机械工程师MECHANICALENGINEER30CrMnSiNi2A与铝合金夹层材料手工制孔工艺优化万书会，张博轩，曹宇，张泉，张遵生（天津航天长征火箭制造有限公司，天津300462）摘运载火箭舱段产品中部分螺栓连接孔位置因装配空间和产品结构的限制，无法采用大型设备进行自动化制孔，只要：能采用手工制孔。对于30CrMnSiNi2A钢锻件与铝合金零件的连接部位，因30CrMnSiNi2A材料硬度较高，手工制孔的难度较大，钻铰出的安装孔孔径超差较多，孔内壁容易出现阶梯及粗糙度差的问题。基于上述问题采用新型的手工制孔方式，突破了30CrMnSiNi2A与铝合金夹层材料舱段制孔难、质量一致性差的问题。关键词：30CrMnSiNi2A钢锻件；舱段制孔；镶合金划钻中图分类号:TG937文献标志码:粤员园园圆原圆猿猿猿03原园157原园3文章编号：（圆园员9）OptimizationofManualHoleMakingProcessfor30CrMnSiNi2AandAluminumAlloySandwichMaterialsWANShuhui,ZHANGBoxuan,CAOYu,ZHANGQuan,ZHANGZunsheng(TianjinLongMarchLaunchVehicleManufacturingCo.,Ltd.,Tianjin300462,China)Abstract:Duetothelimitationofassemblyspaceandproductstructure,someboltconnectionholesinthelaunchvehiclecabinproductscannotbeprocessedbylargeequipmentandcanonlybeprocessedbymanual.Thejointof30CrMnSiNi2Asteelforgingsandaluminumalloypartshashighhardness,anditisdifficulttomanuallyprocesstheholes,resultinginoftheholemakingofthe30CrMnSiNi2Aandthealuminumalloysandwichmaterial.Keywords:30CrMnSiNi2Asteelforgings;cabinhole;inlaidalloydrillmoreout-of-tolerancediameterofthemountingholes,andtheinnerwalloftheholesispronetotheproblemofsteppedholesandhighroughness.Basedontheaboveproblems,anewtypeofmanualprocessingisadoptedtosolvetheproblem0引言材料，因其含有Ni元素，钢的强度和韧性较高[1]。同时泛应用于动态冲击载荷的零件上[2]。30CrMnSiNi2A钢是一种综合性能良好的航空结构30CrMnSiNi2A材料还具有较好的抗疲劳性能，因此被广为提高运载火箭结构的强度，通常采用铝铝夹层或钢铝夹层的结构。夹层材料通过铆接或螺纹联接而成，因此孔的加工质量是保证装配质量的前提[3]。对于大直径多夹层的连接孔多采用钻铰设备完成。使用钻铰设备制出的孔精度较高。采用设备钻孔时零件间隙得到有效的排除，产生毛刺的情况较少，有利于提高结构件的疲劳强度[4]。大型的钻孔设备虽然可以实现零件高效和高精度的制孔，但是对于火箭舱段装配空间不足位置的孔，很难采用钻孔设备进行制孔。某运载火箭一零件采用30CrMnSiNi2A钢锻件加工而成，经热处理后硬度达到35耀40HRC，材钢锻件铝合金件料硬度高、制孔加工困难。此钢锻件与铝合金零件的叠层材料组合装配后夹层厚度为53mm，钢锻件与铝合金零件采用径向螺纹联接，图样要求终孔精度为准24.5H9，如图1所示。钢锻件与铝合金件（如中间框、蒙皮）组合时必须采用工艺装备进行装配，以保证各项形位公差的设计要求。因工艺装备占用了大型钻铰设备的定位空间，导致钢锻件与铝合金零件无法采用大型的钻铰设备进行架上钻孔。此外钢锻件的设计结构复杂，径向孔的钻孔空间狭窄，无法采用在钢锻件上定位钻模并转接小型的钻铰设备（如磁力钻、自动进给钻）。通过上述分析可知，由于操作空间受限，叠层材料只能采用手工制孔,而使用高速钢钻头手工制孔的过程中频繁出现了钻头被卡住的问题，退出刀具再继续制孔，孔内壁易出现阶梯状，部分螺栓连接孔的孔径出现超差及孔出口处粗糙度较差等质量缺陷，如图2所示。因高速钢钻头的后端在制孔时可能与钢锻件发生干涉，即钻头与钢锻件的孔壁发生摩擦，导图2钢锻件螺栓孔实物图致钻孔时切削力变大，刀具磨损加快[5]。