發布日期：2024-12-17 15:10:34
1、引言
飛機各部件在裝配前需要先加工出裝配孔，對裝配孔的精加工是飛機裝配環節必須的步驟。裝配孔對孔徑精度、孔壁光度和孔的位置度有較高要求，一般會使用鉸刀對裝配孔進行精加工。但是鉸刀的排屑性能較差，當被加工部件是鈦合金等黏性較大的難加工材料或孔的深度較深時，鉸刀排屑能力不足的問題將被放大。此外，鉸刀對孔的位置精度幾乎沒有修正能力，而且對底孔的直線度要求也較高，當兩個裝配部件的預制孔位置偏差較大或粗加工的底孔質量較差時，鉸刀的使用會受到很大限制，很可能影響到最終裝配孔的加工質量。因此，本文提出使用單刃鏜刀代替鉸刀的加工方案，以解決制孔過程中遇到的上述問題。
2、單刃鏜刀的建模與切削仿真
如圖1所示，以加工10mm裝配孔為例，使用CATIA軟件快速建立單刃鏜刀的三維幾何模型。
鏜刀刀柄直徑為16mm，長度為60mm;頸部直徑為8.4mm，長度為40mm;刀頭直徑為6.7mm，長度為10mm;刀尖所在圓周直徑為10mm。刀尖的主偏角取96°，副偏角取10°，刀尖圓弧半徑為0.2mm。建立一個新平面與刀具軸向夾角成45°，并在該平面內設置刀尖前角，前角角度10°;圓周后角分為兩段，第一后角取8°，第一齒背寬度為0.5mm，第二后角取30°，第二齒背寬度為1.5mm;端面后角取15°。
將建立好的單刃鏜刀模型導入AdvantEdge軟件進行有限元仿真。為了減少網格數量、降低仿真的運算量并縮短運算時間，只導入靠近刀頭的一部分模型。導入后選取刀具材料為硬質合金，并為刀具模型劃分網格，刀具網格的最大單元尺寸設為1mm，最小單元尺寸設為0.01mm，網格等級為0.4。
被加工零件為圓形薄板，直徑為φ12mm，厚度為3mm，并預制出直徑φ9.7mm的初孔。同樣使用CATIA軟件建立被加工零件的模型并導入AdvantEdge軟件，材料選擇TC4鈦合金，并為零件模型劃分網格。零件網格的最大單元尺寸設為1mm，最小單元尺寸設為0.2mm，網格等級設為0.5。
如圖2所示，設置刀具和零件的裝配關系。切削參數設置為轉速500r/min，進給量0.08mm/r。
根據有限元仿真的結果對單刃鏜刀加工鈦合金孔的切削狀態進行分析。圖3a為刀具應力的分布云圖，可以看出刀具的應力主要集中在刀尖處。同時，刀頭與頸部的連接處也是應力比較集中的位置。
圖3b為刀尖切削溫度的分布云圖，根據圖中色彩分布梯度可知，刀尖的溫度最高，約為350℃左右，而刀頭部分的溫度隨著與刀尖距離的增加迅速降低。
這是由于刀頭部分體積較小，切削刃很短，與工件的接觸面積小，切削時產生的熱量只有少部分能夠傳遞到刀具上，大部分熱量會被切屑帶走。圖3c為切屑形態及溫度的仿真圖，鏜孔加工產生的切屑為細長的螺旋狀切屑，溫度大約為450℃左右。
圖3d為切削力的仿真曲線，可以看出，切削力的軸向分力很小，只有5N左右，而徑向分力隨著刀具的旋轉在±40N之間呈周期性變化。這是因為切削深度和進給量較小，使得背向力和進給力都很小，切削力主要由切向力構成。仿真曲線可以近似看作是切向力在X軸和Y軸上的分力隨時間的變化曲線。
3、單刃鏜刀的設計與制造
由于鉸刀的容屑槽較淺，容屑空間小，切削刃較長，且鈦合金的黏性比較大，鈦合金切屑很容易粘在鉸刀的切削刃上，使切削刃對切屑產生二次切削，影響孔壁的粗糙度，甚至造成孔徑超差。為解決此問題，使用鏜刀代替鉸刀，采用鏜削的方式對裝配孔進行精加工。鏜刀的切削刃短小鋒利，容屑空間很大，鏜孔過程中產生的細長螺旋狀切屑很容易從刀具與孔壁的間隙排出，從而保證孔壁的粗糙度和孔徑的精度。當兩個部件上分別設有預制孔時，兩個孔的位置精度和直線度很難得到保證，一般的擴孔、鉸孔等加工方式很難對其進行修正，加工效果不理想，如果使用單刃鏜刀則可以很好地解決這一問題。
單刃鏜刀為非對稱切削，鏜孔時不受底孔導向作用的限制，能夠有效彌補孔中心位置精度和直線度的偏差。裝配孔的直徑一般比較小，只有幾毫米至十幾毫米，可調式鏜刀頭結構復雜，體積較大，不適用于小直徑裝配孔的加工。因此，在刀具設計上采用定尺寸單刃鏜刀的結構形式，可以滿足鈦合金裝配孔的加工需求。
