1、引言

導(dǎo)孔是飛機(jī)制造工程中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)特征之一，大量存在于框、梁、壁板等各類(lèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上，主要用于飛機(jī)零部件之間的裝配連接。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的導(dǎo)孔數(shù)目龐大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架大型飛機(jī)的各類(lèi)結(jié)構(gòu)導(dǎo)孔數(shù)量多達(dá)300萬(wàn)種以上，某些單個(gè)零件上就有上千個(gè)導(dǎo)孔。因此，導(dǎo)孔加工技術(shù)是零件制造過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可靠的加工技術(shù)是導(dǎo)孔質(zhì)量?jī)?yōu)劣的有效保證。

2、導(dǎo)孔加工方法

2.1 鈦合金材料

鈦合金具有比強(qiáng)度（強(qiáng)度／密度）高、熱強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好和抗蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，但其難加工性造成了實(shí)際生產(chǎn)中加工效率低、加工成本高及加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。鈦合金材料的難加工性往往會(huì)導(dǎo)致銑削過(guò)程中刀具的快速磨損及失效，降低加工效率及加工穩(wěn)定性，具體原因包括：切屑變形系數(shù)小；導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高；化學(xué)活性大；單位面積上的 切削力大；粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重等。

2.2 導(dǎo)孔加工方式

長(zhǎng)期以來(lái)，常采用人工手動(dòng)制導(dǎo)孔和使用數(shù)控機(jī)床加工導(dǎo)孔兩種方式。

（1）人工手動(dòng)制孔

工人手動(dòng)鉆導(dǎo)孔的加工方式一直存在于航空結(jié)構(gòu)件的加工中。

鉆孔主要依據(jù)按樣板或明膠板劃線、按尺寸劃線、制造鉆模或者鉆模板等。圖1為鉆模加工示意。

工人主要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、導(dǎo)孔精度、孔數(shù)量和加工表面的平整度等來(lái)選用鉆導(dǎo)孔。

大型的框、梁、壁板等零件導(dǎo)孔數(shù)量較多，多達(dá)上千個(gè)，工人的鉆制依據(jù)是樣板或者明膠板。根據(jù)尺寸劃線鉆導(dǎo)孔主要針對(duì)尺寸較小、導(dǎo)孔數(shù)量很少、零件表面較規(guī)則的零件，否則對(duì)于劃線工人來(lái)說(shuō)難度太大，操作適用性較差。當(dāng)導(dǎo)孔的位置精度或尺寸精度要求較高時(shí)，特別是位置精度要求小于0.3mm時(shí)，可采用鉆模或者鉆模板鉆導(dǎo)孔。因?yàn)椴捎脴影寤騽澗€的方式均無(wú)法確保導(dǎo)孔的位置精度在0.3mm以?xún)?nèi)，而鉆模可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)定位基準(zhǔn)和穩(wěn)定的裝夾，以保證位置精度。但鉆模僅適用于較少的孔，且還需設(shè)計(jì)并制造工裝，經(jīng)濟(jì)性較差，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)。

工人手工鉆制導(dǎo)孔勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，而且導(dǎo)孔質(zhì)量得不到保證，孔徑和孔位的精度完全依靠工人的操作熟練度，加工質(zhì)量問(wèn)題頻現(xiàn)，導(dǎo)致零件超差甚至報(bào)廢。導(dǎo)孔的加工質(zhì)量是影響飛機(jī)壽命和飛行安全的重要因素，如果導(dǎo)孔的孔徑或孔位有偏差，將影響連接功能，若強(qiáng)行裝配會(huì)導(dǎo)致扭曲變形，影響裝配精度及零件性能，甚至可能引起飛行質(zhì)量事故。

（2）數(shù)控制孔

意識(shí)到導(dǎo)孔制造問(wèn)題的重要性，國(guó)內(nèi)外均在研究和試用先進(jìn)的導(dǎo)孔制造技術(shù)，精密制孔技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如：角度頭鉆孔、機(jī)器人自動(dòng)鉆孔、柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔、多軸數(shù)控制孔等。

其中數(shù)控多軸制孔在航空結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程中因適用性較強(qiáng)被廣泛應(yīng)用。

