高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工技術(shù)

唐臣升，張賓，隋曉兵，唐鵬，趙丹，焦亦彬

沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

螺栓連接廣泛應(yīng)用于飛機(jī)裝配中，而連接結(jié)構(gòu)是整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)中剛度較為薄弱的部位，振動(dòng)等交變應(yīng)力是導(dǎo)致連接部位產(chǎn)生疲勞失效的主要原因[1-3]。疲勞失效是螺栓的主要失效形式之一，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，螺栓連接50%以上的失效是疲勞破壞[4]，螺栓材料的選擇、連接形式及結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了其結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和振動(dòng)疲勞強(qiáng)度[5]。

在航空制造領(lǐng)域，抗疲勞螺栓裝配沉孔是由兩個(gè)不同錐角的錐面復(fù)合而成，較小錐角的錐面稱作圓根倒角。目前抗疲勞螺栓裝配沉孔加工的主要方法是:鉆完螺栓底孔后,先用單角度锪鉆加工出較大錐角的圓錐面沉孔，再用鉆頭近似處理圓根倒角，這種方法會(huì)導(dǎo)致抗疲勞螺栓裝配制孔的加工質(zhì)量差和加工效率低。

本文通過對(duì)抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法及刀具技術(shù)的系統(tǒng)研究，研制出滿足高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工復(fù)合角度锪窩鉆(簡稱锪鉆)[6]，并通過加工試驗(yàn)優(yōu)化刀具的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削加工參數(shù)，解決了抗疲勞螺栓裝配沉孔加工精度與質(zhì)量的技術(shù)難題。

2 高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法

2.1 被加工對(duì)象的特征與技術(shù)要求

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，用于活動(dòng)口蓋等處的連接螺栓沉頭錐面與螺栓桿的圓柱面相交處應(yīng)具有相應(yīng)的圓弧面(即圓環(huán)面)過渡，以增強(qiáng)螺栓的連接強(qiáng)度，尤其是螺栓的抗疲勞強(qiáng)度。圖1為螺栓結(jié)構(gòu)的剖面及Ⅰ處的局部放大。

(a)剖面圖

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配沉孔加工必須滿足其裝配連接技術(shù)要求，而非抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)無法滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接技術(shù)要求，不僅影響了飛機(jī)裝配連接的質(zhì)量，而且存在裝配連接的局部干涉和應(yīng)力集中等隱患，從而產(chǎn)生負(fù)面作用的抗力。圖2為非抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)及其Ⅱ處局部放大圖，圖3為非抗疲勞螺栓裝配沉孔與螺栓發(fā)生干涉的示意圖。

(a)剖面圖

圖3 非抗疲勞螺栓裝配沉孔與螺栓干涉

2.2 抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法

(1)非抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法

非抗疲勞螺栓結(jié)構(gòu)裝配沉孔的加工方法是直接應(yīng)用角度锪鉆(角度一般為90°)進(jìn)行锪孔加工，加工出的沉孔錐面與螺栓裝配孔圓柱面相交處(見圖2)沒有相應(yīng)的圓弧面(即圓環(huán)面)過渡。

(2)抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法

由于非抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)無法滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接技術(shù)要求，抗疲勞螺栓與非抗疲勞螺栓裝配沉孔連接必然會(huì)產(chǎn)生裝配連接的局部干涉，從而產(chǎn)生負(fù)面作用的抗力，導(dǎo)致應(yīng)力集中等隱患，因此，必須對(duì)抗疲勞螺栓裝配沉孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與完善。為了滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一款適合抗疲勞結(jié)構(gòu)螺栓裝配連接要求的锪鉆，以滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)螺栓裝配連接沉孔的加工要求。如圖4所示，圖4a為抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)，圖4b為Ⅲ處的局部放大圖。

(a)剖面圖

抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)與抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接方式見圖5，其中，圖5a為抗疲勞螺栓裝配沉孔結(jié)構(gòu)與抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接示意圖，圖5b為Ⅳ處局部放大圖。

(a)剖面圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中螺栓沉頭與螺栓桿過渡圓弧的數(shù)值，設(shè)計(jì)出抗疲勞結(jié)構(gòu)的裝配沉孔，以滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接要求。

3 高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具研制

3.1 整體硬質(zhì)合金锪鉆設(shè)計(jì)

整體硬質(zhì)合金锪鉆結(jié)構(gòu)見圖6。圖6a為整體硬質(zhì)合金锪鉆主視圖，锪鉆柄部為直徑8mm的1:20圓錐柄，以滿足與锪孔加工的軸向限位器配合，圖6b為整體硬質(zhì)合金锪鉆左視圖，圖6c為整體硬質(zhì)合金锪鉆的切削刃法向剖面圖。

