張德遠(yuǎn) 劉 靜

北京航空航天大學(xué)，北京，100191

0 引言

目前國內(nèi)外飛機(jī)緊固孔裝配制造企業(yè)正在積極開發(fā)和應(yīng)用各種自動(dòng)化制孔設(shè)備，如自動(dòng)進(jìn)給鉆、自動(dòng)鉆鉚機(jī)、機(jī)器人制孔設(shè)備、大型機(jī)床等，但由于加工空間、技術(shù)、成本和周期等方面的限制，這些自動(dòng)化設(shè)備和技術(shù)尚未成熟或尚未推廣應(yīng)用，故普通氣鉆制孔技術(shù)仍具有不可替代的作用。尤其對(duì)于我國，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)飛機(jī)緊固孔裝配制造的主要制孔工具還是普通氣鉆［1］。傳統(tǒng)的鉆擴(kuò)鉸多步制孔工藝和普通氣鉆制孔工具不僅對(duì)工人操作技能要求高，而且工藝路線長(zhǎng)，加工質(zhì)量不高。工人操作普通氣鉆制孔精度通常只能達(dá)到 H9，表面粗糙度Ra值在1.6μm 左右［2－3］。

隨著碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等難加工材料在飛機(jī)裝配制造中的大量應(yīng)用以及加工孔徑的變大和裝配精度要求的提高，傳統(tǒng)的裝配制造技術(shù)嚴(yán)重制約了我國飛機(jī)裝配制造業(yè)的高效、高質(zhì)、低成本的可持續(xù)發(fā)展。特別是在飛機(jī)蒙皮復(fù)合材料與鈦合金疊層（簡(jiǎn)稱復(fù)鈦疊層）大孔徑制孔中，這種低制造水平與高制造要求的矛盾更加突出。以φ12mm的疊層緊固孔加工為例，傳統(tǒng)的手動(dòng)鉆－擴(kuò)－鉸－锪多步制孔方法加工完一個(gè)孔不僅需要多達(dá)20道工序，而且制孔過程中還容易出現(xiàn)復(fù)合材料（CFRP）出口分層、表面質(zhì)量不高、刀具磨損快等問題，影響了飛機(jī)的裝配效率和裝配質(zhì)量［4］。因此，飛機(jī)裝配制造業(yè)亟待研究新的工藝方法、工藝設(shè)備及工藝規(guī)范等來提高飛機(jī)緊固孔裝配制造技術(shù)水平。本文針對(duì)飛機(jī)裝配制造中復(fù)鈦疊層大緊固孔難加工的問題，通過分析振動(dòng)加工的機(jī)理優(yōu)勢(shì)，提出了超聲振動(dòng)套－鉸－锪制孔工藝方法，并且開發(fā)了相應(yīng)的便攜式振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)。

1 振動(dòng)技術(shù)有效性研究

碳纖維復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞性能好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其硬度高、各向異性和層間強(qiáng)度低，因此傳統(tǒng)麻花鉆鉆孔時(shí)易造成出口分層和撕裂。近來一些學(xué)者對(duì)各種刀具加工復(fù)合材料進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)采用套料加工方式加工復(fù)合材料時(shí)，軸向力小、不易分層，是較好的加工復(fù)合材料的方式［5－6］。但是，一方面套料加工經(jīng)常排屑不暢，切屑堵在套料鉆中，造成刀具不能繼續(xù)使用，另一方面套料加工精度低，難以滿足加工精度要求，這些問題制約了套料鉆在飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)的使用［7－9］。目前飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)通常采用傳統(tǒng)多步鉆－擴(kuò)－鉸－锪的工藝方法［9－10］。

