起落架大型結構件深孔加工技術研究

李春剛，孟清河

(海裝西安局，陜西 西安 723200)

?

起落架大型結構件深孔加工技術研究

李春剛，孟清河

(海裝西安局，陜西 西安 723200)

摘要：深孔及深孔型腔的加工一直是飛機起落架產品加工的難點和瓶頸，隨著航空飛機總體性能的不斷提高，對飛機各主承力結構件所受載荷的要求越來越高，傳統的起落架結構件采用焊接技術以及普通鋼材已經不適用。針對起落架目前采用高強度鋼和整體結構設計后，涉及到典型深孔及型腔的加工技術成為了難題，通過對大型結構件深孔及型腔的加工技術研究，實現起落架重要結構件整體加工技術的革新。

關鍵詞：飛機起落架；深孔型腔；減震

0概述

飛機起落架系統是飛機最為重要部件之一，用以吸收飛機在著陸或地面滑行時產生的撞擊能量，使得作用于機體上的載荷減少到可以接受的程度，保證飛機安全著陸和滑行。為滿足飛機長壽命、高可靠性能，越來越多的難加工材料諸如300M、鈦合金、A-100、AF1410等在飛機起落架上的應用已逐漸廣泛，同時為提高起落架的壽命，起落架主要的承力結構大件也趨于由整體結構代替焊接結構，材料與結構形式的革新使得新型飛機起落架零件的加工工藝變得更為復雜，加工難度越來越大，深孔加工就成為了支柱式和搖臂式起落架的外筒、活塞桿、收放(撐桿)作動筒等零件加工的關鍵技術。

1起落架深孔加工特點

目前起落架主承力件如外筒、活塞桿等典型構件的孔結構如圖1，此類零件的內孔結構特點和實際加工工藝性能除符合傳統意義上的“深孔”之外，還具有以下特點：

1) 孔的深徑比均超過10，甚至達到14；同時孔徑較大，需要專用刀具和大功率深孔加工機床進行孔的粗加工(鉆孔和擴孔)；

2) 零件近似盲孔結構，須采用內排屑深孔鉆加工，排屑比較困難；

3) 除了近似盲孔外，孔的深度尺寸較大，而且內孔型腔復雜(見圖1)；

4) 孔內有型腔、正反轉接R等型面，孔內的型面及個別直徑尺寸檢測困難；由于孔的深徑比值>10，孔表面的粗糙度要達到3.2，甚至要求1.6，刀桿的選擇以及震動問題最為“棘手”。

圖1　典型起落架外筒內孔簡圖

正是由于起落架深孔加工綜合了工件材料、機床功率和剛性、刀具結構和刀片材質、切削參數、冷卻液、內孔結構形式等各種因素，其加工工藝更為復雜，是飛機起落架大型結構件制造過程中的“瓶頸”。

2關鍵技術

通過對產品結構分析和加工過程關鍵工藝的總結，要從根本上解決起落架大型整體結構件深孔機械加工工藝難點，需突破以下關鍵技術：

1) 深孔加工工藝規劃，加工方式選擇；

2) 起落架結構件復雜型腔深長孔加工刀具及關鍵工裝技術；

3) 深孔加工切削參數優化。

3解決方案

3.1　深孔加工工藝流程方案確定

經過對上述起落架典型內孔結構分析，針對起落架主承力件零件結構復雜，孔加工前為實芯并盲孔或近似盲孔，孔深徑比>10的特點，孔加工的典型工藝路線如圖2所示：

圖2　典型工藝路線圖

結合起落架零件內孔結構和設備狀況，針對不同孔加工方式，主要總結深孔鉆、擴，減震鏜桿車削加工原理，技術難點及解決辦法。

3.2　深孔鉆、擴加工

a) 針對深孔加工的幾種方式

目前，對于孔深徑比大的孔初鉆削主要采用有噴吸鉆、單管鉆和槍鉆系統，利用這種系統可以加工深徑比大于100的孔，三個系統加工原理如圖3所示：

圖3　常用的三種深孔鉆形式

噴吸鉆系統：鉆頭(深孔加工鉆頭或擴孔刀具)與內外鉆管相連接，切削液在內外鉆管間流經鉆頭，并且切削液完全在鉆體內而不是經過鉆頭表面，切屑在鉆體內部先流出外鉆管再經過內鉆管。

