陳勇剛，韓汪濤，李 斌，宮 平，郭越人，余 琦

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

飛機(jī)裝配過程中，需要將不同的零件、部件進(jìn)行穩(wěn)定可靠的連接，目前主要采用鉚釘連接和螺栓連接這兩種機(jī)械連接形式。為了實(shí)現(xiàn)以上兩種連接形式，需要在各個連接零部件上制孔。數(shù)據(jù)顯示，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故發(fā)生在結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋在連接孔處產(chǎn)生[1]。因此，制孔成為飛機(jī)裝配過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

飛機(jī)裝配制孔的主要特點(diǎn)是制孔數(shù)量大，制孔質(zhì)量要求高，工件材料多采用難加工材料，制孔作業(yè)環(huán)境易干涉[2]。其中，大直徑交點(diǎn)孔的擴(kuò)孔精加工尤為困難。交點(diǎn)孔指飛機(jī)在裝配過程中直徑大、深度大的一些關(guān)鍵連接孔[3]，主要包括飛機(jī)起落架與機(jī)身的連接孔、垂尾與機(jī)身連接孔、翼身連接孔等[4]。飛機(jī)交點(diǎn)孔不是單獨(dú)一個孔，而是一系列孔，這些孔分布在不同部件上，空間相對位置有著嚴(yán)格要求[5]。在飛機(jī)裝配過程中，通常需要對交點(diǎn)孔原有的初孔進(jìn)行擴(kuò)孔精加工，制孔精度和表面質(zhì)量對飛機(jī)裝配質(zhì)量有重要的影響。交點(diǎn)孔精加工難點(diǎn)是制孔孔徑大 （通常在20 mm以上），制孔深度大 （通常在30 mm 以上），多為鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料，導(dǎo)致制孔時切削力大，易引起切削振動，加工精度和質(zhì)量難以保證；此外，交點(diǎn)孔多為多聯(lián)插耳式結(jié)構(gòu)，不同零件初孔間、同一零件不同耳片初孔間、零件初孔和工裝定位孔間往往存在同心度誤差，導(dǎo)致制孔過程中刀具受力不均勻，易引偏。目前，飛機(jī)交點(diǎn)孔精加工的方式是采用自動進(jìn)給鉆或其他專用設(shè)備，利用鉆模板進(jìn)行制孔刀具的導(dǎo)向和定位，先后通過擴(kuò)孔鉆和鉸刀進(jìn)行擴(kuò)、鉸加工[6]。為了保證制孔質(zhì)量，每次進(jìn)刀去除工件材料有限，加工孔精加工整個制孔流程將包含多道工序，頻繁更換刀具操作煩瑣，通常精加工一個交點(diǎn)孔需要幾個小時，制孔效率低，使用刀具數(shù)量多、成本高，工人勞動強(qiáng)度大[7]。

為解決現(xiàn)有飛機(jī)交點(diǎn)孔精加工方法存在的問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。詹友河等[8]針對傳統(tǒng)機(jī)身交點(diǎn)孔加工精度低且存在加工后構(gòu)件發(fā)生回彈變形等問題，設(shè)計了一種滿足飛機(jī)數(shù)字化裝配要求的交點(diǎn)孔精加工方法，通過機(jī)身數(shù)字化定位、機(jī)身固持、數(shù)控加工中心設(shè)計與定位和加工工藝設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對機(jī)身交點(diǎn)孔的精加工。Guo 等[9]以機(jī)身數(shù)字化裝配系統(tǒng)為應(yīng)用背景，構(gòu)建了一套基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)交點(diǎn)孔精鏜加工系統(tǒng)，并針對機(jī)器人制孔存在的定位精度差、剛度低、在加工中容易產(chǎn)生變形和振動等問題，提出了機(jī)器人位姿優(yōu)化、精度補(bǔ)償、抑制加工顫振等技術(shù)，提高了交點(diǎn)孔加工質(zhì)量，從而提高了裝配精度。張德遠(yuǎn)等[10]研制了超聲橢圓振動鏜削裝置，能大幅度降低切削力，改善切削質(zhì)量，提高鏜孔精度和表面粗糙度，有效改善了飛機(jī)翼身交點(diǎn)孔加工質(zhì)量。但目前上述技術(shù)在飛機(jī)交點(diǎn)孔精加工中的實(shí)際應(yīng)用仍然較少。

