钛合金(jin)航(hang)空结构(gou)件导孔数字化加工(gong)方(fang)法(fa)

1、引(yin)言

导孔(kong)是(shi)飞(fei)机制造工程(cheng)中最(zui)常(chang)见(jian)的结构特(te)征(zheng)之一，大(da)量存(cun)在于框、梁、壁板等各(ge)类(lei)飞机(ji)结(jie)构件上，主要用于(yu)飞机(ji)零部(bu)件(jian)之间(jian)的(de)装配(pei)连接。飞(fei)机(ji)结(jie)构(gou)件上的(de)导孔数(shu)目庞(pang)大，据(ju)统计，一架大型飞(fei)机(ji)的各(ge)类结构(gou)导(dao)孔(kong)数(shu)量多(duo)达(da)300万种以上，某(mou)些(xie)单(dan)个(ge)零(ling)件上就(jiu)有上千(qian)个导(dao)孔。因此，导孔加(jia)工(gong)技(ji)术(shu)是零(ling)件制造(zao)过程(cheng)中(zhong)的一(yi)项关(guan)键(jian)技术(shu)，可靠(kao)的(de)加(jia)工(gong)技术是(shi)导孔质量(liang)优(you)劣的有效(xiao)保证。

2、导孔加工方(fang)法(fa)

2.1 钛合(he)金材料

钛(tai)合金(jin)具有比(bi)强(qiang)度(du)（强(qiang)度(du)／密(mi)度(du)）高(gao)、热(re)强度高(gao)、热稳定性好(hao)和(he)抗蚀性好(hao)等优点，但(dan)其(qi)难加(jia)工性造成了实际(ji)生(sheng)产中(zhong)加工(gong)效(xiao)率低(di)、加(jia)工(gong)成(cheng)本(ben)高(gao)及加工质(zhi)量(liang)不稳(wen)定(ding)等(deng)问(wen)题(ti)。钛合金(jin)材(cai)料的(de)难(nan)加(jia)工性(xing)往往(wang)会导(dao)致铣削过(guo)程(cheng)中(zhong)刀(dao)具(ju)的(de)快(kuai)速磨(mo)损(sun)及失效(xiao)，降(jiang)低(di)加工(gong)效(xiao)率及加工稳(wen)定性(xing)，具体(ti)原(yuan)因(yin)包(bao)括(kuo)：切屑变形(xing)系(xi)数(shu)小；导(dao)热系(xi)数小(xiao)，切(qie)削温(wen)度(du)高；化(hua)学活(huo)性大(da)；单位面积上的(de) 切削力大；粘刀现象(xiang)严(yan)重(zhong)等。

2.2 导(dao)孔(kong)加工(gong)方式

长期(qi)以(yi)来，常(chang)采(cai)用(yong)人(ren)工手(shou)动(dong)制导孔(kong)和(he)使用数控机(ji)床加工导(dao)孔两(liang)种(zhong)方式。

（1）人工手动(dong)制(zhi)孔

工(gong)人(ren)手(shou)动钻(zuan)导孔的加(jia)工方(fang)式(shi)一(yi)直存在(zai)于航(hang)空结(jie)构(gou)件的加工中(zhong)。

钻孔(kong)主要(yao)依(yi)据(ju)按样板(ban)或明(ming)胶板(ban)划线、按尺(chi)寸(cun)划(hua)线、制造钻模(mo)或者(zhe)钻(zuan)模板等。图1为钻(zuan)模加工(gong)示(shi)意(yi)。

工(gong)人主(zhu)要根据(ju)零(ling)件结(jie)构特点(dian)、导孔精度(du)、孔(kong)数(shu)量和(he)加(jia)工(gong)表(biao)面(mian)的(de)平(ping)整(zheng)度(du)等来选(xuan)用钻导孔。

