復(fù)雜舵機殼體功能孔高效加工技術(shù)研究

□ 強俊花 □ 袁 甲

中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動控制研究所 西安 710065

航空液壓舵機殼體是飛行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，對產(chǎn)品的總體功能和成本起至關(guān)重要的作用［1-2］。這類零件采用覆蓋式最小包絡(luò)設(shè)計，外形為復(fù)雜非對稱弧形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔系繁多，尺寸精度要求高。舵機殼體上用于安裝閥類零件的孔通常稱為功能孔。為滿足密封性能，對功能孔的尺寸、形狀，以及表面質(zhì)量均有較嚴(yán)格的要求，功能孔的加工質(zhì)量也直接影響舵機產(chǎn)品的性能及使用壽命［3-4］。

隨著新一代戰(zhàn)機的發(fā)展，航空液壓殼體類零件呈現(xiàn)出薄壁化和大型化，結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化和整體化［5-8］。舵機殼體上的功能孔逐步向大長徑比、盲孔轉(zhuǎn)變，給加工制造帶來前所未有的挑戰(zhàn)。

1 功能孔結(jié)構(gòu)

復(fù)雜舵機殼體功能孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。某舵機殼體功能孔中設(shè)計有16處環(huán)槽，這些環(huán)槽在功能孔中起到溝通油路的作用。環(huán)槽兩側(cè)倒角在裝配過程中對密封膠圈進行壓縮，使其順利通過環(huán)槽，并保證在裝配過程中不會損傷膠圈。

圖2所示為復(fù)雜舵機殼體功能孔加工要求，舵機殼體材料為7050鋁合金。由圖2可見，功能孔采用盲孔設(shè)計形式，φ17.5+0.0250mm有效深度為242.3 mm，孔壁表面粗糙度Ra=0.8 μm?？组L徑比約為14∶1，若計入孔口干涉部分，加工刀具的長徑比可達15.6∶1，屬于深長盲孔的加工范疇，原來沒有相關(guān)的加工經(jīng)驗。

▲圖1 功能孔結(jié)構(gòu)

功能孔內(nèi)環(huán)槽的局部放大圖如圖3所示。由圖3可見，環(huán)槽內(nèi)徑與功能孔內(nèi)徑的半徑差為1 mm，且要求環(huán)槽兩側(cè)倒斜角45°，表面粗糙度Ra=1.6 μm，倒圓角R0.2 mm拋光。

2 工藝方案

2.1 孔精加工

對于鋁合金材料，孔的精加工一般有三種方法：鏜削、鉸削、研磨［9-12］。

通常，若孔的長徑比不大于10∶1，則可考慮采用鏜削加工。當(dāng)長徑比大于10∶1時，若采用鏜削加工，鏜刀旋轉(zhuǎn)切削時讓刀嚴(yán)重，無法保證尺寸要求和圓柱度要求。圖2中功能孔屬于盲孔，無法采用從兩側(cè)分別鏜削再接通為整孔的加工方案，只能從一側(cè)加工。受孔徑限制，大長徑比的鏜刀桿無法定制。

▲圖2 功能孔加工要求

▲圖3 功能孔內(nèi)環(huán)槽局部放大圖

▲圖4 聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀刃部放大圖

鋁合金材料較軟，研磨加工時容易產(chǎn)生零件孔壁劃傷。此外，深長盲孔的研磨加工效率低，易形成孔底部孔徑偏大、孔口孔徑偏小，造成功能孔的圓柱度超差。可見，采用鉸削方式來完成功能孔的精加工是一種較優(yōu)的選擇。

2.2 機床

鉸削利用鉸刀與零件的相對運動和相互擠壓，對已加工的孔壁切除薄層金屬，以獲得精確的孔徑和幾何形狀，以及較好的表面粗糙度。鉸削加工有兩種方式：一是鉸刀隨主軸回轉(zhuǎn)運動并向孔中作軸向進給，零件不轉(zhuǎn)動；二是零件隨主軸回轉(zhuǎn)運動，鉸刀不轉(zhuǎn)動，僅作軸向進給。由于第二種方式受機床結(jié)構(gòu)限制，并且當(dāng)零件體積較大時鉸削過程中機床振動大，因此選擇第一種方式，采用德國MAG公司的HUELLER HILLE NBH6臥式加工中心與BT50規(guī)格刀具系統(tǒng)的硬件組合，冷卻液選用水基乳化液。

2.3 刀具

由于孔加工刀具受孔徑限制，且在工件內(nèi)部加工，刀具的強度及剛性較差，排屑與冷卻潤滑困難，因此為了提高孔加工的生產(chǎn)效率、加工精度和刀具使用壽命，必須合理選擇刀具材料，設(shè)計刀具。

由圖2、圖3可知，在孔加工工序中需要完成功能密封孔φ17.5+0.0250mm及16處環(huán)槽φ19.5±0.2 mm的加工。對于密封孔，選用具有高速度、高效率、長壽命、高可靠性等優(yōu)勢的整體硬質(zhì)合金鉸刀，基體材料為YG8鎢鈷類硬質(zhì)合金，刀具直徑為17.5+0.0250mm，刀刃長為60 mm，總長為310 mm。對于環(huán)槽，選用聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀，刀具基體材料為YG8鎢鈷類硬質(zhì)合金，刀片材料為聚晶金剛石，刀具總長為285 mm。聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀刃部放大圖如圖4所示，與傳統(tǒng)T型銑刀相比，除了能去除環(huán)槽余量、保證環(huán)槽孔徑外，還能切削環(huán)槽雙側(cè)45°倒斜角及倒圓角R0.2 mm，實現(xiàn)一把刀具完成環(huán)槽所有特征的加工。

