鈦合金與鋁合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔精加工工藝研究

臺春雷,單丹丹

(中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 37廠，沈陽 110850)

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鈦合金與鋁合金疊層結(jié)構(gòu)鉸孔精加工工藝研究

臺春雷,單丹丹

(中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 37廠，沈陽 110850)

介紹了某型號飛機翼身結(jié)合精加工流程，闡明了鈦合金與鋁合金層疊結(jié)構(gòu)交點孔在鉸孔精加工過程中亟待解決的問題是孔徑超差和鋁合金孔壁劃傷。針對這兩個問題，對拋光工藝、精加工裝配工裝、專用鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、切削加工參數(shù)、鉸孔精加工流程等影響因素進行了研究，通過理論分析和試驗驗證，對專用鉸刀切削刃前角、后角、螺旋角、容削槽等結(jié)構(gòu)參數(shù)和每齒進給量、切削速度等切削加工參數(shù)進行了優(yōu)化。此優(yōu)化可以極大地提高加工質(zhì)量和效率，避免孔徑超差和鋁合金孔壁劃傷現(xiàn)象的發(fā)生，從而滿足加工精度要求。

飛機；精加工；交點孔；鉸刀；切削參數(shù)

飛機裝配是一項難度大、涉及多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性集成技術(shù)，是整個飛機制造過程中的關(guān)鍵和核心技術(shù)[1-2]。飛機機翼與機身對合是飛機裝配的重要環(huán)節(jié)[3]。在協(xié)調(diào)裝配時，需要對翼身(機翼和機身)交點孔進行精加工，使交點孔最終符合圖紙要求，以消除部件裝配誤差，保證翼身協(xié)調(diào)[4-5]。部件接合交點的準確度是影響部件對接后飛機整體外形準確度的重要因素[6]。交點孔的孔位、孔徑精度和表面質(zhì)量要求較高，因此需要采用滿足加工精度要求的加工工藝[7]。

目前，鈦合金和鋁合金疊層結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中。在某機型機身、機翼對合時，通常需要對鈦合金與鋁合金層疊結(jié)構(gòu)交點孔的鉸孔進行精加工，刀具進給方向由下至上，先加工鈦合金后加工鋁合金。然而，現(xiàn)有的精加工條件很難同時保證鋁合金層與鈦合金層的鉸孔精加工質(zhì)量，容易造成孔徑超差和鋁合金孔壁劃傷現(xiàn)象，并且難以達到精加工孔表面粗糙度Ra1.6的加工精度要求。為解決這些問題，本文對影響精加工質(zhì)量的多種因素進行了深入研究。

1 翼身結(jié)合精加工流程及存在的問題

某型飛機機身、外翼對合精加工是將機身、外翼固定在精加工臺上，用擴孔鉆、鉸刀等工具精制外翼與中機身對接帶板孔的過程，中機身和外翼對接帶板結(jié)合處形成了鋁合金與鈦合金的疊層結(jié)構(gòu)。中機身、外翼對合帶板孔的分布如圖1所示。精加工流程主要有以下幾個方面：(1)飛機水平狀態(tài)調(diào)整。運用經(jīng)緯儀進行飛機X軸與Y軸的水平測量，并進行結(jié)合面檢查與修合。(2)精加工孔同軸度檢查與定位。將鉆孔裝置移至對合帶板工作區(qū)域，通過對鉆模板、對合臺內(nèi)托架的調(diào)整獲得各孔的最大同心度，用定位銷檢查基準孔同軸度，并進行相應(yīng)記錄，完成基準孔定位。(3)機身機翼對合孔精加工。移動鉆孔裝置至機翼下對合帶板適當(dāng)位置，對相應(yīng)裝配孔進行擴孔，最后用鉸孔精加工達到裝配孔的加工精度[8-9]。目前，鋁合金與鈦合金疊層結(jié)構(gòu)的鉸孔精加工過程主要存在以下2方面問題(如圖2所示)：(1)孔徑超差；(2)鋁合金層精加工孔表面劃傷(如圖3所示，1#為鈦合金，2#為鋁合金)。

圖1 機身與機翼連接裝配孔示意圖

圖2 交點孔精加工示意圖

2 問題分析

2.1 孔徑超差

孔徑超差包括基本尺寸超差和孔壁缺陷超差，表現(xiàn)出一定的偶發(fā)性。經(jīng)過長期觀察研究發(fā)現(xiàn)，拋光方法、導(dǎo)套定位精度、加工過程中的卡滯現(xiàn)象、鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及其切削加工參數(shù)、鉸孔工藝方法等因素都有可能導(dǎo)致孔徑超差。