數(shù)控制孔是依據(jù)數(shù)字化模型制定加工方案，設(shè)計(jì)裝夾定位方式，編制數(shù)控加工程序，在多軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行導(dǎo)孔加工。數(shù)控機(jī)床制造導(dǎo)孔，不僅可使加工效率提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，而且導(dǎo)孔質(zhì)量較高，導(dǎo)孔的孔徑和位置精度均可以保證在0.1mm以?xún)?nèi)，加工精度較高的機(jī)床可達(dá)到0.02mm。人工制孔與數(shù)控制孔相關(guān)因素的比較見(jiàn)表1。

2.3  導(dǎo)孔檢測(cè)

導(dǎo)孔的檢測(cè)主要采用通用量具塞規(guī)、卡尺等檢測(cè)孔徑，采用專(zhuān)用樣板、明膠板、檢模等檢測(cè)導(dǎo)孔的位置，屬于人工對(duì)比式檢測(cè)。

因人工檢測(cè)操作工作量大，操作人員技能水平不同，檢測(cè)結(jié)果差異性大。受檢測(cè)精度和效率的影響，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式已不能滿(mǎn)足質(zhì)量檢測(cè)要求，行業(yè)內(nèi)也在探究高效精準(zhǔn)的檢測(cè)方式，新的檢測(cè)方式層出不窮，如測(cè)量機(jī)檢測(cè)和影像檢測(cè)等。

3、數(shù)字化導(dǎo)孔加工方法

以某梁類(lèi)零件為例研究數(shù)字化加工導(dǎo)孔方法。

加工工藝方案制定主要包括定位裝夾方式、加工流程、刀具及參數(shù)選擇和數(shù)控程序編制等。

3.1零件簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)零件為典型的細(xì)長(zhǎng)鈦合金梁類(lèi)零件，材料牌號(hào)TA15M，雙面槽腔，外形為復(fù)雜雙曲面，緣條厚度最小處為3.5mm，最大處為20mm。

該零件存在較多的配合關(guān)系，在零件上遍布不同規(guī)格的導(dǎo)孔共432個(gè)，尺寸精度及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。零件導(dǎo)孔如圖2所示。

對(duì)零件導(dǎo)孔進(jìn)行工藝性分析，結(jié)果如下：導(dǎo)孔直徑分別為φ3.1，φ4，φ5，φ7，φ8，φ10；導(dǎo)孔分布于零件的緣條及筋條上；導(dǎo)孔的法向垂直于導(dǎo)孔所在表面，其95％以上為變角度曲面；零件為長(zhǎng)梁類(lèi)零件，材料為模鍛件，緣高均為斜面；加工公差要求孔位±0.2、孔徑0.20、孔距±0.2；導(dǎo)孔所分布的壁厚從3.5～20mm不等。

根據(jù)上述信息分析出該零件導(dǎo)孔的加工難度主要集中在以下幾點(diǎn)：導(dǎo)孔數(shù)量較大；導(dǎo)孔種類(lèi)較多；導(dǎo)孔分布廣泛；導(dǎo)孔法向方向難以確定；裝夾定位難度大；導(dǎo)孔精度較高；導(dǎo)孔深度不均。從保證導(dǎo)孔精度和加工效率兩方面分析，該零件如果采用人工制導(dǎo)孔方式幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有采用數(shù)控多軸制孔才能保證導(dǎo)孔的法向和精度，并顯著提高加工效率。

3.2定位裝夾方式

實(shí)驗(yàn)零件長(zhǎng)且細(xì)，97％導(dǎo)孔集中在緣條，針對(duì)現(xiàn)有加工資源，采用緣條定位是較好的選擇。

由于該零件的緣條為斜緣條，采用斜緣條直接定位會(huì)大幅降低定位面的精度，對(duì)零件加工質(zhì)量影響較大。

因此在緣條高度上設(shè)置工藝凸臺(tái)來(lái)進(jìn)行定位，用以保證定位基準(zhǔn)精度。

確定定位面后，還需選擇兩個(gè)孔參與定位。

確定定位基準(zhǔn)后，根據(jù)定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)裝夾壓緊的工裝。定位方式盡量要與正反兩面加工時(shí)的定位方式一致，以保證數(shù)控導(dǎo)孔位置的準(zhǔn)確度。

