提高航空制造效率的刀具几何参数优化设计

提高航空制造效率的刀具几何参数优化设计

于子航，袁志敏，袁文洁，宦景亮

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西西安  710089

摘要：复杂的切削刀具在航空航天领域制造工艺中具有广泛的应用,其几何参数的精确设计是确保加工精度,质量和效率的重要因素。目前,将精度高、效率高优点结合在一起成为刀具参数化设计的主要方法。但随着复杂刀具结构的迭代更新,表面形貌越来越复杂,需要测量的几何参数越来越多,刀具专用设计已经不能满足尺寸、精度和速度的要求,这对复杂刀具几何参数的设计提出了新的挑战。

关键词:航空制造效率;工具的几何参数;优化设计;

前言:伴随着航空产业的飞速发展，刀具制造技术也在不断进步。全新的刀具涂层材料和涂镀技术可以大幅提升刀具的切削性能。新型的数控磨刀机可以为刀具磨制出各种复杂的型面，使设计优化理论能够在刀具制造中得以实现。

一、主题研究的背景

飞机装配中有大量的薄壁结构,如机身、机翼、垂尾和平尾等。铆接以其生产成本低、强度高、易于检测等优点成为航空薄壁结构最常用的连接方式之一。一架飞机每吨约含铆钉 30000～40000个，占装配工序的30%。在传统生产中，铆钉由工人以手工方式安装，制孔、铆接的效率低、一致性差，且劳动强度大、危害健康。飞机自动钻铆技术能够自动在飞机壁板上钻制铆钉孔、锪制铆钉窝，随后自动传送铆钉并完成铆接，极大地提高了铆接装配的质量和效率，具有良好的稳定性和一致性。自动钻铆设备所使用的刀具是钻锪复合刀具。钻锪复合刀具将传统制孔工艺中的钻孔和锪窝两种功能集成在一起，缩减了工序，提高了产品的自动化程度，避免了中途换刀带来的误差。我国的航空制造业处于数字化转型升级阶段，自动钻铆技术是其中的重要环节。

二、刀具磨损原因

通常刀具正常磨损的主要原因是磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。磨损普通金属切削工艺中,刀具材料的硬度要高于零件材料的硬度,才能顺利完成切削任务。在常用的金属材料中大多是合金材料,一方面,为了提高材料的性能,通常在制备材料中加入一些其他元素,这些元素在刀具接触区的高温高压作用下,经常与较活性元素发生化学反应,形成具有很高硬度的化合物;另一方面,产品材料本身可能含有较硬的碳化物。在刀具的前后表面形成划痕和凹痕这种磨损形式称为磨损磨损,粘结磨损。在刀具前表面与刀具的切割过程中,刀具后表面与加工表面之间存在较强的摩擦,由于接触区域中刀具的摩擦和塑性变形,会出现高温高电压的物理现象。在这种情况下,在接触区发生冷焊,这是由于新表面原子之间的吸附而产生的,这是由弹簧塑性变形形成的。由于在冷焊点继续切割,晶粒在不同应力,接触疲劳和刀具表面层结构缺陷下断裂,并被另一侧磨损形成夹紧和磨损。

三、航空制造刀具几何参数对切削加工的影响

钻孔加工是刀具旋转和入口沿轴线进料的组合运动。水平刀片从两侧将中心部件的材料挤压到主切削刀片上,然后主切削刀片负责清除,以实现折叠和零件孔。同时形成的弦与刀一起旋转,穿过折弯孔穿过刀槽,折弯过程中产生的轴向力主要分布在两个地方,其中一个是主要的切削刀片,另一个是横向刀片需要单独研究,然后取一个微切削刀片进行分析。顶角的大小会影响刀尖的强度、主切削刀片的长度以及与产品的相互作用角度。顶角越小在主切割刀片上产生的轴向成分越少,径向成分越多折痕越容易渗透到金属材料中。顶角越大端部强度越大,主切削刀片的长度越短,单刀切削的厚度越大。杆上的横向刀片起着末端的中心和放大作用,并且零件在进刀时被压缩。

钻削铝合金的过程中极易在出口处产生较大的毛刺，毛刺高度是评判制孔质量的一项重要指标。当多个铝合金构件组成叠层结构时，还会出现层间毛刺问题。孔中心的金属材料没有破裂，而是发生塑性变形，这就导致孔边缘的金属材料先破裂形成毛刺，称为均匀毛刺。中心部分的金属材料随之脱落，形成钻帽。轴向力是影响出口毛刺形成的重要因素，残余的金属层越厚，就越容易形成粗大的毛刺。在自动化制孔中，对毛刺高度有着更加严格的要求，从而避免安排额外的工序来去除毛刺。目前，钻锪复合刀具的研究还不够完善，尤其是针对铝合金叠层结构的加工，经常出现毛刺尺寸过大和刀具缠屑等问题。在刀具设计方面，无论是刀具的结构形式还是几何尺寸都还有很大的改进空间。同时，也缺乏对钻锪复合刀具切削参数优化的研究。

