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【摘要】碳纖維復合材料以及鈦合金都屬于很難加工的材料，通常在鉆削碳纖維復合材料時，采用高轉速和小進給量的加工參數，切削液對復合材料的性能存在不良的影響，所以通常會采用干切加工的方式，由于復合材料自身的熱導率比較小，熱脹系數和彈性恢復非常大，所以就造成復合材料容易出現縮孔的問題。在針對碳纖維復合材料與鈦合金夾層結構鉆削過程中，由于這些問題的存在，容易導致復合材料加工質量受到影響，因此必須針對加工問題選取合適的工藝參數和工藝方法，提高加工工藝的整體質量，通過本文的研究結果表明目前的鉆削工藝還存在一定的改進空間，通過選擇合適的操作工藝方法，能夠有效避免夾層結構出現縮孔的問題。

【關鍵詞】碳纖維復合材料；鈦合金；疊層結構；自動化制孔

現代飛機結構中復合材料、鈦合金運用占比不斷提高，對復合材料低損傷制孔、連接技術提出了更高要求。復合材料制孔中，容易出現分層、劈裂、毛刺、過熱、粗糙度差等問題，對復合材料制孔刀具的材料、幾何參數、表面涂層等提出了更高要求，對切削速度、進給速度、切削量、冷卻方式提出了更多限制。用于復合材料制孔的刀具、加工參數不同于金屬材料加工，例如復合材料制孔需要高轉速，而鈦合金材料制孔需要低轉速，復合材料和鈦合金疊層的傳統方法制孔難度較大，而數字化設備制孔可以精確控制每一種疊層材料不同階段的制孔工藝參數，自動化制孔可顯著提高復合材料和鈦合金疊層的制孔質量和制孔效率。

1現階段碳纖維符合材料/鈦合金材料加工存在的問題

傳統飛機壁板通過分段式的結構利用鉚釘和螺栓進行連接，導致整個結構的重量大，比強度低，密封性差等問題，難以適應現代飛機的經濟性和可靠性要求，復合材料整體壁板不僅能夠減少自身零組件的重量，提高飛機結構強度和疲勞壽命，而且也可以更好的縮短裝配周期，保證裝配生產效率，加強對復合材料壁板與鈦合金疊層結構制孔及锪窩技術的研究具有重要意義。由于碳纖維復合材料壁板以及鈦合金機翼目前多數為人工加工，不僅加工質量嚴重依賴工人技能水平，而且加工效率低，復合材料加工一旦出現質量問題比金屬材料難修復，容易引起報廢損失，無法適應飛機批量化生產的高效率、低成本裝配要求[1]。

2碳纖維復合材料鈦合金疊層結構特點以及鉆孔加工的研究現狀

碳纖維復合材料具有良好的物理性能和機械性能，所以在航空工業中被廣泛的應用，與其他材料相比較，碳纖維復合材料具有高比強度和高比剛度，并且具有抗疲勞性能，耐溫性能，抗腐蝕性能等特點。但是碳纖維復合材料由于自身的導熱性能較差，所以在加工的過程中往往會因為高溫而軟化，為此在加工的過程中必須要加強對于碳纖維復合材料切削速度的控制。鈦合金主要就是在鈦基礎中加入其它元素，并且經過特殊工藝處理而形成的合金，由于鈦合金的密度小，比強度高，耐腐蝕性好，所以在工業領域中被廣泛的應用。例如可以在飛機發動機吊掛，起落架部件以及活動翼面滑軌接頭等進行應用[2]。鈦合金自身的密度低比強度高，而且熱穩定性好，具有良好的抗腐蝕性能和抗低溫性能，所以鈦合金在航天工業中應用范圍越來越廣泛，但是鈦合金在加工的過程中同樣也存在不足，一方面是因為鈦合金自身的導熱性能也比較差，所以在加工的過程中，如果熱量不能夠及時散出，很容易導致刀具的使用壽命受到高溫影響，另外鈦合金的剛性非常差，在切削的過程中由于加工表面的回彈變形大很容易與當面產生摩擦影響刀具的使用壽命，而且鈦合金由于其自身的活性非常高，在高溫條件下也會產生多種的化學反應形成硬化現象，很容易給刀具造成損傷，由于碳纖維復合材料與鈦合金兩種材料之間的性能差異非常大，在加工的過程中也存在明顯的不同。通常來說在利用同一種刀具加工兩種材料是金屬材料的特性，會影響疊層結構的加工質量，而且在加工碳纖維復合材料和鈦合金材料由于會導致刀具磨損，所以很容易影響加工質量[3]。

