薄壁斜環(huán)型槽起落架外筒的加工工藝研究及應(yīng)用

趙曉云，白亞玲，劉新文

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西漢中723200）

0 引言

隨著我國航空工業(yè)的大力發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)性能要求越來越高，隨之機(jī)械加工技術(shù)要求也要與之同步進(jìn)行創(chuàng)新，提供更可靠、更高效的加工方法。以帶有斜環(huán)型槽薄壁的起落架外筒為例，該類零件斜軸頸部位的加工工藝研究，在公司屬于首次，無任何經(jīng)驗(yàn)可供借簽：1）采用臥式加工中心加工零件，主軸懸伸必須大于800 mm，機(jī)床附件無法滿足要求，且不穩(wěn)定；2）采用車床、磨床加工零件，因該零件的外型結(jié)構(gòu)，無法指定找正基準(zhǔn)，尺寸及粗糙度均無法保證。因此必須采用新工藝、新方法，突破以往加工方法。本文所述新加工方法首先采用三軸笛卡爾坐標(biāo)（X軸、Y軸、Z軸）及五軸（X軸、Y軸、Z軸、C軸、B軸）編制數(shù)控三軸程序及五軸程序，再利用車銑加工中心完成零件的粗加工及半精加工；待零件經(jīng)過熱處理后，利用數(shù)控車及數(shù)控磨機(jī)床對(duì)零件采取合理的裝夾方式和控制嚴(yán)格的磨削參數(shù)等，制定合理的工藝流程，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量及其各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

1 薄壁斜環(huán)型槽外筒工藝分析

外筒包括本體如圖1所示，本體上設(shè)有與本體中心軸線不垂直的斜環(huán)型槽，斜環(huán)型槽中心軸線與外筒中心軸線的夾角為12.37°。本體上靠近斜環(huán)型槽的一端設(shè)有向本體外側(cè)延伸的斜耳片，該斜耳片上設(shè)有斜耳片孔，本體的另一端設(shè)有與外筒軸線垂直的扭力臂耳片，扭力臂耳片上設(shè)有扭力臂孔，其中，斜耳片孔中心與斜環(huán)型槽中心軸線在同一直線上。該外筒外型尺寸較大，斜環(huán)型槽部位周邊壁厚最小處僅為3.7 mm，屬典型的薄壁型腔零件，零件結(jié)構(gòu)剛性差，易變形，是飛機(jī)起落架關(guān)鍵承力構(gòu)件之一，實(shí)現(xiàn)起落架收放功能，為起落架的高精度配合部位，尺寸及位置公差要求很嚴(yán)，制造外筒的粗坯為模鍛件，材料為30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼，因工藝設(shè)計(jì)難度的增加，該外筒加工的難點(diǎn)之一就是解決薄壁型斜環(huán)型槽部位的加工。

圖1 外筒最終結(jié)構(gòu)簡圖

2 工藝流程

帶有斜環(huán)型槽外筒的加工方法，由外筒粗坯加工而成?，F(xiàn)對(duì)其主要工藝流程作以介紹。

2.1 確定基準(zhǔn)

1）鉗工工序?qū)α慵麄€(gè)尺寸進(jìn)行劃線確認(rèn)，確保零件無缺陷；鏜工工序根據(jù)鉗工劃線加工本體兩端的裝夾內(nèi)孔；再由車工工序在本體上沿長度方向依次加工3段外圓（如圖2所示外圓A、B、C），為后續(xù)加工做好基準(zhǔn)[1]。

圖2 外筒基準(zhǔn)確定簡圖

車工切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速n=30～40 r/min；進(jìn)給量F=20～30 mm/min；切削深度為1 mm。

注意事項(xiàng)：車工、鏜工所用設(shè)備在加工零件前必須清掃干凈，無雜屑；切削刀具要鋒利、光滑，各工序在零件流轉(zhuǎn)過程中，因外筒體積較大，注意防磕碰。

2）以外圓A、B、C為基準(zhǔn)，在外筒粗坯本體上扭力臂耳片所在一端，由車工加工出長內(nèi)孔。

車工切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速n=50～60 r/min；進(jìn)給量f=17～20 mm/min；切削深度為1 mm。

