起落架大型結(jié)構(gòu)件深孔加工技術(shù)研究

李春剛，孟清河

(海裝西安局，陜西 西安 723200)

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起落架大型結(jié)構(gòu)件深孔加工技術(shù)研究

李春剛，孟清河

(海裝西安局，陜西 西安 723200)

摘要：深孔及深孔型腔的加工一直是飛機(jī)起落架產(chǎn)品加工的難點(diǎn)和瓶頸，隨著航空飛機(jī)總體性能的不斷提高，對(duì)飛機(jī)各主承力結(jié)構(gòu)件所受載荷的要求越來越高，傳統(tǒng)的起落架結(jié)構(gòu)件采用焊接技術(shù)以及普通鋼材已經(jīng)不適用。針對(duì)起落架目前采用高強(qiáng)度鋼和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，涉及到典型深孔及型腔的加工技術(shù)成為了難題，通過對(duì)大型結(jié)構(gòu)件深孔及型腔的加工技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)起落架重要結(jié)構(gòu)件整體加工技術(shù)的革新。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)起落架；深孔型腔；減震

0概述

飛機(jī)起落架系統(tǒng)是飛機(jī)最為重要部件之一，用以吸收飛機(jī)在著陸或地面滑行時(shí)產(chǎn)生的撞擊能量，使得作用于機(jī)體上的載荷減少到可以接受的程度，保證飛機(jī)安全著陸和滑行。為滿足飛機(jī)長壽命、高可靠性能，越來越多的難加工材料諸如300M、鈦合金、A-100、AF1410等在飛機(jī)起落架上的應(yīng)用已逐漸廣泛，同時(shí)為提高起落架的壽命，起落架主要的承力結(jié)構(gòu)大件也趨于由整體結(jié)構(gòu)代替焊接結(jié)構(gòu)，材料與結(jié)構(gòu)形式的革新使得新型飛機(jī)起落架零件的加工工藝變得更為復(fù)雜，加工難度越來越大，深孔加工就成為了支柱式和搖臂式起落架的外筒、活塞桿、收放(撐桿)作動(dòng)筒等零件加工的關(guān)鍵技術(shù)。

1起落架深孔加工特點(diǎn)

目前起落架主承力件如外筒、活塞桿等典型構(gòu)件的孔結(jié)構(gòu)如圖1，此類零件的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際加工工藝性能除符合傳統(tǒng)意義上的“深孔”之外，還具有以下特點(diǎn)：

1) 孔的深徑比均超過10，甚至達(dá)到14；同時(shí)孔徑較大，需要專用刀具和大功率深孔加工機(jī)床進(jìn)行孔的粗加工(鉆孔和擴(kuò)孔)；

2) 零件近似盲孔結(jié)構(gòu)，須采用內(nèi)排屑深孔鉆加工，排屑比較困難；

3) 除了近似盲孔外，孔的深度尺寸較大，而且內(nèi)孔型腔復(fù)雜(見圖1)；

4) 孔內(nèi)有型腔、正反轉(zhuǎn)接R等型面，孔內(nèi)的型面及個(gè)別直徑尺寸檢測(cè)困難；由于孔的深徑比值>10，孔表面的粗糙度要達(dá)到3.2，甚至要求1.6，刀桿的選擇以及震動(dòng)問題最為“棘手”。

圖1　典型起落架外筒內(nèi)孔簡圖

正是由于起落架深孔加工綜合了工件材料、機(jī)床功率和剛性、刀具結(jié)構(gòu)和刀片材質(zhì)、切削參數(shù)、冷卻液、內(nèi)孔結(jié)構(gòu)形式等各種因素，其加工工藝更為復(fù)雜，是飛機(jī)起落架大型結(jié)構(gòu)件制造過程中的“瓶頸”。

2關(guān)鍵技術(shù)

通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和加工過程關(guān)鍵工藝的總結(jié)，要從根本上解決起落架大型整體結(jié)構(gòu)件深孔機(jī)械加工工藝難點(diǎn)，需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 深孔加工工藝規(guī)劃，加工方式選擇；

