石曉飛，李智超，盧永祥

（中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安 71077）

航空殼體類零件主要應(yīng)用于航空產(chǎn)品的液壓傳動及機(jī)械傳動裝置，是產(chǎn)品的核心零部件。其中航空液壓殼體是航空殼體類零件中的典型零件，屬典型多特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)殼體，殼體孔系中存在大量精密孔，這些孔的公差均在IT7級以下。為提高精密孔加工質(zhì)量，在加工工藝方面需要一些新的加工方法及新的刀具應(yīng)用到精密孔加工中。PCD（聚晶金剛石）刀具作為一種超硬刀具在有色金屬的加工領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。20世紀(jì)以來，美國、德國等發(fā)達(dá)國家先后將PCD刀具應(yīng)用到有色金屬的加工中，用于有色金屬的高速加工等，生產(chǎn)效率獲提高，成本降低；尤其在切削鋁合金材料時，壽命為硬質(zhì)合金刀具的20倍左右，切削速度約為硬質(zhì)合金刀具的3倍左右。近年來PCD刀具在國內(nèi)航空領(lǐng)域及汽車制造業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，通常被用于制作車刀片、鏜刀片、銑刀以及鉸刀等加工刀具[1-6]。

1 航空液壓殼體的結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)

航空液壓殼體一般多以鋁合金板材為主，液壓殼體的孔系主要由閥孔、油路孔、活塞孔等特征構(gòu)成，如圖1所示，因殼體為等壁厚設(shè)計(jì)，造成外形為不規(guī)則多曲面，內(nèi)部為多交叉孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。殼體中油路孔與閥孔之間存在同軸關(guān)系，閥孔與端面之間存在垂直關(guān)系，活塞孔與閥孔之間存在位置關(guān)系，因各孔系之間通過油路孔接通，所以某些孔的深度較深，孔長徑比可達(dá)10：1以上，給加工造成難度。

通常精加工小直徑孔以鏜孔和鉸孔為主，在加工過程中因刀具選用和排屑問題，經(jīng)常出現(xiàn)孔徑劃傷和尺寸不穩(wěn)定的情況；加工大直徑孔（φ30以上）時需要增加研磨工序保證孔徑尺寸和粗糙度要求，但研磨加工方法效率低下，采用PCD刀具替代傳統(tǒng)的刀具進(jìn)行加工，可解決加工中的質(zhì)量問題。

圖1 典型航空液壓殼體Fig.1 Typical aviation hydraulic housing

2 PCD刀具的性能特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀

PCD刀具從結(jié)構(gòu)上可分為整體式和焊接式兩類。由于制造成本、制造工藝等因素，焊接式PCD刀具在近年來發(fā)展迅速。焊接式PCD刀具主要由刀體和PCD刀片焊接而成，制作刀體的材料以合金或高速鋼為主，刀體根據(jù)被加工零件的尺寸精度而定，選用合金刀體可增加刀具整體的剛性，選用高速鋼刀體可增加刀體的抗沖擊性。PCD刀片是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末（如Co）混合后在高溫（1400℃）高壓（6000MPa）下燒結(jié)而成的聚晶體，最初由通用電氣公司于20世紀(jì)70年代通過人工合成，在此之后的很多場合中天然金剛石刀具逐步被PCD刀具所取代[7-12]。

PCD刀具應(yīng)用廣泛主要因其具有其他材料所不具備的特性和優(yōu)點(diǎn)：硬度高，其硬度可達(dá)到8000HV，是硬質(zhì)合金的8～12倍，具有極強(qiáng)的耐磨性；與有色金屬之間的親和力小，加工過程中不易產(chǎn)生積屑瘤；摩擦系數(shù)低，一般僅為0.1～0.3，在切削過程中可減小切削力；熱膨脹小，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，在切削過程中的熱變形小，使刀具能夠在連續(xù)切削過程中保持平穩(wěn)性，非常適合進(jìn)行有色金屬的精加工應(yīng)用[13-16]。

