基于難加工材料鉆銑孔加工的新工藝分析

雷運清

摘 要：螺旋銑孔技術(shù)具有單把刀具可完成系列直徑、高質(zhì)量孔的加工，同時具有生產(chǎn)效率高、加工成本低等技術(shù)優(yōu)勢，已成為了難加工材料制孔加工的主要加工工藝。本文從傳統(tǒng)鉆孔工藝在面對難加工材料的制孔加工時存在的問題進行分析的基礎(chǔ)上，提出了螺旋銑孔新技術(shù)，并就螺旋銑孔技術(shù)的動力學特征和該工藝技術(shù)在難加工材料制孔加工時體現(xiàn)的顯著技術(shù)優(yōu)勢進行了詳細分析，為螺旋銑孔技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：螺旋銑孔；難加工材料；新工藝；智能制造

中圖分類號：TG54；TH16 文獻標識碼：A

Abstract：The key technology of the difficult-to-cut materials is the helical milling cutter， it can generate the smoothercutting surfaces with the high qualityand a series of diameter millingswith a single tool. The new method possesses has many advantages of low cost， produces smoothercutting surfaces ， high efficiency and so on .Because of the high quality of the hole requirement on the difficult-to-cut materials ， the traditional drilling cannot satisfy the requirement. Aim at the problem of making holes with traditional drilling， the paper brought helicalmilling in integrate high efficiently making holes. Helical milling kinematics characteristicsand the significant technological advantages were analyzed. The theoretically differences between helical milling and traditional drilling were investigated， the reason why helical milling is better than traditional drilling was confirmed.

Keywords： helical millingkinematics；difficult-to-cutmaterials；newprocess；intelligent manufacturing

0.引言

智能裝備是智能制造的核心組成部分，是未來國民經(jīng)濟的發(fā)展特別是智能制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)。然而，裝備的生產(chǎn)能力、加工效率和質(zhì)量是整個裝備制造智能化的關(guān)鍵，并且在制造領(lǐng)域中與增材制造相對應(yīng)的減材制造技術(shù)的發(fā)展進入了瓶頸階段，為此針對金屬和非金屬新切削加工機理的研究，產(chǎn)生出更先進的加工方法，提高整個裝備生產(chǎn)效率，成為了裝備制造業(yè)快速實現(xiàn)的必備條件。同時，隨著當今科技的快速發(fā)展，對復合材料、鈦合金以及碳纖維之類難加工材料的使用量也越來越大，尤其是一些大型構(gòu)件上必須應(yīng)用復合材料合金疊層的結(jié)構(gòu)才能夠滿足其使用功能，但復合材料和合金對應(yīng)的物理化學性能、力學和機械加工性質(zhì)等截然不同，在采用傳統(tǒng)的孔加工工藝對這類難加工材料進行切削處理時無法達到預期的加工效果。為此本文主要針對難加工材料進行鉆銑孔加工時所采用的新工藝進行相應(yīng)分析，以期為后續(xù)更多組合的層狀材料結(jié)構(gòu)的加工提供了一種思路。

1.傳統(tǒng)制孔加工工藝

傳統(tǒng)的孔加工工序上通常采用了鉆削的加工工藝。在鉆孔過程中，主軸中心的線速度為0，即鉆頭中心不參與切削，工件中心區(qū)域需要切削去除的材料完全依靠向下的推力將其擠出去，因而鉆頭所承受的Z向力很大，當加工鈦合金等難加工材料時，導致了刀具的磨損失效非常嚴重。

傳統(tǒng)鉆孔加工工藝是一個連續(xù)切削過程，刀刃始終與工件相接觸，使得切削時接觸面溫度快速升高，而鈦合金等難加工材料本身的導熱性差，為此只能依靠切削的廢屑帶走，但切削的廢屑只能從鉆頭狹槽中排出，排屑速度較慢，切削產(chǎn)生的熱不能及時散發(fā)時，大量切削熱留在了工件和刀具上，連續(xù)的切削使溫度不斷累積，加速了刀具的快速磨損失效；另外，往外擠壓的廢屑與已加工孔表面有直接接觸時，容易劃傷加工表面，使得加工質(zhì)量達不到使用的精度要求。

可以看出，采用傳統(tǒng)鉆孔工藝對難加工材料進行加工時不僅刀具磨損失效嚴重，同時后續(xù)還必須依靠其他工序才能夠保證加工孔的表面質(zhì)量，使得工作效率低，加工成本增大。因此，傳統(tǒng)鉆孔工藝已不再適用于難加工材料的加工。

2.螺旋銑孔工藝

螺旋銑孔工藝的加工過程主要由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”和沿孔軸線方向的進給運動復合而成的螺旋進給運動，加工過程的運動軌跡如圖1所示。該工藝特點為銑刀垂直于工件表面沿螺旋線下刀，并可以小直徑刀具加工大直徑的孔。

螺旋銑孔工藝與傳統(tǒng)的鉆削加工相比采用了完全不同的加工方式。首先，加工刀具中心的運動軌跡是螺旋線而非直線，刀具中心與所加工孔的中心不重合，同時刀具的直徑與加工孔的直徑不同，從根本上突破了傳統(tǒng)鉆孔工藝中刀具直徑與加工孔徑需嚴格匹配對應(yīng)的問題，實現(xiàn)了單把刀具可加工多系列種類的孔徑，提高了加工效率，降低了加工成本。

另外，螺旋銑孔過程屬于斷續(xù)偏心的銑削過程，對刀具的散熱和切屑的排出十分有利，有效避免了由溫度累積造成刀具的磨損失效和切屑對加工表面的劃傷。endprint