單管鉆系統：高壓切削液流經鉆頭和已鉆削孔之間的外鉆管，切削液帶著切屑流經鉆頭內的排屑槽然后通過鉆管內部排除。

槍鉆系統：切削液流經鉆頭內管路并強行流經切削頭內的孔，鉆柄外側有一個沿著長度方向的V型槽，切削液帶切屑通過此V型槽并經鉆頭外側將切屑從孔中排除。

b)深孔鉆、擴加工所用的刀具

對于起落架零件，外圓基準車削完成后，就可以進行深孔加工鉆、擴加工工序，先進行實體鉆削，將孔加工到一定孔徑和深度后再進行擴孔到目標尺寸。

鉆削所用鉆頭如圖4(a)和圖4(b)所示，都為三刀片形式，分別為中心、中間和周邊刀片，前者為可換刀片形式，不可刃磨，不用依賴操作工人技術水平；后者為可刃磨刀片，加工過程是否順利需依賴操作工人水平。

圖4　鉆削簡圖及刀具

擴孔鉆頭如圖5所示，它與鉆孔鉆頭最大的區別是只有一個刀片，刀片也可以是不可刃磨或可刃磨的兩種形式。

圖5　擴孔及鉆頭

c) 刀片及刀具結構

由于起落架深孔加工具有不同于普通孔加工(孔的深徑比<5)的特點和不利因素，無法直接觀察刀具切削情況，因此加工時只能通過聽聲音、看切屑、觀察機床負荷及切削液壓力等方法來判斷排屑及刀具磨損狀況。同時由于被加工材料斷屑難、散熱困難及加工排屑困難而更容易發生切屑阻塞，極易損壞刀具，所以深孔加工刀具的選擇尤其關鍵。

針對被加工材料的不同，選擇適合其加工的刀片材質，刀片應具有高硬度、高耐磨性和較高的熱硬性，并且抗沖擊性能也要好，硬質合金材質是孔加工刀片的首選。同時為減小切屑與前刀面的摩擦，諸如TiAlN、TiN、TiCN等單涂層或其中幾種復合涂層已在硬質合金刀片上廣泛應用。另外可換刀片的刀具是加工起落架深孔的理想選擇，特別是可換刀片整體鉆頭的中心、中間、周邊刀片可以是不同材質，從而達到中心刀片韌性高、周邊刀片耐磨性好的要求；可換刀片鉆頭不但可節省刀具重磨費用，而且多種可換刀片使得操作者能夠快速改變鉆削刀片的幾何形狀，以提高鉆頭的切削性能。

刀具結構：刀具材質及涂層選定后，深孔加工刀具結構也是刀具性能發揮、切削順暢的重要保證。為保證切削刃較鋒利、切削力小、易斷屑和降低切削溫度還應：1) 在保證刀具強度的前題下，刀具應設計成正前角且盡可能地大，這樣由于較好的剪切作用能減少切削力；2) 通過增加刀具后角來減小切削力和對刀具的壓力，這樣也可以降低切削區的溫度；3) 為利于斷屑和深孔排屑，斷屑槽和刀具刃傾角應設計成保證切屑與刀具后刀面碰撞后折斷而成的穩定“C”型。國內也有大學研究采用振動方式解決深孔加工斷屑難的資料介紹，但在起落架大規格深孔加工中還未應用；4) 一些刀具制造商開發出一種沿切削刃帶冷卻槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具損壞，并降低切削區的溫度，從而延緩刀具磨損和利于排屑。

d) 鉆擴加工切削參數

優化的深孔加工切削參數也是降低刀具磨損、提高刀具壽命、達到良好斷屑和排屑效果的重要保證。在深孔加工中，為了最大限度地發揮孔加工刀具的切削性能，必須根據刀具類型、刀桿的剛性、被加工材料的加工性能、被加工孔的深徑比、冷卻液等特點，優化調整切削速度和進給量，對深孔鉆削和鏜削時(利用專用深孔機床)最好采用工件和刀桿同時旋轉的方式，從而達到保證加工質量、提高生產效率的目的。

3.3　減震鏜桿加工

對于孔的深徑比>10、近似盲孔的復雜型腔內孔，在進行完深孔鉆鏜粗加工后，根據結構需要加工部分內孔型面或者孔直徑許可加工孔中間型腔時，如何解決鏜削加工過程中的振動是解決深孔車削的難點。通常，對于內孔鏜削單刃刀具用鋼刀桿長徑比≤4；而對于內孔槽的車削或鏜削刀桿夾持懸伸與刀桿直徑比>2時將產生震動。震動產生的原因及刀具在切削工件時發生振動需要有下面三個條件同時存在：