大(da)型(xing)的框(kuang)、梁、壁板(ban)等(deng)零(ling)件(jian)导孔(kong)数(shu)量较(jiao)多(duo)，多(duo)达上千个，工(gong)人(ren)的(de)钻(zuan)制(zhi)依据是(shi)样(yang)板或(huo)者(zhe)明(ming)胶(jiao)板(ban)。根据(ju)尺(chi)寸划(hua)线(xian)钻导(dao)孔(kong)主要(yao)针对(dui)尺寸(cun)较小、导孔(kong)数量(liang)很少(shao)、零件表面(mian)较规则(ze)的零件，否则(ze)对(dui)于(yu)划(hua)线工人(ren)来(lai)说(shuo)难度(du)太(tai)大，操(cao)作适用性较差。当(dang)导(dao)孔(kong)的(de)位置精度或尺寸精(jing)度要(yao)求(qiu)较(jiao)高(gao)时(shi)，特(te)别是位置精(jing)度(du)要求小(xiao)于0.3mm时，可(ke)采(cai)用钻模或者钻模板钻(zuan)导孔。因(yin)为采(cai)用(yong)样板(ban)或(huo)划线(xian)的方(fang)式(shi)均(jun)无法(fa)确(que)保(bao)导(dao)孔的(de)位置(zhi)精(jing)度在(zai)0.3mm以内(nei)，而(er)钻(zuan)模可以(yi)准(zhun)确(que)设(she)计(ji)定位(wei)基(ji)准(zhun)和稳(wen)定(ding)的(de)装(zhuang)夹，以(yi)保证位置(zhi)精度。但钻模(mo)仅适(shi)用(yong)于(yu)较少(shao)的孔，且还需(xu)设计并(bing)制(zhi)造工(gong)装(zhuang)，经济(ji)性较差(cha)，准备周期长(zhang)。

工人(ren)手工(gong)钻制(zhi)导(dao)孔劳动强度(du)大(da)，效率低(di)，而(er)且(qie)导(dao)孔质量(liang)得不(bu)到(dao)保证(zheng)，孔(kong)径和(he)孔(kong)位(wei)的精(jing)度(du)完全(quan)依靠(kao)工人的(de)操作熟练度(du)，加工(gong)质(zhi)量(liang)问题(ti)频现，导致(zhi)零(ling)件(jian)超(chao)差(cha)甚至(zhi)报废。导孔(kong)的加工(gong)质(zhi)量是(shi)影响(xiang)飞机寿(shou)命和(he)飞行(xing)安(an)全的重(zhong)要因素，如(ru)果(guo)导孔(kong)的孔径(jing)或(huo)孔(kong)位有(you)偏差，将(jiang)影(ying)响(xiang)连(lian)接功(gong)能(neng)，若强行装(zhuang)配会导致(zhi)扭(niu)曲变形(xing)，影(ying)响装配精(jing)度及(ji)零(ling)件性能，甚至可(ke)能引起飞(fei)行(xing)质量事(shi)故(gu)。

（2）数(shu)控制(zhi)孔(kong)

意识(shi)到(dao)导(dao)孔(kong)制造(zao)问(wen)题的重(zhong)要性(xing)，国(guo)内(nei)外(wai)均在研(yan)究和试(shi)用先(xian)进的(de)导孔制(zhi)造技术(shu)，精(jing)密制(zhi)孔(kong)技(ji)术(shu)应运而(er)生，例(li)如(ru)：角度头(tou)钻孔(kong)、机(ji)器(qi)人自(zi)动(dong)钻孔(kong)、柔性(xing)导(dao)轨自动制(zhi)孔、多轴(zhou)数控(kong)制(zhi)孔(kong)等(deng)。

其中(zhong)数(shu)控多(duo)轴制孔在航(hang)空结构件的(de)加(jia)工过(guo)程(cheng)中(zhong)因(yin)适用(yong)性(xing)较强被广(guang)泛应用。

