.5 各因素对错孔量的影响

由于在实际情况中，复材层的厚度TA、压紧力Fp、切削力Ft均相对稳定，在此主要分析抽钉间距L、铝合金层厚度TB、铝合金层宽度wB对错孔量的影响。

(1)抽钉间距L对错孔量的影响。随着抽钉间距L减小，叠层结构的错孔量显著下降，如图8所示。当L由350 mm减小至100 mm后，抽钉间距减少71.4%，最大错孔量由0.042 9 mm下降至0.003 5 mm，下降91.8%。现场孔径精度要求为H9，对于φ6.1的螺栓孔，公差范围为0～0.036 mm，因此可将最大抽钉间距确定为150 mm。在实际产品加工过程中，由于产品的结构特征确定，在局部区域可通过减小抽钉间距、减小下层切削进给速度从而降低切削力来减小错孔量。

图8 不同间距L的错孔量

(2)铝合金层厚度TB对错孔量的影响。图9为抽钉间距为150 mm时，不同铝合金厚度下的制孔错孔量。由此结果可知，随着铝合金厚度减小，叠层结构的错孔量增大。在最小厚度2 mm的情况下，最大错孔量为0.015 4 mm。

图9 不同铝合金厚度TB的错孔量

(3)铝合金层宽度wB对错孔量的影响。图10为抽钉间距为150 mm，铝合金厚度2 mm时，不同铝合金宽度下的制孔错孔量。实际产品宽度在60～80 mm之间变化，随着铝合金宽度的减小，叠层结构的错孔量增大。最小宽度60 mm的情况下，最大错孔量为0.019 8 mm。

图10 不同铝合金宽度wB的错孔量

3 工艺试验验证

3.1 试验样件

工艺试验开展的依据为理论分析结果与产品特征，选择使用了碳纤维复合材料板与7050铝合金板，复材板的尺寸为：300 mm×80 mm×4 mm，铝合金板的材料为：300 mm×80 mm×3 mm。碳纤维复材板与铝合金板通过8颗抽钉连接，抽钉牌号为AF5075-4-3，单颗抽钉能提供约2000 N拉力。叠层板在拉紧后贴合程度较好，目视检查没有明显间隙，试验样件与装夹条件如图11所示。

图11 试验样件与装夹条件示意

共在铝板上制孔57个，制孔位置如图12所示，其中X方向的孔间距为12 mm，Y方向的孔间距为20 mm。

图12 制孔孔位

3.2 切削刀具及切削参数

切削使用的刀具为山特维克的钻鍃一体刀具，刀具直径为6.112 mm。切削使用的切削参数为：复材层切削转速为4000 r/min，进给速度为160 mm/min，铝合金层切削转速为4000 r/min，进给速度为160 mm/min，压紧力大小为200 N，采用干切的切削方式。

3.3 测孔量结果

测量错孔量使用的工具是INSIZE公司的数显内测千分尺，测量范围为6～8 mm。错孔量的测量原理如图13所示，先测量上层复材叠层的孔径D1，然后测量上下层交界处直径D2，则错孔量：

图13 错孔量的测量原理示意图

ΔD=D1-D2

(11)

图14为叠层制孔试验错孔量结果。

(a) 1～9号孔错孔量，最大错孔量为0.035 mm (b) 20～38号孔错孔量，最大错孔量为0.029 mm

试验结果的实测错孔量与理论计算值的存在一定偏差，偏差大小为0.001～0.01 mm，但实际错孔量的分布趋势与理论计算值较为一致。

4 结论

本文对飞机弱刚性叠层自动制孔中产生的错孔现象开展研究，分析了自动化制孔中易出现错孔的弱刚性结构特征，将其简化为上层刚性强、下层刚性弱的两端固支叠层梁结构。根据叠层梁的二维简化受力模型，计算了叠层在压紧力与切削力综合作用下的变形量与在交界面产生的错孔量，在下层材料刚性较弱、上层材料刚性较好时，产生错孔的主要原因为下层材料在切削过程受力产生的弯曲变形，最大错孔量发生在两相邻预连接件约0.28L与0.72L的位置。

针对弱刚性叠层自动制孔错孔控制问题，研究了错孔生产的各项影响因素。根据实际加工情况，将上层复材层的厚度、压紧力、切削力作为定值，详细分析了其余各变量对错孔量的影响，随着下层铝合金层的厚度减少、宽度变小以及抽钉间距减小，错孔量均会显著增加。在实际产品加工过程中，由于产品的结构特征确定，可通过减小抽钉间距、减小下层切削进给速度从而降低切削力来减小错孔量。在工艺验证试验中，试验件加工后的实测错孔量与理论计算错孔量存在0.001～0.01 mm的偏差，分布趋势较为一致。