飛機(jī)緊固孔超聲振動精密加工技術(shù)研究

張德遠(yuǎn) 劉 靜

北京航空航天大學(xué)，北京，100191

0 引言

目前國內(nèi)外飛機(jī)緊固孔裝配制造企業(yè)正在積極開發(fā)和應(yīng)用各種自動化制孔設(shè)備，如自動進(jìn)給鉆、自動鉆鉚機(jī)、機(jī)器人制孔設(shè)備、大型機(jī)床等，但由于加工空間、技術(shù)、成本和周期等方面的限制，這些自動化設(shè)備和技術(shù)尚未成熟或尚未推廣應(yīng)用，故普通氣鉆制孔技術(shù)仍具有不可替代的作用。尤其對于我國，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)飛機(jī)緊固孔裝配制造的主要制孔工具還是普通氣鉆［1］。傳統(tǒng)的鉆擴(kuò)鉸多步制孔工藝和普通氣鉆制孔工具不僅對工人操作技能要求高，而且工藝路線長，加工質(zhì)量不高。工人操作普通氣鉆制孔精度通常只能達(dá)到 H9，表面粗糙度Ra值在1.6μm 左右［2－3］。

隨著碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等難加工材料在飛機(jī)裝配制造中的大量應(yīng)用以及加工孔徑的變大和裝配精度要求的提高，傳統(tǒng)的裝配制造技術(shù)嚴(yán)重制約了我國飛機(jī)裝配制造業(yè)的高效、高質(zhì)、低成本的可持續(xù)發(fā)展。特別是在飛機(jī)蒙皮復(fù)合材料與鈦合金疊層（簡稱復(fù)鈦疊層）大孔徑制孔中，這種低制造水平與高制造要求的矛盾更加突出。以φ12mm的疊層緊固孔加工為例，傳統(tǒng)的手動鉆－擴(kuò)－鉸－锪多步制孔方法加工完一個孔不僅需要多達(dá)20道工序，而且制孔過程中還容易出現(xiàn)復(fù)合材料（CFRP）出口分層、表面質(zhì)量不高、刀具磨損快等問題，影響了飛機(jī)的裝配效率和裝配質(zhì)量［4］。因此，飛機(jī)裝配制造業(yè)亟待研究新的工藝方法、工藝設(shè)備及工藝規(guī)范等來提高飛機(jī)緊固孔裝配制造技術(shù)水平。本文針對飛機(jī)裝配制造中復(fù)鈦疊層大緊固孔難加工的問題，通過分析振動加工的機(jī)理優(yōu)勢，提出了超聲振動套－鉸－锪制孔工藝方法，并且開發(fā)了相應(yīng)的便攜式振動制孔工具系統(tǒng)。

1 振動技術(shù)有效性研究

碳纖維復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞性能好以及可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其硬度高、各向異性和層間強(qiáng)度低，因此傳統(tǒng)麻花鉆鉆孔時易造成出口分層和撕裂。近來一些學(xué)者對各種刀具加工復(fù)合材料進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)采用套料加工方式加工復(fù)合材料時，軸向力小、不易分層，是較好的加工復(fù)合材料的方式［5－6］。但是，一方面套料加工經(jīng)常排屑不暢，切屑堵在套料鉆中，造成刀具不能繼續(xù)使用，另一方面套料加工精度低，難以滿足加工精度要求，這些問題制約了套料鉆在飛機(jī)裝配現(xiàn)場的使用［7－9］。目前飛機(jī)裝配現(xiàn)場通常采用傳統(tǒng)多步鉆－擴(kuò)－鉸－锪的工藝方法［9－10］。

超聲振動技術(shù)可以使普通套料鉆在旋轉(zhuǎn)制孔的同時產(chǎn)生20kHz左右的微振幅縱向振動，如圖1所示。一方面刀體外圓和內(nèi)孔電鍍的金剛砂顆?？v向的超聲高頻微振幅振動產(chǎn)生了排屑空間，另一方面刀具的超聲脈沖振動發(fā)揮了類似超聲清洗的功能，這樣刀具周圍的切屑會被順利彈射排出，可避免普通加工中的切屑包覆刀具和切屑塊堵在刀具中等情況的發(fā)生。另外，振動套料加工不僅可以有效排屑，而且刀具的脈沖振動又可以降低切削力，這樣非常有利于避免復(fù)合材料出口分層和撕裂的發(fā)生。因此，振動套料非常適合高質(zhì)、高效加工復(fù)合材料。

圖1 振動套料機(jī)理分析

超聲振動鉸削是在普通螺旋鉸刀旋轉(zhuǎn)的同時加上軸向超聲振動，軸向的超聲振動通過刀具螺旋刃轉(zhuǎn)化為螺旋方向的振動，如圖2所示。超聲振動干式鉸削實(shí)現(xiàn)了脈沖力作用的分離型振動切削，消除了普通切削過程中的彈性擠壓振動。這種有規(guī)律的脈沖斷續(xù)切削，可以有效提高鉸削表面質(zhì)量和精度，改善表面應(yīng)力狀態(tài)，提高疲勞壽命[11]。

圖2 振動鉸削機(jī)理分析

2 振動加工復(fù)鈦疊層緊固孔工藝研究

目前對于飛機(jī)蒙皮復(fù)鈦疊層φ12mm緊固孔的加工，如果采用傳統(tǒng)的手動鉆－擴(kuò)－鉸－锪多步制孔方法（如圖3和表1所示），加工工序需要將近20道，加工總效率低，加工精度和表面粗糙度Ra分別只能達(dá)到H9和1.6μm左右，而且锪窩力大，釘頭平齊度差。