数(shu)控制(zhi)孔是依据数(shu)字(zi)化(hua)模(mo)型(xing)制定加(jia)工(gong)方(fang)案，设(she)计(ji)装(zhuang)夹定(ding)位方式，编(bian)制数控(kong)加工(gong)程(cheng)序(xu)，在多轴(zhou)数(shu)控机床上(shang)进(jin)行(xing)导(dao)孔加(jia)工(gong)。数控(kong)机床(chuang)制造导孔(kong)，不(bu)仅可(ke)使(shi)加(jia)工(gong)效率提(ti)高(gao)数(shu)倍(bei)甚至数(shu)十(shi)倍(bei)，而(er)且(qie)导(dao)孔(kong)质量(liang)较高，导孔的孔径和位置精(jing)度均(jun)可(ke)以保(bao)证(zheng)在(zai)0.1mm以内(nei)，加工(gong)精(jing)度较高的(de)机(ji)床可达(da)到0.02mm。人(ren)工制孔(kong)与(yu)数(shu)控制(zhi)孔相关因(yin)素(su)的比(bi)较(jiao)见表(biao)1。

2.3  导孔(kong)检(jian)测(ce)

导(dao)孔的检(jian)测(ce)主(zhu)要(yao)采用通(tong)用(yong)量(liang)具(ju)塞规(gui)、卡尺(chi)等检测孔径(jing)，采(cai)用专(zhuan)用(yong)样板(ban)、明胶(jiao)板、检(jian)模等检测导孔(kong)的位置(zhi)，属于人工对比式(shi)检测(ce)。

因(yin)人工(gong)检(jian)测操(cao)作(zuo)工(gong)作量(liang)大(da)，操作(zuo)人(ren)员(yuan)技能(neng)水平(ping)不(bu)同，检测结(jie)果差异(yi)性大。受检测(ce)精(jing)度(du)和效(xiao)率的影(ying)响，传(chuan)统的(de)检(jian)测方式已(yi)不能满足质(zhi)量检(jian)测(ce)要(yao)求(qiu)，行(xing)业内也(ye)在探(tan)究(jiu)高效(xiao)精准的(de)检测(ce)方(fang)式，新的(de)检测(ce)方(fang)式(shi)层(ceng)出(chu)不(bu)穷，如测(ce)量(liang)机检测(ce)和影(ying)像检(jian)测等(deng)。

3、数字(zi)化(hua)导孔(kong)加工(gong)方(fang)法

以某(mou)梁类(lei)零件为例(li)研究(jiu)数(shu)字化加工导孔(kong)方法。

加(jia)工工艺方案制定(ding)主(zhu)要(yao)包括(kuo)定(ding)位装(zhuang)夹(jia)方(fang)式、加(jia)工(gong)流(liu)程、刀(dao)具及参数(shu)选(xuan)择(ze)和数控(kong)程序(xu)编制(zhi)等(deng)。

3.1零件(jian)简(jian)介

实验(yan)零件(jian)为(wei)典型的(de)细长(zhang)钛合(he)金(jin)梁类(lei)零件，材(cai)料牌(pai)号(hao)TA15M，双面(mian)槽(cao)腔(qiang)，外形(xing)为复杂(za)双曲面(mian)，缘(yuan)条厚(hou)度(du)最小(xiao)处为(wei)3.5mm，最大处(chu)为20mm。

该(gai)零件(jian)存在较多(duo)的配合(he)关系(xi)，在(zai)零(ling)件上遍布不(bu)同规格(ge)的导(dao)孔共432个，尺寸(cun)精(jing)度(du)及表面质量要(yao)求(qiu)严格。零(ling)件导孔(kong)如图2所(suo)示。