螺旋銑孔是一種飛機(jī)裝配制孔新方法，制孔過程中采用立銑刀并使其沿螺旋軌跡進(jìn)給，以銑削方式替代鉆削實(shí)現(xiàn)連接孔的加工[11]。國內(nèi)外大量學(xué)者針對螺旋銑孔技術(shù)開展了研究，并研制出了專用的螺旋銑孔裝備。張?jiān)浦镜萚12]設(shè)計了一款螺旋軌跡制孔裝置，并搭載于工業(yè)機(jī)器人末端，完成了對鈦合金、CFRP 等難加工材料的制孔驗(yàn)證。楊國林等[13-14]研制出便攜式和全自動的螺旋銑孔裝備，并已將該技術(shù)應(yīng)用到多個型號的航空航天構(gòu)件制孔加工中。柯臻錚[15]研制的多功能螺旋銑孔末端執(zhí)行器可以完成橢圓窩制孔加工，锪出的橢圓窩窩型尺寸精度、表面粗糙度均滿足技術(shù)要求；根據(jù)現(xiàn)有研究及螺旋銑孔的加工原理，可以推斷出螺旋銑孔工藝在大直徑交點(diǎn)孔精加工中具有兩個顯著的優(yōu)勢： （1）螺旋銑孔加工孔徑由刀具直徑和公轉(zhuǎn)偏心量共同決定，因此用小直徑刀具即可加工出大直徑孔，而采用小直徑刀具銑削制孔的好處是切削力小、切削溫度低，因此單次進(jìn)給允許的材料去除量大，且有利于提升制孔精度和孔壁質(zhì)量； （2）螺旋銑孔為銑削工藝，加工時刀具不會被初孔引偏，在擴(kuò)孔加工時優(yōu)勢明顯。然而，目前采用螺旋銑孔技術(shù)加工大直徑交點(diǎn)孔的研究較少，其可行性并未得到有效證實(shí)。

本文結(jié)合飛機(jī)大直徑交點(diǎn)孔的實(shí)際加工需求，基于國內(nèi)自主研發(fā)的便攜式螺旋銑孔裝備，開展了采用螺旋銑孔技術(shù)加工大直徑交點(diǎn)孔的試驗(yàn)研究，檢測加工孔的尺寸精度和孔壁表面質(zhì)量，并進(jìn)一步研究孔壁表面完整性，以驗(yàn)證采用螺旋銑孔方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配交點(diǎn)孔精加工的可行性。

1 螺旋銑孔試驗(yàn)設(shè)計

螺旋銑孔是航空航天領(lǐng)域的一種裝配制孔新方法，其加工原理為：刀具自身旋轉(zhuǎn)的同時沿著螺旋軌跡進(jìn)給，在工件上銑削出直徑大于刀具自身的圓孔，如圖1 所示。螺旋銑孔為偏心制孔方法，加工孔徑由銑刀直徑和偏心量 （螺旋進(jìn)給軌跡的半徑）共同決定。螺旋銑孔使用的刀具通常為立銑刀而非鉆頭。螺旋銑孔過程中，通常以孔壁處的銑削方式來定義順/逆銑，銑刀的旋轉(zhuǎn)方向和工件相對銑刀的進(jìn)給方向相同時為順銑加工，銑刀的旋轉(zhuǎn)方向和工件相對銑刀的進(jìn)給方向相反時為逆銑加工[13]。

