钛合金与铝合金叠层结构铰孔精加工工艺研究

台春雷,单丹丹

(中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 37厂，沈阳 110850)



钛合金与铝合金叠层结构铰孔精加工工艺研究

台春雷,单丹丹

(中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 37厂，沈阳 110850)

介绍了某型号飞机翼身结合精加工流程，阐明了钛合金与铝合金层叠结构交点孔在铰孔精加工过程中亟待解决的问题是孔径超差和铝合金孔壁划伤。针对这两个问题，对抛光工艺、精加工装配工装、专用铰刀结构参数、切削加工参数、铰孔精加工流程等影响因素进行了研究，通过理论分析和试验验证，对专用铰刀切削刃前角、后角、螺旋角、容削槽等结构参数和每齿进给量、切削速度等切削加工参数进行了优化。此优化可以极大地提高加工质量和效率，避免孔径超差和铝合金孔壁划伤现象的发生，从而满足加工精度要求。

飞机；精加工；交点孔；铰刀；切削参数

飞机装配是一项难度大、涉及多学科领域的综合性集成技术，是整个飞机制造过程中的关键和核心技术[1-2]。飞机机翼与机身对合是飞机装配的重要环节[3]。在协调装配时，需要对翼身(机翼和机身)交点孔进行精加工，使交点孔最终符合图纸要求，以消除部件装配误差，保证翼身协调[4-5]。部件接合交点的准确度是影响部件对接后飞机整体外形准确度的重要因素[6]。交点孔的孔位、孔径精度和表面质量要求较高，因此需要采用满足加工精度要求的加工工艺[7]。

目前，钛合金和铝合金叠层结构已被广泛地应用于飞机结构设计中。在某机型机身、机翼对合时，通常需要对钛合金与铝合金层叠结构交点孔的铰孔进行精加工，刀具进给方向由下至上，先加工钛合金后加工铝合金。然而，现有的精加工条件很难同时保证铝合金层与钛合金层的铰孔精加工质量，容易造成孔径超差和铝合金孔壁划伤现象，并且难以达到精加工孔表面粗糙度Ra1.6的加工精度要求。为解决这些问题，本文对影响精加工质量的多种因素进行了深入研究。

1 翼身结合精加工流程及存在的问题

某型飞机机身、外翼对合精加工是将机身、外翼固定在精加工台上，用扩孔钻、铰刀等工具精制外翼与中机身对接带板孔的过程，中机身和外翼对接带板结合处形成了铝合金与钛合金的叠层结构。中机身、外翼对合带板孔的分布如图1所示。精加工流程主要有以下几个方面：(1)飞机水平状态调整。运用经纬仪进行飞机X轴与Y轴的水平测量，并进行结合面检查与修合。(2)精加工孔同轴度检查与定位。将钻孔装置移至对合带板工作区域，通过对钻模板、对合台内托架的调整获得各孔的最大同心度，用定位销检查基准孔同轴度，并进行相应记录，完成基准孔定位。(3)机身机翼对合孔精加工。移动钻孔装置至机翼下对合带板适当位置，对相应装配孔进行扩孔，最后用铰孔精加工达到装配孔的加工精度[8-9]。目前，铝合金与钛合金叠层结构的铰孔精加工过程主要存在以下2方面问题(如图2所示)：(1)孔径超差；(2)铝合金层精加工孔表面划伤(如图3所示，1#为钛合金，2#为铝合金)。

图1 机身与机翼连接装配孔示意图

图2 交点孔精加工示意图

2 问题分析

2.1 孔径超差

孔径超差包括基本尺寸超差和孔壁缺陷超差，表现出一定的偶发性。经过长期观察研究发现，抛光方法、导套定位精度、加工过程中的卡滞现象、铰刀结构参数及其切削加工参数、铰孔工艺方法等因素都有可能导致孔径超差。

图3 铝合金层表面划伤示意图

2.2 铝合金层精加工孔表面划伤

铝合金层孔壁划伤超差数量较大，发生概率较高，是超差问题的关键，主要影响因素为铰刀的结构参数，精加工切削参数以及精加工工艺方法。

2.2.1 精加工铰刀结构、制造质量有待改进

(1)铰刀结构参数有待改进。外翼和中央翼下对接带板在精加工时，铝合金层精加工孔的划伤部位呈短而带有小升角的螺旋状沟槽，划伤的出现是随机的，产生划伤的原因主要有2方面:1)切屑从前刀面流出方向的轴向分量与铰刀进给方向一致，有可能造成铝合金被加工表面划伤;2)钛屑随铰刀做螺旋切削运动造成铝合金被加工表面的划伤。此外，由于原铰刀容屑槽存在一定缺陷，容屑空间太小(如图4所示)，在切削加工过程中，较大的卷状钛屑不能及时排掉，使其跟随铰刀进入铝合金层，导致铝合金孔表面划伤。

