螺旋銑孔技術研究進展

楊國林，董志剛，康仁科，鮑巖，郭東明

大連理工大學 機械工程學院，大連 116024

裝配是飛機、火箭等制造中的關鍵環(huán)節(jié)，約占總工作量的50%～60%[1]，而制孔則是裝配中的主要工作之一。裝配是將不同零件組裝成部件，再將不同部件組裝成整機的過程。其中不同零件、部件間的連接，目前絕大部分采用以鉚釘連接、螺栓連接為代表的機械連接形式。數(shù)據(jù)表明，70%的飛機機體疲勞失效事故起因于結構連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處[2]。連接孔的加工質量直接影響機械連接的質量，從而影響到整機的裝配質量，乃至后續(xù)的使用壽命與飛行安全。

然而，飛機、火箭等裝配中的制孔加工也是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，長期以來都是航空航天制造技術中的研究熱點之一。裝配中連接孔的加工難點主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1) 制孔數(shù)量大。例如，一架大型客機裝配需要的制孔總數(shù)通常在百萬以上[3]。巨大的制孔數(shù)量對加工效率、成本、工藝穩(wěn)定性、刀具壽命等都提出了嚴格要求。

2) 精度、質量要求高。由于制孔精度、質量影響到飛行安全和使用壽命，因此對制孔的尺寸精度、位置精度、孔壁質量、加工損傷、毛刺、合格率等都有著嚴格要求，且不斷提高。

3) 作業(yè)環(huán)境復雜。飛機、火箭等零部件通常結構復雜、尺寸龐大，裝配時還需要使用大量的工裝夾具，導致操作空間狹小、易干涉，給制孔加工的實施帶來了困難，目前大量依賴專用制孔裝備。

4) 材料工藝性差。復合材料、鈦合金、異質疊層結構等難加工材料大量使用，制孔精度、質量的控制更加困難，刀具磨損嚴重，易產生不可修復的加工損傷。

目前，裝配中連接孔的加工主要通過鉆孔實現(xiàn)，并配合擴、鏜、鉸、锪等工藝。經過多年的發(fā)展，相應的刀具、工藝、設備、工裝等技術均已成熟，性能也不斷提高。但與此同時，以鉆孔為代表的傳統(tǒng)制孔方法由于本身加工原理的限制，性能提升潛力也在不斷縮小，發(fā)展逐漸遭遇瓶頸。尤其是我國正在研制的大型飛機，以碳纖維復合材料為代表的各種難加工材料使用更多，制孔直徑更大，制孔精度、質量要求更高，給傳統(tǒng)制孔工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。螺旋銑孔是近些年航空航天領域出現(xiàn)的制孔新方法，相對于鉆孔等傳統(tǒng)工藝由于切削原理上的改變，表現(xiàn)出了許多特有的技術優(yōu)勢[3]，成為當前航空航天領域研究熱點之一。

本文結合航空航天構件裝配中的制孔加工需求，首先分析了螺旋銑孔的基本原理并總結了其相對傳統(tǒng)制孔工藝的技術優(yōu)勢；然后，從運動學、切削力和溫度、加工質量、刀具、新工藝等方面概述了國內外在螺旋銑孔加工機理上的研究現(xiàn)狀；接著，圍繞實現(xiàn)螺旋銑孔技術應用所需的專用裝備，介紹了不同類型加工設備的研究進展；最后，總結了螺旋銑孔技術的發(fā)展趨勢與前景。

1 螺旋銑孔基本原理與技術優(yōu)勢

1.1 基本原理

螺旋銑孔(Helical milling)在國外又稱行星鉆(Orbital drilling)，制孔加工時使用特制立銑刀，刀具自身高速旋轉的同時沿著螺旋軌跡進給，在材料上銑削出一個直徑大于刀具自身的圓孔，螺旋銑孔原理如圖1所示。刀具進給軌跡呈螺旋線形，是螺旋銑孔的最顯著特點，在大部分螺旋銑孔專用加工設備上，螺旋進給運動是由兩個獨立的運動合成的：刀具繞加工孔軸線的旋轉進給運動，又稱公轉運動；以及刀具沿加工孔軸線方向的直線進給運動[4]，又稱軸向進給運動。此外，刀具自身的高速旋轉運動，即主切削運動，也稱為自轉運動。螺旋進給軌跡的導程由公轉運動和軸向進給運動共同決定，也是螺旋銑孔的重要工藝參數(shù)，計算式為

圖1 螺旋銑孔原理Fig.1 Schematic of helical milling

ap=f/n2

(1)

