起落架內孔鍵槽銑削動力頭設計及動靜態特性分析

摘要：文章設計了起落架內孔鍵槽加工用直角動力頭，采用現有通用工藝設備較好地解決了某型飛機前起落架關鍵件的難點加工問題。應用CATIA有限元分析模塊對直角動力頭的動靜態性能進行了仿真分析，分析和實驗加工結果表明，動力頭切削加工過程平穩，加工精度較高，能夠滿足鍵槽加工的要求。

關鍵詞：起落架內孔；鍵槽加工；動靜態特性分析；動力銑頭

中圖分類號：V261 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）27-0058-03

飛機起落架是飛機重要安全功能部件之一，隨著飛機系統對起落架系統更高的可靠性、更輕的重量要求，起落架普遍采用超高強度鋼材料制造，對加工工藝要求極為嚴格，要求避免零件表面燒傷，提高構件表面完整性。某型飛機前起落架φ186內孔約深300mm處直徑方向均布兩個10mm寬導向鍵槽，需要在筒體熱處理后進行精密加工。對于內孔鍵槽，常用的加工方法是在拉床上用專用拉刀進行拉削制造。但是由于鍵槽端部為圓弧平底，采用拉削方法無法進行加工，同時拉削需要購置專用的拉削設備和工具，投資較高，需要探索其他較為經濟的加工方法。本文根據加工要求設計了一種直角動力銑頭裝置安裝于通用萬能車床的刀架上，在比較狹小的外筒內孔空間內部完成鍵槽的銑削加工，比較經濟地利用現有設備完成了鍵槽

加工。

1 動力銑頭的結構設計

動力銑頭主要由刀桿組件、電機調速傳動機構、安裝板組成，如圖1所示：

1.刀桿組件 2.電機調速傳動機構 3.安裝板

刀桿組件內部結構如圖2所示，主要功能為承載三個方向的切削力，通過傳動軸組件和錐齒輪副將電機調速機構的旋轉運動和功率傳遞至刀軸，通過2號莫氏錐孔驅動鍵槽銑刀完成鍵槽加工。為了提高生產效率、減少加工工序，鍵槽在外筒熱處理后一次加工成形，切削力較大，對動力銑頭的動靜態特性要求較高。而由于加工空間的限制，動力銑頭只能懸臂結構，為了提高系統的動靜態承載特性并根據仿真分析結果對5號件刀桿外形進行了優化，同時加大了安裝板的尺寸，增加系統重量，在安裝板上設計加強筋板，增加系統剛度，從而保證系統具有較高的固有頻率，防止與加工過程的振動頻率接近引起加工系統的諧振。為了保證鍵槽側面的平面度和鍵槽對外筒中心的對稱度要求，要求銑削頭的軸向和徑向跳動均較小。為了保證刀軸的軸向和徑向具有較大的剛度，刀軸轉速較低。為了裝配方便和刀桿結構便于加工，采用一對面對面安裝的圓錐滾柱軸承支撐刀軸。為了獲得較小的軸向和徑向跳動，需要對軸承間隙進行精密調節，同時應考慮軸承和刀軸溫升使刀軸伸長、使軸承間隙減小的影響。為此在銑削頭磨合1小時后根據刀軸的軸向和徑向跳動調整墊片1的厚度，保證刀軸的軸向和徑向跳動達到設計要求。

同樣為了保證6號件傳動軸組件的轉動精度，調整7號墊片厚度對錐齒輪副進行預加載，減小軸向和徑向間隙。為了保證錐齒輪副的配合精度調整墊片8的厚度，保證錐齒輪副的良好配合間隙。為了便于裝配和調整，在6號件傳動軸組件裝配調整完成后裝入5號件刀桿。

電機調速傳動機構由成品件調速機、電機、窄V帶傳動機構構成，可以實現驅動轉速從200r/min到1000r/min的調整，根據加工狀態對實際加工轉速進行調整，從而獲得各加工工藝參數的合理配置。窄V帶在系統過載時，帶輪打滑從而保護動力頭和零件。