圖1 螺旋銑孔加工原理Fig.1 Principle of helical milling

進(jìn)行交點(diǎn)孔螺旋銑孔試驗(yàn)使用的加工設(shè)備為大連理工大學(xué)研制的便攜式螺旋銑孔單元，如圖2 所示。該設(shè)備具有螺旋銑孔加工過程中所需的3 個運(yùn)動： （1）自轉(zhuǎn)運(yùn)動，即特制立銑刀繞著其自身軸線進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，為主切削運(yùn)動； （2）公轉(zhuǎn)運(yùn)動，即刀具繞著被加工孔的軸線旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速通常要低于自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速； （3）軸向進(jìn)給運(yùn)動，即刀具沿著軸線方向的直線運(yùn)動。主軸自轉(zhuǎn)由氣動馬達(dá)驅(qū)動，功率為800 W，通過改變通氣壓力從而調(diào)節(jié)氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍為500 ～ 3000 r/min；公轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向進(jìn)給運(yùn)動均由電機(jī)驅(qū)動，公轉(zhuǎn)調(diào)速范圍為0 ～ 40 r/min，進(jìn)給速度調(diào)速范圍為0 ～ 200 mm/min，最大軸向進(jìn)給行程為120 mm。公轉(zhuǎn)軸前端安裝有偏心銑削頭，通過更換不同規(guī)格的偏心銑削頭來實(shí)現(xiàn)偏心量的大范圍調(diào)整，通過手動旋轉(zhuǎn)偏心銑削頭的方式實(shí)現(xiàn)偏心量的微量精確調(diào)節(jié)，偏心量數(shù)值可通過偏心銑削頭上的刻度環(huán)讀取，調(diào)整完畢后擰緊公轉(zhuǎn)軸上的鎖緊螺釘保證銑孔過程中偏心量不發(fā)生改變。偏心銑削頭上安裝有機(jī)夾刀片式立銑刀。本次試驗(yàn)使用的偏心銑削頭偏心量可調(diào)范圍為13.3 ～ 13.8 mm，銑刀為四刃結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)直徑為25 mm，可銑出的孔徑大小范圍為51.6 ～ 52.6 mm。該便攜式螺旋銑孔單元的控制系統(tǒng)集成在控制柜中，主要部件包括PLC、電機(jī)驅(qū)動器、觸摸屏、電氣比例閥和其他附件。其中PLC 作為主控單元：電機(jī)驅(qū)動器控制公轉(zhuǎn)和進(jìn)給電機(jī)的運(yùn)動，電氣比例閥控制主軸氣動馬達(dá)的進(jìn)氣壓力，觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。通過觸摸屏可以對螺旋銑孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如自轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)速度和方向、進(jìn)給速度和方向、進(jìn)給距離等。

圖2 便攜式螺旋銑孔單元Fig.2 Portable helical milling unit

試驗(yàn)材料為飛機(jī)后機(jī)身與垂尾對接交點(diǎn)孔的模擬試驗(yàn)件，如圖3 所示，由3 層材料組成：厚度30 mm 的不銹鋼板（0Cr15Ni5Cu4Nb）、厚度50 mm 的鈦合金板 （TC4）和厚度30 mm 的不銹鋼板 （0Cr15Ni5Cu4Nb）。工件總厚度110 mm，初孔孔徑為50 mm，精加工的目標(biāo)孔徑為52 mm，孔徑尺寸精度要求為±0.05 mm，孔壁粗糙度要求為Ra1.6 μm。

圖3 垂尾交點(diǎn)孔模擬試驗(yàn)件Fig.3 Vertical tail intersection hole simulation test piece

交點(diǎn)孔螺旋銑孔精加工試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4 所示，其中鉆模板主要結(jié)構(gòu)和使用方法為： （1）鋁型材支架為支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐鉆模板和便攜式螺旋銑孔設(shè)備自重； （2）安裝工件時通過芯軸進(jìn)行定位，使工件的初孔與鉆模板基本同心； （3）工件夾持在螺旋銑孔專用鉆模板和后壓板之間，后壓板用于和鉆模板共同夾緊工件，后壓板上加工有螺紋孔，通過4 個M10螺栓給工件施加壓力，保證鉆模板與工件緊密貼合，在加工中不發(fā)生脫離或竄動； （4）在銑孔加工之前先要把連接套安裝到便攜式螺旋銑孔單元前端，通過連接套使便攜式螺旋銑孔設(shè)備固定到鉆模板上。

圖4 交點(diǎn)孔螺旋銑孔加工試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Test site for helical milling of intersection holes

試驗(yàn)中使用的工藝參數(shù)如表1所示，加工0Cr15Ni5Cu4Nb 和TC4分別采用了不同的工藝參數(shù)。為保證制孔精度，分兩次走刀實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)孔的精加工，試驗(yàn)過程重復(fù)了4 次。

表1 大直徑交點(diǎn)孔疊層構(gòu)件螺旋銑孔工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of helical milling of large diameter intersection hole laminated components

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

加工后的試驗(yàn)件如圖5 所示，入口層 （0Cr15Ni5Cu4Nb）、中間層（TC4）和出口層 （0Cr15Ni5Cu4Nb）均觀察不到明顯的加工缺陷，孔壁光滑無明顯劃痕。