2) 起落架結(jié)構(gòu)件復(fù)雜型腔深長孔加工刀具及關(guān)鍵工裝技術(shù)；

3) 深孔加工切削參數(shù)優(yōu)化。

3解決方案

3.1　深孔加工工藝流程方案確定

經(jīng)過對(duì)上述起落架典型內(nèi)孔結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)起落架主承力件零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔加工前為實(shí)芯并盲孔或近似盲孔，孔深徑比>10的特點(diǎn)，孔加工的典型工藝路線如圖2所示：

圖2　典型工藝路線圖

結(jié)合起落架零件內(nèi)孔結(jié)構(gòu)和設(shè)備狀況，針對(duì)不同孔加工方式，主要總結(jié)深孔鉆、擴(kuò)，減震鏜桿車削加工原理，技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法。

3.2　深孔鉆、擴(kuò)加工

a) 針對(duì)深孔加工的幾種方式

目前，對(duì)于孔深徑比大的孔初鉆削主要采用有噴吸鉆、單管鉆和槍鉆系統(tǒng)，利用這種系統(tǒng)可以加工深徑比大于100的孔，三個(gè)系統(tǒng)加工原理如圖3所示：

圖3　常用的三種深孔鉆形式

噴吸鉆系統(tǒng)：鉆頭(深孔加工鉆頭或擴(kuò)孔刀具)與內(nèi)外鉆管相連接，切削液在內(nèi)外鉆管間流經(jīng)鉆頭，并且切削液完全在鉆體內(nèi)而不是經(jīng)過鉆頭表面，切屑在鉆體內(nèi)部先流出外鉆管再經(jīng)過內(nèi)鉆管。

單管鉆系統(tǒng)：高壓切削液流經(jīng)鉆頭和已鉆削孔之間的外鉆管，切削液帶著切屑流經(jīng)鉆頭內(nèi)的排屑槽然后通過鉆管內(nèi)部排除。

槍鉆系統(tǒng)：切削液流經(jīng)鉆頭內(nèi)管路并強(qiáng)行流經(jīng)切削頭內(nèi)的孔，鉆柄外側(cè)有一個(gè)沿著長度方向的V型槽，切削液帶切屑通過此V型槽并經(jīng)鉆頭外側(cè)將切屑從孔中排除。

b)深孔鉆、擴(kuò)加工所用的刀具

對(duì)于起落架零件，外圓基準(zhǔn)車削完成后，就可以進(jìn)行深孔加工鉆、擴(kuò)加工工序，先進(jìn)行實(shí)體鉆削，將孔加工到一定孔徑和深度后再進(jìn)行擴(kuò)孔到目標(biāo)尺寸。

鉆削所用鉆頭如圖4(a)和圖4(b)所示，都為三刀片形式，分別為中心、中間和周邊刀片，前者為可換刀片形式，不可刃磨，不用依賴操作工人技術(shù)水平；后者為可刃磨刀片，加工過程是否順利需依賴操作工人水平。

圖4　鉆削簡圖及刀具

擴(kuò)孔鉆頭如圖5所示，它與鉆孔鉆頭最大的區(qū)別是只有一個(gè)刀片，刀片也可以是不可刃磨或可刃磨的兩種形式。

圖5　擴(kuò)孔及鉆頭

c) 刀片及刀具結(jié)構(gòu)

由于起落架深孔加工具有不同于普通孔加工(孔的深徑比<5)的特點(diǎn)和不利因素，無法直接觀察刀具切削情況，因此加工時(shí)只能通過聽聲音、看切屑、觀察機(jī)床負(fù)荷及切削液壓力等方法來判斷排屑及刀具磨損狀況。同時(shí)由于被加工材料斷屑難、散熱困難及加工排屑困難而更容易發(fā)生切屑阻塞，極易損壞刀具，所以深孔加工刀具的選擇尤其關(guān)鍵。