3碳纖維復合材料以及鈦合金疊層加工的自動化制孔技術分析

3.1多功能末端執行器

多功能末端執行器作為飛機裝配制孔應用最廣泛的部件，隨著計算機技術，數控機床技術以及智能機器人技術的發展而得到了廣泛的應用，通過末端執行器集成在機器人或機床等設備上，，不僅提高了設備的可靠性，而且也能夠提高制孔的精度和效率，為了能夠進一步實現機翼裝配關鍵連接孔的自動化加工，通過設計具有螺旋銑锪窩加工功能的末端執行器。在多功能末端執行器中，包括機械主軸單元。底座壓緊單元以及法相測量單元等，不僅具有制孔和锪窩的功能，而且還可以自動化檢測記錄質量信息，以及監控刀具壽命等相關功能[4]。

3.2多功能末端執行器的機械結構

多功能末端執行器機械結構包括主軸自轉公轉，偏心距調節以及圓弧擺動單元，可以實現自由轉軸機構，公轉軸機構，偏心軸機構等。由于自轉軸機構能夠實現自動電主軸的轉動，并且在循環冷卻水系統的保護下，可以連續高速旋轉24h，另外主軸還能夠保證刀具中心的冷卻功能，可以實現吹風冷卻或者油霧冷卻，通過刀具固定在刀柄上，利用氣動的方式可以實現主軸的安裝與拆卸，而勾轉軸機構的運動則是由公轉軸機電驅動的公轉軸電機可以通過同步帶傳動機構電主軸連接進行控制同步帶的工作面屬于齒形工作面，能夠與帶輪的齒槽嚙合傳動，保證傳送帶的抗拉性能，并且也可以提高傳送帶整體的截線長度不變[5]。針對飛機整體機翼裝配的實際需求，利用碳纖維復合材料鈦合金疊層結構自動制孔工藝和鈦合金板锪窩加工工藝進行研究，基于末端執行器的螺旋銑橢圓渦自動化制孔系統，可以有效的針對飛機整體機翼裝配的加工工藝加工參數以及疊層結構自動制孔和锪窩加工質量的影響進行分析，保證疊層結構及一單側固定連接孔的質量和效率得到全面的提升，徹底解決人工加工過程中效率低質量不足的問題，而且通過運用碳纖維復合材料鈦合金疊層結構機翼自動化制孔技術的研究，也能夠填補我國碳纖維復合材料鈦合金疊層結構機翼自動化生產的空白，促進螺旋銑锪窩加工技術的快速發展，促進整體式機翼裝配制孔的質量和水平得到全面的提升[6]。

4結論

隨著航空工業的快速發展，現在飛機對于氣動性和整體性的要求也在不斷提高，由于傳統鋁合金機翼結構重量過大，強度剛度比較弱，密封性差等缺點，所以無法適應現階段的飛機機翼的裝配要求運用碳纖維復合材料壁板和鈦合金材料的過程中，由于內部骨架會形成疊層機一，所以單側固定連接孔的加工目的多為鉆擴鉸或人工锪窩工藝方式進行加工，不僅無法保障加工效率，而且加工成品率不高，為了能夠改進整體式機翼裝配至孔的質量，可以針對整體式機翼裝配進行自動化加工設計，通過一種螺旋銑功能和锪窩加工功能的多功能末端執行器設計，以及針對碳纖維復合材料鈦合金疊層結構自動制孔來進行鈦合金工藝可以有效避免復合材料出現損傷。

參考文獻

[1]侯書軍，高曉星，李慨，裴騰飛，曲云霞.碳纖維復合材料/鈦合金疊層板振動輔助鉆孔技術[J].南京航空航天大學學報，2018，50（03）：295-301.

[2]蒲景威.CFRP/鈦合金疊層材料自動制孔變參數工藝優化研究[D].南昌航空大學，2018.

[3]劉俊義，孫會來，聶曉菊，趙方方.碳纖維復合材料/鈦合金疊層鉆孔工藝優化[J].宇航材料工藝，2018，48（02）：78-81.

[4]冷小龍，李鵬南，邱新義，牛秋林，李常平.階梯鉆鉆削碳纖維復合材料-鈦合金疊層板刀具磨損試驗研究[J].宇航材料工藝，2018，48（02）：86-90.

[5]高曉星.碳纖維增強復合材料與鈦合金鉆孔技術研究[J].設備管理與維修，2018（06）：111-112.

[6]胡勃.基于遞歸分析的碳纖維復合材料微缺陷超聲檢測技術研究[D].浙江大學，2018.

作者：李城 單位：航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司