2.4 工藝優(yōu)化

在試加工初期，應(yīng)用焊接硬質(zhì)合金鉸刀與整體硬質(zhì)合金T型銑刀搭配的刀具組合，采用功能孔通用加工方案，見表1。這一方案存在如下的問題：① 受刀具限制，要完成功能孔內(nèi)所有特征的加工，需要數(shù)控銑、鉗工兩道工序，所有環(huán)槽倒圓角由手工加工，存在劃傷密封孔的質(zhì)量風(fēng)險；②受限于功能孔的大長徑比，加工密封孔的刀具均存在露出長度長的問題，切削參數(shù)需保守選擇，加工效率低。

采用整體硬質(zhì)合金鉸刀與聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀搭配的刀具組合，同時選用深孔加工理想方法，由槍鉆［13］代替硬質(zhì)合金鉆頭，由硬質(zhì)合金中冷鉆頭代替普通硬質(zhì)合金鉆頭，對功能孔加工方案進行優(yōu)化，見表2。這一優(yōu)化方案突出特點如下：① 充分考慮MAG臥式加工中心具有高壓分級式中心冷卻系統(tǒng)與可調(diào)節(jié)式外冷環(huán)抱系統(tǒng)，可以針對不同種類與規(guī)格的中心冷卻刀具與不同結(jié)構(gòu)特性的零件進行完美適配；②將深孔高效加工刀具——槍鉆、硬質(zhì)合金中冷鉆頭、硬質(zhì)合金中冷擴孔鉆分段組合使用，再采用整體式硬質(zhì)合金鉸刀實現(xiàn)功能孔中密封孔的高效加工；③密封孔加工完成后，再通過數(shù)控銑削工序完成環(huán)槽所有特征，包括倒斜角、倒圓角的一次成形加工，減少人工操作，消除質(zhì)量隱患；④采用聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀，實現(xiàn)16處環(huán)槽的高速、高效銑削。

3 結(jié)果分析

3.1 加工質(zhì)量

依次采用內(nèi)徑千分尺、精密圓柱度測量儀、表面粗糙度測量儀對功能孔的尺寸、形狀、表面粗糙度進行測量。測量結(jié)果顯示：對于功能密封孔φ17.5+0.0250mm，傳統(tǒng)加工方案所得圓柱度、表面粗糙度Ra分別為0.012 mm、0.87 μm；優(yōu)化加工方案所得圓柱度、表面粗糙度Ra分別為0.008 mm、0.8 μm。優(yōu)化方案改善了密封孔的圓柱度、表面粗糙度，加工的密封孔滿足設(shè)計指標(biāo)。

表1 功能孔加工通用方案

表2 功能孔加工優(yōu)化方案

加工方案優(yōu)化后，環(huán)槽所有特征均為數(shù)控加工，避免了功能孔加工完成后鉗工手動進行環(huán)槽倒圓角操作，消除倒圓角過程中劃傷密封孔的質(zhì)量隱患。

綜上所述，加工方案優(yōu)化后，復(fù)雜舵機殼體功能孔加工合格率達到了100%。

3.2 加工效率

傳統(tǒng)加工方案中，大多數(shù)采用普通刀具，切削參數(shù)保守，導(dǎo)致加工時間長，僅數(shù)控加工占機時長就接近10 h。若考慮工序間的流轉(zhuǎn)及鉗工作業(yè)時間，完成整個功能孔的加工所需時間約13 h。方案優(yōu)化后，采用高效孔加工刀具，切削參數(shù)合理提升，且功能孔所有特征在數(shù)控銑削工序一次完成，工序加工時間僅需5 h。

由表3可見，方案優(yōu)化后，復(fù)雜舵機殼體功能孔加工效率提升了160%。表3中S為機床主軸轉(zhuǎn)速，F(xiàn)為進給速度，Q為切削量，切削參數(shù)為刀具實際切除材料時的參數(shù)，不等同于空走刀、進刀等過程中的切削參數(shù)。

3.3 加工要點

復(fù)雜舵機殼體功能孔加工，整體思路為：粗加工階段，追求材料去除率最大化，引導(dǎo)變形促使應(yīng)力釋放；半精加工階段，在可控范圍內(nèi)，尋找快速切削最優(yōu)方案；因此，在粗加工、半精加工階段，盡量采用槍鉆、中冷鉆等高效的孔加工刀具，同時選用新型高速、高效刀具聚晶金剛石鑲片成形T型銑刀實現(xiàn)環(huán)槽的高效加工；在精加工階段，必須實時監(jiān)控機床狀態(tài)，即時校正即時加工，選用整體硬質(zhì)合金鉸刀，保證刀具在加工中的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

通過分析復(fù)雜航空舵機殼體功能孔的結(jié)構(gòu)特點，識別加工難點，在無加工經(jīng)驗可借鑒的情況下，探索加工方案，選型機床，應(yīng)用新刀具，合理安排工藝路徑，實現(xiàn)復(fù)雜舵機殼體功能孔加工技術(shù)突破，最終加工出合格的功能孔，滿足設(shè)計指標(biāo)。與傳統(tǒng)加工方法的試驗結(jié)果進行對比，確認優(yōu)化后的工藝方法有效保證了舵機殼體大長徑比功能孔的加工質(zhì)量，同時使加工效率提升160%。

表3 刀具切削參數(shù)對比

新加工方法已推廣至多類產(chǎn)品功能孔的加工中，驗證了方法的可行性，實現(xiàn)了復(fù)雜舵機殼體功能孔的高質(zhì)量、高效率加工。