针对30CrMnSiNi2A钢锻件在装配过程中存在的材料硬度大、制孔实现困难、径向孔质量一致性不高的突出问题，从制孔工具选择、制孔工艺方法及辅助工装夹具设计等方面进行研究，并进行工程化应用验证，提高螺栓孔的制孔精度。1制孔工具选择图1夹层示意图30CrMnSiNi2A钢锻件与铝合金的夹层连接位置夹层厚度累计为53mm，由于径向孔纵深较大，高速钢钻头的www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第3期网址：157机械工程师MECHANICALENGINEER排屑槽为螺旋形，钻孔后切屑长而弯曲，易出现铝屑堵塞的问题。此外，由钢锻件向铝合金件钻孔时会产生震颤，钻头产生震颤后，钻头与零件表面不能完全垂直，钻头的后刀面与钢锻件发生干涉，会出现钻头被“卡住”的问题，因此需要频繁退出钻头再次进行钻孔的操作，孔壁易出现阶梯状，钻孔效率较低，同时增大了钻头磨损。后刀面发生磨损以后改变了刀具与工件之间的接触方式，由理论上的线接触变为面接触[6]，刀刃磨损后降低了钻头的寿命。针对上述问题，需要重点解决钻头使用过程中出现的导向性差、频繁卡住及孔壁质量差的问题。于制造形状较为复杂及低速切削的工具[7]。H10F合金片其钨、钴含量采用合理配比，其硬度和耐磨性较好。刀具顶角设计为120毅，采用120毅的刀具顶角与无顶角设计的划钻相比，钻孔过程中铝屑的排出更加畅通，钻孔耗时大幅降低，提高了手工制孔的效率。2制孔工艺技术钢锻件底孔预制为准24.1H9，预留0.4mm的精铰量，因铝合金零件上无初孔，现设计专用的同心钻套准24.1/如图6所示。为保证钢锻件与铝合金零件同轴，先采用准6，1.1增加刀具导向功能火箭舱段为圆柱形，钢锻件与铝合金叠层材料的径向孔必须保证与舱段同心，如图3所示。但目前的高速钢钻头并不具备导向的功能，采用高速钢钻头制孔后容易出现径向孔与舱段不同心的问题，从而导致螺接后出现单侧间隙。因此刀具需增加导向的功能，为此设计了如下的刀具，刀具设计形式为：前端为导向杆，中间部分为刀体，后端为刀杆，如图4所示。刀具为整体式结有足够的刚性，刀刃部位采用划钻的结构形式。在刀具前端设置直径准6的加长导向杆，保证钢锻件与火箭舱段同轴。图3径向孔与舱段同心示意图准24.1/准6同心钻套由钢锻件向铝合金件钻制出准6底孔，准6底孔如图7所示。50准6+0.01+0.020.01准24.10.02图6同心钻套图7准6同心底孔针对普通钻头钻孔后，孔壁出现阶梯的问题，划钻前端设置直径为准6的导向杆，保证钢锻件与壳体同轴。后端采用平底划钻的部分切削刃。镶合金划钻操作简便、进给平稳，采用镶合金划钻取代高速钢钻头后，孔壁的磨损程度大幅降低，铝合金零件孔壁未出现“阶梯”的问题。经制孔实验后，孔径尺寸数据分布曲线如图8所示，采用镶合金划钻较普通高速钢刀具制出的底孔离散性较好，未出现底孔超过准24.1的情况。构，保证钻制深孔时也1.2刀具方案优选采用图4的刀具设计方案，图4刀具初选方案解决了钻头与普通高速钢镶合金划钻舱段不同轴的问题，刀刃部分较短可有效减少刀具与孔壁的摩擦，钻孔过程中刀具进给平稳。但因刀刃顶角为水平设计，手工钻孔耗时较长，钻制一个准24.1孔平均耗时孔，需退出刀具取出圆环片后继续钻孔。影响继续钻14耀15min。钻孔时发现部分铝屑呈圆环状，为进一步提高手工制孔效率，设计了专用的钻孔工具———镶合金长柄划钻，如图5所示。划钻主体结构仍由导向杆、刀体、刀杆组成。因钢锻件上的孔距离零件伸出部分较近，为避免划钻与钢件伸出部分产生干涉，将刀杆直径设计为8mm，同时便于风钻夹持。钢锻件的径向最大跨度为166mm，连接件的夹层厚度为53mm，因此将刀具的整体长度增至260mm。划钻的主要材料采用9SiCr，导向杆刀体刀杆序号图8孔径尺寸数据分布曲线3辅助工装夹具设计零件在制孔后，发现部分安装孔在出口一侧粗糙度较高。经过分析，推测是在划钻即将贯通壳体时，因划钻导向杆悬空，导致划钻失去导向产生晃动而造成制孔出口一侧粗糙度高。3.1初选定位方案针对孔出口端划钻失去导向问题，首先角片上制出料淬透性、淬硬9SiCr材与导向杆同直径的准6孔。当导向杆露出来一定长度后，将导向杆插入角片的准6圆孔中，用弓形架将角片固定在中间框的加强筋上。此定位方案存在的主要缺陷为：弓形夹的固定方式没有微调结构，难以保证角片的导向作用不存在偏差，零件孔与角片上孔的同轴度较差。图5镶合金长柄划钻性较高，主要用158圆园员9年第3期www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com网址：机械工程师MECHANICALENGINEER3.2优选定位方案根据3.1节的设计弊端，调整钻孔及定位顺序：首先将法，打破了传统的使用大型钻孔设备进行制孔的方式。