(2)铰刀制造质量有待改进。原有的铰刀刀片焊接轴向与径向位置偏差较大导致刀片焊接强度差，导致切削刃尾端合金刀片容易断裂，影响加工精度。

图4 原铰刀容屑空间示意图

2.2.2 铰孔切削参数不合理

采用进给速度约为140 mm/min，每齿进给量约为Fz=0.033 mm的铰孔精加工参数，在切削加工过程中很容易产生硬而大的卷状钛屑，使被加工铝合金孔表面划伤。这是因为钛合金铰孔精加工需要的每齿进给量约为Fz=0.02 mm，原有的铰孔精加工进给速度偏高。铰刀切削刃结构参数以及切削加工参数不合理也会增大积屑瘤的形成，从而加剧铝合金孔表面划伤。

2.2.3 铰孔工艺方法有待改进

在切削加工回刀时，原有的铰孔精加工工艺方法是电机不停止，而此时的铰刀前引导已经失去了定位的作用，铰刀只靠后引导定位而形成悬臂状态。此外，制孔工装的刚性较差，还主要靠导套及前引导与前道工序的底孔定位，极易造成切削刃尾端合金刀片与被加工孔因定位不准而产生碰撞，以致刀片断裂。

3 解决方案

3.1 改进抛光工艺

对装配孔的抛光工序，原来采用较粗磨料颗粒的砂纸，不但影响铝合金孔的表面质量，还容易导致其尺寸超差。采用棉毡布加细颗粒的研磨膏代替原有的抛光工具，可以极大地改善装配孔的尺寸精度，从一定程度上降低装配孔尺寸超差发生的概率。

3.2 改善定位工装的稳定性

原有的机翼定位工装采用刚性较低的木质托架，虽有轻便、成本低等优点，但其定位的稳定性较差，在精加工过程中容易因震动使机翼与机身之间产生错位，进而导致各层装配孔之间出现不同轴现象，或出现刀具卡滞现象。经过深入研究和多次试验，改用钢制机翼托架，极大地提高了外翼与中机身对合时的定位精度与定位稳定性。

3.3 铰刀结构参数优化

3.3.1 新铰刀设计方案

通过现场跟踪实际加工情况发现，铝合金表面出现多条划伤，划伤的轨迹呈螺旋形状，且划伤轨迹的螺旋角与铰刀切削进给轨迹基本一致。因此判断产生划伤的原因可能是钛合金切屑或钛合金积屑瘤随铰刀运动时划伤了铝合金孔表面。从影响铰刀切削性能的铰刀材料及铰刀结构设计上进行深入的研究，并通过系统的切削试验优选铰刀材料及优化铰刀结构，新铰刀的初步设计方案如下：

(1)铰刀切削刃材料优选：选取钴含量的硬质合金材料，以减小铰刀材料与钛合金材料之间的亲和力；

(2)刀片焊接采用铜焊或银焊方式，后一种焊接温度较低，可以减小钴元素的损失；

(3)增大铰刀容屑空间，以避免较大的切屑随刀具进入铝合金层,以至于划伤孔表面；

(4)将铰刀的切削刃设计为具有5°右旋螺旋角，同时，将切削刃的圆周前角设计为5°，以便减小切屑向进给方向流出，最好使切屑向进给的反向流出，以尽可能减少出现滞留在切削刃上的钛屑划伤铝合金被加工表面的现象；

(5)保持切削刃锋利，并对切削刃进行抛光处理或涂层处理，以增强铰刀的切削性能，减小切削力，且利于排屑，从而减少出现大而硬的切屑以及钛屑滞留在切削刃上的可能性。

3.3.2 铰刀结构参数优化

为了有效控制铰刀的排屑条件与钛合金积屑瘤状态，切削试验采用正交试验法，参数选择主要考虑以下几方面因素。(1)铰刀切削刃材料：根据铰刀切削刃材料各成分对积屑瘤形成的影响，优选与钛合金的化学亲和性差的铰刀切削刃材料，尽可能减小积屑瘤产生的可能性。钴元素与钛元素的化学亲和力较小，选择国产钴含量较大的硬质合金材料，如Y330(陕硬)、YL10.2(株洲硬质合金集团公司)等；(2)铰刀规格及结构参数：铰刀规格有φ9.8、φ9.9和φ10三种规格。铰刀结构参数对积屑瘤形成的影响主要是增大铰刀切削刃的前角、螺旋角和后角以及减小刃口圆弧半径等。正交试验的主要因素有3项，每项有2种水平：前角为0°和5°；螺旋角为0°和5°；后角为12°和14°。

得出如下试验结果：(1)铰刀材料：依据试验数据结果以及材料的经济性，铰刀材料选择国产Y330牌号的硬质合金材料。(2)铰刀结构参数：前角γ=3°～5°；螺旋角β=3°～5°；后角α=13°～15°；容屑槽角度为90°，由于原来铰刀的容屑槽角度为80°，容屑空间很小。现在铰刀的容屑槽角度为90°，加大了铰刀的容屑空间，避免了因容屑空间不足导致铝合金孔表面划伤的现象的发生，如图5所示。此外，还应保证刃口的锋利性。

