飛機交點孔超聲橢圓振動精密加工技術

張德遠 張成茂

北京航空航天大學，北京，100191

0 引言

飛機大型部件間協調裝配時，需要對翼身（機翼和機身）交點孔進行精加工，消除部件裝配誤差，以保證翼身協調。針對翼身交點孔加工時空間狹小、開敞性不足的問題，國內外普遍采用氣動自動進給鉆裝卡成形刀具對交點孔進行加工［1－2］。對φ30mm以上的鈦合金、PH13－8Mo不銹鋼材料大交點孔的精加工，利用現有常規自動進給鉆進行精加工的方法難以完成。由于動力有限，一旦加工時切削力稍大，或者加工過程中排屑不暢，極容易造成刀桿卡死、無法繼續加工的現象，同時常規加工“誤差復映”嚴重，糾偏性不足。振動加工分為低頻振動、單向超聲振動和超聲橢圓振動三種形式。研究表明，低頻振動和單向超聲振動切削力下降為普通加工切削力的1／5～1／3，超聲橢圓振動吃刀抗力最大可以下降為普通加工時吃刀抗力的1／100［3－4］。因此，超聲橢圓振動切削技術作為近年來出現的新型加工方法，以其大幅降低切削力、改善工件表面質量、提高加工精度等特有的優勢成為解決飛機翼身交點孔加工的首要選擇［4－9］。

1 超聲橢圓振動切削裝置

超聲橢圓振動切削示意圖見圖1［10－11］。由于刀具處于分離階段時不會反向摩擦或者不會撞擊已加工表面，從而避免了單向振動切削中刀具容易崩刃和后刀面引起反向隆起等問題。同時，刀具在切深方向上的振動分量使切削區充分打開，切削液容易進入切削區，從而降低了切削區的溫度，延長了刀具壽命。此外，超聲橢圓振動切削使吃刀抗力大大降低，微細切削能力明顯提高，讓刀量顯著下降，大幅度提高了零件的加工精度。超聲橢圓振動切削還可降低加工殘余應力，抑制邊緣毛刺的產生。因此，超聲橢圓振動切削在精密和超精密切削加工中顯示出獨特優勢。

圖1 超聲橢圓振動切削示意圖

我們研制成功的超聲橢圓振動切削裝置如圖2所示。該裝置主要由動力部分、主軸部分和控制系統等幾部分組成。動力部分主要由自動進給鉆以空氣作為動力帶動主軸完成進給和回轉運動。主軸部分由鏜桿、超聲換能器和聯軸器等組成。鏜桿上面的刀槽被用來安裝刀具。超聲換能器通電后可以使刀具產生超聲橢圓振動。聯軸器實現鏜桿和自動進給鉆的柔性連接。控制系統包括換能器控制系統和切削監測系統。換能器控制系統采用超聲控制電源，能夠提供16～40kHz的超聲振動信號。切削監測系統負責設定工作參數、在線監控整個系統的工作狀態。整個裝置利用型架或者對接夾具實現超聲橢圓振動切削裝置的固定和鏜桿加工時的定位及引導。

圖2 超聲橢圓振動切削裝置圖

2 超聲橢圓振動鏜削工藝效果

2.1 超聲橢圓振動鏜削對孔徑精度的影響

利用自行研制的超聲橢圓振動鏜削裝置，對PH13－8Mo不銹鋼材料進行鏜削，以研究該裝置對工件孔徑精度的影響。試驗條件如下：主軸轉速為120r／min；切削速度為15.8m／min；切深為0.12mm；進給量為0.09mm／r；振動頻率為20 252Hz，相位差為120°，振幅為4μm；刀具材料為硬質合金，刀尖圓弧半徑r＝0.4mm，γ0＝0°，α0＝7°，κγ＝60°；切削方式為干切；工件外徑為50mm，內徑為41.8mm。雙刃鏜刀回轉直徑為42.02mm，用日本Mitutoyo內徑千分表對鏜削后工件內孔分別選取入口、中段和出口3個地方，在水平和豎直兩個方向共6個位置進行測量（水平方向時，內孔入口、中段和出口位置分別用1、3、5表示；豎直方向時，內孔入口、中段和出口位置分別用2、4、6表示），結果如圖3所示。由圖3可見，工件中孔的平均直徑為42.033mm，孔徑尺寸分布比較均勻，差值不超過0.005mm。經多次試驗，結果穩定。試驗充分肯定了超聲橢圓振動鏜削的有效性。與普通鏜削相比，超聲橢圓振動鏜削過程中吃刀抗力大幅度降低，有效地提高了工件的圓度和圓柱度等形位精度，加工精度具有可控性。

