飛機(jī)操縱系統(tǒng)手柄傳動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件機(jī)加方法研究

楊海斌，馬彪，李承勇

（西安慶安電氣控制有限責(zé)任公司，西安 710000）

0 引言

手柄傳動機(jī)構(gòu)是航空領(lǐng)域操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，在飛機(jī)服役過程中起到重要的位移傳遞作用，進(jìn)而保證與手柄傳動機(jī)構(gòu)相連接的末端執(zhí)行器按要求實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉，達(dá)到預(yù)期目的。手柄傳動機(jī)構(gòu)是飛機(jī)操縱系統(tǒng)中典型的純機(jī)械式組件，通過機(jī)械傳動實(shí)現(xiàn)指定功能，其工作質(zhì)量和可靠性主要由相關(guān)組成零件的加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量保證，其中裝配質(zhì)量往往通過零件選配、手工修磨等方法可以有效控制，但在組成零件加工質(zhì)量方面，為滿足手柄傳動機(jī)構(gòu)的工作要求，存在組成零件種類較多、零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工質(zhì)量要求嚴(yán)苛等諸多加工難點(diǎn)，導(dǎo)致組成零件的加工質(zhì)量一般難以保證，若手柄傳動機(jī)構(gòu)組成零件產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，即使通過后續(xù)人工修配完成裝配工作，在飛機(jī)復(fù)雜多變的服役環(huán)境中極易產(chǎn)生行程不達(dá)標(biāo)、指令未傳遞或裝配關(guān)系破壞等失效現(xiàn)象[1-2]，成為影響飛機(jī)安全的隱患，而機(jī)械加工是飛機(jī)操縱系統(tǒng)關(guān)鍵零件的主要加工工藝，因此，對以手柄傳動機(jī)構(gòu)為代表的飛機(jī)操縱系統(tǒng)關(guān)鍵零件的機(jī)加工藝流程進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

飛機(jī)操縱系統(tǒng)典型零件一般涉及軍事秘密或商業(yè)秘密，現(xiàn)有公開有效研究成果較少，但飛機(jī)操縱系統(tǒng)典型零件的機(jī)加工藝流程問題本質(zhì)上屬于航空制造領(lǐng)域中的金屬零件機(jī)械加工專業(yè)方向，該方向中部分研究成果具有一定指導(dǎo)借鑒意義：文獻(xiàn)[3]～[6]以航空制造領(lǐng)域典型金屬零件為研究對象，以加工后表面質(zhì)量最優(yōu)或變形量最小為目標(biāo)，主要通過優(yōu)化加工參數(shù)的方法達(dá)到預(yù)期加工效果；文獻(xiàn)[7]～[10]針對航空制造領(lǐng)域典型零件的某項(xiàng)具體加工指標(biāo)要求，采用將傳統(tǒng)機(jī)械加工與特種加工工藝相結(jié)合，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)驗(yàn)證取得一定效果；文獻(xiàn)[11]～[13]主要通過對工藝流程的梳理與優(yōu)化滿足航空制造領(lǐng)域典型零件的加工質(zhì)量要求；文獻(xiàn)[14]～[16]通過虛擬仿真等方法對飛機(jī)組件的工作原理或零件的加工過程進(jìn)行模擬，以鎖定零件機(jī)械加工工藝流程改進(jìn)方向。

上述研究成果均取得一定效果，對本文研究工作具有一定指導(dǎo)意義，但由于航空制造領(lǐng)域零件結(jié)構(gòu)和加工需求的獨(dú)特性，現(xiàn)有研究成果難以直接應(yīng)用在本研究對象中。本文以飛機(jī)操縱系統(tǒng)的手柄傳動機(jī)構(gòu)為研究對象，基于對工作原理的分析，選取其中部分關(guān)鍵零件進(jìn)行針對性研究，以工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)為手段滿足零件加工質(zhì)量要求。