经过工艺优化，钻铰孔质量一致性有了显著提高，同时采用新的制孔工具，操作简便易行。辅助工装夹具设计，采用先固定角片，预钻导向孔时直接在角片上钻出导向孔，导向杆的导向作用精准无误。此工艺方案减少了划钻在出口端的晃动量，减少了孔壁出现阶梯的问题，提高了孔壁表面质量，满足图样要求的制孔精度。[参考文献][1][2][3][4][5][6][7]间框的加强筋上，中间框在制与钢锻件的准6孔同心孔时将角片也一起制出。在划孔结尾阶段，导向杆可以通过角片上的准6孔继续提供导向，如图9所示。铝合金划钻角片弓形夹然后用弓形夹将角片固定在中L型角片对正孔出口一侧，经过实践，此方法有效地解决了导向杆在出口一侧失去导向，孔出口端粗糙度高的问题。此定位方式的缺点是需要经常更换定位角片。零件铰孔前、后效果如图10、图11所示，铰孔后未出现孔径李志宏,唐华.壳体用钢30CrMnSiNi2A的强韧化热处理研究[J].河南冶金,2005(4):18-19.李磊,张先锋,吴雪,等.不同硬度30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数[J].高压物理学报,2017,31(3):239-247.试验[J].航空制造技术,2017(23/24):93-97.航空制造技术,2009(24):61-64.林涛,李国和,刘蒙,等.不同冷却下运载火箭叠层厚板高速制孔卜泳,许国康,肖庆东,等.飞机结构件的自动化精密制孔技术[J].申涛,卢秉亮,李明颖,等.标准麻花钻后刀面干涉的仿真[J].大连工业大学学报,2011,30(6):440-443.吴泽群,刘亚俊,汤勇,等.刀具后刀面磨损量对切削力及加工表面粗糙度的影响[J].工具技术,2005,39(5):37-39.报,2017(10):55-58.杨雪春.合金工具钢9SiCr的球化组织分析[J].通化师范学院学（责任编辑马忠臣）图9辅助工装夹具超差的问题。图10铰孔前图11铰孔后4结语作者简介：万书会（1986—），女，本科，工程师，长期从事运载火箭铆接舱段的装配工艺工作。2018-05-30收稿日期：30CrMnSiNi2A钢锻件与铝合金夹层材料制孔工艺方(上接第156页)短径处的切削深度值最小。目前，也有许多车削椭圆的方法[7]，比如“活塞裙部中凸变椭圆异型面车削加工”它是运用靠模方法车出的椭圆。这种方法在切削过程中最多只能获得一次标准的椭圆柱，当继续径向进刀时，所获得的只是一个近似的椭圆柱。其误差会随着刀具背吃刀量的加大而变大[8]。图10中，假设原来工件截面已获得一个标准的椭圆形状。因为每转的切削深度不变，最后得到的就不再是椭圆了，是一个两头尖的图形。图10工件截面形状长刀具寿命。结语本文通过实践证实了在普通车床上是可以加工出标准椭圆柱的，并且与“活塞裙部中凸变椭圆异型面车削加工”方法相比，误差小得多。详细地介绍了如何实现在普通车床上加工椭圆柱。该实验在理论上很好地运用了逆向创新方法。今后，还可以对该实验中一些数据进行误差分析。[参考文献]5[1][2][3][4][5][6][7][8]梁海顺.技术创新方法与技巧[M].北京:国防工业出版社,2005.2017(17)：143-144.制[J].中国设备工程，2005.王伟麟.机电综合实训[M].北京:化学工业出版社，杨文宣,赵贵胜,李杰.普通车床双向进给练习辅助装置研制研尹爱东.基于宏程序的斜椭圆数控加工与研究[J].机电产品开发与创新,2011,24(3):182-183.李昌年.机床夹具设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2006.王茂元.机械制造技术[M].北京:机械工业出版社,2001.71.其次，刀尖绕成形圆一周进行切削时，刀具的工作主偏角与工作副偏角都在发生变化。前面在分析刀具角度时，也提到了这一点。值得提出的是，在切削过程中，还发生了一个奇怪的现象，当刀尖切削到采用很大主偏角进行切削的一个区域时（图9的C区），这时的切屑不是一丝丝往下掉，而是积聚成一片一片往下掉。显然此时的刀尖没有切削到工件的外表面材料，而是像铲草皮一样。从而得到启发：在加工中，若可以选用较大主偏角（大于90毅）进行切削，这样就能减少刀刃直接与工件表面的硬皮接触的机会，能延常斌.在数控车床上加工斜椭圆的方法[J].现代机械,2014(6):70-张伟.车工工艺[M].北京:中国劳动社会保障出版社,1997.（责任编辑马忠臣）作者简介：王丽君（1986—），女，本科，工程师，研究方向为机械加工。2018-06-12收稿日期：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第3期网址：159