圖3 鋁合金層表面劃傷示意圖

2.2 鋁合金層精加工孔表面劃傷

鋁合金層孔壁劃傷超差數(shù)量較大，發(fā)生概率較高，是超差問題的關(guān)鍵，主要影響因素為鉸刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，精加工切削參數(shù)以及精加工工藝方法。

2.2.1 精加工鉸刀結(jié)構(gòu)、制造質(zhì)量有待改進

(1)鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)有待改進。外翼和中央翼下對接帶板在精加工時，鋁合金層精加工孔的劃傷部位呈短而帶有小升角的螺旋狀溝槽，劃傷的出現(xiàn)是隨機的，產(chǎn)生劃傷的原因主要有2方面:1)切屑從前刀面流出方向的軸向分量與鉸刀進給方向一致，有可能造成鋁合金被加工表面劃傷;2)鈦屑隨鉸刀做螺旋切削運動造成鋁合金被加工表面的劃傷。此外，由于原鉸刀容屑槽存在一定缺陷，容屑空間太小(如圖4所示)，在切削加工過程中，較大的卷狀鈦屑不能及時排掉，使其跟隨鉸刀進入鋁合金層，導(dǎo)致鋁合金孔表面劃傷。

(2)鉸刀制造質(zhì)量有待改進。原有的鉸刀刀片焊接軸向與徑向位置偏差較大導(dǎo)致刀片焊接強度差，導(dǎo)致切削刃尾端合金刀片容易斷裂，影響加工精度。

圖4 原鉸刀容屑空間示意圖

2.2.2 鉸孔切削參數(shù)不合理

采用進給速度約為140 mm/min，每齒進給量約為Fz=0.033 mm的鉸孔精加工參數(shù)，在切削加工過程中很容易產(chǎn)生硬而大的卷狀鈦屑，使被加工鋁合金孔表面劃傷。這是因為鈦合金鉸孔精加工需要的每齒進給量約為Fz=0.02 mm，原有的鉸孔精加工進給速度偏高。鉸刀切削刃結(jié)構(gòu)參數(shù)以及切削加工參數(shù)不合理也會增大積屑瘤的形成，從而加劇鋁合金孔表面劃傷。

2.2.3 鉸孔工藝方法有待改進

在切削加工回刀時，原有的鉸孔精加工工藝方法是電機不停止，而此時的鉸刀前引導(dǎo)已經(jīng)失去了定位的作用，鉸刀只靠后引導(dǎo)定位而形成懸臂狀態(tài)。此外，制孔工裝的剛性較差，還主要靠導(dǎo)套及前引導(dǎo)與前道工序的底孔定位，極易造成切削刃尾端合金刀片與被加工孔因定位不準而產(chǎn)生碰撞，以致刀片斷裂。

3 解決方案

3.1 改進拋光工藝

對裝配孔的拋光工序，原來采用較粗磨料顆粒的砂紙，不但影響鋁合金孔的表面質(zhì)量，還容易導(dǎo)致其尺寸超差。采用棉氈布加細顆粒的研磨膏代替原有的拋光工具，可以極大地改善裝配孔的尺寸精度，從一定程度上降低裝配孔尺寸超差發(fā)生的概率。

3.2 改善定位工裝的穩(wěn)定性

原有的機翼定位工裝采用剛性較低的木質(zhì)托架，雖有輕便、成本低等優(yōu)點，但其定位的穩(wěn)定性較差，在精加工過程中容易因震動使機翼與機身之間產(chǎn)生錯位，進而導(dǎo)致各層裝配孔之間出現(xiàn)不同軸現(xiàn)象，或出現(xiàn)刀具卡滯現(xiàn)象。經(jīng)過深入研究和多次試驗，改用鋼制機翼托架，極大地提高了外翼與中機身對合時的定位精度與定位穩(wěn)定性。

3.3 鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 新鉸刀設(shè)計方案

通過現(xiàn)場跟蹤實際加工情況發(fā)現(xiàn)，鋁合金表面出現(xiàn)多條劃傷，劃傷的軌跡呈螺旋形狀，且劃傷軌跡的螺旋角與鉸刀切削進給軌跡基本一致。因此判斷產(chǎn)生劃傷的原因可能是鈦合金切屑或鈦合金積屑瘤隨鉸刀運動時劃傷了鋁合金孔表面。從影響鉸刀切削性能的鉸刀材料及鉸刀結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行深入的研究，并通過系統(tǒng)的切削試驗優(yōu)選鉸刀材料及優(yōu)化鉸刀結(jié)構(gòu)，新鉸刀的初步設(shè)計方案如下：