1) 包括刀具在內的工藝系統剛性不足，導致其固有頻率低；

2) 切削產生了一個足夠大的外激力；

3) 這個外激力的頻率與工藝系統的固有頻率相同，隨即產生共振 。

振動不嚴重時，用調整切削參數的方法，調整切削參數只對切削振動不嚴重的刀具可能有效。一般的調整方法如下：降低刀具或者工件的回轉速度；減小切深并提高刀具每轉或者銑刀每齒走刀量；內螺紋的車削產生振動，可將完成螺紋車削的進刀步驟減1至2刀。

對起落架深孔加工來說，應從降低切削力、應對系統剛性差、提高刀具系統的剛性、刀具減振四個方面考慮減震效果：

a) 降低切削力的方法

1) 使用鋒利的刀片。非涂層刀片通常比涂層刀片要鋒利，即便是涂層刀片，物理涂層(PVD)也比化學涂層(CVD或MTCVD)的刃口更鋒利。

2)使用正前角和大后角的刀片配以輕快的斷屑槽。刀片在鏜削或銑削中的切削楔入角最小，切削必然輕快。在車削與鏜削中，7°和11°后角是最常見的刀片，刀片為螺釘夾持的最多；在20mm以下的孔鏜削中，即便不存在振動問題，也通常選擇11°后角的刀片，見圖6。

圖6　鏜孔主偏角的幾種形式

3) 切深一定時，使用小的刀尖圓弧半徑。比如刀片的刀尖角為0.8mm不變時，隨著刀片切深的增加，細長的鏜刀或銑刀桿振動傾向在切深ap和刀尖圓弧半徑(r=0.8mm)相等時最大，當切深ap大于刀尖半徑r后，刀桿的振動反而被抑制；

4) 內孔鏜削時刀片刃形角越小越好。

b) 如何應對系統剛性差

1) 90°主偏角的刀具產生的徑向切削力最小，同時刀片刃口產生的軸向力最大，見圖7；

圖7　不同主偏角刀具受力狀態

2) 45°主偏角的車鏜刀易發生切削振動，因為產生振動的徑向切削力與軸向力相等(圖8)。

圖8　山特維克阻尼避振刀桿

c) 提高系統剛性的剛性

1)簡單明了的做法是盡可能加大刀桿的直徑，將外伸刀桿的懸伸做到最短；

2)使用整體硬質合金或重金屬刀桿，改善刀桿的夾持方法提高刀桿的靜態剛性。

表1　阻尼避振刀桿選擇

d) 刀具減震

對于大深徑比孔的車削或鏜削，刀具(刀桿減震)是最有效的方法，特別是深徑比大于10的孔加工最為有效，這種刀具甚至可以做到15∶1的深徑比。

提高刀具的動態剛性—被動阻尼避振刀桿(表1)。

4結論

通過對多型號大型復雜飛機起落架深孔加工的不斷研究探索和驗證，在大直徑、復雜型腔深長孔加工方面形成了一套科學、合理且行之有效的方法，有效地解決了起落架大型結構件深孔加工核心工藝技術難題，大幅度提高了深孔制造水平和起落架整體性能，滿足了航空飛機對起落架越來越高的要求。

Study of Deep Hole Machining Technology for Landing Gear Large Structural Parts

LI Chun-gang, MENG Qing-he

(Navy Facilities Xi’an Division, Xi’an 723200, China)

Abstract:It is always difficult to machine deep hole and its cavity in aircraft landing gear products machining. with the general performance improvement of aviation aircraft, The requirements of the load on each main supporting structural parts of aircrafts are higher and higher. And the traditional landing gear structural parts with welding process and common steel are not applicable. It is difficult to use the traditional technology to machine the typical deep hole and its cavity after adapting high strength steel and integral structure design for landing gear at present. This article realizes the reformation of integral processing technology for important structural parts of landing gear through researching on deep hole and cavity processing technology for large-scale structural parts.

Keywords:landing gear of aircraft; deep hole cavity; shock absorption

中圖分類號：V214.1+3

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0068-03

作者簡介：李春剛(1983-)，男，四川達縣人，工程師，學士，主要從事質量監督工作。

收稿日期：2014-12-16