圖3 傳統(tǒng)疊層大徑緊固孔工藝路線示意圖

表1 普通多步制孔工序安排

分析上述振動套料和振動鉸削的特點(diǎn)后，本文提出了超聲振動套－鉸－锪復(fù)鈦疊層有底孔的高質(zhì)高效加工工藝方法，如圖4所示。工序安排見表2。首先進(jìn)行振動套料粗加工，高質(zhì)高效完成復(fù)合材料初孔加工。其次進(jìn)行振動粗鉸加工，該工序主要目的是解決套料加工中可能出現(xiàn)的套料不均以及鈦合金糾偏的問題。再次進(jìn)行振動精鉸加工，該工序主要目的是達(dá)到加工精度和質(zhì)量要求。最后進(jìn)行振動锪窩，該工序主要目的是提高锪窩加工的精度和質(zhì)量。本工藝方法的加工效率高，單孔加工僅需4道工序完成，而且精度接近H8，表面粗糙度Ra接近0.8μm，復(fù)合材料出口無分層。

圖4 超聲振動加工大徑緊固孔工藝路線示意圖

表2 振動制孔工序安排

3 振動工具系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)超聲振動套－鉸－锪的加工工藝方法，研制了超聲振動制孔工具系統(tǒng)，如圖5所示。超聲振動制孔工具系統(tǒng)主要由振動氣鉆、諧振刀具及附件、電源控制柜、工具柜、可移動小車等組成。

振動工具共有三種，分別是振動套料氣鉆、振動鉸削氣鉆和振動锪窩氣鉆。刀具有套料鉆、鉸刀、锪窩鉆三種，其中套料鉆與振動套料氣鉆連接使用，用來完成復(fù)合材料振動套料加工；鉸刀與振動鉸削氣鉆連接使用，用來完成疊層鉸孔加工；锪窩鉆與振動锪窩氣鉆連接使用，用來完成振動锪窩加工，其中锪窩鉆套用來锪窩加工中定向定深。附件包括一些配套的扳手等工具。振動氣鉆工具的基本結(jié)構(gòu)都是相同的，主要由諧振刀具、換能器、導(dǎo)電滑環(huán)、氣鉆及控制盒組成，如圖5所示。其中諧振刀具與換能器是常用的螺紋連接，因此刀具便于更換，通用性好，而且刀具諧振效果好。控制盒可以快速與任意一支氣鉆連接并控制超聲電源為其提供振動能量。

圖5 超聲振動制孔工具系統(tǒng)

電源控制柜為振動工具提供超聲振動的能量，通過控制盒與不同振動氣鉆快速連接和自動匹配。振動電源中的匹配1、2、3分別與三支振動氣鉆匹配，通過調(diào)控盒上的旋鈕選擇相應(yīng)的1、2、3擋自動與振動套料氣鉆、振動鉸削氣鉆和振動锪窩氣鉆進(jìn)行匹配。匹配4和功放2為備用配置。

4 振動加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

振動加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用圖5所示超聲振動制孔工具系統(tǒng)進(jìn)行，加工工藝為振動套料－振動粗鉸－振動精鉸－振動锪窩。第一步為振動套料加工，刀具采用套料鉆φ11.5mm，氣鉆轉(zhuǎn)速為6000r／min；第二步和第三步為振動粗鉸和精鉸加工，鉸刀材料為硬質(zhì)合金，鉸刀尺寸分別為φ11.85H7和φ12H7，氣鉆轉(zhuǎn)速為1300r／min；第四刀為振動锪窩，刀具采用PCD锪窩鉆，氣鉆轉(zhuǎn)速為2600r／min。整個加工過程為手動加工。工件材料采用四種不同類型的碳纖維復(fù)合材料和鈦合金組成的疊層材料，每種疊層材料分別加工兩個孔（A型材料進(jìn)行振動锪窩加工）。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）出口情況。如圖6所示，振動加工后的復(fù)合材料出口非常好，經(jīng)超聲無損檢測發(fā)現(xiàn)無分層，無撕裂；锪窩表面平整；鈦合金出口毛刺較小。

（2）孔徑精度。經(jīng)過內(nèi)徑千分表檢測，復(fù)合材料和鈦合金孔徑尺寸如表3所示，孔徑精度基本達(dá)到φ12H8。

圖6 復(fù)合材料和鈦合金φ12mm孔出口情況

（3）表面質(zhì)量。經(jīng)粗糙度儀檢測，鈦合金孔表面粗糙度值如表4所示，表面粗糙度Ra接近0.8μm。

表3 疊層試件孔徑值列表 mm

表4 鈦合金孔表面粗糙度值Ra列表 μm

5 結(jié)論

（1）從加工機(jī)理上分析得出超聲振動套料具有良好的排屑功能，能有效防止切屑堵塞；超聲振動鉸削實(shí)現(xiàn)了脈沖力作用的分離型振動切削，可以有效提高加工精度和表面質(zhì)量。

（2）針對復(fù)鈦疊層緊固件大孔加工提出了振動套料－鉸削－锪窩的新工藝方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明孔徑精度接近H8，表面粗糙度Ra接近0.8μm，復(fù)合材料出口無分層，锪窩表面平整。

（3）研制了便攜式超聲振動制孔工具系統(tǒng)，該工具系統(tǒng)小巧、可操作性好，便于裝配現(xiàn)場實(shí)際實(shí)現(xiàn)緊固孔精密加工。

本研究表明，超聲推動套－鉸－锪新工藝方法及振動制孔工具系統(tǒng)可以高質(zhì)、高效、低成本加工復(fù)鈦疊層緊固件大孔，能滿足飛機(jī)復(fù)鈦疊層緊固孔精密裝配制造的要求。

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