圖3 PH13－8Mo鏜削后孔徑尺寸測量結果

2.2 超聲橢圓振動鏜削對表面質量的影響

利用自行研制的超聲橢圓振動鏜削裝置，對PH13－8Mo不銹鋼材料進行鏜削，以研究該裝置對工件表面質量的影響。與2.1節試驗條件對比，本次試驗條件不同的地方是：切削速度為15.4m／min；切 深 為 0.03mm；工 件 內 徑 為41mm。利用英國Taylor Hobson粗糙度測量儀對鏜削工件內孔表面進行測量，得出在0.03mm切深下的表面粗糙度Ra＝0.28μm，達到了磨削的效果。采用普通切削時的表面粗糙度Ra為1.12μm。工件內孔表面放大100倍的微觀照片如圖4、圖5所示。可以看出，普通鏜削工件的表面除了在進給方向上形成的刀紋外，還有大量的鱗次，這些鱗次的產生主要是刀具切削刃上生成的積屑瘤所致，積屑瘤在生成和脫落的過程中對工件的表面材料形成撕裂，嚴重地影響了加工表面的均一性，提高了工件的表面粗糙度。超聲橢圓振動鏜削形成的工件表面均勻一致，進給方向上的刀紋清晰且穩定，同時沒有出現普通鏜削時鱗次和加工表面的撕裂現象，大幅降低了工件的表面粗糙度，使得到的表面粗糙度非常接近理論值。

圖4 超聲橢圓振動鏜削的工件表面微觀照片

圖5 普通鏜削的工件表面微觀照片

2.3 超聲橢圓振動鏜削能力試驗

利用自行研制的超聲橢圓振動鏜削裝置，采用硬質合金刀片對內徑為44mm的鈦合金以及內徑為41mm的PH13－8Mo不銹鋼材料進行鏜削，以研究該裝置的鏜削能力。與2.1節試驗條件對比，本次試驗條件不同的地方是：切削速度分別取16.6m／min和15.4m／min；工件材料為TC4鈦合金件時，外徑為60mm，內徑為44mm；工件材料為PH13－8Mo不銹鋼時，外徑為50mm，內徑為41mm。另外，切深參數是本次試驗要求取的參數，故試驗條件中無切深參數。鏜削后的工件如圖6所示。由圖6可見，鈦合金件切深可達0.92mm，PH13－8Mo不銹鋼件切深可達0.5mm。鏜削過程中氣動動力系統工作正常，整個超聲橢圓振動鏜削系統穩定，刀具良好，加工試件表面有超聲振動加工特有的振紋，驗證了超聲橢圓振動鏜削在較大切深下鏜削大孔的可行性。在同樣的試驗條件下，采用普通鏜削加工時，由于切削力過大，多次出現刀桿和導套卡死現象。

圖6 超聲振動鏜削后的工件

3 結論

（1）超聲橢圓振動鏜削可以顯著改善加工表面的質量，降低工件的表面粗糙度，實現精密切削。

（2）由于超聲橢圓振動切削可以大幅降低切削力，故能顯著減小因切削力引起的變形，可以極大地提高加工件的形狀精度，加工精度具有可控性。

（3）超聲橢圓振動鏜削裝置結構簡單，操作方便，可以大大減輕操作者的勞動強度，在飛機裝配中具有很高的使用價值。

（4）超聲橢圓振動鏜削裝置具有在較大切深條件下鏜削大交點孔的能力。

［1]梁青霄.自動進給鉆在飛機裝配中的應用［J］.西飛科技，2004（2）：9－10.

［2]李勝法.高速鉸削飛機交點孔的幾點經驗［J］.航空工藝技術，1992（1）：45.

［3]隈部淳一郎.精密加工－振動切削基礎與應用［M］.北京：機械工業出版社，1985.

［4]Ma Chunxiang，Shamoto E，Moriwaki T.Study on the Thrust Cutting Force in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.Materials Science Forum，2004，471－472：396－400.

［5]Shamoto E，Moriwaki T.Ultaprecision Diamond Cutting of Hardened Steel by Applying Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.Annals of CIRP，1999，48：441－444.

［6]Brinksmeier E，Gl?be R.Elliptical Vibration Cutting of Steel with Diamond Tools［C］／／Proceedings of the 14th Annual ASPE Meeting.Monterey，USA，1999：163－166.

［7]Nath C，Rahman M，Neo K S.Machinability Study of Tungsten Carbide Using PCD Tools under Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2009，49：1089－1095.

［8]Nath C，Rahman M，Neo K S.A Study on Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Carbide［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209：4459－4464.

［9]Ma Chunxiang，Shamoto E，Moriwaki T，et al.Study of Machining Accuracy in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2004，44：1305－1310.

［10]Shamoto E，Moriwaki T.Elliptical Vibration Cutting［J］.Annals of CIRP，1994，43：35－38.

［11]Shamoto E，Ma C，Moriwaki T.Elliptical Vibration Cutting（the Third Report）［J］.Journal of the Japanese Society for Precision Engineering，1999，65：586－591.