对(dui)零件导(dao)孔进(jin)行工(gong)艺性(xing)分(fen)析，结(jie)果如(ru)下(xia)：导(dao)孔直径分别(bie)为φ3.1，φ4，φ5，φ7，φ8，φ10；导孔(kong)分(fen)布(bu)于(yu)零件的(de)缘条及筋(jin)条上；导孔的(de)法向垂直于(yu)导(dao)孔所(suo)在(zai)表(biao)面，其95％以上(shang)为(wei)变(bian)角(jiao)度曲(qu)面；零(ling)件(jian)为(wei)长(zhang)梁(liang)类(lei)零件(jian)，材(cai)料为模(mo)锻(duan)件，缘高(gao)均为(wei)斜面(mian)；加工(gong)公(gong)差要求孔位±0.2、孔径0.20、孔(kong)距±0.2；导孔(kong)所分(fen)布(bu)的(de)壁厚从(cong)3.5～20mm不(bu)等。

根(gen)据上述信(xin)息(xi)分(fen)析出该(gai)零件(jian)导(dao)孔(kong)的(de)加工难(nan)度(du)主要集(ji)中在以(yi)下(xia)几(ji)点(dian)：导(dao)孔(kong)数(shu)量较(jiao)大(da)；导孔(kong)种(zhong)类较(jiao)多(duo)；导孔分(fen)布(bu)广(guang)泛；导孔法(fa)向方(fang)向(xiang)难以(yi)确定；装夹(jia)定位难(nan)度(du)大；导孔精(jing)度较(jiao)高(gao)；导孔(kong)深(shen)度不均。从(cong)保证导孔精(jing)度和(he)加(jia)工(gong)效(xiao)率(lv)两(liang)方(fang)面分(fen)析，该(gai)零件如果(guo)采(cai)用(yong)人工制导(dao)孔(kong)方式几(ji)乎(hu)无(wu)法(fa)实(shi)现(xian)，只(zhi)有(you)采用数(shu)控多(duo)轴(zhou)制(zhi)孔才(cai)能(neng)保证(zheng)导孔的法向(xiang)和(he)精(jing)度(du)，并(bing)显(xian)著(zhu)提(ti)高加(jia)工效(xiao)率(lv)。

3.2定(ding)位装(zhuang)夹(jia)方式(shi)

实(shi)验(yan)零(ling)件(jian)长且细(xi)，97％导(dao)孔(kong)集(ji)中(zhong)在缘(yuan)条，针(zhen)对(dui)现有加工(gong)资源(yuan)，采用缘(yuan)条定(ding)位是(shi)较好(hao)的(de)选择。

由(you)于(yu)该零(ling)件的缘(yuan)条(tiao)为斜(xie)缘(yuan)条，采(cai)用(yong)斜缘条(tiao)直接(jie)定(ding)位(wei)会(hui)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)定位面(mian)的精(jing)度(du)，对(dui)零(ling)件(jian)加(jia)工(gong)质(zhi)量(liang)影(ying)响(xiang)较大(da)。

因(yin)此(ci)在(zai)缘(yuan)条(tiao)高(gao)度上(shang)设(she)置工(gong)艺凸台(tai)来(lai)进行定(ding)位，用以(yi)保证(zheng)定位(wei)基(ji)准精度(du)。

确定(ding)定(ding)位(wei)面(mian)后(hou)，还需选择(ze)两个(ge)孔参(can)与定(ding)位。

确(que)定定(ding)位基(ji)准(zhun)后，根据(ju)定(ding)位(wei)基(ji)准设(she)计(ji)装夹压紧的(de)工装。定(ding)位(wei)方(fang)式尽(jin)量(liang)要(yao)与(yu)正(zheng)反(fan)两面加工(gong)时的定位(wei)方式一致(zhi)，以保(bao)证(zheng)数控(kong)导孔位置的准确(que)度。