(1)鉸刀切削刃材料優(yōu)選：選取鈷含量的硬質(zhì)合金材料，以減小鉸刀材料與鈦合金材料之間的親和力；

(2)刀片焊接采用銅焊或銀焊方式，后一種焊接溫度較低，可以減小鈷元素的損失；

(3)增大鉸刀容屑空間，以避免較大的切屑隨刀具進入鋁合金層,以至于劃傷孔表面；

(4)將鉸刀的切削刃設(shè)計為具有5°右旋螺旋角，同時，將切削刃的圓周前角設(shè)計為5°，以便減小切屑向進給方向流出，最好使切屑向進給的反向流出，以盡可能減少出現(xiàn)滯留在切削刃上的鈦屑劃傷鋁合金被加工表面的現(xiàn)象；

(5)保持切削刃鋒利，并對切削刃進行拋光處理或涂層處理，以增強鉸刀的切削性能，減小切削力，且利于排屑，從而減少出現(xiàn)大而硬的切屑以及鈦屑滯留在切削刃上的可能性。

3.3.2 鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了有效控制鉸刀的排屑條件與鈦合金積屑瘤狀態(tài)，切削試驗采用正交試驗法，參數(shù)選擇主要考慮以下幾方面因素。(1)鉸刀切削刃材料：根據(jù)鉸刀切削刃材料各成分對積屑瘤形成的影響，優(yōu)選與鈦合金的化學(xué)親和性差的鉸刀切削刃材料，盡可能減小積屑瘤產(chǎn)生的可能性。鈷元素與鈦元素的化學(xué)親和力較小，選擇國產(chǎn)鈷含量較大的硬質(zhì)合金材料，如Y330(陜硬)、YL10.2(株洲硬質(zhì)合金集團公司)等；(2)鉸刀規(guī)格及結(jié)構(gòu)參數(shù)：鉸刀規(guī)格有φ9.8、φ9.9和φ10三種規(guī)格。鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)對積屑瘤形成的影響主要是增大鉸刀切削刃的前角、螺旋角和后角以及減小刃口圓弧半徑等。正交試驗的主要因素有3項，每項有2種水平：前角為0°和5°；螺旋角為0°和5°；后角為12°和14°。

得出如下試驗結(jié)果：(1)鉸刀材料：依據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果以及材料的經(jīng)濟性，鉸刀材料選擇國產(chǎn)Y330牌號的硬質(zhì)合金材料。(2)鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)：前角γ=3°～5°；螺旋角β=3°～5°；后角α=13°～15°；容屑槽角度為90°，由于原來鉸刀的容屑槽角度為80°，容屑空間很小?，F(xiàn)在鉸刀的容屑槽角度為90°，加大了鉸刀的容屑空間，避免了因容屑空間不足導(dǎo)致鋁合金孔表面劃傷的現(xiàn)象的發(fā)生，如圖5所示。此外，還應(yīng)保證刃口的鋒利性。

圖5 改進后鉸刀容屑空間示意圖

3.4 對鉸刀制造工藝的要求

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)該對鉸刀制造工藝進行完善和細化，因此，對鉸刀制造工藝提出以下要求。

(1)鉸刀刀片焊接要求：鉸刀刀片焊接工序是切削刃強度的保證環(huán)節(jié)，針對鉸刀制造過程中焊接工序存在的問題提出以下要求：1)刀片與刀片槽配合要好；2)每片刀片的軸向位置度要高；3)焊接質(zhì)量要高。

(2)鉸刀刃磨要求：刃磨工序是鉸刀產(chǎn)品的精加工環(huán)節(jié)，也是保證鉸刀切削性能的最重要環(huán)節(jié)，刃磨質(zhì)量的好壞直接影響鉸刀的切削性能和鉸刀的壽命，因此針對鉸刀刃磨過程中存在的問題提出以下要求：1)前后刀面及容屑槽的粗糙度要好；2)提高鉸刀刃部主要幾何尺寸的精度；3)鉸刀刃口要保持鋒利。