安裝板用于安裝刀桿組件、電機調速傳動機構，保證銑削軸與外筒軸線之間的相對位置。安裝板用中部孔安裝在車床的刀架上，可以沿車床主軸徑向移動銑削頭，從而完成切削量的調整。

1.調整墊片 2.刀軸 3.圓錐滾柱軸承 4.錐齒輪副 5.刀桿 6.傳動軸組件 7.調整墊片 8.調整墊片

2 動力銑頭結構動靜態特性分析

為了在設計階段對銑頭的動靜態特性進行評估，對設計方案進行優化，對動力銑頭結構建立了動態和靜態分析模型，對銑頭的振動模態、振動響應和靜態應力分布、變形進行了分析。

2.1 動力銑頭分析建模

在動力銑頭的結構中，圖2中5號件刀桿、圖1中3號件安裝板為主要承力件，由切削載荷和振動引起的對系統加工精度的影響主要取決于由這兩個承力件和緊固螺釘構成的結構。為了簡化分析忽略除主要承力件的其他構件，將圖1中2號件電機調速傳動機構簡化為質量點，將切削載荷轉換至圖2中5號件刀桿前端支撐孔和軸承蓋螺紋孔處，銑頭安裝面和固定孔分別為圖2中3號件安裝板的底面和中間圓孔。對模型進行了網格劃分和約束載荷施加。

2.2 動力銑頭動態特性分析

動力銑頭的前三階固有頻率分別為：294.34Hz、364.48Hz、792.5Hz。1階模態為刀桿組件的上下擺動，2階模態為刀桿的左右擺動，3階模態為刀桿的彎曲和與刀桿壁板相連的壁板彎曲。刀桿的上下擺動直接影響鍵槽的對稱度和鍵槽側面的平面度，對鍵槽加工質量影響很大，所以1階模態對動力銑頭的動態特性影響最大。

動力銑頭一般采用3齒或4齒銑刀進行鍵槽銑削加工，轉速一般為300～1000r/min，對應的切削沖擊頻率為15～67Hz。切削力沖擊頻率遠低于1階固有頻率294.34Hz，所以動力銑頭的動態特性

較好。

2.3 動力銑頭靜態特性分析建模

根據相關的切削力研究結果，動力銑頭在切削過程中受軸向700N、切向250N和側向300N切削力。在切削力載荷下，動力銑頭的應力分布如圖3所示：

由圖中可以看出，整體應力水平遠低于材料的屈服強度，高應力主要分布在刀桿根部及刀桿與安裝板的連接處。變形分析結果表明，結構變形主要集中在刀桿頭部，總變形為0.0324mm，其中軸向、切向和側向變形分別為0.0283mm、0.010mm、0.0121mm。內孔鍵槽加工精度要求最高的兩個尺寸是鍵槽寬度和鍵槽對中心的對稱度，對這兩個尺寸影響最大的是刀桿的切向變形，而0.010mm的切向變形量能夠保證這兩個尺寸加工的要求。同時在加工過程中可以通過調整精加工時的切削用量在精加工階段獲得更小的切削力和刀桿變形，從而獲得更高的加工精度。

3 結語

通過對動力銑頭的動態特性和靜態特性的分析可以看出，動力銑頭能滿足內孔鍵槽加工的要求。通過仿真分析和試加工驗證，該動力銑頭結構小巧，動、靜剛度較高，能夠滿足較大內孔直徑范圍內內孔鍵槽的加工。

參考文獻

[1] 李銘.大型飛機起落架制造技術[J].航空制造技術，2008，（21）.

[2] 徐少紅.高強度鋼和超高強度鋼的切削加工[D].中國科學院上海冶金研究所，2000.

作者簡介：路紅偉（1978-），男，陜西漢中人，中航工業飛機起落架有限公司工程師，工學碩士，研究方向：精密機電及測控系統；李秀（1978-），女，陜西漢中人，中航工業飛機起落架有限公司工程師，研究方向：液壓系統應用；張邦成

（1972-），男，吉林敦化人，長春工業大學副教授，研究方向：機電檢測與控制。

（責任編輯：周 瓊）