图5 改进后铰刀容屑空间示意图

3.4 对铰刀制造工艺的要求

依据试验数据，应该对铰刀制造工艺进行完善和细化，因此，对铰刀制造工艺提出以下要求。

(1)铰刀刀片焊接要求：铰刀刀片焊接工序是切削刃强度的保证环节，针对铰刀制造过程中焊接工序存在的问题提出以下要求：1)刀片与刀片槽配合要好；2)每片刀片的轴向位置度要高；3)焊接质量要高。

(2)铰刀刃磨要求：刃磨工序是铰刀产品的精加工环节，也是保证铰刀切削性能的最重要环节，刃磨质量的好坏直接影响铰刀的切削性能和铰刀的寿命，因此针对铰刀刃磨过程中存在的问题提出以下要求：1)前后刀面及容屑槽的粗糙度要好；2)提高铰刀刃部主要几何尺寸的精度；3)铰刀刃口要保持锋利。

(3)铰刀检验要求：检验工序是产品质量的保证环节，针对铰刀制造过程中检验工序存在的问题提出以下要求：1)前后刀面及容屑槽的粗糙度；2)铰刀刃部主要几何尺寸；3)整个铰刀的探伤检测；4)铰刀刃口质量。

3.5 切削加工参数优化

电机转速固定，约为700 r/min。进给速度的大小直接影响切削力、切削热以及切屑的大小与形状。如果进给速度太小，则切屑为粉末状，虽然对铝合金孔表面不产生较大的划伤，但切削状态不好，极易导致“研刀”现象。如果进给太大，切屑为大而硬的螺旋状，在铰刀容屑条件差的状况下容易对铝合金孔表面产生较大的划伤，但切屑状态较好，不易导致“研刀”现象。通过系统的优化切削试验，得到了新的切削加工参数，结果如表1所示。

表1 切削加工参数优化

3.6 铰孔精加工工艺流程改进[10-15]

(1)在每架飞机精加工前，要对钻套进行检查，更换不合格品，保证定位刀具进给定位准确。

(2)为了保证孔径既不超差又能达到表面粗糙度要求，在使用新铰刀时,必须对几把进行试铰,最后筛选出最适用的铰刀。

(3)刀具在加工后蘸冷油进行二次加工，以冷却刀具。清除孔壁残留金属屑，减少后续加工刀具表面的金属屑，降低孔壁划伤几率。

(4)由于原先在铰孔完成后采用电机不停的回刀方式，此时铰刀的前引导已经失去定位作用，处于“悬臂”状态，在这种状况下容易造成铰刀切削刃尾部与被加工孔口发生干涉，从而导致铰刀切削刃尾部合金刀片损伤。所以在退刀时，应注意操作的平稳性，或者停机回刀。

4 结论

通过对铰孔精加工问题的分析及试验，对铰刀结构进行了改进。

(1)推荐铰刀参数为Y330牌号硬质合金材料，切削刃的前角γ=3°～5°、螺旋角β=3°～5°、后角α=13°～14°，容屑槽角度为90°。这种结构的铰刀刃口锋利，容削空间足，改善了切屑流出方向和排屑状态，使铝合金孔壁划伤几率急剧下降，提高了加工质量和效率。

(2)推荐铰孔精加工切削参数为进给速度约为85 mm/min、每齿进给量Fz=0.02 mm。这样既避免了由刀具卡滞现象造成的孔径超差，又很好地控制了切屑状态，显著降低了铝合金孔壁划伤程度。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：隋华)

Research on finish machining process of reaming titanium alloy and aluminum alloy sandwich structure

TAI Chun-lei，SHAN Dan-dan

(The 37thFactory,AVIC Shenyang Aircraft Industry(Group)Corporation LTD.,Shenyang 110850,China)

The finish machining process of wing and fuselage assembly for a type of aircraft is introduced and two key issues with reaming joint holes of titanium alloy and aluminum alloy sandwich structure are stated:(1)the aperture is out of tolerance;(2)the surface of aluminum alloy hole has hairline scratch.To solve these two problems,the polishing process,the assembly fixture,the structure parameters of reamer,the machining parameters and the finish machining process of reaming are thoroughly studied.Through theoretical analysis and experimental verification,the structure parameters such as rake angle,clearance angle,spiral angle and chip pocket,and the machining parameters such as feed per tooth and cutting speed are optimized particularly，which improved the quality and efficiency of processing,avoided the two problems mentioned,and achieved the machining accuracy.

aircraft;finish machining;joint holes;reamer;machining parameters

2015-04-21

台春雷(1978-)，男，辽宁朝阳人，高级工程师，主要研究方向：飞机设计与制造，E-mail:jinshuxiaoyu@163.com。

2095-1248(2015)05-0063-05

TH161

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.009