王偉，邢欣，宋成琳

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、制造工藝和加工工具都在不斷被研究和創(chuàng)新[1]，鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料的物理、力學(xué)性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于蒙皮結(jié)構(gòu)。飛機(jī)蒙皮與肋、梁等結(jié)構(gòu)常通過(guò)鉚接或螺紋聯(lián)接，孔的加工質(zhì)量是保證裝配質(zhì)量的前提[2]。手工制孔作為常見(jiàn)制孔方式之一，具有操作簡(jiǎn)便靈活和應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

鉆削薄蒙皮的手工制孔工藝常采用傳統(tǒng)鉆擴(kuò)鉸多步制孔，存在單步切削余量小、刀具規(guī)格多、制孔時(shí)換刀頻繁、效率低和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。圖1和圖2分別為7.87～7.96mm和7.99～8.02mm傳統(tǒng)制孔策略及所用刀具。

圖1 7.87～7.96mm傳統(tǒng)制孔策略

圖2 7.99～8.02mm傳統(tǒng)制孔策略

采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)刀具增大單步擴(kuò)孔余量進(jìn)行金屬、復(fù)材及其異型疊層制孔時(shí)，易產(chǎn)生振刀和卡刀現(xiàn)象，導(dǎo)致孔壁粗糙、孔面質(zhì)量差和復(fù)材劈裂等制孔缺陷。厚度為2mm的鋁合金蒙皮在φ4→φ8大余量擴(kuò)孔時(shí)，刀具振動(dòng)明顯，入孔面呈鋸齒狀且孔壁粗糙(見(jiàn)圖3)；復(fù)合材料與金屬疊層在大余量擴(kuò)孔時(shí)，由于過(guò)大的軸向力和徑向力，會(huì)產(chǎn)生復(fù)材撕裂和毛邊等現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)；鈦合金在大余量擴(kuò)孔時(shí)，由于切削熱積聚會(huì)產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。

圖3 鋁合金大余量擴(kuò)孔后圓度和光潔度情況

圖4 復(fù)材與金屬疊層大余量擴(kuò)孔后的撕裂和毛邊現(xiàn)象

圖5 鈦合金疊層大余量擴(kuò)孔后的燒傷現(xiàn)象

本文針對(duì)薄蒙皮手工制孔的突出問(wèn)題，基于分層切削理論提出一種通用性強(qiáng)、制孔效率高的復(fù)合擴(kuò)孔刀具——圣誕樹(shù)刀具，將多步擴(kuò)孔工藝進(jìn)行合并，結(jié)合航空裝配制孔應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)展該刀具的大余量制孔策略試驗(yàn)研究，并進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)薄蒙皮高效率、高質(zhì)量的穩(wěn)定制孔。

2 復(fù)合刀具分層鉆削理論

復(fù)合刀具是將兩把或兩把以上的同類(lèi)或不同類(lèi)孔加工刀具組合成一體，同時(shí)或按先后順序完成不同工藝加工的專(zhuān)用刀具，能在一次加工過(guò)程中完成多個(gè)工序不同工藝的復(fù)合加工[3]。車(chē)削梯形螺紋和進(jìn)行大余量銑削時(shí)，常將直進(jìn)法和左右切削法相結(jié)合，形成分層切削，從而降低切削難度，使排屑較容易，確保工件表面加工質(zhì)量[4]。

使用傳統(tǒng)制孔刀具進(jìn)行大余量鉆削時(shí)，刀具與產(chǎn)品切削接觸面為刀具鉆尖，會(huì)產(chǎn)生較集中且較大的軸向力，在薄蒙皮上用該刀具進(jìn)行大余量切削時(shí)，產(chǎn)品容易產(chǎn)生變形(見(jiàn)圖6)或產(chǎn)生金屬疊層出孔面翻邊、復(fù)材疊層初孔劈裂等現(xiàn)象。結(jié)合分層切削理論，在采用復(fù)合刀具進(jìn)行大余量鉆削時(shí)，刀具采用多臺(tái)階設(shè)計(jì)，將鉆尖的大余量切削轉(zhuǎn)化為若干個(gè)臺(tái)階的小余量切削，刀具與產(chǎn)品接觸面為臺(tái)階切削角，每個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生較分散且較小的軸向力(見(jiàn)圖7)，因此該刀具能夠消除大余量制孔帶來(lái)的振刀、卡刀現(xiàn)象以及孔徑粗糙度低等缺陷，降低疊層燒傷和復(fù)材分層風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)薄蒙皮的大余量鉆削加工。

圖6 傳統(tǒng)鉆削刀具大余量切削

圖7 復(fù)合刀具大余量分層鉆削

3 圣誕樹(shù)復(fù)合刀具研制及應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 研制過(guò)程

基于分層切削原理，針對(duì)鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料的異型疊層鉆削制孔，研制復(fù)合刀具。該刀具外形酷似圣誕樹(shù)，因此將其命名為圣誕樹(shù)刀具。與傳統(tǒng)單步大余量鉆削相比，能夠有效降低切削力，減少切削熱，且刀具通用性強(qiáng)、切削輕快且加工效率高，能保證復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金及其疊層加工時(shí)具有優(yōu)異的切削性能。刀具設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