圖5 交點(diǎn)孔疊層構(gòu)件螺旋銑孔試驗(yàn)件和出口情況Fig.5 Intersection hole laminated helical milling test piece and outlet condition

2.1 孔徑檢測

加工孔孔徑利用日本三豐公司生產(chǎn)的HTD-100RST 型數(shù)顯內(nèi)徑千分尺進(jìn)行檢測測量，所得數(shù)據(jù)如圖6所示，其中上下兩條紅色虛線內(nèi)為所要求孔徑范圍。由孔徑測量結(jié)果可知，加工孔徑尺寸滿足 （50±0.05）mm 的精度要求。進(jìn)一步分析可得，入口層孔徑大于出口層孔徑，且入口層和出口層孔徑都大于中間層孔徑。螺旋銑孔為偏心銑削制孔工藝，加工過程中銑刀將受到指向孔中心的切削分力，導(dǎo)致銑刀變形產(chǎn)生讓刀，同時加工孔徑也隨之減小。入口層孔徑大于出口層孔的主要原因?yàn)椋?（1）開始加工時螺旋銑孔設(shè)備的公轉(zhuǎn)軸懸伸較短，軸剛性較大，因此讓刀現(xiàn)象較輕微，且剛開始加工時機(jī)夾刀片的磨損程度較小，所以此時實(shí)際加工孔徑尺寸更接近于目標(biāo)孔徑； （2）加工出口層時，隨著進(jìn)給量的增加，公轉(zhuǎn)軸懸伸變長，剛性減弱，因而讓刀現(xiàn)象更加明顯，且機(jī)夾刀片已經(jīng)磨損，所以銑出的實(shí)際加工孔徑較小[10]。中間層孔徑較小的主要原因?yàn)椋褐虚g層材料為TC4，該種材料彈性模量約為不銹鋼（0Cr15Ni5Cu4Nb）的1/2，彈性模量小使銑削過程中工件的已加工表面產(chǎn)生較大的回彈，從而導(dǎo)致實(shí)際加工孔徑偏小[16]，而且會加劇刀具后角的磨損，增大與工件表面的摩擦。

圖6 終孔各層孔徑數(shù)據(jù)Fig.6 Pore size data of each layer of the final hole

2.2 粗糙度檢測

粗糙度檢測使用的儀器為日本三豐公司生產(chǎn)的SJ-210 型便攜式表面粗糙度測量儀，各層粗糙度檢測結(jié)果如圖7 所示，可以看出，各層孔壁粗糙度均小于要求的Ra1.6 μm，這主要是由于銑削加工相對于傳統(tǒng)擴(kuò)、鉸工藝具有斷續(xù)切削、易排屑、切削力小、振動小等優(yōu)點(diǎn)，因此更容易獲得較好的表面質(zhì)量。每個孔出口層粗糙度值均大于入口層和中間層粗糙度值，主要原因?yàn)椋杭庸こ隹趯訒r，隨著進(jìn)給量的增加，螺旋銑孔設(shè)備公轉(zhuǎn)軸懸伸變長，剛性減弱，同時刀具已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的磨損，導(dǎo)致孔壁表面質(zhì)量變差。

圖7 加工后各孔每層的粗糙度Fig.7 Roughness of each hole and each layer after machining

2.3 表面完整性研究

飛機(jī)連接孔的抗疲勞性能除受到孔徑尺寸精度、孔壁粗糙度的影響外，也受到孔壁亞表面晶相組織的影響。飛機(jī)交點(diǎn)孔精加工目前主要采用的方法為擴(kuò)孔和鉸孔，采用該方法加工孔的抗疲勞性能已在實(shí)踐中被大量驗(yàn)證。螺旋銑孔是一種新的制孔工藝，為保證其制孔質(zhì)量需要對試驗(yàn)件孔壁亞表面的組織成分進(jìn)行研究，特別是與傳統(tǒng)擴(kuò)、鉸方法加工的孔進(jìn)行表面完整性的對比[17]。