2.2 粗加工、半精加工階段

2.2.1 數(shù)控粗加工

首先采用三軸笛卡爾坐標(biāo)（X軸、Y軸、Z軸）及五軸（X軸、Y軸、Z軸、C軸、B軸）編制數(shù)控三軸程序及五軸程序；再利用車銑加工中心對(duì)零件外形進(jìn)行粗銑，加工出斜耳片、斜環(huán)型槽和扭力臂耳片，并滿足外形尺寸要求；最后進(jìn)行半精加工，使得斜耳片孔的中心與斜環(huán)型槽的中心軸線在同一直線上，如圖3所示，并留有2.0～2.5 mm余量。

注意事項(xiàng)：

1）加工完斜耳片、斜環(huán)型槽和扭力臂耳片，待零件進(jìn)行熱處理。

2）用機(jī)床卡爪夾住零件左端夾頭，尾座頂尖頂住零件右端孔口（一夾一頂方式），圖2中3處零件外圓為輔助支撐及找正基準(zhǔn)。

3）刀具參數(shù)選擇。a.刀具：轉(zhuǎn)位刀（φ32～φ63）；切削參數(shù)：n=800～1200 r/min；f=500～800 mm/min；切深為1.5 mm。b.刀具：轉(zhuǎn)位刀(φ20～φ10R5)；切削參數(shù)：n=1500 r/min；f=800 mm/min；切深為0.5 mm。

2.2.2 熱處理及后續(xù)基準(zhǔn)加工

1）對(duì)外筒粗坯依次進(jìn)行淬火、回火處理，保溫、油冷至室溫，獲得抗拉強(qiáng)度為1570～1770 MPa的外筒半精粗坯。2）在外筒半精粗坯上重新進(jìn)行基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B的加工，作為后續(xù)加工基準(zhǔn)，余量為0.5 mm。

2.2.3 半精加工

1）在內(nèi)孔的孔口鏜削內(nèi)螺紋；2）對(duì)扭力臂孔和外筒半精粗坯靠近扭力臂耳片的端面進(jìn)行數(shù)控銑精加工；3）將外筒半精粗坯和夾具組裝在一起，使得外筒半精粗坯右端面與夾具的零件安裝面緊密貼合，再通過扭力臂孔將外筒粗坯固定于圖3所示夾具上。圖4是現(xiàn)場加工圖片，工作時(shí)夾具、工件隨機(jī)床主軸一起高速旋轉(zhuǎn)[2]。

圖3 車、磨加工示意圖

圖4 現(xiàn)場加工斜環(huán)型槽圖片

2.3 精加工階段

1）找正2.2.2節(jié)中外圓A和外圓B，保證跳動(dòng)量不大于0.05 mm，復(fù)查斜環(huán)型槽的角度，在斜耳片左端加工出頂尖孔，利用圖3夾具右端夾頭，保證頂尖孔的中心軸線與斜環(huán)型槽的中心軸線重合。2）進(jìn)行數(shù)控車精加工：用機(jī)床四爪卡爪夾緊夾具夾頭右端外圓，用尾座頂尖頂入外筒半精粗坯左端的頂尖孔，找正夾具夾頭處加工面，保證跳動(dòng)量不大于0.05；復(fù)查斜耳片孔中心到斜環(huán)型槽中心的距離，精加工斜環(huán)型槽部位尺寸，為后續(xù)數(shù)控磨最終加工做好準(zhǔn)備。3）進(jìn)行數(shù)控磨精加工：將外筒半精粗坯連同夾具一起從步驟2）中數(shù)控車床上拆出，并一起安裝到數(shù)控磨床上，保證斜環(huán)型槽中心軸線位于水平面上；找正夾具夾頭處加工面，保證跳動(dòng)量不大于0.05 mm；同時(shí)復(fù)查斜環(huán)型槽面跳動(dòng)量不大于0.05 mm，再復(fù)查斜耳片孔中心到斜環(huán)型槽中心的距離，最后選用砂輪進(jìn)行磨削加工，使得斜環(huán)型槽部位滿足加工尺寸要求。

