某型機(jī)槽型結(jié)構(gòu)接頭制孔方法應(yīng)用優(yōu)化

周宏遙 王婕

摘要：針對(duì)某型機(jī)槽型結(jié)構(gòu)接頭的材料特性，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的需求，以傳統(tǒng)制孔方式為主，通過(guò)對(duì)其材料屬性特點(diǎn)和處理過(guò)程進(jìn)行分析，制定合理的制孔流程，并進(jìn)行制孔流程優(yōu)化，保證零件安裝孔的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：30CrMnSi ?材料屬性 制孔 ?流程 ?優(yōu)化

1前言

30CrMnSi鋼是一種優(yōu)質(zhì)合金鋼，具有較高的強(qiáng)度，良好的韌性與淬透性，在軍工及民用工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。30CrMnSi鋼在真空內(nèi)加熱，由于表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，可以獲得在常規(guī)熱處理時(shí)不能獲得的各種效果。30CrMnSi鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。常用來(lái)制造承受巨大沖擊及循環(huán)載荷的中等截面的重要零件，如飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)架、機(jī)翼主梁、翼梁接頭等，是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的鋼材[1]-[3]。

某型機(jī)任務(wù)系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)之一——槽型結(jié)構(gòu)承力裝置，該裝置由限位成品及定位接頭組成，如圖1所示，接頭零件材料采用30CrMnSi材質(zhì)，本文針對(duì)該接頭零件制孔、連接要求，制定制孔流程，并優(yōu)化。

2 材料概述

30CrMnSi，是一種高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)A24302，其成分組成為：C占比 27%～34%，含Si 90%以上、Mn 80%以上、Cr 80%以上。30CrMnSi以其自身獨(dú)特的機(jī)械性能，相比普通的45號(hào)鋼材質(zhì)，機(jī)械性能明顯更優(yōu)，抗拉強(qiáng)度σb≤1080MPa，屈服強(qiáng)度σS≤885MPa，斷后伸長(zhǎng)率δs≥10%，斷面收縮率ψ≥45%，沖擊吸收力Akw≥39，經(jīng)過(guò)退火處理后，其HBS值可達(dá)到229。以其超強(qiáng)的硬度，使得其在航空航天領(lǐng)域中得到青睞，優(yōu)越的綜合性機(jī)械性能，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料韌性，良好的材料淬透性，一般的冷變形塑性，但其具有非常好的切削加工性能。該材料具有回火脆性的傾向，受到橫向的沖擊載荷時(shí)，其材料韌度較差，其自身的材料焊接性能缺很好，當(dāng)材料厚度超過(guò)3mm時(shí)，較為實(shí)用的方式為預(yù)先加熱到150℃進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)行焊接，最后焊接完成后再進(jìn)行一次熱處理，通過(guò)一般的調(diào)質(zhì)處理后使用，其材料的工藝性能相比其他如鋁材質(zhì)材料，尚不夠理想，特別是應(yīng)用于復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)上，焊接后的焊縫區(qū)易存在缺陷裂紋。

30CrMnSi以其獨(dú)特的材料性能，通常用于制造承受高載荷、抗高沖擊工況下的各種關(guān)鍵零部件，也常用于制造高耐磨、非高溫使用工況下的零件，非規(guī)律性受載的焊接構(gòu)件等。

30CrMnSi材料屬性使其低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的具有優(yōu)良的材料切削性能，因此，該材料主要采用車(chē)削加工，或者采用滾壓螺紋的加工工藝，目前，針對(duì)30CrMnSi材料的磨削性能研究較少，使用車(chē)削加工的工藝方式使其材料的加工效率比較高，但該工藝方式的加工精度，相比磨削加工方式，相差很大，隨著工業(yè)的發(fā)展，以及產(chǎn)品的功能要求提升，零件的加工尺寸精度和其加工表面的質(zhì)量要求有著更高的要求，30CrMnSi材料的磨削加工工藝也在不斷提升。

