飛機(jī)交點(diǎn)孔超聲橢圓振動(dòng)精密加工技術(shù)

張德遠(yuǎn) 張成茂

北京航空航天大學(xué)，北京，100191

0 引言

飛機(jī)大型部件間協(xié)調(diào)裝配時(shí)，需要對(duì)翼身（機(jī)翼和機(jī)身）交點(diǎn)孔進(jìn)行精加工，消除部件裝配誤差，以保證翼身協(xié)調(diào)。針對(duì)翼身交點(diǎn)孔加工時(shí)空間狹小、開敞性不足的問題，國內(nèi)外普遍采用氣動(dòng)自動(dòng)進(jìn)給鉆裝卡成形刀具對(duì)交點(diǎn)孔進(jìn)行加工［1－2］。對(duì)φ30mm以上的鈦合金、PH13－8Mo不銹鋼材料大交點(diǎn)孔的精加工，利用現(xiàn)有常規(guī)自動(dòng)進(jìn)給鉆進(jìn)行精加工的方法難以完成。由于動(dòng)力有限，一旦加工時(shí)切削力稍大，或者加工過程中排屑不暢，極容易造成刀桿卡死、無法繼續(xù)加工的現(xiàn)象，同時(shí)常規(guī)加工“誤差復(fù)映”嚴(yán)重，糾偏性不足。振動(dòng)加工分為低頻振動(dòng)、單向超聲振動(dòng)和超聲橢圓振動(dòng)三種形式。研究表明，低頻振動(dòng)和單向超聲振動(dòng)切削力下降為普通加工切削力的1／5～1／3，超聲橢圓振動(dòng)吃刀抗力最大可以下降為普通加工時(shí)吃刀抗力的1／100［3－4］。因此，超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)作為近年來出現(xiàn)的新型加工方法，以其大幅降低切削力、改善工件表面質(zhì)量、提高加工精度等特有的優(yōu)勢成為解決飛機(jī)翼身交點(diǎn)孔加工的首要選擇［4－9］。

1 超聲橢圓振動(dòng)切削裝置

超聲橢圓振動(dòng)切削示意圖見圖1［10－11］。由于刀具處于分離階段時(shí)不會(huì)反向摩擦或者不會(huì)撞擊已加工表面，從而避免了單向振動(dòng)切削中刀具容易崩刃和后刀面引起反向隆起等問題。同時(shí)，刀具在切深方向上的振動(dòng)分量使切削區(qū)充分打開，切削液容易進(jìn)入切削區(qū)，從而降低了切削區(qū)的溫度，延長了刀具壽命。此外，超聲橢圓振動(dòng)切削使吃刀抗力大大降低，微細(xì)切削能力明顯提高，讓刀量顯著下降，大幅度提高了零件的加工精度。超聲橢圓振動(dòng)切削還可降低加工殘余應(yīng)力，抑制邊緣毛刺的產(chǎn)生。因此，超聲橢圓振動(dòng)切削在精密和超精密切削加工中顯示出獨(dú)特優(yōu)勢。

圖1 超聲橢圓振動(dòng)切削示意圖

我們研制成功的超聲橢圓振動(dòng)切削裝置如圖2所示。該裝置主要由動(dòng)力部分、主軸部分和控制系統(tǒng)等幾部分組成。動(dòng)力部分主要由自動(dòng)進(jìn)給鉆以空氣作為動(dòng)力帶動(dòng)主軸完成進(jìn)給和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸部分由鏜桿、超聲換能器和聯(lián)軸器等組成。鏜桿上面的刀槽被用來安裝刀具。超聲換能器通電后可以使刀具產(chǎn)生超聲橢圓振動(dòng)。聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)鏜桿和自動(dòng)進(jìn)給鉆的柔性連接?？刂葡到y(tǒng)包括換能器控制系統(tǒng)和切削監(jiān)測系統(tǒng)。換能器控制系統(tǒng)采用超聲控制電源，能夠提供16～40kHz的超聲振動(dòng)信號(hào)。切削監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)定工作參數(shù)、在線監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。整個(gè)裝置利用型架或者對(duì)接夾具實(shí)現(xiàn)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置的固定和鏜桿加工時(shí)的定位及引導(dǎo)。