普通加工铝合金钻头的横刃比较小。如果钻锪复合刀具的钻尖按普通加工铝合金钻头的参数选取，就会使钻芯直径过小，导致刀体强度不足，在刀具使用过程中存在刀具折断的风险。但是如果选择较大的横刃比例，又会产生较大的轴向力。为解决这一问题，可以先选取一个较大的初始横刃比例，再通过对横刃进行二次修磨的方式来减小横刃宽度，从而达到即满足刀体强度需求，又降低轴向力的目的。另一方面，主切削刃上距离中心越近的位置前角越小，在横刃的附近主切削刃会变成负前角，产生更大的阻力。修磨横刃可以为主切削刃磨制特定的前角，使切削刃变锋利，以此来降低切削时的阻力。对修磨横刃和不修磨横刃的钻头进行钻削仿真分析，对比它们温度和轴向力。结果表明，修磨横刃可以明显降低轴向力，轴向力由 500N 降低至 350N。同时也能有效改善横刃附近的切削状态，横刃附近的切削温度明显降低。

当切削穿透材料时,材料失去轴向力的作用,发生拉伸,下层材料在轴向力的作用下开始变形从而促进层间毛刺的形成。增加螺旋角可以使刀片更尖锐更轻从而降低毛刺形成的高度。切削过程中的滑动和循环反映了金属在切削层中的流动轨迹。在切削刀片附近,应力是最集中和最复杂的,大部分金属切削层变成喷射,而一小部分残留在加工表面上。为了使喷射成可接受的形状,需要适当的手段来主动控制喷射的扭转和退出方向,一般来说,顺时针和短管针、螺旋针、弧形针占用小空间,易于加工,属于优良的针型。虽然刀具螺旋角的大小不能直接影响拉伸长度,但它可以改变拉伸槽中拉伸的张力状态。适当增加螺旋角可以增加轴向拉力,并促进喷射运动超出孔的范围。但是螺旋角太大会增加去除跳线所需的路径,但反而会增加去除跳线的难度。

四、提高航空制造效率的刀具几何参数优化设计

钻锪复合刀具的参数化设计。钻孔部分负责在工件上钻制初孔，切削加工余量最大，由钻尖和导向两部分组成。钻尖的一般结构包括六面五刃是最主要的切削部分。导向部分对于刀具起到引导、支撑的作用，对于切屑起到容屑、排屑的作用。钻尖的主要几何参数包括钻孔直径、钻芯直径、顶角和后角。导向部分的主要的几何参数包括刃带宽度、刃瓣宽度和螺旋角。它的主切削刃分成两段，并采用不同的角度。通过调整两个顶角的大小和两段切削刃的比例，可以达到保证钻尖强度的同时降低切削阻力的目的。扩孔部分的切削锥即简化了钻尖结构，便于生产制造，又可以达到降低出口毛刺的目的。扩孔的导向部分起到辅助切削的作用，在控制孔径的同时能够修光孔壁，可以提高制孔的精度和表面质量。扩孔部分的加工余量小，产生的切屑很薄，容易折断，可以避免将钻孔的切屑和锪窝的切屑连在一起，起到分离切屑的作用。扩孔部分主要几何参数包括扩孔部分直径、切削锥角度、切削锥后角和圆周后角，如图1。

图1扩孔部分主要几何参数示意图

锪窝部分负责加工铆钉窝。此外，还需要在铆钉孔和铆钉窝的转接位置加工出一个过渡圆角，避免该处的尖点挤压铆钉，导致铆钉局部应力集中，使铆钉损坏。所以锪窝部分的结构还需要额外增加一个圆弧刃和一段探出部分。探出部分的作用是确保圆弧末端位置低于扩孔部分直径，避免出现高点，划伤孔壁。随着刀具前进，锪窝的加工余量逐渐增加，产生大量的切屑。锪窝部分的槽型开阔，使切屑能够迅速排出孔外，并随着刀具旋转快速脱离，避免缠绕在刀具上，影响后续加工。锪窝部分主要的几何参数包括锪窝角度、锪窝部分直径、圆弧半径、圆弧圆心位置和探出部分角度。刀柄作为装夹结构，安装在自动制孔设备上，为刃部传递力和扭矩。应保证刀柄具有足够的刚度，并控制合理的长度。在满足夹持和制孔需求的前提下，尽量缩短刀柄长度，避免出现过长的悬臂结构，降低加工稳定性。