2 飛機(jī)裝配制孔國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

航空制造業(yè)是制造業(yè)最為核心、重要的組成部分，展現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家整體的制造工藝水平，相比其他制造業(yè)，為提升航空器的性能，更多的應(yīng)用新技術(shù)、新材料，位列整個(gè)制造業(yè)的前列，新技術(shù)、新材料的研究與應(yīng)用，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要意義，同時(shí)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)是航空制造的關(guān)鍵組成，對(duì)于整個(gè)飛機(jī)的制造周期和產(chǎn)品質(zhì)量起著很大的關(guān)鍵影響。飛機(jī)裝配制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)間的裝配方式通常以鉚釘鉚接或者高強(qiáng)度螺栓螺接的方式予以緊固，一架完成裝配的飛機(jī)上，為滿足裝配需求，結(jié)構(gòu)上制有成千上萬(wàn)個(gè)連接孔，以波音747為例，其機(jī)身結(jié)構(gòu)上有數(shù)百萬(wàn)個(gè)連接孔需要進(jìn)行加工，基于此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的孔的加工工作在整個(gè)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)裝配中占據(jù)著較大的比例，數(shù)據(jù)顯示，在以往的飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題占據(jù)了問(wèn)題數(shù)的30%以上，而致使飛機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)體出現(xiàn)功能性喪失的主要原因就是疲勞損傷，75%～80%的疲勞損傷出現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)體連接部位，綜上，飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的制孔狀態(tài)是保證飛機(jī)裝配的質(zhì)量的重要部分[2]-[5]。

目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配制造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)制孔采用的是傳統(tǒng)的鉆孔工藝，存在以下3方面的缺陷：

1、在使用工具制孔過(guò)程中，所使用的刀具的切削刃和零件材料保持接觸狀態(tài)，加工整個(gè)過(guò)程為連續(xù)性切削，會(huì)出現(xiàn)不完全性散熱，導(dǎo)致切削溫度提升，對(duì)刀具的切削影響較大;

2、制孔過(guò)程中，刀具的主軸中心實(shí)際線速度為0，刀具的橫刃作用，導(dǎo)致制孔過(guò)程中的刀具軸向受力較大;

3、制孔刀具的結(jié)構(gòu)直徑與所制孔的孔徑相同，使其排屑通道不暢，切屑由制孔刀具自身的排屑槽中排出，使得切屑的排屑距離加長(zhǎng)，對(duì)于部分材質(zhì)，加之大尺寸的切屑，會(huì)促使切屑與孔內(nèi)壁和制孔刀具之間產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦效應(yīng)，高切削溫度，大大降低了制孔質(zhì)量與刀具的壽命;

切削加工作為產(chǎn)品加工的主要工藝手段之一，隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，新的加工工藝方法不斷出現(xiàn)，且受到了廣泛應(yīng)用，但是切削加工仍然是最為普及使用的工藝方法，對(duì)于高要求的尺寸外形和高精度配合要求的的配合精度的產(chǎn)品，尚沒(méi)有最優(yōu)的、符合成本要求的方法。結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際需求，不斷的對(duì)傳統(tǒng)的制孔工藝進(jìn)行迭代優(yōu)化，最大限度的降低傳統(tǒng)制孔工藝對(duì)零件的孔徑的質(zhì)量的影響[4]-[5]。

3 零件加工流程

根據(jù)某型機(jī)槽型結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)要求，材料牌號(hào)選用30CrMnSiNi2A，材料規(guī)范按照GJB1951-1994要求執(zhí)行，材料詳情如表1所示，經(jīng)熱軋退火處理，流程如圖2所示。

4 制孔方案制定及優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，槽型結(jié)構(gòu)接頭零件制孔精度要求為H9，其結(jié)構(gòu)上7個(gè)連接孔與結(jié)構(gòu)間的連接，為協(xié)調(diào)配鉆。

依據(jù)零件材料，以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，制定該零件的裝配流程和刀具選型，以及方案的優(yōu)化。

4.1 裝配方案的制定

隨著現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的提升，三維模擬技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。利用CATIA三維軟件，結(jié)合裝配組件的三維數(shù)模，確定接頭零件與結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)關(guān)系，裝配示意圖如圖3所示。