正確使用PCD刀具將會使加工效率和質(zhì)量提升，PCD刀具一般選用HSK刀柄或液壓刀柄夾持，這兩種刀柄剛性高、夾緊可靠、夾持精度高，刀柄與刀體直接接觸，保證刀具切削過程穩(wěn)定，并能減少因刀具懸長而產(chǎn)生的誤差；此外多數(shù)PCD刀具都是刀片與刀體焊接而成，因此焊接部位是刀具的一個相對薄弱點(diǎn)，過高的切削溫度或過大的切削深度（超過PCD刀尖長度的60%）可能對焊接部位造成沖擊和破壞。所以在使用PCD刀具進(jìn)行加工時需要選擇合適的加工環(huán)境和合理的切削參數(shù)才能最大發(fā)揮PCD刀具的特點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)分析，PCD刀具在航空液壓殼體中的應(yīng)用范圍多以孔徑的精加工為主。

3 PCD刀具在航空液壓殼體加工中的應(yīng)用

3.1 PCD鉸刀的應(yīng)用

航空液壓殼體中存在大量精密閥孔，如圖2所示，閥孔的功能主要是安裝各種閥，閥在產(chǎn)品中功能是通過壓力的變化來控制液體的流量。閥孔與閥屬于間隙配合，對于間隙量要求非常嚴(yán)格，一般不大于0.03mm，所以對于閥孔的設(shè)計(jì)而言，孔徑和粗糙度的要求很高。本文以使用最多的閥孔φ4.763+0.0120孔為例進(jìn)行加工試驗(yàn)。

圖2 殼體零件閥孔Fig.2 Valve hole of housing

加工條件：選用立臥轉(zhuǎn)換加工中心作為加工設(shè)備，被加工零件材料為7050-T751，加工孔徑要求φ4.763～4.775mm，位置度要求φ0.1mm，粗糙度Ra≤0.8，根部要求90°倒角，被加工孔深度50mm。

改善前孔加工問題：改善前精加工孔采用硬質(zhì)合金鉸刀精加工，經(jīng)常出現(xiàn)孔徑尺寸不穩(wěn)定（喇叭孔）、粗糙度達(dá)不到要求（孔壁劃傷）以及位置度易超差情況。

采用PCD刀具試驗(yàn)過程：首先從工藝方法上確定了加工順序，共選用5把刀具加工，如表1所示加工所使用的刀具以及規(guī)格，先使用中心鉆點(diǎn)中心孔，采用φ4mm鉆頭去除余量，采用φ4.5mm立銑刀加工校正孔的位置度，φ4.6mm粗鉸刀保證孔徑的余量穩(wěn)定，最終采用φ4.763mm精鉸刀保證孔徑和粗糙度要求，其中兩把PCD鉸刀夾持刀柄選用液壓刀柄，要求裝夾跳動不大于0.005mm。

表1 精密閥孔加工使用刀具及加工用途

在精鉸孔時，根據(jù)機(jī)床和刀具以及加工環(huán)境共選用了5組參數(shù)進(jìn)行試加工，如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

采用PCD鉸刀試驗(yàn)結(jié)論：經(jīng)過試驗(yàn)及結(jié)果分析，所采用的5組切削參數(shù)全部達(dá)到圖紙要求。其中轉(zhuǎn)速2000 r/min，進(jìn)給120 mm/min的參數(shù)加工出的孔徑位于孔徑中差，最終選用這組參數(shù)作為加工應(yīng)用參數(shù)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PCD鉸刀可以通過提高線速度進(jìn)而提升高加工效率，但在一些小孔徑的加工中不適合進(jìn)行高速切削，如果強(qiáng)行提高切削速度，機(jī)床本身的跳動將會影響到零件的加工質(zhì)量，如圖3所示，試驗(yàn)的結(jié)果顯示PCD刀具在低線速度的情況下也能獲得理想的加工效果。

圖3 轉(zhuǎn)速對小直徑孔徑尺寸的影響Fig.3 Effect of rotation speed on small diamter

經(jīng)后續(xù)跟蹤生產(chǎn)現(xiàn)場，統(tǒng)計(jì)該套鉸刀在試加工完成后共加工了1200多個孔，合格率達(dá)到100%，如圖4所示，與傳統(tǒng)鉸刀相比，PCD刀具加工孔的數(shù)量是普通鉸刀的十幾倍，合格率是普通鉸刀的2倍。

3.2 PCD鏜刀的應(yīng)用

航空液壓殼體精密孔除大量小直徑精密孔外，還存在很多大直徑精密孔，以活塞孔為典型大直徑精密配合孔，試驗(yàn)以某殼體φ34.06mm孔為例進(jìn)行試驗(yàn)。

