1、引言

飛機(jī)各部件在裝配前需要先加工出裝配孔，對裝配孔的精加工是飛機(jī)裝配環(huán)節(jié)必須的步驟。裝配孔對孔徑精度、孔壁光度和孔的位置度有較高要求，一般會(huì)使用鉸刀對裝配孔進(jìn)行精加工。但是鉸刀的排屑性能較差，當(dāng)被加工部件是鈦合金等黏性較大的難加工材料或孔的深度較深時(shí)，鉸刀排屑能力不足的問題將被放大。此外，鉸刀對孔的位置精度幾乎沒有修正能力，而且對底孔的直線度要求也較高，當(dāng)兩個(gè)裝配部件的預(yù)制孔位置偏差較大或粗加工的底孔質(zhì)量較差時(shí)，鉸刀的使用會(huì)受到很大限制，很可能影響到最終裝配孔的加工質(zhì)量。因此，本文提出使用單刃鏜刀代替鉸刀的加工方案，以解決制孔過程中遇到的上述問題。

2、單刃鏜刀的建模與切削仿真

如圖1所示，以加工10mm裝配孔為例，使用CATIA軟件快速建立單刃鏜刀的三維幾何模型。

鏜刀刀柄直徑為16mm，長度為60mm;頸部直徑為8.4mm，長度為40mm;刀頭直徑為6.7mm，長度為10mm;刀尖所在圓周直徑為10mm。刀尖的主偏角取96°，副偏角取10°，刀尖圓弧半徑為0.2mm。建立一個(gè)新平面與刀具軸向夾角成45°，并在該平面內(nèi)設(shè)置刀尖前角，前角角度10°;圓周后角分為兩段，第一后角取8°，第一齒背寬度為0.5mm，第二后角取30°，第二齒背寬度為1.5mm;端面后角取15°。

將建立好的單刃鏜刀模型導(dǎo)入AdvantEdge軟件進(jìn)行有限元仿真。為了減少網(wǎng)格數(shù)量、降低仿真的運(yùn)算量并縮短運(yùn)算時(shí)間，只導(dǎo)入靠近刀頭的一部分模型。導(dǎo)入后選取刀具材料為硬質(zhì)合金，并為刀具模型劃分網(wǎng)格，刀具網(wǎng)格的最大單元尺寸設(shè)為1mm，最小單元尺寸設(shè)為0.01mm，網(wǎng)格等級(jí)為0.4。

被加工零件為圓形薄板，直徑為φ12mm，厚度為3mm，并預(yù)制出直徑φ9.7mm的初孔。同樣使用CATIA軟件建立被加工零件的模型并導(dǎo)入AdvantEdge軟件，材料選擇TC4鈦合金，并為零件模型劃分網(wǎng)格。零件網(wǎng)格的最大單元尺寸設(shè)為1mm，最小單元尺寸設(shè)為0.2mm，網(wǎng)格等級(jí)設(shè)為0.5。

如圖2所示，設(shè)置刀具和零件的裝配關(guān)系。切削參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速500r/min，進(jìn)給量0.08mm/r。

根據(jù)有限元仿真的結(jié)果對單刃鏜刀加工鈦合金孔的切削狀態(tài)進(jìn)行分析。圖3a為刀具應(yīng)力的分布云圖，可以看出刀具的應(yīng)力主要集中在刀尖處。同時(shí)，刀頭與頸部的連接處也是應(yīng)力比較集中的位置。

圖3b為刀尖切削溫度的分布云圖，根據(jù)圖中色彩分布梯度可知，刀尖的溫度最高，約為350℃左右，而刀頭部分的溫度隨著與刀尖距離的增加迅速降低。

這是由于刀頭部分體積較小，切削刃很短，與工件的接觸面積小，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量只有少部分能夠傳遞到刀具上，大部分熱量會(huì)被切屑帶走。圖3c為切屑形態(tài)及溫度的仿真圖，鏜孔加工產(chǎn)生的切屑為細(xì)長的螺旋狀切屑，溫度大約為450℃左右。

圖3d為切削力的仿真曲線，可以看出，切削力的軸向分力很小，只有5N左右，而徑向分力隨著刀具的旋轉(zhuǎn)在±40N之間呈周期性變化。這是因?yàn)榍邢魃疃群瓦M(jìn)給量較小，使得背向力和進(jìn)給力都很小，切削力主要由切向力構(gòu)成。仿真曲線可以近似看作是切向力在X軸和Y軸上的分力隨時(shí)間的變化曲線。

3、單刃鏜刀的設(shè)計(jì)與制造

由于鉸刀的容屑槽較淺，容屑空間小，切削刃較長，且鈦合金的黏性比較大，鈦合金切屑很容易粘在鉸刀的切削刃上，使切削刃對切屑產(chǎn)生二次切削，影響孔壁的粗糙度，甚至造成孔徑超差。為解決此問題，使用鏜刀代替鉸刀，采用鏜削的方式對裝配孔進(jìn)行精加工。鏜刀的切削刃短小鋒利，容屑空間很大，鏜孔過程中產(chǎn)生的細(xì)長螺旋狀切屑很容易從刀具與孔壁的間隙排出，從而保證孔壁的粗糙度和孔徑的精度。當(dāng)兩個(gè)部件上分別設(shè)有預(yù)制孔時(shí)，兩個(gè)孔的位置精度和直線度很難得到保證，一般的擴(kuò)孔、鉸孔等加工方式很難對其進(jìn)行修正，加工效果不理想，如果使用單刃鏜刀則可以很好地解決這一問題。