3 重點(diǎn)工藝方法的具體實(shí)施

3.1 車銑加工中心三軸和五軸銑削

薄壁斜環(huán)型槽外筒的加工中，為減少工件的裝夾次數(shù)，節(jié)省大量的專用和通用工藝裝備，采用車銑加工中心進(jìn)行銑削，可消除因多次裝夾帶來的重復(fù)定位誤差。車銑加工中心集銑削、鉆削、鉸削、鏜削、攻螺紋和銑螺紋于一身，有利于保證各加工部位的位置精度要求。根據(jù)斜環(huán)型槽外筒的角度特征，利用車銑三軸和五軸的特點(diǎn)，在加工過程中充分發(fā)揮機(jī)床具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的優(yōu)勢(shì)，擺動(dòng)B軸，并配合使用C軸旋轉(zhuǎn)定位，既可以縮短刀具的懸伸長度又可以完成零件角度特征的加工，編程并實(shí)施操作，進(jìn)行斜環(huán)型槽部位的粗加工銑削及半精加工銑削。

3.1.1 程序設(shè)置過程

程序設(shè)置過程如圖5所示。程序具體流程如下：基本參數(shù)設(shè)置→程序頭格式設(shè)置→程序尾格式設(shè)置→程序中信息說明→生成后置處理文件→添加到數(shù)控加工后置處理模版中→生成數(shù)控程序代碼→對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行驗(yàn)證→對(duì)零件進(jìn)行加工。

圖5 程序設(shè)置流程圖

3.1.2 三軸程序編制舉例

3.1.3 五軸程序編制舉例

3.2 車削加工及參數(shù)設(shè)置

車削加工采用一夾一頂方式，在斜環(huán)型槽外筒的一端耳片處制作頂尖孔，另一端設(shè)計(jì)一套專用夾具（偏心夾頭）。該夾具需要在零件端面進(jìn)行焊接，并通過螺紋壓板壓緊，確保裝夾牢靠（右端回轉(zhuǎn)直徑約900 mm，現(xiàn)有大型車床能夠滿足要求），然后在臥式加工中心修正夾頭和頂尖孔，利用大車夾右端夾頭，左端頂緊頂尖孔，將被加工部位轉(zhuǎn)化為沿軸線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，這樣就實(shí)現(xiàn)了連續(xù)車削工藝。數(shù)控車切削參數(shù)如表1所示。

3.3 磨削加工及參數(shù)設(shè)置

斜環(huán)型槽的加工需要通過兩次磨削加工和一次低溫回火，確保產(chǎn)品質(zhì)量。第一次磨削加工很大程度消除零件變形，同時(shí)大余量磨削加工后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，后續(xù)在（190±100）℃的溫度下保持4 h左右的時(shí)間消除內(nèi)應(yīng)力，然后精磨斜環(huán)型槽部位最終余量。磨削加工時(shí)，磨削參數(shù)非常重要，一方面要避免參數(shù)不當(dāng)造成零件過熱，甚至燒傷；另一方面，過度的參數(shù)會(huì)使工件產(chǎn)生變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此，磨削過程嚴(yán)格控制磨削參數(shù)。磨削加工參數(shù)如表2所示。

表1 數(shù)控車削參數(shù)

表2 數(shù)控磨削參數(shù)

4 結(jié)語

本文涉及帶有斜環(huán)型槽外筒的加工方法，通過對(duì)材料的特性及加工性能分析，并根據(jù)加工設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境狀況等因素，制定合理的零件加工工藝。該加工工藝通過對(duì)設(shè)備、刀具及熱處理等加工過程和環(huán)境安全等進(jìn)行控制，利用車銑三軸粗銑削加工和五軸半精加工，待零件熱處理后，再次采用數(shù)控車和數(shù)控磨通過一定的工藝策略并采取合理的裝夾方式和嚴(yán)格的磨削參數(shù)，獲得高質(zhì)量的斜環(huán)型槽外筒。該薄壁斜環(huán)型槽起落架外筒的加工方法，為此類結(jié)構(gòu)件的加工提供了典范，可廣泛應(yīng)用于航空航天等機(jī)械加工行業(yè)，具有較強(qiáng)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。