分別取擴(kuò)鉸孔后和螺旋銑孔后工件的入口層、中間層和出口層制備孔壁處樣件，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后，利用基恩士公司生產(chǎn)的VHX-600E型超景深顯微鏡對樣件亞表面組織進(jìn)行觀測，如圖8 所示?？梢钥闯觯瑑煞N加工方式所得試件的亞表面組織并沒有觀察到明顯的區(qū)別。采用螺旋銑孔方法加工時，切削力小、發(fā)熱量小，切削過程中對工件孔壁亞表面晶相組織的影響較??；采用擴(kuò)孔、鉸孔方法加工時，單次去除材料也較少，尤其是鉸孔，單次走刀切深通常在0.1 mm 以內(nèi)，較小的加工余量也不會引起孔表面組織的明顯變化[18]。因此，最終導(dǎo)致兩者的加工組織沒有明顯的區(qū)別。

圖8 兩種加工方式晶相組織觀測Fig.8 Observation of crystal structure by two processing methods

工件在加工過程中會出現(xiàn)加工硬化，又叫作顯微硬化或冷作硬化，是指工件材料的表面金屬在切削力的作用下發(fā)生塑性變形而使材料的強(qiáng)度和硬度增加而塑性韌性下降的現(xiàn)象，在工件材料表面可能會發(fā)生晶格扭曲、晶粒之間發(fā)生剪切滑移等現(xiàn)象[19]。為了對比螺旋銑孔和擴(kuò)鉸孔兩種加工方式對所制孔的表面層顯微硬度的影響，分別取擴(kuò)鉸孔后和螺旋銑孔后工件的入口層、中間層和出口層制備孔壁處樣件，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后[20]，使用Auto Vicky ZHV-1000F 型單點(diǎn)全自動維氏顯微硬度檢測儀進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖9 所示?？芍?，對于每一層材料，兩種加工方式所測得顯微硬度的變化趨勢類似，都是隨著距加工表面距離的增大，硬度值由大變小，之后逐漸平穩(wěn)到材料本身的顯微硬度值，且兩種加工方式獲得試驗(yàn)件的顯微硬度數(shù)值沒有明顯區(qū)別。

圖9 擴(kuò)鉸孔和螺旋銑孔各層顯微硬度Fig.9 Microhardness of each layer of intersection hole and helical milling

通過孔壁亞表面的晶相組織和顯微硬度對比可知，螺旋銑孔與傳統(tǒng)的擴(kuò)鉸孔工藝相比，所形成孔壁的亞表面組織沒有明顯的區(qū)別，因此在抗疲勞性能上也不應(yīng)存在顯著區(qū)別。

2.4 加工效率分析

對于初孔直徑50 mm、終孔直徑52 mm 的交點(diǎn)孔加工，航空制造企業(yè)目前采用的加工方式是使用自動進(jìn)給鉆進(jìn)行5 次擴(kuò)孔、2 次鉸孔，1 次擴(kuò)孔所需時間約為50 min，1 次鉸孔所需約為60 min，對于110 mm 厚試驗(yàn)件加工時間共計需要約370 min，再加上多次換刀時間，實(shí)際加工時間通常要在6 h以上，加工效率較低；采用螺旋銑孔的方式加工，單次走刀去除加工量大，完成制孔只需2 次走刀，具體消耗時間如表2 所示，相比于傳統(tǒng)擴(kuò)鉸孔的加工方式可以節(jié)省加工時間3 h 以上，制孔效率提高1 倍以上。

表2 螺旋銑孔加工時間Table 2 Helical milling machining time

3 結(jié)論

（1）螺旋銑孔工藝采用小直徑刀具加工大直徑孔，切削力小、切削溫度低，且銑刀不易被初孔引偏，適用于大直徑交點(diǎn)孔的擴(kuò)孔精加工，為航空航天飛行器零部件裝配中加工大直徑交點(diǎn)孔提供了新思路、新方法。

（2）采用螺旋銑孔方法加工直徑52 mm、深度110 mm 的不銹鋼/鈦合金/不銹鋼疊層交點(diǎn)孔，孔徑尺寸精度優(yōu)于±0.05 mm，孔壁粗糙度優(yōu)于Ra1.6 μm，制孔質(zhì)量符合技術(shù)要求。

（3）與傳統(tǒng)擴(kuò)、鉸方法加工的交點(diǎn)孔相比，通過螺旋銑孔方法加工的交點(diǎn)孔孔壁亞表面晶相組織和顯微硬度沒有明顯區(qū)別。

（4）與傳統(tǒng)擴(kuò)、鉸加工方法相比，采用螺旋銑孔方法加工交點(diǎn)孔走刀次數(shù)少，制孔效率顯著提高，且整個制孔過程只需使用一把刀具。