采用90°角度头在紧凑腔中制造高精度孔的一种工艺方法

何多政， 郭辉， 许锋国， 马艳萍

（中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司，陕西汉中 723200）

0 引 言

后支架是某型飞机起落架上的关键结构件，为深U形耳叉平板结构，基体采用TC18钛合金材料（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）。该材料属于高强度、高韧性的α+β相钛合金[1]，在退火状态下强度可达1080 MPa，热处理后抗拉强度为1300 MPa，截面淬透厚度在250 mm内，近年广泛运用于起落架承力结构件。后支架的筋板φ19H8孔和腹板孔2-φ15H8 加 工后压装衬套，采用3 孔连接定位方式。外联的功能结构件如图1所示，其中φ19H8与2-φ15H8 轴 线空间垂直，外联件纵向长度大于500 mm，早期采用工件单独加工组合装配的工艺方法，却受制于刀具悬伸太长，位置度及尺寸公差都很难保证，无法满足产品的互换性要求。

图1 后支架及外联结构

1 工艺难点分析

后支架工件最大长度为1222 mm，最大宽度为880 mm，最大轮廓高度为185.5 mm，筋板φ19H8孔位于减轻腔内，孔中心沿高度方向无干涉距离18 mm，距腔底31 mm，如图2所示。工件单独加工后直接进行装配，其工艺难度主要在于设备合理的选用、工艺方法的确定和小孔的制造方面。

图2 后支架

1.1 设备制约

根据产品结构特点和制造精度要求，兼顾机床重复定位精度和设备最大行程。根据公司现有设备能力，虽然后支架可在安装90°角度头的高明精机3轴立式加工中心（设备X、Y、Z行程分别为3230、1700、850 mm）上进行，但是角度头镗削精度低，不能满足互换性位置精度高的孔加工质量要求。

1.2 工艺限制

后支架腔底2-φ15H8小孔和筋板φ19H8孔受零件尺寸结构及设备能力限制，腔底2-φ15H8小孔选用镗刀加工，而筋板φ19H8孔选用钻、扩、铰的方式组合加工，不同部位刀具连接方法各异，如果90°角度头限位块和限向槽之间接触间隙不能完全消除，就会影响φ19H8孔轴线与2-φ15H8孔中心连线的平行度。同时，加工工件筋板φ19H8孔的过程中，对刀不准和钻削参数不当，都会给后续加工位置度公差和孔位尺寸增大难度。加工工艺不合理时，还容易造成工件导热差、表面局部烧伤现象。

2 方案设计

2.1 后支架工艺流程

产品优化后的工艺流程如图3所示。1～4工序：热前加工非配合面至成品状态，配合面预留余量（腔底2-φ15H8小孔加工至φ12、筋板φ19H8孔未加工，筋板和2-φ15H8孔凸台预留余量）。9～12工序：加工除2-φ15H8孔和φ19H8孔及端面以外的所有配合面尺寸。13工序：第一步，在立式加工中心上，先镗2-φ15H8孔；第二步，铣2-φ15H8孔凸台端面；第三步，铣筋板φ19H8孔端面；第四步，安装角度头，并根据孔方向初步确定刀轴方向；第五步，拉直角度头基准面跳动在0.02 mm内；第六步，钻扩铰φ19H8孔。17工序：对腔底2-φ15H8小孔和筋板φ19H8孔压套。18工序：铰筋板φ19H8压套孔。20工序：第一步，根据外联件协调数据，以筋板φ19H8压套孔轴线为基准，在立式加工中心上，先镗2-φ15H8压套孔；第二步，铣2-φ15H8孔压套后衬套端面；第三步，铣筋板φ19H8孔压套后衬套端面。21工序：预装挂架，检查互换性。

图3 后支架工艺流程

2.2 程序编制

根据机床数控系统FANUC指令集，配置UG钻镗铰后处理文件，规范数控程序输出结构和数据，以刀轴为矢量编程。以孔轴线与机床X或Y轴平行确定编程刀轴矢量，孔的圆心点为定位原点，选定孔顶面位置和底面位置设置加工深度至穿过孔底面（Though Bottom Surface），确定安全退刀位置，利用荷马公司的90°角度头T90-2.5（刀具中心距角度头壳体下端轮廓为25 mm），选用3轴加工模式进行后置处理，最终结果如图4所示。

图4 φ19H8孔加工

3 方案改进及验证

首件加工后检查挂架装配状态，采用螺栓检查孔的同轴度，螺栓无法顺利通过φ19H8（压套后成品尺寸为φ16H8）孔。经对产品实物测量:φ19H8孔与挂架φ16H8孔的中心轴线偏离0.1 mm。根据手工铰孔特性知，手工铰制对筋板压的成品套φ16H8孔的轴线基本不产生影响。造成轴线偏差的主要原因是：加工过程的工艺方法不完善，受角度头连接的限向块间隙影响，导致产品压套后φ16H8孔轴线与2-φ15H8孔中心连线不平行。因此，改善环节可从工艺过程控制和刀具定位方式两大方面开展。

3.1 工艺过程优化

后支架及其组件的加工选用三轴门式加工中心KMC，拉直夹具定位基准全长面跳动不大于0.03 mm，找平工件表面，安装90°角度头。为消除角度头安装间隙问题，在限向槽的侧面设计一个顶丝孔，当角度头安装完毕后（如图5），旋合顶丝与定位销保持紧密贴合状态（消除摆动间隙）。

图5 角度头结构及其安装

3.2 刀具定位方式改进

针对加工过程中位置尺寸超差的问题，设计了带前、后导向套的专用夹具。以腔底已加工2-φ15H8孔和端面定位，刀具在统一导向定位状态下，可消除对刀误差和加工过程中的刀具偏摆影响，保证孔位（78±0.2）mm和28.5 mm（在夹具设计时公差按±0.02 mm控制）。具体操作过程是：在加工前，安装夹具在定位基准上，将夹具的导向套套在钻头上，调节角度头刀具，缓慢进入夹具后导向套安装孔，手动旋合导向套，直至内夹具孔内旋合过程无紧涩感，后续扩铰孔按照是否旋合至紧涩状态，来判定刀具的安装状态是否符合加工要求。

3.3 互换性状态协调

针对后支架与外联件的安装技术要求，为保证异地协作配套的互换性。在配套加工时，按给定尺寸的上限协调，并控制相应的直线度。

图6 导向套加工

3.4 切削参数确定及方案验证

后续采用同状态的TC18钛合金10组试件进行切削性能对比验证：φ19H8孔所用刀具按表1切削参数加工，不但提高了产品的加工效率，还能避免烧伤及应力引发的微裂纹现象。按照优化后的切削参数，外联件安装顺利，满足设计性能指标。

表1 加工φ19H8孔各刀具切削参数

为进一步提升产品质量，在加工过程中需注意以下事项：首先，在加工前选择锋利的刀具，检查刃口完整性，测量合金铰刀是否为φ19H7；其次，以夹具后导向套为引导，检测导向套在安装孔的紧涩程度；最后，在铰削过程中，需充分冷却。

4 结 论

后支架作为某型飞机起落架上重要结构件，主要零件材料为TC18钛合金，为满足异地协同制造的互换性装配要求，采用工艺过程、刀具定位方式的优化、产品配套状态的协调，确定了φ19H8孔的加工方案。以问题为导向，分析解决了孔轴线与2-φ15H8中心连线的不平行、尺寸不协调的问题，为类似后支架工件的异地协同、互换装配提供了一种工艺设计方案。