唐臣升，張賓，隋曉兵，唐鵬，趙丹，焦亦彬

沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司

1 引言

螺栓連接廣泛應用于飛機裝配中，而連接結(jié)構(gòu)是整個裝配結(jié)構(gòu)中剛度較為薄弱的部位，振動等交變應力是導致連接部位產(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)的靜強度和振動疲勞強度[5]。

在航空制造領域，抗疲勞螺栓裝配沉孔是由兩個不同錐角的錐面復合而成，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，這種方法會導致抗疲勞螺栓裝配制孔的加工質(zhì)量差和加工效率低。

本文通過對抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法及刀具技術的系統(tǒng)研究，研制出滿足高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工復合角度锪窩鉆(簡稱锪鉆)[6]，并通過加工試驗優(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)量的技術難題。

2 高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工方法

2.1 被加工對象的特征與技術要求

根據(jù)飛機設計的技術要求，用于活動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具有相應的圓弧面(即圓環(huán)面)過渡，以增強螺栓的連接強度，尤其是螺栓的抗疲勞強度。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)飛機設計的技術要求，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要求，不僅影響了飛機裝配連接的質(zhì)量，而且存在裝配連接的局部干涉和應力集中等隱患，從而產(chǎn)生負面作用的抗力。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用角度锪鉆(角度一般為90°)進行锪孔加工，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要求，抗疲勞螺栓與非抗疲勞螺栓裝配沉孔連接必然會產(chǎn)生裝配連接的局部干涉，從而產(chǎn)生負面作用的抗力，導致應力集中等隱患，因此，必須對抗疲勞螺栓裝配沉孔的結(jié)構(gòu)進行改進與完善。為了滿足抗疲勞結(jié)構(gòu)的螺栓裝配連接的技術要求，設計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)標準中螺栓沉頭與螺栓桿過渡圓弧的數(shù)值，設計出抗疲勞結(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)合金锪鉆設計

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.锪鉆導軸 2.锪鉆刃部 3.锪鉆柄部

整體硬質(zhì)合金锪鉆技術要求:螺旋角(或斜齒)為0°～5°，當螺旋角增大時，可以適當減小前角，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)設計優(yōu)化試驗提供可靠的技術數(shù)據(jù)，本項目制定了嚴格的制造及質(zhì)量控制要求:①導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。采用先進的五軸五聯(lián)動數(shù)控磨刀機制造整體硬質(zhì)合金锪鉆，刀具的檢測應用專業(yè)高精度刀具檢測儀器。

3.3 加工切削試驗及锪鉆參數(shù)優(yōu)化

(1)切削試驗

在滿足加工質(zhì)量的前提下，通過系統(tǒng)切削試驗確定高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工切削試驗參數(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。為了實現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化目標，切削試驗采用下列技術方案：①設計正交試驗方案進行切削試驗。對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行優(yōu)化；②采用高精度工具顯微儀檢測刀具切削刃磨損情況；③依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

切削試驗的硬件包括手持式風槍、工具顯微儀和抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具。

試驗的主要內(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。試驗刀具:整體硬質(zhì)合金锪鉆。試驗操作規(guī)范:切削加工試驗時，采用手持風槍夾持抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具進行抗疲勞裝配沉孔加工。試驗數(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)切削試驗以及試驗數(shù)據(jù)對高效抗疲勞螺栓裝配沉孔加工刀具進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使該專用工具的結(jié)構(gòu)設計更合理，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°，當螺旋角增大時，可以適當減小前角；④加工鋁合金時，切削刃后角α=13°～15°；加工鈦合金時，切削刃后角α=14°～16°；加工超強度鋼時，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:刀具使用前檢查刀具是否存在質(zhì)量問題；刀具使用過程中應避免非正常操作，尤其應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，具有更高的性價比。