針對(duì)被加工材料的不同，選擇適合其加工的刀片材質(zhì)，刀片應(yīng)具有高硬度、高耐磨性和較高的熱硬性，并且抗沖擊性能也要好，硬質(zhì)合金材質(zhì)是孔加工刀片的首選。同時(shí)為減小切屑與前刀面的摩擦，諸如TiAlN、TiN、TiCN等單涂層或其中幾種復(fù)合涂層已在硬質(zhì)合金刀片上廣泛應(yīng)用。另外可換刀片的刀具是加工起落架深孔的理想選擇，特別是可換刀片整體鉆頭的中心、中間、周邊刀片可以是不同材質(zhì)，從而達(dá)到中心刀片韌性高、周邊刀片耐磨性好的要求；可換刀片鉆頭不但可節(jié)省刀具重磨費(fèi)用，而且多種可換刀片使得操作者能夠快速改變鉆削刀片的幾何形狀，以提高鉆頭的切削性能。

刀具結(jié)構(gòu)：刀具材質(zhì)及涂層選定后，深孔加工刀具結(jié)構(gòu)也是刀具性能發(fā)揮、切削順暢的重要保證。為保證切削刃較鋒利、切削力小、易斷屑和降低切削溫度還應(yīng)：1) 在保證刀具強(qiáng)度的前題下，刀具應(yīng)設(shè)計(jì)成正前角且盡可能地大，這樣由于較好的剪切作用能減少切削力；2) 通過增加刀具后角來減小切削力和對(duì)刀具的壓力，這樣也可以降低切削區(qū)的溫度；3) 為利于斷屑和深孔排屑，斷屑槽和刀具刃傾角應(yīng)設(shè)計(jì)成保證切屑與刀具后刀面碰撞后折斷而成的穩(wěn)定“C”型。國內(nèi)也有大學(xué)研究采用振動(dòng)方式解決深孔加工斷屑難的資料介紹，但在起落架大規(guī)格深孔加工中還未應(yīng)用；4) 一些刀具制造商開發(fā)出一種沿切削刃帶冷卻槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具損壞，并降低切削區(qū)的溫度，從而延緩刀具磨損和利于排屑。

d) 鉆擴(kuò)加工切削參數(shù)

優(yōu)化的深孔加工切削參數(shù)也是降低刀具磨損、提高刀具壽命、達(dá)到良好斷屑和排屑效果的重要保證。在深孔加工中，為了最大限度地發(fā)揮孔加工刀具的切削性能，必須根據(jù)刀具類型、刀桿的剛性、被加工材料的加工性能、被加工孔的深徑比、冷卻液等特點(diǎn)，優(yōu)化調(diào)整切削速度和進(jìn)給量，對(duì)深孔鉆削和鏜削時(shí)(利用專用深孔機(jī)床)最好采用工件和刀桿同時(shí)旋轉(zhuǎn)的方式，從而達(dá)到保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的目的。

3.3　減震鏜桿加工

對(duì)于孔的深徑比>10、近似盲孔的復(fù)雜型腔內(nèi)孔，在進(jìn)行完深孔鉆鏜粗加工后，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加工部分內(nèi)孔型面或者孔直徑許可加工孔中間型腔時(shí)，如何解決鏜削加工過程中的振動(dòng)是解決深孔車削的難點(diǎn)。通常，對(duì)于內(nèi)孔鏜削單刃刀具用鋼刀桿長徑比≤4；而對(duì)于內(nèi)孔槽的車削或鏜削刀桿夾持懸伸與刀桿直徑比>2時(shí)將產(chǎn)生震動(dòng)。震動(dòng)產(chǎn)生的原因及刀具在切削工件時(shí)發(fā)生振動(dòng)需要有下面三個(gè)條件同時(shí)存在：

1) 包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足，導(dǎo)致其固有頻率低；

2) 切削產(chǎn)生了一個(gè)足夠大的外激力；

3) 這個(gè)外激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同，隨即產(chǎn)生共振 。

振動(dòng)不嚴(yán)重時(shí)，用調(diào)整切削參數(shù)的方法，調(diào)整切削參數(shù)只對(duì)切削振動(dòng)不嚴(yán)重的刀具可能有效。一般的調(diào)整方法如下：降低刀具或者工件的回轉(zhuǎn)速度；減小切深并提高刀具每轉(zhuǎn)或者銑刀每齒走刀量；內(nèi)螺紋的車削產(chǎn)生振動(dòng)，可將完成螺紋車削的進(jìn)刀步驟減1至2刀。