1.锪鉆導(dǎo)軸 2.锪鉆刃部 3.锪鉆柄部

整體硬質(zhì)合金锪鉆技術(shù)要求:螺旋角(或斜齒)為0°～5°，當(dāng)螺旋角增大時(shí)，可以適當(dāng)減小前角，保證被加工錐面母線的直線度，并盡可能保證切削刃的直線度；導(dǎo)軸至少1/4長度圓柱面需保持完整；45°與90°切削刃相交處的圓角半徑應(yīng)小于0.1mm；保證45°切削刃處容屑槽有足夠的深度。

3.2 高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具制造

為了保證該專用刀具的制造質(zhì)量，并為該專用刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目制定了嚴(yán)格的制造及質(zhì)量控制要求:①導(dǎo)軸與被加工孔配合圓柱面的完整性；②錐角為45°切削刃處的容屑性；③切削刃的鋒利性及刃部與柄部異徑處的過渡連接圓弧半徑。采用先進(jìn)的五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨刀機(jī)制造整體硬質(zhì)合金锪鉆，刀具的檢測(cè)應(yīng)用專業(yè)高精度刀具檢測(cè)儀器。

3.3 加工切削試驗(yàn)及锪鉆參數(shù)優(yōu)化

(1)切削試驗(yàn)

在滿足加工質(zhì)量的前提下，通過系統(tǒng)切削試驗(yàn)確定高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工切削試驗(yàn)參數(shù)，以更好地滿足生產(chǎn)線需要，為裝配生產(chǎn)線提供優(yōu)質(zhì)高效的抗疲勞螺栓裝配沉孔加工專用刀具及其合理的使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)，切削試驗(yàn)采用下列技術(shù)方案：①設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行切削試驗(yàn)。對(duì)M5、M6、M8、M10、M12、M14和M16等7種規(guī)格的90°沉頭螺栓抗疲勞裝配沉孔加工锪鉆進(jìn)行優(yōu)化；②采用高精度工具顯微儀檢測(cè)刀具切削刃磨損情況；③依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

切削試驗(yàn)的硬件包括手持式風(fēng)槍、工具顯微儀和抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具。

試驗(yàn)的主要內(nèi)容:M5、M6、M8、M10、M12、M14、M16等7種規(guī)格螺栓的抗疲勞裝配沉孔加工。試驗(yàn)刀具:整體硬質(zhì)合金锪鉆。試驗(yàn)操作規(guī)范:切削加工試驗(yàn)時(shí)，采用手持風(fēng)槍夾持抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具進(jìn)行抗疲勞裝配沉孔加工。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集要求:被加工表面粗糙度滿足裝配要求；被加工沉孔與螺栓裝配無干涉。

(2)刀具參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)切削試驗(yàn)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使該專用工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，從而提高抗疲勞螺栓裝配沉孔加工的質(zhì)量和效率。

綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，锪鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如下：①切削刃數(shù)量Z=3；②切削刃為螺旋齒(或斜齒)，螺旋角β=3°～5°；③切削刃前角γ=0°～5°，當(dāng)螺旋角增大時(shí)，可以適當(dāng)減小前角；④加工鋁合金時(shí)，切削刃后角α=13°～15°；加工鈦合金時(shí)，切削刃后角α=14°～16°；加工超強(qiáng)度鋼時(shí)，切削刃后角α=12°～14°；⑤切削刃f刃控制在0～0.03mm范圍內(nèi)；⑥保證被加工錐面母線的直線度，并盡可能保證切削刃的直線度；⑦導(dǎo)軸至少1/4長度圓柱面保持完整；⑧45°與90°切削刃相交處的圓角半徑應(yīng)小于0.1mm；⑨45°切削刃處容屑槽深度不小于1mm；⑩刀具切削刃的材料為Y330或K30類硬質(zhì)合金。

高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具使用注意事項(xiàng):刀具使用前檢查刀具是否存在質(zhì)量問題；刀具使用過程中應(yīng)避免非正常操作，尤其應(yīng)避免刀具與其他物體撞擊；刀具使用后將雜物清理干凈。

4 結(jié)語

綜合上述關(guān)于抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具優(yōu)化數(shù)據(jù)，最終確定抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具的材料及其結(jié)構(gòu)為整體硬質(zhì)合金復(fù)合角度锪鉆，不僅可以提高抗疲勞螺栓裝配沉孔加工的質(zhì)量和效率，還可以使刀具的切削性能更好，刀具壽命更長，具有更高的性價(jià)比。