螺旋銑孔技術(shù)作為一種新型孔加工工藝，具有切削過程平穩(wěn)、刀具承受切削力小和一次加工即可滿足精度要求等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外材料加工領(lǐng)域研究的熱點和難點之一。

3.螺旋銑孔的動力學分析

在螺旋銑孔過程中軌跡的運動包括有周向和軸向兩個方向進給的間斷切削，即刀具主軸的向下進給運動和切削刀具軸向進給運動。從圖1可以看出，螺旋銑孔工藝運動主要特征為刀具的直徑小于孔直徑、刀具軸線與孔軸線間存在偏距、刀具中心點的運動軌跡為與孔同軸的螺旋線。為此，螺旋銑孔過程中銑刀軸向切削深度、徑向切削深度和主軸轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)選擇至關(guān)重要，尤其是選取參數(shù)匹配不合理的情況下很容易引起系統(tǒng)橫向、軸向以及繞軸線方向產(chǎn)生切削顫振失穩(wěn)的現(xiàn)象。大量的試驗表明，軸向進給量對軸向銑削力的影響最大，且隨著軸向進給量的增大，銑削力增大，刀具磨損會更加劇烈。

4.螺旋銑孔的技術(shù)優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的鉆孔加工工藝，對難加工材料在切削孔的加工工序中螺旋銑孔技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯。

4.1孔表面質(zhì)量和刀具壽命

從螺旋銑孔技術(shù)的分析可知，螺旋銑孔屬于斷續(xù)切削，加工過程中較低的銑削力可使加工的孔無毛刺；同時銑削刀具直徑比加工孔徑小，切屑可以快速順利地排出，提高了加工孔表面的光潔度；尤其是在加工復合材料時，可以消除以往傳統(tǒng)鉆孔工藝存在的脫層、剝離、孔表面加工精度低等問題，顯著提高了難加工材料上加工孔表面的精度質(zhì)量和強度。

螺旋銑孔時屬于偏心加工過程，刀具直徑小于加工孔徑，使得銑刀承受的切削力小，具有切削過程平穩(wěn)，易于排屑，有效避免了發(fā)熱過快刀具的磨損失效，使刀具的使用壽命顯著提高。

4.2生產(chǎn)效率和自動化程度高

采用螺旋銑孔技術(shù)時可以省去傳統(tǒng)的锪錐孔、鉸孔、去毛刺以及冷卻液的清除等加工工序，尤其是可用單把刀加工不同直徑的孔和復雜形狀的孔，減小了加工孔的刀具種類型號和避免了傳統(tǒng)鉆孔時需要更換不同直徑鉆頭的問題，縮短了研制加工周期，節(jié)省加工成本。

傳統(tǒng)鉆孔加工時軸向力太大，無法集成到相對比較柔弱的工業(yè)機器人，然而螺旋銑孔在加工時銑削力小，可以集成到生產(chǎn)線上的工業(yè)機械手實現(xiàn)自動化的銑孔加工，從而也可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

4.3新材料應(yīng)用

新材料的研制使用需要有新的加工工藝支撐。螺旋銑孔工藝只需單把刀具就可以加工出不同直徑、高質(zhì)量的孔，既省去了換刀時間，又節(jié)省了精加工的工序，極大提高了生產(chǎn)效率。通過分析可知，在難加工材料的孔加工方面螺旋銑孔技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢，因此在螺旋銑孔等新工藝的逐步成熟下，飛機及航天器上零部件新型材料的廣泛使用勢必成為未來的發(fā)展趨勢，尤其是鈦合金、復合材料及碳纖維等新型材料及復合結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，將會越來越廣泛。

結(jié)論

本文在對螺旋銑孔工藝及動力學特征進行分析的基礎(chǔ)上，對難加工材料采用螺旋銑孔工藝進行制孔加工時具有單把刀具完成多系列直徑孔的加工，同時能夠保證加工孔質(zhì)量精度，在生產(chǎn)效率以及加工成本等方面具有明顯的優(yōu)勢，已成為了難加工材料制孔加工的主要生產(chǎn)工藝，同時隨著該技術(shù)的推廣和應(yīng)用，傳統(tǒng)的鉆孔加工工藝逐漸被螺旋銑孔技術(shù)所代替。

參考文獻

[1]Denkena B，Boehnke D，Dege J H.Helical Milling of CFRP-titanium Layer Compounds[J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2008，1（2）：64-69.

[2]王豐超， 張碩， 姚振強，等.鈦合金螺旋銑孔工藝參數(shù)對孔加工質(zhì)量的影響[J].機械設(shè)計與研究，2015，31（2）：101-104.

[3]，沈興東，張鑫.鈦合金可切削性的研究及加工刀具設(shè)計[J].工具技術(shù)，2003，37（12）：24-28.

[4]李忠群，鄭敏，王鑫. 螺旋銑孔技術(shù)研究進展[J].湖南工業(yè)大學學報，2013，27（1）：38-42.

[5]，劉長毅，唐治安，楊生，等.螺旋銑孔工藝的切削穩(wěn)定性及工藝參數(shù)規(guī)劃[J].中國機械工程，25（22）：3022-3028.

[6]董輝躍，陳光林，周蘭，等.CFRP復合材料/鈦合金疊層螺旋銑孔工藝[J].復合材料學報，2017， 34（3）：540-549.

[7]劉剛，王亞飛，張衡，等.基于分屑原理的螺旋銑孔專用刀具研究[J].機械工程學報，2014，50（9）：176-184.endprint