圖2 超聲橢圓振動(dòng)切削裝置圖

2 超聲橢圓振動(dòng)鏜削工藝效果

2.1 超聲橢圓振動(dòng)鏜削對(duì)孔徑精度的影響

利用自行研制的超聲橢圓振動(dòng)鏜削裝置，對(duì)PH13－8Mo不銹鋼材料進(jìn)行鏜削，以研究該裝置對(duì)工件孔徑精度的影響。試驗(yàn)條件如下：主軸轉(zhuǎn)速為120r／min；切削速度為15.8m／min；切深為0.12mm；進(jìn)給量為0.09mm／r；振動(dòng)頻率為20 252Hz，相位差為120°，振幅為4μm；刀具材料為硬質(zhì)合金，刀尖圓弧半徑r＝0.4mm，γ0＝0°，α0＝7°，κγ＝60°；切削方式為干切；工件外徑為50mm，內(nèi)徑為41.8mm。雙刃鏜刀回轉(zhuǎn)直徑為42.02mm，用日本Mitutoyo內(nèi)徑千分表對(duì)鏜削后工件內(nèi)孔分別選取入口、中段和出口3個(gè)地方，在水平和豎直兩個(gè)方向共6個(gè)位置進(jìn)行測量（水平方向時(shí)，內(nèi)孔入口、中段和出口位置分別用1、3、5表示；豎直方向時(shí)，內(nèi)孔入口、中段和出口位置分別用2、4、6表示），結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，工件中孔的平均直徑為42.033mm，孔徑尺寸分布比較均勻，差值不超過0.005mm。經(jīng)多次試驗(yàn)，結(jié)果穩(wěn)定。試驗(yàn)充分肯定了超聲橢圓振動(dòng)鏜削的有效性。與普通鏜削相比，超聲橢圓振動(dòng)鏜削過程中吃刀抗力大幅度降低，有效地提高了工件的圓度和圓柱度等形位精度，加工精度具有可控性。

圖3 PH13－8Mo鏜削后孔徑尺寸測量結(jié)果

2.2 超聲橢圓振動(dòng)鏜削對(duì)表面質(zhì)量的影響

利用自行研制的超聲橢圓振動(dòng)鏜削裝置，對(duì)PH13－8Mo不銹鋼材料進(jìn)行鏜削，以研究該裝置對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。與2.1節(jié)試驗(yàn)條件對(duì)比，本次試驗(yàn)條件不同的地方是：切削速度為15.4m／min；切 深 為 0.03mm；工 件 內(nèi) 徑 為41mm。利用英國Taylor Hobson粗糙度測量儀對(duì)鏜削工件內(nèi)孔表面進(jìn)行測量，得出在0.03mm切深下的表面粗糙度Ra＝0.28μm，達(dá)到了磨削的效果。采用普通切削時(shí)的表面粗糙度Ra為1.12μm。工件內(nèi)孔表面放大100倍的微觀照片如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，普通鏜削工件的表面除了在進(jìn)給方向上形成的刀紋外，還有大量的鱗次，這些鱗次的產(chǎn)生主要是刀具切削刃上生成的積屑瘤所致，積屑瘤在生成和脫落的過程中對(duì)工件的表面材料形成撕裂，嚴(yán)重地影響了加工表面的均一性，提高了工件的表面粗糙度。超聲橢圓振動(dòng)鏜削形成的工件表面均勻一致，進(jìn)給方向上的刀紋清晰且穩(wěn)定，同時(shí)沒有出現(xiàn)普通鏜削時(shí)鱗次和加工表面的撕裂現(xiàn)象，大幅降低了工件的表面粗糙度，使得到的表面粗糙度非常接近理論值。