超聲振動(dòng)技術(shù)可以使普通套料鉆在旋轉(zhuǎn)制孔的同時(shí)產(chǎn)生20kHz左右的微振幅縱向振動(dòng)，如圖1所示。一方面刀體外圓和內(nèi)孔電鍍的金剛砂顆?？v向的超聲高頻微振幅振動(dòng)產(chǎn)生了排屑空間，另一方面刀具的超聲脈沖振動(dòng)發(fā)揮了類似超聲清洗的功能，這樣刀具周圍的切屑會(huì)被順利彈射排出，可避免普通加工中的切屑包覆刀具和切屑?jí)K堵在刀具中等情況的發(fā)生。另外，振動(dòng)套料加工不僅可以有效排屑，而且刀具的脈沖振動(dòng)又可以降低切削力，這樣非常有利于避免復(fù)合材料出口分層和撕裂的發(fā)生。因此，振動(dòng)套料非常適合高質(zhì)、高效加工復(fù)合材料。

圖1 振動(dòng)套料機(jī)理分析

超聲振動(dòng)鉸削是在普通螺旋鉸刀旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加上軸向超聲振動(dòng)，軸向的超聲振動(dòng)通過刀具螺旋刃轉(zhuǎn)化為螺旋方向的振動(dòng)，如圖2所示。超聲振動(dòng)干式鉸削實(shí)現(xiàn)了脈沖力作用的分離型振動(dòng)切削，消除了普通切削過程中的彈性擠壓振動(dòng)。這種有規(guī)律的脈沖斷續(xù)切削，可以有效提高鉸削表面質(zhì)量和精度，改善表面應(yīng)力狀態(tài)，提高疲勞壽命[11]。

圖2 振動(dòng)鉸削機(jī)理分析

2 振動(dòng)加工復(fù)鈦疊層緊固孔工藝研究

目前對(duì)于飛機(jī)蒙皮復(fù)鈦疊層φ12mm緊固孔的加工，如果采用傳統(tǒng)的手動(dòng)鉆－擴(kuò)－鉸－锪多步制孔方法（如圖3和表1所示），加工工序需要將近20道，加工總效率低，加工精度和表面粗糙度Ra分別只能達(dá)到H9和1.6μm左右，而且锪窩力大，釘頭平齊度差。

圖3 傳統(tǒng)疊層大徑緊固孔工藝路線示意圖

表1 普通多步制孔工序安排

分析上述振動(dòng)套料和振動(dòng)鉸削的特點(diǎn)后，本文提出了超聲振動(dòng)套－鉸－锪復(fù)鈦疊層有底孔的高質(zhì)高效加工工藝方法，如圖4所示。工序安排見表2。首先進(jìn)行振動(dòng)套料粗加工，高質(zhì)高效完成復(fù)合材料初孔加工。其次進(jìn)行振動(dòng)粗鉸加工，該工序主要目的是解決套料加工中可能出現(xiàn)的套料不均以及鈦合金糾偏的問題。再次進(jìn)行振動(dòng)精鉸加工，該工序主要目的是達(dá)到加工精度和質(zhì)量要求。最后進(jìn)行振動(dòng)锪窩，該工序主要目的是提高锪窩加工的精度和質(zhì)量。本工藝方法的加工效率高，單孔加工僅需4道工序完成，而且精度接近H8，表面粗糙度Ra接近0.8μm，復(fù)合材料出口無分層。

圖4 超聲振動(dòng)加工大徑緊固孔工藝路線示意圖

表2 振動(dòng)制孔工序安排

3 振動(dòng)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲振動(dòng)套－鉸－锪的加工工藝方法，研制了超聲振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)，如圖5所示。超聲振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)主要由振動(dòng)氣鉆、諧振刀具及附件、電源控制柜、工具柜、可移動(dòng)小車等組成。

振動(dòng)工具共有三種，分別是振動(dòng)套料氣鉆、振動(dòng)鉸削氣鉆和振動(dòng)锪窩氣鉆。刀具有套料鉆、鉸刀、锪窩鉆三種，其中套料鉆與振動(dòng)套料氣鉆連接使用，用來完成復(fù)合材料振動(dòng)套料加工；鉸刀與振動(dòng)鉸削氣鉆連接使用，用來完成疊層鉸孔加工；锪窩鉆與振動(dòng)锪窩氣鉆連接使用，用來完成振動(dòng)锪窩加工，其中锪窩鉆套用來锪窩加工中定向定深。附件包括一些配套的扳手等工具。振動(dòng)氣鉆工具的基本結(jié)構(gòu)都是相同的，主要由諧振刀具、換能器、導(dǎo)電滑環(huán)、氣鉆及控制盒組成，如圖5所示。其中諧振刀具與換能器是常用的螺紋連接，因此刀具便于更換，通用性好，而且刀具諧振效果好?？刂坪锌梢钥焖倥c任意一支氣鉆連接并控制超聲電源為其提供振動(dòng)能量。