(3)鉸刀檢驗要求：檢驗工序是產(chǎn)品質(zhì)量的保證環(huán)節(jié)，針對鉸刀制造過程中檢驗工序存在的問題提出以下要求：1)前后刀面及容屑槽的粗糙度；2)鉸刀刃部主要幾何尺寸；3)整個鉸刀的探傷檢測；4)鉸刀刃口質(zhì)量。

3.5 切削加工參數(shù)優(yōu)化

電機轉(zhuǎn)速固定，約為700 r/min。進給速度的大小直接影響切削力、切削熱以及切屑的大小與形狀。如果進給速度太小，則切屑為粉末狀，雖然對鋁合金孔表面不產(chǎn)生較大的劃傷，但切削狀態(tài)不好，極易導(dǎo)致“研刀”現(xiàn)象。如果進給太大，切屑為大而硬的螺旋狀，在鉸刀容屑條件差的狀況下容易對鋁合金孔表面產(chǎn)生較大的劃傷，但切屑狀態(tài)較好，不易導(dǎo)致“研刀”現(xiàn)象。通過系統(tǒng)的優(yōu)化切削試驗，得到了新的切削加工參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 切削加工參數(shù)優(yōu)化

3.6 鉸孔精加工工藝流程改進[10-15]

(1)在每架飛機精加工前，要對鉆套進行檢查，更換不合格品，保證定位刀具進給定位準確。

(2)為了保證孔徑既不超差又能達到表面粗糙度要求，在使用新鉸刀時,必須對幾把進行試鉸,最后篩選出最適用的鉸刀。

(3)刀具在加工后蘸冷油進行二次加工，以冷卻刀具。清除孔壁殘留金屬屑，減少后續(xù)加工刀具表面的金屬屑，降低孔壁劃傷幾率。

(4)由于原先在鉸孔完成后采用電機不停的回刀方式，此時鉸刀的前引導(dǎo)已經(jīng)失去定位作用，處于“懸臂”狀態(tài)，在這種狀況下容易造成鉸刀切削刃尾部與被加工孔口發(fā)生干涉，從而導(dǎo)致鉸刀切削刃尾部合金刀片損傷。所以在退刀時，應(yīng)注意操作的平穩(wěn)性，或者停機回刀。

4 結(jié)論

通過對鉸孔精加工問題的分析及試驗，對鉸刀結(jié)構(gòu)進行了改進。

(1)推薦鉸刀參數(shù)為Y330牌號硬質(zhì)合金材料，切削刃的前角γ=3°～5°、螺旋角β=3°～5°、后角α=13°～14°，容屑槽角度為90°。這種結(jié)構(gòu)的鉸刀刃口鋒利，容削空間足，改善了切屑流出方向和排屑狀態(tài)，使鋁合金孔壁劃傷幾率急劇下降，提高了加工質(zhì)量和效率。

(2)推薦鉸孔精加工切削參數(shù)為進給速度約為85 mm/min、每齒進給量Fz=0.02 mm。這樣既避免了由刀具卡滯現(xiàn)象造成的孔徑超差，又很好地控制了切屑狀態(tài)，顯著降低了鋁合金孔壁劃傷程度。

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(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：隋華)

Research on finish machining process of reaming titanium alloy and aluminum alloy sandwich structure

TAI Chun-lei，SHAN Dan-dan

(The 37thFactory,AVIC Shenyang Aircraft Industry(Group)Corporation LTD.,Shenyang 110850,China)

The finish machining process of wing and fuselage assembly for a type of aircraft is introduced and two key issues with reaming joint holes of titanium alloy and aluminum alloy sandwich structure are stated:(1)the aperture is out of tolerance;(2)the surface of aluminum alloy hole has hairline scratch.To solve these two problems,the polishing process,the assembly fixture,the structure parameters of reamer,the machining parameters and the finish machining process of reaming are thoroughly studied.Through theoretical analysis and experimental verification,the structure parameters such as rake angle,clearance angle,spiral angle and chip pocket,and the machining parameters such as feed per tooth and cutting speed are optimized particularly，which improved the quality and efficiency of processing,avoided the two problems mentioned,and achieved the machining accuracy.

aircraft;finish machining;joint holes;reamer;machining parameters

2015-04-21

臺春雷(1978-)，男，遼寧朝陽人，高級工程師，主要研究方向：飛機設(shè)計與制造，E-mail:jinshuxiaoyu@163.com。

2095-1248(2015)05-0063-05

TH161

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.009