1 手柄傳動機(jī)構(gòu)工作原理介紹及關(guān)鍵零件確定

1.1 手柄傳動機(jī)構(gòu)工作原理

手柄傳動機(jī)構(gòu)在飛機(jī)操縱系統(tǒng)中主要的功能是將作用在手柄上外力通過機(jī)械傳動轉(zhuǎn)化為金屬絲的水平移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)其他機(jī)構(gòu)的聯(lián)動作用，同時(shí)在飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上追求結(jié)構(gòu)精簡原則，以保證飛機(jī)質(zhì)量的精準(zhǔn)控制和服役可靠性。手柄傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手柄傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

手柄傳動機(jī)構(gòu)各組成零件的連接關(guān)系如圖2所示。主要連接關(guān)系包括固定連接、轉(zhuǎn)動連接和剛性接觸3種。其中，固定接頭與外殼、支架與彈簧、手柄與撥塊、滑動推柱與金屬絲之間均為固定連接，上述固定連接的零件之間無相對移動，在位移傳遞和受力分析過程中可視為整體；外殼與手柄、外殼與支架、角塊與連接座之間均為轉(zhuǎn)動連接，上述轉(zhuǎn)動連接的零件之間一般以某一點(diǎn)位轉(zhuǎn)動點(diǎn)可產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動作；撥塊與滑動推桿、固定接頭與滑動推柱、滑動推柱與連接座之間均為剛性接觸，上述剛性接觸的零件在手柄轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)工作過程中會根據(jù)工作需要而存在間歇性接觸關(guān)系。

圖2 手柄傳動機(jī)構(gòu)主要組成零件連接關(guān)系示意圖

基于上述結(jié)構(gòu)組成及連接關(guān)系，手柄傳動機(jī)構(gòu)的主要工作原理分解說明如表1所示。

表1 手柄傳動機(jī)構(gòu)主要工作原理分解說明

1.2 手柄傳動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件確定

在手柄傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求上，滑動推柱的橫向位移是該機(jī)構(gòu)的重要指標(biāo)，而從上述工作流程可以看出，滑動推柱的橫向位移主要依靠手柄的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，其原理示意圖如圖3所示，O點(diǎn)為手柄與外殼的轉(zhuǎn)動點(diǎn)，A為手柄與滑動推柱在左極限處的接觸點(diǎn)，B為手柄與滑動推柱在右極限處的接觸點(diǎn)，A′為滑動推柱在右極限處時(shí)與B點(diǎn)相對應(yīng)的位置，O′為OO′連線與AB連線的交點(diǎn)。從圖3的位移產(chǎn)生原理示意圖可知，手柄傳動機(jī)構(gòu)的核心運(yùn)動部件是手柄和滑動推柱，二者的幾何形狀、零件尺寸和表面質(zhì)量直接影響手柄傳動機(jī)構(gòu)能否按按照預(yù)期要求產(chǎn)生指定的橫向位移，進(jìn)而滿足飛機(jī)操縱系統(tǒng)相關(guān)工作需要，其中，手柄零件毛坯狀態(tài)為精鑄件，大部分尺寸經(jīng)過鑄造后已滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)機(jī)加工序較少，經(jīng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析，手柄零件加工質(zhì)量相對穩(wěn)定，對手柄傳動機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)量穩(wěn)定性影響較小，而滑動推柱零件毛坯狀態(tài)為棒料，為滿足工作需要，設(shè)計(jì)要求滑動推柱零件表面光滑且滿足幾何尺寸要求，該零件的產(chǎn)品質(zhì)量問題較多，因此，結(jié)合工作原理和實(shí)際生產(chǎn)情況，將滑動推柱零件作為手柄傳動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件。