對(duì)起落架深孔加工來說，應(yīng)從降低切削力、應(yīng)對(duì)系統(tǒng)剛性差、提高刀具系統(tǒng)的剛性、刀具減振四個(gè)方面考慮減震效果：

a) 降低切削力的方法

1) 使用鋒利的刀片。非涂層刀片通常比涂層刀片要鋒利，即便是涂層刀片，物理涂層(PVD)也比化學(xué)涂層(CVD或MTCVD)的刃口更鋒利。

2)使用正前角和大后角的刀片配以輕快的斷屑槽。刀片在鏜削或銑削中的切削楔入角最小，切削必然輕快。在車削與鏜削中，7°和11°后角是最常見的刀片，刀片為螺釘夾持的最多；在20mm以下的孔鏜削中，即便不存在振動(dòng)問題，也通常選擇11°后角的刀片，見圖6。

圖6　鏜孔主偏角的幾種形式

3) 切深一定時(shí)，使用小的刀尖圓弧半徑。比如刀片的刀尖角為0.8mm不變時(shí)，隨著刀片切深的增加，細(xì)長的鏜刀或銑刀桿振動(dòng)傾向在切深ap和刀尖圓弧半徑(r=0.8mm)相等時(shí)最大，當(dāng)切深ap大于刀尖半徑r后，刀桿的振動(dòng)反而被抑制；

4) 內(nèi)孔鏜削時(shí)刀片刃形角越小越好。

b) 如何應(yīng)對(duì)系統(tǒng)剛性差

1) 90°主偏角的刀具產(chǎn)生的徑向切削力最小，同時(shí)刀片刃口產(chǎn)生的軸向力最大，見圖7；

圖7　不同主偏角刀具受力狀態(tài)

2) 45°主偏角的車鏜刀易發(fā)生切削振動(dòng)，因?yàn)楫a(chǎn)生振動(dòng)的徑向切削力與軸向力相等(圖8)。

圖8　山特維克阻尼避振刀桿

c) 提高系統(tǒng)剛性的剛性

1)簡單明了的做法是盡可能加大刀桿的直徑，將外伸刀桿的懸伸做到最短；

2)使用整體硬質(zhì)合金或重金屬刀桿，改善刀桿的夾持方法提高刀桿的靜態(tài)剛性。

表1　阻尼避振刀桿選擇

d) 刀具減震

對(duì)于大深徑比孔的車削或鏜削，刀具(刀桿減震)是最有效的方法，特別是深徑比大于10的孔加工最為有效，這種刀具甚至可以做到15∶1的深徑比。

提高刀具的動(dòng)態(tài)剛性—被動(dòng)阻尼避振刀桿(表1)。

4結(jié)論

通過對(duì)多型號(hào)大型復(fù)雜飛機(jī)起落架深孔加工的不斷研究探索和驗(yàn)證，在大直徑、復(fù)雜型腔深長孔加工方面形成了一套科學(xué)、合理且行之有效的方法，有效地解決了起落架大型結(jié)構(gòu)件深孔加工核心工藝技術(shù)難題，大幅度提高了深孔制造水平和起落架整體性能，滿足了航空飛機(jī)對(duì)起落架越來越高的要求。

Study of Deep Hole Machining Technology for Landing Gear Large Structural Parts

LI Chun-gang, MENG Qing-he

(Navy Facilities Xi’an Division, Xi’an 723200, China)

Abstract:It is always difficult to machine deep hole and its cavity in aircraft landing gear products machining. with the general performance improvement of aviation aircraft, The requirements of the load on each main supporting structural parts of aircrafts are higher and higher. And the traditional landing gear structural parts with welding process and common steel are not applicable. It is difficult to use the traditional technology to machine the typical deep hole and its cavity after adapting high strength steel and integral structure design for landing gear at present. This article realizes the reformation of integral processing technology for important structural parts of landing gear through researching on deep hole and cavity processing technology for large-scale structural parts.

Keywords:landing gear of aircraft; deep hole cavity; shock absorption

中圖分類號(hào)：V214.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0068-03

作者簡介：李春剛(1983-)，男，四川達(dá)縣人，工程師，學(xué)士，主要從事質(zhì)量監(jiān)督工作。

收稿日期：2014-12-16