式中：ap為螺旋進給軌跡導程；f為軸向進給速度；n2為公轉速度。

螺旋銑孔加工時，加工孔徑大于刀具直徑，與螺旋進給軌跡的半徑(也稱偏心量)有關，加工孔徑的表達式為

DB=DT+2e

(2)

式中：DB為加工孔徑；DT為刀具直徑；e為偏心量。

螺旋銑孔適用于在無預孔情況下直接加工出圓孔，也適用于在有預孔情況下的擴孔加工。

螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔在加工原理上的主要區(qū)別如表1所示。

表1 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比

1.2 技術優(yōu)勢

區(qū)別于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔是一種銑削加工工藝，并且具有特殊的進給形式，使其相對傳統(tǒng)制孔方法具備了一些技術優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)有研究資料可歸納為以下幾點[5-10]。

1) 加工質量好。孔壁光潔度好，金屬材料出口毛刺高度低，復合材料出口分層少，孔壁燒傷少，加工孔尺寸精度也獲得改善。

2) 減少工序。由于螺旋銑孔加工質量好，較少的工序下即可實現(xiàn)難加工材料大直徑孔的加工，相對傳統(tǒng)的“鉆-擴-鉸”方法，工藝流程短，制孔效率提高。

3) 降低刀具成本。加工同樣孔徑螺旋銑孔使用的刀具直徑更小，通常單價更低；通過改變偏心量可以實現(xiàn)一把刀具加工多種孔徑，生產所需的刀具種類大幅減少。

4) 適用范圍廣?？杉庸て降酌た?，配合專用刀具可锪窩，在偏心量可聯(lián)動控制的條件下可以加工錐孔和階梯孔。此外，區(qū)別于鉆、鏜、較等傳統(tǒng)制孔工藝，螺旋銑孔由于是銑削加工，刀具不會受到工件上預孔的引導，避免了刀具引偏導致的各種加工問題，尤其適用于有底孔情況下的擴孔精加工，同時對預孔的位置精度偏差具有很強的糾正能力。螺旋銑孔還可以在傾斜表面進行制孔。螺旋銑孔適用范圍如圖2所示。

圖2 螺旋銑孔適用范圍Fig.2 Scope of application of helical milling

5) 易排屑。螺旋銑孔加工塑性金屬材料時，不會像鉆孔一樣產生連續(xù)切屑，同時加工孔徑大于刀具直徑，切削區(qū)域不封閉，排屑通暢，配合吸塵設備能夠有效排出切屑，不易堵塞。

2 螺旋銑孔加工機理

螺旋銑孔是一種新出現(xiàn)的制孔工藝，相對現(xiàn)有工藝不但刀具特殊，進給形式復雜，加工機理也有較大區(qū)別，近些年國內外學者對此展開了大量研究。

2.1 運動學

螺旋銑孔是一種銑削加工方法，但由于其進給軌跡呈螺旋線形，材料去除機理較常見的銑削加工形式更為復雜。Denkena[11]和Brinksmeier[12]等進行了螺旋銑孔運動學分析，研究表明螺旋銑孔加工過程中銑刀的端刃和周刃都參與切削，各自的未變形切屑形狀如圖3所示。其中端刃連續(xù)切削，未變形切削寬度為刀具半徑，厚度為軸向每齒進給量[11]。周刃斷續(xù)切削，未變形切屑為月牙形，寬度隨著銑刀旋轉角度按照正弦規(guī)律變化，最大值為切向每齒進給量[11]；高度隨著銑刀旋轉角度單調變化，且呈非線性關系，最大值為螺旋軌跡導程，周刃未變形切屑瞬時高度的計算式為[12]

圖3 螺旋銑孔中端刃與周刃各自的未變形切屑[12]Fig.3 Undeformed chip of frontal cutting edge and peripheral cutting edge in helical milling[12]

(3)

式中：h為周刃未變形切屑瞬時高度；βa為與銑刀旋轉角度相關的中間變量，βa的計算式為[12]

(4)

式中：RT為刀具半徑；φ為銑刀瞬時旋轉角度。

軸向每齒進給量和切向每齒進給量的計算式分別為

(5)

(6)

式中：fza為軸向每齒進給量；fzt為切向每齒進給量；n1為主軸轉速；z為銑刀齒數(shù)。

在Brinksmeier等[12]對螺旋銑孔運動學進行分析的過程中，還研究了螺旋銑孔加工中銑刀端刃與周刃去除工件材料體積之比,圖4為銑刀端刃與周刃分別去除的材料體積，比值的表達式為