圖5 超聲振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)

電源控制柜為振動(dòng)工具提供超聲振動(dòng)的能量，通過控制盒與不同振動(dòng)氣鉆快速連接和自動(dòng)匹配。振動(dòng)電源中的匹配1、2、3分別與三支振動(dòng)氣鉆匹配，通過調(diào)控盒上的旋鈕選擇相應(yīng)的1、2、3擋自動(dòng)與振動(dòng)套料氣鉆、振動(dòng)鉸削氣鉆和振動(dòng)锪窩氣鉆進(jìn)行匹配。匹配4和功放2為備用配置。

4 振動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

振動(dòng)加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用圖5所示超聲振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)進(jìn)行，加工工藝為振動(dòng)套料－振動(dòng)粗鉸－振動(dòng)精鉸－振動(dòng)锪窩。第一步為振動(dòng)套料加工，刀具采用套料鉆φ11.5mm，氣鉆轉(zhuǎn)速為6000r／min；第二步和第三步為振動(dòng)粗鉸和精鉸加工，鉸刀材料為硬質(zhì)合金，鉸刀尺寸分別為φ11.85H7和φ12H7，氣鉆轉(zhuǎn)速為1300r／min；第四刀為振動(dòng)锪窩，刀具采用PCD锪窩鉆，氣鉆轉(zhuǎn)速為2600r／min。整個(gè)加工過程為手動(dòng)加工。工件材料采用四種不同類型的碳纖維復(fù)合材料和鈦合金組成的疊層材料，每種疊層材料分別加工兩個(gè)孔（A型材料進(jìn)行振動(dòng)锪窩加工）。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）出口情況。如圖6所示，振動(dòng)加工后的復(fù)合材料出口非常好，經(jīng)超聲無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無分層，無撕裂；锪窩表面平整；鈦合金出口毛刺較小。

（2）孔徑精度。經(jīng)過內(nèi)徑千分表檢測(cè)，復(fù)合材料和鈦合金孔徑尺寸如表3所示，孔徑精度基本達(dá)到φ12H8。

圖6 復(fù)合材料和鈦合金φ12mm孔出口情況

（3）表面質(zhì)量。經(jīng)粗糙度儀檢測(cè)，鈦合金孔表面粗糙度值如表4所示，表面粗糙度Ra接近0.8μm。

表3 疊層試件孔徑值列表 mm

表4 鈦合金孔表面粗糙度值Ra列表 μm

5 結(jié)論

（1）從加工機(jī)理上分析得出超聲振動(dòng)套料具有良好的排屑功能，能有效防止切屑堵塞；超聲振動(dòng)鉸削實(shí)現(xiàn)了脈沖力作用的分離型振動(dòng)切削，可以有效提高加工精度和表面質(zhì)量。

（2）針對(duì)復(fù)鈦疊層緊固件大孔加工提出了振動(dòng)套料－鉸削－锪窩的新工藝方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明孔徑精度接近H8，表面粗糙度Ra接近0.8μm，復(fù)合材料出口無分層，锪窩表面平整。

（3）研制了便攜式超聲振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)，該工具系統(tǒng)小巧、可操作性好，便于裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)緊固孔精密加工。

本研究表明，超聲推動(dòng)套－鉸－锪新工藝方法及振動(dòng)制孔工具系統(tǒng)可以高質(zhì)、高效、低成本加工復(fù)鈦疊層緊固件大孔，能滿足飛機(jī)復(fù)鈦疊層緊固孔精密裝配制造的要求。

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