然(ran)后需(xu)要考(kao)虑工(gong)装的(de)形(xing)式(shi)，该工位工(gong)装压紧零件(jian)的方(fang)式(shi)较(jiao)难(nan)，因为在(zai)零件(jian)的缘(yuan)条上(shang)每一个位(wei)置都(dou)有(you)导(dao)孔(kong)，压(ya)板(ban)的位置(zhi)会(hui)干(gan)涉导孔的钻制(zhi)。因此(ci)既(ji)要(yao)确保零件(jian)装夹(jia)的稳定性(xing)，还(hai)要考虑(lv)操作(zuo)简(jian)单便(bian)捷(jie)、不干涉(she)。该零(ling)件(jian)在腹板上有(you)较(jiao)多大直(zhi)径减(jian)轻(qing)孔，利用该(gai)特点(dian)，可(ke)在(zai)工(gong)装上(shang)采用(yong)穿螺(luo)栓(shuan)、压(ya)紧(jin)腹(fu)板(ban)的(de)方(fang)式(shi)对(dui)零(ling)件(jian)进行(xing)压(ya)紧，不仅起(qi)到(dao)压(ya)紧(jin)零件(jian)的作用，并有(you)效避(bi)免了在(zai)钻导孔时(shi)钻(zuan)头与(yu)压板(ban)的(de)干(gan)涉(she)，去(qu)除了(le)工(gong)人(ren)在加(jia)工过(guo)程(cheng)中倒(dao)压(ya)板的(de)工(gong)作，降低了(le)劳(lao)动(dong)强(qiang)度。工(gong)装(zhuang)设(she)计(ji)见图(tu)3。

3.3 确定加工流程(cheng)

加(jia)工流程(cheng)的合(he)理(li)安(an)排(pai)是(shi)零(ling)件(jian)导孔加工(gong)的重要(yao)环(huan)节(jie)，合理的(de)加(jia)工(gong)流(liu)程(cheng)是导孔加工(gong)质(zhi)量(liang)和(he)加(jia)工(gong)效率(lv)的(de)有(you)效(xiao)保(bao)证。根据某梁类零(ling)件的结构特点(dian)及现有(you)的(de)加工资(zi)源(yuan)，采用数(shu)控导孔(kong)加工(gong)设(she)计两个(ge)工(gong)位，正(zheng)反(fan)两(liang)面(mian)加工，装(zhuang)夹(jia)定位方(fang)式(shi)基(ji)本一(yi)致(zhi)。

数控(kong)加工(gong)导(dao)孔(kong)采(cai)用中(zhong)心钻(zuan)点孔位，避免钻孔(kong)时(shi)钻头偏(pian)滑(hua)导(dao)致(zhi)孔位(wei)置偏移或孔(kong)形状(zhuang)椭圆。特(te)别是斜面或变角(jiao)度(du)曲面(mian)必(bi)须在(zai)钻孔(kong)前(qian)进(jin)行点(dian)孔(kong)位，以便(bian)在使(shi)用钻(zuan)头钻孔(kong)时(shi)起(qi)定心(xin)作用。导孔(kong)的(de)加(jia)工(gong)顺序(xu)设(she)定(ding)的主(zhu)要(yao)原则是(shi)：加工(gong)精度高；防(fang)错(cuo)级(ji)别(bie)最高；加(jia)工效(xiao)率(lv)高；操作(zuo)难度(du)最(zui)小(xiao)。

该(gai)零件(jian)的导(dao)孔(kong)钻(zuan)制顺序是(shi)由(you)少(shao)至(zhi)多，相近(jin)规格交(jiao)叉加(jia)工。

3.4刀具及切削参数选(xuan)择

数控加(jia)工(gong)中刀(dao)具的(de)选(xuan)用(yong)至关(guan)重(zhong)要，刀具种(zhong)类及切削(xue)参(can)数直接(jie)影(ying)响零(ling)件(jian)的(de)尺寸精(jing)度(du)和加(jia)工(gong)效(xiao)率(lv)等。由(you)于零件结(jie)构特异，且材料(liao)为难(nan)加工(gong)材(cai)料(liao)，因(yin)此对(dui)刀(dao)具(ju)的要(yao)求(qiu)较(jiao)高。某(mou)梁(liang)数控加(jia)工导孔的(de)刀(dao)具(ju)均选(xuan)用(yong)整(zheng)体(ti)合金专用(yong)刀具，加(jia)工(gong)参数依据现(xian)有参(can)数(shu)库及零(ling)件(jian)实(shi)际(ji)加工(gong)情(qing)况来确定。加工参数(shu)选择(ze)见(jian)表2。