圖4 超聲橢圓振動(dòng)鏜削的工件表面微觀照片

圖5 普通鏜削的工件表面微觀照片

2.3 超聲橢圓振動(dòng)鏜削能力試驗(yàn)

利用自行研制的超聲橢圓振動(dòng)鏜削裝置，采用硬質(zhì)合金刀片對(duì)內(nèi)徑為44mm的鈦合金以及內(nèi)徑為41mm的PH13－8Mo不銹鋼材料進(jìn)行鏜削，以研究該裝置的鏜削能力。與2.1節(jié)試驗(yàn)條件對(duì)比，本次試驗(yàn)條件不同的地方是：切削速度分別取16.6m／min和15.4m／min；工件材料為TC4鈦合金件時(shí)，外徑為60mm，內(nèi)徑為44mm；工件材料為PH13－8Mo不銹鋼時(shí)，外徑為50mm，內(nèi)徑為41mm。另外，切深參數(shù)是本次試驗(yàn)要求取的參數(shù)，故試驗(yàn)條件中無切深參數(shù)。鏜削后的工件如圖6所示。由圖6可見，鈦合金件切深可達(dá)0.92mm，PH13－8Mo不銹鋼件切深可達(dá)0.5mm。鏜削過程中氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)工作正常，整個(gè)超聲橢圓振動(dòng)鏜削系統(tǒng)穩(wěn)定，刀具良好，加工試件表面有超聲振動(dòng)加工特有的振紋，驗(yàn)證了超聲橢圓振動(dòng)鏜削在較大切深下鏜削大孔的可行性。在同樣的試驗(yàn)條件下，采用普通鏜削加工時(shí)，由于切削力過大，多次出現(xiàn)刀桿和導(dǎo)套卡死現(xiàn)象。

圖6 超聲振動(dòng)鏜削后的工件

3 結(jié)論

（1）超聲橢圓振動(dòng)鏜削可以顯著改善加工表面的質(zhì)量，降低工件的表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)精密切削。

（2）由于超聲橢圓振動(dòng)切削可以大幅降低切削力，故能顯著減小因切削力引起的變形，可以極大地提高加工件的形狀精度，加工精度具有可控性。

（3）超聲橢圓振動(dòng)鏜削裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可以大大減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，在飛機(jī)裝配中具有很高的使用價(jià)值。

（4）超聲橢圓振動(dòng)鏜削裝置具有在較大切深條件下鏜削大交點(diǎn)孔的能力。

［1]梁青霄.自動(dòng)進(jìn)給鉆在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用［J］.西飛科技，2004（2）：9－10.

［2]李勝法.高速鉸削飛機(jī)交點(diǎn)孔的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)［J］.航空工藝技術(shù)，1992（1）：45.

［3]隈部淳一郎.精密加工－振動(dòng)切削基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［4]Ma Chunxiang，Shamoto E，Moriwaki T.Study on the Thrust Cutting Force in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.Materials Science Forum，2004，471－472：396－400.

［5]Shamoto E，Moriwaki T.Ultaprecision Diamond Cutting of Hardened Steel by Applying Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.Annals of CIRP，1999，48：441－444.

［6]Brinksmeier E，Gl?be R.Elliptical Vibration Cutting of Steel with Diamond Tools［C］／／Proceedings of the 14th Annual ASPE Meeting.Monterey，USA，1999：163－166.

［7]Nath C，Rahman M，Neo K S.Machinability Study of Tungsten Carbide Using PCD Tools under Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2009，49：1089－1095.

［8]Nath C，Rahman M，Neo K S.A Study on Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Carbide［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209：4459－4464.

［9]Ma Chunxiang，Shamoto E，Moriwaki T，et al.Study of Machining Accuracy in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2004，44：1305－1310.

［10]Shamoto E，Moriwaki T.Elliptical Vibration Cutting［J］.Annals of CIRP，1994，43：35－38.

［11]Shamoto E，Ma C，Moriwaki T.Elliptical Vibration Cutting（the Third Report）［J］.Journal of the Japanese Society for Precision Engineering，1999，65：586－591.