王偉，邢欣，宋成琳

中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司

1 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)設計、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、鈦合金和復合材料的物理、力學性能優(yōu)越，被廣泛應用于蒙皮結(jié)構(gòu)。飛機蒙皮與肋、梁等結(jié)構(gòu)常通過鉚接或螺紋聯(lián)接，孔的加工質(zhì)量是保證裝配質(zhì)量的前提[2]。手工制孔作為常見制孔方式之一，具有操作簡便靈活和應用范圍廣的特點。

鉆削薄蒙皮的手工制孔工藝常采用傳統(tǒng)鉆擴鉸多步制孔，存在單步切削余量小、刀具規(guī)格多、制孔時換刀頻繁、效率低和工人勞動強度大等缺點。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)刀具增大單步擴孔余量進行金屬、復材及其異型疊層制孔時，易產(chǎn)生振刀和卡刀現(xiàn)象，導致孔壁粗糙、孔面質(zhì)量差和復材劈裂等制孔缺陷。厚度為2mm的鋁合金蒙皮在φ4→φ8大余量擴孔時，刀具振動明顯，入孔面呈鋸齒狀且孔壁粗糙(見圖3)；復合材料與金屬疊層在大余量擴孔時，由于過大的軸向力和徑向力，會產(chǎn)生復材撕裂和毛邊等現(xiàn)象(見圖4)；鈦合金在大余量擴孔時，由于切削熱積聚會產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象(見圖5)。

圖3 鋁合金大余量擴孔后圓度和光潔度情況

圖4 復材與金屬疊層大余量擴孔后的撕裂和毛邊現(xiàn)象

圖5 鈦合金疊層大余量擴孔后的燒傷現(xiàn)象

本文針對薄蒙皮手工制孔的突出問題，基于分層切削理論提出一種通用性強、制孔效率高的復合擴孔刀具——圣誕樹刀具，將多步擴孔工藝進行合并，結(jié)合航空裝配制孔應用場景，開展該刀具的大余量制孔策略試驗研究，并進行工程應用驗證，實現(xiàn)薄蒙皮高效率、高質(zhì)量的穩(wěn)定制孔。

2 復合刀具分層鉆削理論

復合刀具是將兩把或兩把以上的同類或不同類孔加工刀具組合成一體，同時或按先后順序完成不同工藝加工的專用刀具，能在一次加工過程中完成多個工序不同工藝的復合加工[3]。車削梯形螺紋和進行大余量銑削時，常將直進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)制孔刀具進行大余量鉆削時，刀具與產(chǎn)品切削接觸面為刀具鉆尖，會產(chǎn)生較集中且較大的軸向力，在薄蒙皮上用該刀具進行大余量切削時，產(chǎn)品容易產(chǎn)生變形(見圖6)或產(chǎn)生金屬疊層出孔面翻邊、復材疊層初孔劈裂等現(xiàn)象。結(jié)合分層切削理論，在采用復合刀具進行大余量鉆削時，刀具采用多臺階設計，將鉆尖的大余量切削轉(zhuǎn)化為若干個臺階的小余量切削，刀具與產(chǎn)品接觸面為臺階切削角，每個臺階產(chǎn)生較分散且較小的軸向力(見圖7)，因此該刀具能夠消除大余量制孔帶來的振刀、卡刀現(xiàn)象以及孔徑粗糙度低等缺陷，降低疊層燒傷和復材分層風險，實現(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 復合刀具大余量分層鉆削

3 圣誕樹復合刀具研制及應用場景

3.1 研制過程

基于分層切削原理，針對鋁合金、鈦合金及復合材料的異型疊層鉆削制孔，研制復合刀具。該刀具外形酷似圣誕樹，因此將其命名為圣誕樹刀具。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、切削輕快且加工效率高，能保證復合材料、鋁合金、鈦合金及其疊層加工時具有優(yōu)異的切削性能。刀具設計過程如下：

(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，刀具材料應具有較強的硬度與韌性，刃部具有較高強度，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)刀具關鍵設計要素

鉆尖2φ和切削角κr：傳統(tǒng)刀具鉆尖2φ=120°，切削角κr=60°，制孔過程中容易產(chǎn)生較大的軸向力，在大余量制孔或復材制孔時，容易產(chǎn)生切不動和振刀現(xiàn)象，導致孔不圓、孔壁粗糙或復材劈裂問題。為適應制孔工況，刀具鉆尖減小至2φ=85°，切削角κr=45°(見圖8)。

螺旋角w：傳統(tǒng)擴孔鉆螺旋角w=20°，螺旋角較大，在多疊層制孔時容易卡刀，復材制孔時容易劈裂。左旋刀具能夠解決復材劈裂問題，但無法實現(xiàn)金屬疊層制孔，因此將刀具螺旋角設為w=0°(見圖8)。

臺階直徑DX：采用切削余量均等法確定刀具臺階直徑DX(見圖8)，即每個臺階的金屬去除率Q相等，金屬去除率Q與臺階直徑DX可表示為

(1)

(2)

式中，X為臺階數(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，同時芯部還需要較高的強度，第一個臺階D1的刃部芯厚d0=0.37D1(見圖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 復合刀具應用場景

飛機蒙皮常見材料有復合材料、鋁合金和鈦合金，在裝配制孔過程中通常為單層或多種異型材料疊層。為增強圣誕樹刀具的應用可靠性，需結(jié)合實際產(chǎn)品狀態(tài)開展該刀具的多場景應用研究，確定應用邊界，為該刀具的推廣應用創(chuàng)造條件。

表1 圣誕樹刀具切削試驗場景

表2 圣誕樹刀具進行多場景試驗結(jié)果

(a)試驗刀具1

根據(jù)圣誕樹刀具應用場景試驗研究，其應用邊界定義如下：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以下多層復合材料、鋁合金和鈦合金異型疊層制孔，無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優(yōu)化

結(jié)合圣誕樹刀具應用場景試驗研究，針對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優(yōu)化方案(見表3)。以孔徑公差為依據(jù)進行制孔狀態(tài)分類，用圣誕樹刀具取代傳統(tǒng)鉆擴鉸刀具，實現(xiàn)飛機薄壁板高效率、高質(zhì)量的穩(wěn)定制孔。

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

5 結(jié)語

本文基于分層鉆削理論，針對飛機薄蒙皮大余量鉆削制孔，提出一種多臺階、0°螺旋角的“圣誕樹”刀具設計方法。通過應用場景試驗研究，證實該刀具能夠同時滿足復材、鋁合金及鈦合金等異型疊層狀態(tài)的大余量鉆削需求，具有應用過程無振刀、卡刀、制孔無缺陷和通用性強等優(yōu)勢，可實現(xiàn)一刀由初孔φ3.26mm擴至φ8～φ10mm的大余量鉆削，且產(chǎn)品無燒傷和分層等質(zhì)量隱患。

針對該刀具的加工特點進行薄壁板大余量制孔策略優(yōu)化，以孔徑公差進行產(chǎn)品狀態(tài)分類，在確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)制孔效率的大幅提升。