3.5 程序(xu)编制(zhi)

数(shu)控导孔(kong)程序的编制(zhi)使用(yong)CATIA软(ruan)件，零件在加工过(guo)程(cheng)中(zhong)尽可能(neng)地(di)释(shi)放(fang)应力(li)以(yi)及(ji)降(jiang)低(di)切(qie)削(xue)力(li)，减(jian)小了零(ling)件粗加(jia)工(gong)后(hou)的(de)变(bian)形(xing)量。在数(shu)控(kong)钻(zuan)导孔(kong)程序编(bian)制过程(cheng)中，要(yao)考(kao)虑(lv)走(zou)刀(dao)方式、切削深度(du)、接(jie)近方(fang)式等。由于(yu)导孔一般较小，钻头较(jiao)细，所(suo)以在加(jia)工过(guo)程中(zhong)容(rong)易折断(duan)，折断时(shi)会(hui)打(da)伤(shang)零件(jian)，导(dao)致(zhi)零件(jian)超差(cha)或(huo)报(bao)废。有的(de)钻头会折断在零(ling)件内部(bu)，难(nan)以取(qu)出，并伤及(ji)零 件。接近(jin)零件(jian)方式不正(zheng)确(que)、加(jia)工(gong)速(su)度(du)过(guo)快、退刀(dao)方(fang)式(shi)错误和积屑等因素(su)都会(hui)导(dao)致(zhi)钻头折断(duan)，所以(yi)在数控(kong)程序(xu)编制过程中(zhong)需要(yao)全面考虑(lv)。

4、结(jie)语(yu)

通过(guo)研(yan)究适(shi)用(yong)于(yu)钛(tai)合金航空结(jie)构(gou)件导孔(kong)的多(duo)轴(zhou)数控(kong)加工方(fang)法，解决了生产的实(shi)际问(wen)题(ti)。

以本(ben)文(wen)试验零(ling)件为(wei)例(li)，缘(yuan)条最厚处(chu)达(da)到(dao)20mm，如(ru)采用(yong)传(chuan)统(tong)方法(fa)，常(chang)规钳(qian)工钻(zuan)制(zhi)约需(xu)35～40h，加(jia)工难(nan)度(du)较大，费(fei)时费力(li)，产品(pin)质(zhi)量(liang)也(ye)不易保(bao)证。

采用(yong)数(shu)控(kong)加工(gong)导(dao)孔(kong)时间(jian)仅(jin)需10.4h，既(ji)省时(shi)省(sheng)力(li)，又提高(gao)了(le)产(chan)品质量。

特(te)别是对(dui)于批量化生产的(de)零件(jian)，加(jia)工优(you)势更(geng)加(jia)显(xian)著(zhu)。该(gai)方(fang)案(an)已(yi)通过(guo)实(shi)际(ji)加工(gong)验证(zheng)，生(sheng)产(chan)零件质(zhi)量合格(ge)，加(jia)工过程稳定。

参(can)考(kao)文(wen)献(xian)

［1］王欢(huan).钛(tai)合金(jin)螺旋铣孔(kong)试(shi)验(yan)研(yan)究(jiu)［D］.大(da)连(lian)：大(da)连(lian)理工大学，2015.

［2］赵(zhao)鹏(peng)飞(fei).孔(kong)加工(gong)切(qie)削参数(shu)优(you)化(hua)系统(tong)的(de)研(yan)究与开(kai)发(fa)［D］.南京：南京理工(gong)大学(xue)，2013.

第一作(zuo)者(zhe)：孙丽(li)敏(min)，航空工业(ye)沈阳飞(fei)机(ji)工(gong)业集团有限(xian)公(gong)司(si)数控加(jia)工厂，110850沈阳市(shi)First

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

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