钻削部分。在平面绘制草图做一条直线与H轴成 12°角，一侧端点与H轴相合，然后补全钻削后角轮廓线。过切削刃外侧两端点做一条直线，作为钻削后角方向。以钻削后角轮廓线为轮廓，钻削后角方向为中心曲线，保持角度进行开槽，生成钻削后角。使用圆形阵列可生成另一切削刃后角。中间形成的直线即为钻尖的横刃，在平面上绘制图做一条过坐标原点的直线，使其与钻尖横刃在该平面内的投影成 17°角，并适当固定其长度和位置。通过该直线与 Y 轴生成一个平面。再将该平面绕直线旋转-5°，生成一个新的平面。创建该直线的法平面，做两条直线夹角 110°，分别与槽底圆弧相切，圆弧半径为 0.1mm。约束一条直线与修磨横刃方向相合，约束另一条直线与修磨横刃长度的端点相合，然后补全修磨横刃轮廓线。以修磨横刃轮廓线为轮廓，修磨横刃开槽方向为中心曲线，保持角度进行开槽，生成修磨横刃。使用圆形阵列可生成另一侧的修磨横刃。再次以探出部分后角轮廓线为轮廓进行开槽，中心曲线选择圆弧，控制轮廓选择参考平面，选择圆弧凹槽面，生成圆弧后角。使用圆形阵列可生成另一侧的圆弧后角。在圆弧后角末端圆弧上以通过平面曲线的方式建立一个平面。做一段圆弧与后角末端圆弧相合，然后补全圆弧后角修整轮廓线。以圆弧后角修整轮廓线为轮廓，再次以探出部分后角修整方向圆弧为中心曲线，保持角度进行开槽，生成圆弧后角修整。

刀具几何参数优选。顶角的大小是决定出口毛刺形状的主要因素,对轴向力的影响更为明显,对拉伸形状也有一定的影响。当顶角输出毛刺呈均匀毛刺,毛刺高度较小,以满足自动孔加工的需要。随着顶角的增加轴向力也增加,这不利于多层结构的压缩和层间毛刺的抑制。因此在实际切削过程中,横向刀刃的宽度是影响轴向力大小的主要因素。横向刀片越长越厚,端部和整个工具的强度和刚度就越好。然而,产生的轴向力越大,它对层状结构的压缩和层间毛刺的抑制作用就越小。因此,采用横刀二次磨削的方法,选择横刀的初始长度为开口直径的45%磨削后保留原横刀长度的30%。虽然砂轮刀片的前角在降低轴向力方面也起着一定的作用,但效果不大。因此,从工具强度的角度来看螺旋角的大小决定了切割刀片前角影响，但对均匀毛刺长度影响不大。在刀具的实际制造过程中,由于数控加工机的类型限制,只能使用一个螺旋角进行切割。螺旋角过大可能导致刀架的某些部分非常薄,无法满足使用需求。从设计和制造的角度来看,螺旋角的最终选择砂轮进给速度越。

钻锪复合刀具的切削参数优化。钻锪复合加工是由多种工艺相互融合而成的一种加工方式，加工全程的时间跨度比较大，如果使用有限元软件对加工全程进行仿真分析，计算量将会非常巨大，计算时间也会非常长，很难得到理想的仿真结果。所以，将钻锪复合刀具的切削过程进行分解是十分必要的。切屑在压力与切削热的作用下粘结在钻尖和切削刃处，降低了刀具的锋利程度，又进一步增大了切削过程中的阻力。当粘结层脱落时，会带走刀具表面的微粒，使刀尖的强度降低。不但能够大大降低仿真的计算量和求解时间，还能够针对不同的加工阶段，将局部网格进行细化，使仿真分析的结果更加真实、准确。根据钻锪复合刀具的结构，可将切削过程分为钻削加工、扩孔加工和锪窝加工三部分，分别进行仿真分析。

切削参数选取合适的切削参数能够有效地提高加工的质量。设计切削参数优化试验采用模拟仿真结合试验验证的方式来确定钻锪复合刀具加工铝合金的最优切削参数。根据工程实际，选取常用的三种切削速度和转速，使用正交表来设计样本如表1。试验时将刀具安装在机器人上将试验工件装夹在自动制孔工装上。机器人通过视觉识别系统自动寻找制孔位置并进行法向找正。单向压紧装置对叠层结构试件进行预压紧，既能消除原有的层间间隙，又能避免钻削过程中产生新的层间间隙。

表1正交表

结束语：

本文针对航空制造中刀具参数化设计的实现，伴随着航空工业的快速发展,刀具制造技术也在不断完善。研究了刀具几何参数对制孔轴向力、毛刺和切屑的影响，在今后的工作中可以对扩孔和锪窝部分进行深入的研究，使钻锪复合刀具的设计更加完善。

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