用最小量冷却液法钻削航空铝-钛多层复合板
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摘要:介绍了汉堡工业大学采用最小冷却渡法钻削多种复合板的研究结果。研究表明,在钻削铝、钛多层复合板时,钻削钛板切屑的摩擦磨损作用,会导致铝板的孔呈喇叭形,孔径波动幅度和平均孔径值增大并可能超出允差。试验采用了最小量冷却液技术,所用的3种冷却液对钻削孔径影响不太。使用涂层刀具加工时,钻削孔径同进给速度呈正比。钻头顶角越太,铝板的孔径越大,但钛扳的孔径不变。为保证加工孔径质量,采用退刀排屑和扩孔方式加工,减小刃带宽度,增大进给前角和使用阶梯钻头。

0 前言

随着空中客车飞机新机型的出现,使用铝合金材料制造飞机机身的比例不断下降。在对材料强度要求高的地方,已经用钛合金和合金钢代替铝合金。为降低飞机重量,提高飞行经济性,纤维增强复合材料的使用比例在上升。对于复合板构件而言,首先是选用钛合金和铝合金复合板,因为这样可以以最小的构件厚度获得最高的强度。在如机舱门等特殊结构处,也使用合金钢板,典型的是用Cr-Ni合金钢板。复合板件的数量和厚度等必须满足承载需求。这类复合板具有复合材料和连接材料的特性,也给加工带来了很大的问题。因为首先要对飞机机身上的这些复合板钻孔,然后再用铆钉将其联接起来。复合板在不同部位的层数(厚度)是不同的,因此可加工性也是不同的,但要求尽可能在一道加工工序中用一把钻头完成加工,这对钻头材料及其润滑形式提出了一个很高的要求。显然,对大构件机身而言,普通润滑方式是不适用的,应采用一种最小量冷却液(MMS)技术进行加工。
有关铝-钛合金复台板加工和铁合金的干切削加工方面的研究报道很少。在加工铝-钛合金复合板时,通过优选刀具材料、刀具几何参数和切削加工参数等,可提高切削效率。加工这种材料时,锋利又未折断的钛合金切屑会粘在刀具表面,使得铝合金板上孔径增大。对铝合金的干切削加工研究主要集中在铣削加工方面。使用MMS技术已成功地钻削过共晶铝合金。钻削变形铝合金时也可使用MMS法;在完全干式钻削铝合金深孔时,铝合金强烈的粘附作用会使刀具寿命迅速降低。使用MMS法和硬质合金钻头钻削TiAlV时,钻孔速度可由平时的vc=15~30m/min提高到vc=50m/min或更高,但会出现严重的排屑问题,且因温度过高出现切屑着火现象,因此需要增加一个缓冲切削循环。若采用高压冷却,可实现vc=90m/min的切削速度。本文介绍了在汉堡工业大学切削加工研究所根据Airbus的要求,对铝-钛合金复合板的钻削加工进行的系列研究中,不同加工工艺对钻削孔质量的影响。

1 试验

试验使用了4种结构的铝钛复合板,铝板材料为铝变形合金3.1364 T351(4.4%Cu-1.5%Mg-0.6%Mn);钛板材料为钛合金3.716411(6%Al-4%V)。铝钛复合板分别标记为Al-Ti(4.5mm铝板+1.2mm钛板)、Al-A1+3×2Ti(6衄铝板+4mm铝板+3层2蛐钛板1、A1.Al+5×2Ti(6mm铝板+6mm铝板+5层2mm钛板)、Al-Al+8×2Ti(6mm铝板+2mm铝板+8层2mm钛板)。一般使用Ø4.8~6.3mm的粉末冶金硬质合金(VHM)钻头,牌号K40和K30F(细晶);作为比较也使用含钴高速钢麻花钻头(HSS-E 1.3243)。另外还使用涂层刀具(TiCN,TiAlN)。试验在F.Deckel Type FP3A CNC钻铣机床上进行。使用了无毒无刺激性冷却液,包括脂肪醇产品A(良好生物降解)和产品B(快速生物降解)以及一种脂肪酸酯(完全生物降解)。采用干式切削的MMS法钻削,雾化后的冷却液再同压缩空气混合,从外部喷向钻头。最小量冷却液供给装置为Rexim Typ31105。喷嘴与刀具相距约30mm,喷嘴直径比钻头直径要大,大约有30%的冷却液喷到了钻头。用内径侧量仪测量不同板的孔径。

(a)钻削Al-Al+3x2Ti(钻头直径4.78mm)

(b)钻削铝板、铁板和Al-Al+5×2Ti(钻头直径6.26mm)
试验条件:VHM锪孔钻,未涂层,顶角&sigma=155°,vc=15m/min,f=0.10mm;脂肪醇(产品A)冷却液;MSS,每孔0.02ml
图1 钻削铝-钛复合板的孔径

图2 钻削Al-Al+3×2Ti(6+4+3×2mm)切屑形态

(a)

(b)
试验条件:VHM麻花钻,未涂层,钻头直径5.0mm;vc=15m/min,f=0.10mm; 脂肪醇(产品A)冷却液;MSS,每孔0.02ml
图3 钻头项角对Al-Al+3×2Ti复合板孔径的影响
试验条件:VHM锪孔钻,未涂层顶角&sigma=155°,钻头直径6.26mm;vc=12.4m/min,f=0.10mm;脂肪醇(产品A)冷却液;MSS,每孔0.02ml;钻削第4层、第7层钛板前各退刀一次,扩孔钻削预钻孔径为4.8mm
图4 扩孔加工Al-Al+8×2Ti扳时的孔径
试验条件:vc=12.4m/min,f=0.10mm;脂肪醇(产品A)冷却液;MSS,每孔0.02ml。①退刀钻削:VHM锪孔钻,未涂层,顶角&sigma=155°,钻头直径6.2mm;钻削第4层、第7层钛板前各退刀一次。②阶梯钻钻削:VHM阶梯钻,未涂层,阶梯长度10mm,第1级直径:5.0mm,顶角
本文作者:广东工业大学 王成勇 德国汉堡工业大学 Clausen Rolf Hanke Harald
原载:《机械工程学报》2002年第6期
上载于:2010-1-28 14:47:22

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