單刃鏜刀為非對稱切削，鏜孔時(shí)不受底孔導(dǎo)向作用的限制，能夠有效彌補(bǔ)孔中心位置精度和直線度的偏差。裝配孔的直徑一般比較小，只有幾毫米至十幾毫米，可調(diào)式鏜刀頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不適用于小直徑裝配孔的加工。因此，在刀具設(shè)計(jì)上采用定尺寸單刃鏜刀的結(jié)構(gòu)形式，可以滿足鈦合金裝配孔的加工需求。

在設(shè)計(jì)切削刃的幾何形狀時(shí)需要綜合考慮刀具的性能和鈦合金材料的切削特性。與鉸刀相比，鏜刀需要更大的前角來保證切削刃足夠鋒利，降低刀尖切入工件時(shí)的阻力，減小切屑與前刀面的摩擦，降低前刀面的磨損程度，使月牙洼產(chǎn)生的位置遠(yuǎn)離刀尖，避免直接削弱刀尖。在與刀具軸向夾角成45°的平面內(nèi)開設(shè)前角，所形成的前刀面向刀具尾部偏斜，可以使切屑沿前刀面流出時(shí)向后卷曲，便于將切屑排出孔外。刀具的主偏角大于90°，可以使刀尖向前探出，便于孔的加工，即使盲孔也能夠使用。主偏角和副偏角的角度較小，增大刀尖角能夠在刀尖處保留更多的實(shí)體，提高刀尖強(qiáng)度。由于鈦合金材料回彈量較大，制孔過程中孔壁與后刀面的摩擦比較劇烈，因此需要增大刀具的后角。后角可分為圓周后角和端面后角兩個(gè)部分，圓周后角可分為兩段設(shè)置，既增強(qiáng)了刀尖的強(qiáng)度，又能降低后刀面與孔壁的摩擦，而端面切削余量不大，設(shè)置一個(gè)后角即可。

裝配孔的直徑較小，孔內(nèi)空間有限，因此單刃鏜刀不宜采用焊接式或機(jī)夾刀片結(jié)構(gòu)，更適合采用硬質(zhì)合金棒料整體制造。在制造刀具時(shí)，首先磨制柄部外圓、頸部外圓、刃部外圓及各處倒角，然后磨制切削刃。單刃鏜刀為定尺寸刀具，由切削刃的回轉(zhuǎn)直徑直接確定孔的加工直徑，而且該鏜刀用于裝配孔的精加工，所以需要精準(zhǔn)控制鏜刀刃部尺寸的制造公差。為了使切削刃的直徑更加準(zhǔn)確，同時(shí)也方便測量，可以采用先對稱磨制兩個(gè)刀齒再去除一個(gè)齒的方式。磨削時(shí)，以端面向心角代替主偏角，圓周倒錐角代替副偏角，按照前角、端面后角、圓周后角的順序進(jìn)行加工，并通過圓周后角來控制切削刃的回轉(zhuǎn)直徑，最后磨去刀頭多余的部分。如果設(shè)備具有內(nèi)冷功能，還可以使用帶有內(nèi)冷孔的硬質(zhì)合金棒料制造刀具，通過內(nèi)冷孔向切削刃送風(fēng)冷卻，使刀具獲得更好的切削效果。

4、切削驗(yàn)證分析

制造三種規(guī)格的單刃鏜刀進(jìn)行切削試驗(yàn)，粗加工刀具的直徑為φ9.6mm，半精加工刀具的直徑為φ9.9mm，精加工刀具的直徑為φ10mm。被加工試驗(yàn)件為TC4鈦合金板，厚度10mm，預(yù)制出φ9.1mm的底孔。粗加工和半精加工時(shí)刀具轉(zhuǎn)速500r/min，進(jìn)給量0.08mm/r，精加工時(shí)刀具轉(zhuǎn)速600r/min，進(jìn)給量為0.05mm/r。

經(jīng)檢測，被加工孔的孔徑達(dá)到H8級(jí)精度，孔壁的表面粗糙度為Ｒa1.6，孔的位置度為0.025mm，垂直度0.05°，符合形位公差標(biāo)準(zhǔn)，滿足飛機(jī)裝配孔加工的工藝要求。

5、結(jié)語

(1)與鉸刀相比，單刃鏜刀能夠修正底孔的位置度和直線度偏差，對設(shè)有預(yù)制孔的裝配部件適用性更強(qiáng)。單刃鏜刀的排屑性能更好，加工鈦合金不易粘屑，避免切削刃對切屑造成二次切削，能夠得到更好的孔壁粗糙度和孔徑精度。

(2)單刃鏜刀需要設(shè)置較大的前角，使切削刃更加鋒利;為了克服鈦合金材料的回彈特性，需要加大刀具的后角;主偏角和副偏角可以適當(dāng)減小，增大刀尖實(shí)體，提高刀尖的強(qiáng)度。

(3)在制造單刃鏜刀時(shí)，為了提高切削刃尺寸的制造精度，采用先對稱磨制兩個(gè)切削刃、再去除其中一個(gè)的方法，采用端面向心角代替主偏角，圓周倒錐角代替副偏角。

參考文獻(xiàn)

［1］林景凡.一種新型鏜刀頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29(6):53－54．

［2］林美安.飛機(jī)機(jī)身裝配工藝及仿真技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010．

［3］王笑時(shí).制孔多功能末端執(zhí)行器研制及制孔質(zhì)量研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2022．

［4］陳日耀.金屬切削原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

第一作者:王芃，工程師，沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，110000沈陽市 

First Author: Wang Peng，Engineer，Shenyang Aircraft Industrry( Group) Co．，Ltd．，Shenyang 110000，China

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tag標(biāo)簽:加工鈦合金,裝配鈦合金

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