依靠結(jié)構(gòu)連接間的端頭位置與接頭零件的尺寸關(guān)系，確定了零件的航向安裝位置要求，同時(shí)，由于接頭零件與結(jié)構(gòu)件的展向空間關(guān)系為平面接觸，故在展向方向不需要進(jìn)行位置約束，因此，綜合考慮，在零件前端增加限位尺寸線，或者限位塊形式進(jìn)行航向位置確定。

通過(guò)接頭零件上導(dǎo)孔向結(jié)構(gòu)連接件進(jìn)行引孔，使用定位銷(xiāo)或工藝螺栓進(jìn)行限位約束，將接頭零件上未連接定位銷(xiāo)或者工藝螺栓孔位制取至終孔，安裝緊固螺栓，最后制取工藝限位孔位。

由于零件本身帶有定尺寸的導(dǎo)孔，故采用鉆——擴(kuò)——鉸的方式，逐次逐步完成連接孔的制取。

4.2 制孔刀具的選用

制孔刀具的使用性能的好壞主要決定于組成制孔刀具的材料和其切削刃的結(jié)構(gòu)，刀具材料的切削性能必須滿足以下基本要求[6]-[8]：

1、剛度，刀具的制造材料剛性必須優(yōu)于被加工材料的剛性，目前，刀具的材料選用多要求在常溫硬度HRC60以上;

2、韌性與強(qiáng)度，優(yōu)越的材料強(qiáng)度，能夠承受被加工材料反饋的較大的切削力;優(yōu)良的的材料韌性，能夠承受制孔過(guò)程中出現(xiàn)的較大的沖擊載荷;

3、耐磨型，刀具的材料應(yīng)選用應(yīng)考慮具其抗磨損的性能，刀具耐磨性是刀具材料質(zhì)量、硬度、結(jié)構(gòu)形式等多種因素的綜合體現(xiàn);

4、抗熱性，刀具制孔加工過(guò)程鐘，高溫環(huán)境下，保持材料自身硬度、強(qiáng)度、韌性、抗氧化燈屬性的能力。

不同材質(zhì)的刀具，在一定溫度工況范圍下，能夠保其自身的切削性能，常用的刀具材料的主要性能與工作溫度如表2所示。

根據(jù)材料的屬性情況，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)需求，選擇硬質(zhì)合金材質(zhì)刀具。按照鉆——擴(kuò)——鉸的方式，以及零件導(dǎo)孔的狀態(tài)，分別選取擴(kuò)孔鉆、鉸刀：

（1）擴(kuò)孔鉆：初孔為Ф5mm，擴(kuò)孔至Ф5.8mm;

（2）鉸孔鉆：初孔為Ф5.8mm，兩次鉸孔至Ф5.99mm。

4.3 方案優(yōu)化

通過(guò)實(shí)際架次的生產(chǎn)，需要對(duì)零件的定位方式進(jìn)行優(yōu)化，原方式定位，存在零件在制孔過(guò)程中存在一定的晃動(dòng)，導(dǎo)致零件發(fā)生位置偏移的隱患。為此，零件定位利用零件間的相對(duì)關(guān)系，設(shè)計(jì)一套限位工裝，使得接頭零件與結(jié)構(gòu)件間的相對(duì)位置能夠完全穩(wěn)固限位，保證零件間的相對(duì)位置，最終實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)安裝精度。

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)30CrMnSi材料的屬性的了解，結(jié)合零件實(shí)際狀態(tài)，制定了某型機(jī)槽型結(jié)構(gòu)接頭零件的裝配方案，并且對(duì)刀具進(jìn)行了較為合理的選擇，在刀具設(shè)計(jì)過(guò)程鐘，應(yīng)更多的考慮刀具材料與被加工零件的材料的性能之間的匹配性，對(duì)于不同的被加零件的材料和加工工況，應(yīng)確定和選用適宜的材料和切削結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，對(duì)裝配過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了合理優(yōu)化。

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