在設計切削刃的幾何形狀時需要綜合考慮刀具的性能和鈦合金材料的切削特性。與鉸刀相比，鏜刀需要更大的前角來保證切削刃足夠鋒利，降低刀尖切入工件時的阻力，減小切屑與前刀面的摩擦，降低前刀面的磨損程度，使月牙洼產生的位置遠離刀尖，避免直接削弱刀尖。在與刀具軸向夾角成45°的平面內開設前角，所形成的前刀面向刀具尾部偏斜，可以使切屑沿前刀面流出時向后卷曲，便于將切屑排出孔外。刀具的主偏角大于90°，可以使刀尖向前探出，便于孔的加工，即使盲孔也能夠使用。主偏角和副偏角的角度較小，增大刀尖角能夠在刀尖處保留更多的實體，提高刀尖強度。由于鈦合金材料回彈量較大，制孔過程中孔壁與后刀面的摩擦比較劇烈，因此需要增大刀具的后角。后角可分為圓周后角和端面后角兩個部分，圓周后角可分為兩段設置，既增強了刀尖的強度，又能降低后刀面與孔壁的摩擦，而端面切削余量不大，設置一個后角即可。
裝配孔的直徑較小，孔內空間有限，因此單刃鏜刀不宜采用焊接式或機夾刀片結構，更適合采用硬質合金棒料整體制造。在制造刀具時，首先磨制柄部外圓、頸部外圓、刃部外圓及各處倒角，然后磨制切削刃。單刃鏜刀為定尺寸刀具，由切削刃的回轉直徑直接確定孔的加工直徑，而且該鏜刀用于裝配孔的精加工，所以需要精準控制鏜刀刃部尺寸的制造公差。為了使切削刃的直徑更加準確，同時也方便測量，可以采用先對稱磨制兩個刀齒再去除一個齒的方式。磨削時，以端面向心角代替主偏角，圓周倒錐角代替副偏角，按照前角、端面后角、圓周后角的順序進行加工，并通過圓周后角來控制切削刃的回轉直徑，最后磨去刀頭多余的部分。如果設備具有內冷功能，還可以使用帶有內冷孔的硬質合金棒料制造刀具，通過內冷孔向切削刃送風冷卻，使刀具獲得更好的切削效果。
4、切削驗證分析
制造三種規格的單刃鏜刀進行切削試驗，粗加工刀具的直徑為φ9.6mm，半精加工刀具的直徑為φ9.9mm，精加工刀具的直徑為φ10mm。被加工試驗件為TC4鈦合金板，厚度10mm，預制出φ9.1mm的底孔。粗加工和半精加工時刀具轉速500r/min，進給量0.08mm/r，精加工時刀具轉速600r/min，進給量為0.05mm/r。
經檢測，被加工孔的孔徑達到H8級精度，孔壁的表面粗糙度為Ｒa1.6，孔的位置度為0.025mm，垂直度0.05°，符合形位公差標準，滿足飛機裝配孔加工的工藝要求。
5、結語
(1)與鉸刀相比，單刃鏜刀能夠修正底孔的位置度和直線度偏差，對設有預制孔的裝配部件適用性更強。單刃鏜刀的排屑性能更好，加工鈦合金不易粘屑，避免切削刃對切屑造成二次切削，能夠得到更好的孔壁粗糙度和孔徑精度。
(2)單刃鏜刀需要設置較大的前角，使切削刃更加鋒利;為了克服鈦合金材料的回彈特性，需要加大刀具的后角;主偏角和副偏角可以適當減小，增大刀尖實體，提高刀尖的強度。
(3)在制造單刃鏜刀時，為了提高切削刃尺寸的制造精度，采用先對稱磨制兩個切削刃、再去除其中一個的方法，采用端面向心角代替主偏角，圓周倒錐角代替副偏角。
參考文獻
［1］林景凡.一種新型鏜刀頭的設計與應用［J］.齊齊哈爾大學學報，2013，29(6):53－54．
［2］林美安.飛機機身裝配工藝及仿真技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010．
［3］王笑時.制孔多功能末端執行器研制及制孔質量研究［D］.大連:大連理工大學，2022．
［4］陳日耀.金屬切削原理［M］.北京:機械工業出版社，2002．
第一作者:王芃，工程師，沈陽飛機工業(集團)有限公司，110000沈陽市
First Author: Wang Peng，Engineer，Shenyang Aircraft Industrry( Group) Co．，Ltd．，Shenyang 110000，China