(1)刀具材料

該刀具用于異型疊層制孔，部分疊層硬度較高，刀具受軸向力和徑向切削作用，刀具材料應(yīng)具有較強(qiáng)的硬度與韌性，刃部具有較高強(qiáng)度，因此選用含鈷量為10%，超微粉碳化鎢晶粒度為0.6μm的硬質(zhì)合金棒料。

(2)刀具關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素

鉆尖2φ和切削角κr：傳統(tǒng)刀具鉆尖2φ=120°，切削角κr=60°，制孔過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的軸向力，在大余量制孔或復(fù)材制孔時(shí)，容易產(chǎn)生切不動(dòng)和振刀現(xiàn)象，導(dǎo)致孔不圓、孔壁粗糙或復(fù)材劈裂問(wèn)題。為適應(yīng)制孔工況，刀具鉆尖減小至2φ=85°，切削角κr=45°(見(jiàn)圖8)。

螺旋角w：傳統(tǒng)擴(kuò)孔鉆螺旋角w=20°，螺旋角較大，在多疊層制孔時(shí)容易卡刀，復(fù)材制孔時(shí)容易劈裂。左旋刀具能夠解決復(fù)材劈裂問(wèn)題，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)金屬疊層制孔，因此將刀具螺旋角設(shè)為w=0°(見(jiàn)圖8)。

臺(tái)階直徑DX：采用切削余量均等法確定刀具臺(tái)階直徑DX(見(jiàn)圖8)，即每個(gè)臺(tái)階的金屬去除率Q相等，金屬去除率Q與臺(tái)階直徑DX可表示為

(1)

(2)

式中，X為臺(tái)階數(shù)量；D0為初孔孔徑；Dz為終孔孔徑。

芯厚d0：由于該刀具用于大余量切削，需要足夠的容屑空間，同時(shí)芯部還需要較高的強(qiáng)度，第一個(gè)臺(tái)階D1的刃部芯厚d0=0.37D1(見(jiàn)圖8)，刀具芯部帶正錐，遞增量為(0.8～1.0)mm/100mm。

(a)刀具結(jié)構(gòu)

3.2 復(fù)合刀具應(yīng)用場(chǎng)景

飛機(jī)蒙皮常見(jiàn)材料有復(fù)合材料、鋁合金和鈦合金，在裝配制孔過(guò)程中通常為單層或多種異型材料疊層。為增強(qiáng)圣誕樹(shù)刀具的應(yīng)用可靠性，需結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài)開(kāi)展該刀具的多場(chǎng)景應(yīng)用研究，確定應(yīng)用邊界，為該刀具的推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

表1 圣誕樹(shù)刀具切削試驗(yàn)場(chǎng)景

表2 圣誕樹(shù)刀具進(jìn)行多場(chǎng)景試驗(yàn)結(jié)果

(a)試驗(yàn)刀具1

根據(jù)圣誕樹(shù)刀具應(yīng)用場(chǎng)景試驗(yàn)研究，其應(yīng)用邊界定義如下：①該刀具適用于3.5mm以下單層鋁合金或鈦合金制孔，無(wú)須手持鉆套或垂直鉆套，初孔孔徑范圍為φ3.26 mm以上，可一刀鉆削至φ8～φ10mm，鉆削余量Δ<6mm，滿(mǎn)足鋁合金0.07mm和鈦合金0.05mm的制孔公差。②該刀具適用于7mm以下多層復(fù)合材料、鋁合金和鈦合金異型疊層制孔，無(wú)須手持鉆套或垂直鉆套，初孔孔徑范圍為φ3.26mm以上，可一刀鉆削至φ8～φ10mm，鉆削余量Δ<6mm，滿(mǎn)足異型疊層孔0.07mm的制孔公差。

4 薄壁板高效手工制孔策略?xún)?yōu)化

結(jié)合圣誕樹(shù)刀具應(yīng)用場(chǎng)景試驗(yàn)研究，針對(duì)3.5mm以下的單層薄壁板和7mm以下的異型疊層制定手工制孔策略?xún)?yōu)化方案(見(jiàn)表3)。以孔徑公差為依據(jù)進(jìn)行制孔狀態(tài)分類(lèi)，用圣誕樹(shù)刀具取代傳統(tǒng)鉆擴(kuò)鉸刀具，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)薄壁板高效率、高質(zhì)量的穩(wěn)定制孔。

表3 異型疊層手工制孔策略?xún)?yōu)化方案(3.5mm以下單層和7mm以下)

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于分層鉆削理論，針對(duì)飛機(jī)薄蒙皮大余量鉆削制孔，提出一種多臺(tái)階、0°螺旋角的“圣誕樹(shù)”刀具設(shè)計(jì)方法。通過(guò)應(yīng)用場(chǎng)景試驗(yàn)研究，證實(shí)該刀具能夠同時(shí)滿(mǎn)足復(fù)材、鋁合金及鈦合金等異型疊層狀態(tài)的大余量鉆削需求，具有應(yīng)用過(guò)程無(wú)振刀、卡刀、制孔無(wú)缺陷和通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)一刀由初孔φ3.26mm擴(kuò)至φ8～φ10mm的大余量鉆削，且產(chǎn)品無(wú)燒傷和分層等質(zhì)量隱患。

針對(duì)該刀具的加工特點(diǎn)進(jìn)行薄壁板大余量制孔策略?xún)?yōu)化，以孔徑公差進(jìn)行產(chǎn)品狀態(tài)分類(lèi)，在確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)制孔效率的大幅提升。