圖3 滑動推柱運(yùn)動位移產(chǎn)生原理示意圖

2 滑動推柱零件機(jī)加方法

2.1 滑動推柱零件主要工藝流程

滑動推柱零件的材料為合金鋼，毛坯狀態(tài)為直徑16 mm的棒料，要求滑動推柱零件加工后外圓直徑尺寸為12 mm，同時(shí)要求表面粗糙度達(dá)到Ra0.8 μm，同時(shí)為滿足服役強(qiáng)度需要，需要對滑動推柱零件進(jìn)行熱處理。滑動推柱零件的主要工藝流程如圖4所示。

圖4 滑動推柱零件主要工藝流程圖

根據(jù)上述手柄傳動機(jī)構(gòu)工作原理可知，滑動推柱零件的外圓表面在工作中需要與固定接頭內(nèi)壁產(chǎn)生持續(xù)摩擦，其表面加工質(zhì)量對工作指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)尤為重要，精車零件表面工序是保證滑動推柱外圓表面的最終工序，而滑動推柱零件在熱處理后表面硬度顯著提高，按傳統(tǒng)的加工方法，零件外圓表面的精車加工質(zhì)量難以保證，經(jīng)常出現(xiàn)表面粗糙度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，其根本原因是由于缺少科學(xué)有效的加工參數(shù)，為此，需要對滑動推柱零件精車工序的加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2 滑動推柱零件外圓精車加工參數(shù)確定

車削加工試驗(yàn)條件如下：機(jī)床選用臺嶸6180型號的數(shù)控車床，并采用ER2018型號冷卻液進(jìn)行冷卻，刀片選用東芝公司的金屬陶瓷三角形的TNMG160402型號外圓車刀刀片，表面粗糙度測量設(shè)備選用馬爾公司的Alicona型號多功能表面粗糙度測量儀。

基于對車刀刀片性能和加工要求的綜合分析，初步設(shè)定精車加工參數(shù)的取值范圍為：切削速度V取200～260 m/min、進(jìn)給量f取0.01～0.07 mm/r、背吃刀量ap取0.1～0.3 mm。采用中心復(fù)合法進(jìn)行實(shí)際精車方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果及加工結(jié)果如表2所示。

表2 精車試驗(yàn)方案及加工檢測結(jié)果

為探究精車工序最優(yōu)加工參數(shù)，需建立表面粗糙度與車削加工參數(shù)之間的預(yù)測模型，響應(yīng)面法具有計(jì)算方法簡單、預(yù)測結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各類實(shí)際工程中，因此采用響應(yīng)面法。建立表面粗糙度與加工參數(shù)之間的回歸模型：

式中：Ra為零件加工后的表面粗糙度，kii、kij、ki為系數(shù)，xi、xj為加工參數(shù)，k0、ε為常數(shù)項(xiàng)。

將表2的試驗(yàn)結(jié)果代入式（1）中進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)整理后，表面粗糙度與精車加工參數(shù)的回歸模型表達(dá)式為

基于式（2），利用JMP軟件以表面粗糙度Ra0.8 μm為目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)加工參數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。基于圖5計(jì)算結(jié)果并綜合實(shí)際加工效率情況和加工成本情況，確定最優(yōu)車削加工參數(shù)為：V=260 m/min、f=0.07 mm/r、ap=0.2 mm，經(jīng)實(shí)際車削加工驗(yàn)證，實(shí)測表面粗糙度為Ra0.78 μm，滿足加工需求。

圖5 基于JMP軟件測算的最優(yōu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

1）本文以飛機(jī)操縱系統(tǒng)手柄傳動機(jī)構(gòu)為研究對象，完成對手柄傳動機(jī)構(gòu)工作原理的分析，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求和實(shí)際生產(chǎn)情況，得出滑動推柱零件是手柄傳動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件。

2）通過對滑動推柱零件的工藝流程梳理和加工要求分析，確定精車工序是滑動推柱零件工藝流程的關(guān)鍵工序，并通過試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方式得出最優(yōu)精車加工參數(shù)，經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求。本文所提出的方法可有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，并為解決類似問題提供參考。