然后需要考慮工裝的形式，該工位工裝壓緊零件的方式較難，因?yàn)樵诹慵木墬l上每一個(gè)位置都有導(dǎo)孔，壓板的位置會(huì)干涉導(dǎo)孔的鉆制。因此既要確保零件裝夾的穩(wěn)定性，還要考慮操作簡(jiǎn)單便捷、不干涉。該零件在腹板上有較多大直徑減輕孔，利用該特點(diǎn)，可在工裝上采用穿螺栓、壓緊腹板的方式對(duì)零件進(jìn)行壓緊，不僅起到壓緊零件的作用，并有效避免了在鉆導(dǎo)孔時(shí)鉆頭與壓板的干涉，去除了工人在加工過(guò)程中倒壓板的工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。工裝設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

3.3 確定加工流程

加工流程的合理安排是零件導(dǎo)孔加工的重要環(huán)節(jié)，合理的加工流程是導(dǎo)孔加工質(zhì)量和加工效率的有效保證。根據(jù)某梁類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)有的加工資源，采用數(shù)控導(dǎo)孔加工設(shè)計(jì)兩個(gè)工位，正反兩面加工，裝夾定位方式基本一致。

數(shù)控加工導(dǎo)孔采用中心鉆點(diǎn)孔位，避免鉆孔時(shí)鉆頭偏滑導(dǎo)致孔位置偏移或孔形狀橢圓。特別是斜面或變角度曲面必須在鉆孔前進(jìn)行點(diǎn)孔位，以便在使用鉆頭鉆孔時(shí)起定心作用。導(dǎo)孔的加工順序設(shè)定的主要原則是：加工精度高；防錯(cuò)級(jí)別最高；加工效率高；操作難度最小。

該零件的導(dǎo)孔鉆制順序是由少至多，相近規(guī)格交叉加工。

3.4刀具及切削參數(shù)選擇

數(shù)控加工中刀具的選用至關(guān)重要，刀具種類(lèi)及切削參數(shù)直接影響零件的尺寸精度和加工效率等。由于零件結(jié)構(gòu)特異，且材料為難加工材料，因此對(duì)刀具的要求較高。某梁數(shù)控加工導(dǎo)孔的刀具均選用整體合金專(zhuān)用刀具，加工參數(shù)依據(jù)現(xiàn)有參數(shù)庫(kù)及零件實(shí)際加工情況來(lái)確定。加工參數(shù)選擇見(jiàn)表2。

3.5 程序編制

數(shù)控導(dǎo)孔程序的編制使用CATIA軟件，零件在加工過(guò)程中盡可能地釋放應(yīng)力以及降低切削力，減小了零件粗加工后的變形量。在數(shù)控鉆導(dǎo)孔程序編制過(guò)程中，要考慮走刀方式、切削深度、接近方式等。由于導(dǎo)孔一般較小，鉆頭較細(xì)，所以在加工過(guò)程中容易折斷，折斷時(shí)會(huì)打傷零件，導(dǎo)致零件超差或報(bào)廢。有的鉆頭會(huì)折斷在零件內(nèi)部，難以取出，并傷及零 件。接近零件方式不正確、加工速度過(guò)快、退刀方式錯(cuò)誤和積屑等因素都會(huì)導(dǎo)致鉆頭折斷，所以在數(shù)控程序編制過(guò)程中需要全面考慮。

4、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究適用于鈦合金航空結(jié)構(gòu)件導(dǎo)孔的多軸數(shù)控加工方法，解決了生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題。

以本文試驗(yàn)零件為例，緣條最厚處達(dá)到20mm，如采用傳統(tǒng)方法，常規(guī)鉗工鉆制約需35～40h，加工難度較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，產(chǎn)品質(zhì)量也不易保證。

采用數(shù)控加工導(dǎo)孔時(shí)間僅需10.4h，既省時(shí)省力，又提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

特別是對(duì)于批量化生產(chǎn)的零件，加工優(yōu)勢(shì)更加顯著。該方案已通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，生產(chǎn)零件質(zhì)量合格，加工過(guò)程穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

［1］王歡.鈦合金螺旋銑孔試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2015.

［2］趙鵬飛.孔加工切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

第一作者：孫麗敏，航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠，110850沈陽(yáng)市First

Author：Sun Limin，Shenyang Aircraft Industrial （Group）Co.，Ltd.，Shenyang110850，China

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