加工條件：選用立臥轉(zhuǎn)換加工中心作為加工設(shè)備，加工孔徑要求φ34.06～34.07mm，零件材質(zhì)為2A14，粗糙度Ra≤0.2，被加工孔深度為187mm，如圖5所示。

改善前孔加工問題：加工改善前采用加工中心鏜孔尺寸至φ（34.02±0.01）mm，留余量 0.03～0.05mm，再采用研磨工藝加工到最終尺寸，精加工采用研磨工藝時存在兩方面不足：（1）加工效率低，研磨屬于手工操作，需要手持零件反復(fù)加工，中間需要重復(fù)計(jì)量和加工的工作；（2）存在安全問題，在研磨加工時需要手持零件，在加工體積較大的零件時，零件與旋轉(zhuǎn)中的研磨棒相對運(yùn)動時，手持的力量無法控制時容易造成零件在旋轉(zhuǎn)過程中傷人；此外研磨加工中大孔時容易出現(xiàn)兩邊孔口尺寸一致性較差的問題。

圖5 某液壓殼體活塞孔Fig.5 Piston hole of hydraulic housing

采用PCD刀具試驗(yàn)過程：經(jīng)分析該活塞孔工藝特點(diǎn)，針對該孔選用4把刀具進(jìn)行加工試驗(yàn)，如表3所示。

表3 活塞孔加工使用刀具及加工用途

首先選用φ30mm鉆頭去除余量，φ33mm鏜刀加工保證孔與其他孔徑的位置度，然后采用φ33mmPCD粗鉸刀加工保證余量均勻，試驗(yàn)選用PCD粗鉸刀的結(jié)構(gòu)如圖6所示，前端刀具直徑為φ30mm，后端刀片直徑為φ33.83mm，兩端刀片長度相距170mm，其中前端刀片為長度10mm，寬度5mm，后端刀片長度11mm，寬度5mm，保證粗鉸孔后量均勻、穩(wěn)定。

圖6 PCD鉸刀刀具圖Fig.6 Reamer tool drawing of PCD

最后采用PCD鏜刀加工（如圖7），PCD鏜刀采用刀柄與刀桿一體結(jié)構(gòu)，刀體材料選用42CrMo，保證刀桿強(qiáng)度和韌性，具較高的抗沖擊性；刀具前端刀片直徑為φ33.83mm,后端刀片直徑調(diào)節(jié)范圍φ34.066～34.068mm，兩端刀片長度相距40mm，后端刀片在切削的同時擠壓孔壁，保證孔徑尺寸的同時可提高孔徑的粗糙度。

圖7 PCD鏜刀刀具圖Fig.7 Bore tool drawing of PCD

采用PCD鏜刀加工試驗(yàn)的結(jié)論：在精鏜孔時，根據(jù)機(jī)床和刀具以及加工環(huán)境共選用了4組參數(shù)進(jìn)行試加工，最終確定轉(zhuǎn)數(shù)1500r/min，進(jìn)給100mm/min的切削參數(shù)，加工后孔徑尺寸為φ34.066，且孔的出口端與入口端的尺寸一致性非常穩(wěn)定，粗糙度為Ra0.09～0.13，滿足Ra0.2的圖紙要求。PCD鏜刀作為深孔精加工刀具，在加工φ25mm以上的深孔時，加工效果明顯。對于實(shí)際工作以鏜孔代研磨，以鏜孔代珩磨的工藝起到了積極的借鑒作用。

4 結(jié)論

本文通過PCD鉸刀和PCD鏜刀對航空液壓殼體進(jìn)行加工試驗(yàn)，確定了PCD刀具在鉸孔和鏜孔時的合理加工工藝路線以及切削參數(shù)。作為精加工刀具，PCD刀具加工的孔徑尺寸穩(wěn)定、粗糙度可達(dá)到Ra0.2以下，并且具有使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明PCD刀具相對于傳統(tǒng)刀具在精加工鋁合金方面的優(yōu)勢非常突出，解決了孔加工效率低、質(zhì)量難以控制的問題。隨著航空產(chǎn)品加工的需要，PCD刀具在未來有色金屬加工中的應(yīng)用需求會更加廣泛。

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