圖4 螺旋銑孔中端刃與周刃分別去除的材料[12]Fig.4 Cutting material of frontal and peripheral cut in helical milling[12]

(7)

式中：V1為銑刀端刃去除工件材料體積；V2為銑刀周刃去除工件材料體積。

根據(jù)式(7)，當孔徑與刀具直徑確定之后，無論工藝參數(shù)為何，銑刀端刃與周刃去除工件材料體積之比都為定值。

2.2 切削力與切削溫度

切削力與切削溫度對制孔精度、質量、加工損傷和刀具壽命等都有著重要影響。螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔相比，切削力上的凸出特點為軸向分力減小，但由于是偏心加工出現(xiàn)了徑向分力。在切削溫度方面，螺旋銑孔則通常低于傳統(tǒng)鉆孔。一些學者通過進行大量制孔試驗，對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進行了對比。Brinksmeier等[13]針對鋁合金、碳纖維復合材料、鈦合金3種常見的航空航天材料進行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗，結果表明無論哪種材料，螺旋銑孔的切削溫度和軸向切削力都低于傳統(tǒng)鉆孔，如圖5所示。

圖5 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的切削溫度、軸向切削力對比[13]Fig.5 Comparison of cutting temperature and axial cutting force in helical milling and conventional drilling[13]

Voss等[14]也對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進行了系統(tǒng)的對比試驗研究，如圖6所示，試驗結果表明，隨著制孔數(shù)量的增加，鉆孔的軸向切削力不斷增大，而螺旋銑孔的軸向切削力則變化不大，且鉆孔的軸向力始終大于螺旋銑孔。此外，Voss等的研究還表明，螺旋銑孔加工中雖然存在徑向切削力，但其遠小于軸向力。

圖6 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的切削力與扭矩對比[14]Fig.6 Comparison of cutting force and torque in helical milling and conventional drilling[14]

為了對螺旋銑孔加工的切削力進行預測，不同學者分別進行了切削力建模。Rey等[15]考慮刀具的復雜幾何形狀，進行了螺旋銑孔加工的運動學分析，計算了未變形切屑厚度，建立了螺旋銑孔切削力模型，并進行了試驗驗證。Wang和Qin[16]針對單向帶碳纖維復合材料，在考慮材料具體鋪層結構和纖維切削角度的基礎上，進行了螺旋銑孔的切削力建模，試驗結果能夠與預測值較好的吻合。許君[17]考慮復合材料的內部結構，分析了工件在加工過程中的受力變形以及引起的端刃切削層厚度變化情況，基于彈性地基梁模型對螺旋銑孔軸向切削力進行了建模。此外，Ozturk[18]、Li Z Q[19]、Li Z L[20]、Zhou[21]等也進行了螺旋銑孔切削力模型的相關研究。

在螺旋銑孔切削溫度建模方面，Liu等[22-23]分別針對碳纖維復合材料和鈦合金，將銑刀端刃和周刃分別簡化為兩個熱源，建立了螺旋銑孔的三維熱傳導模型，并設計試驗測量了加工中的切削溫度，模型預測結果與實測值能夠較好的吻合。其在后續(xù)研究中，還針對復合材料/鈦合金疊層結構螺旋銑孔，研究了加工過程中不同材料間的熱量傳導，建立了預測模型，并開展了試驗研究。結果表明上層復合材料被切削時，對下層鈦合金工件的溫度影響作用很小，而下層鈦合金材料被切削時，上層復材中的溫度明顯增大，并呈線性增加的趨勢[24]。

2.3 加工質量

尺寸精度是制孔加工中的重要考核指標。Denkena等[11]針對復合材料/鈦合金疊層結構進行了螺旋銑孔加工試驗，檢測了加工中的切削力和加工后的孔徑誤差。試驗結果表明，由于螺旋銑孔為偏心加工，加工時存在徑向切削分力，使刀具受力產生指向加工孔中心的彈性變形，導致實際孔徑小于理論孔徑，如圖7所示。圖中，F(xiàn)fN為徑向切削力，Vc為切削速度，Vft為切向進給速度。并且隨著徑向力的增大，刀具變形增大，實際孔徑也逐漸變小。Denkena等的研究還表明，由于切削鈦合金產生的切削力更大，導致刀具變形更嚴重，兩種材料之間產生了孔徑差異，鈦合金的孔徑始終小于復合材料。Zhou等[25]也針對復合材料/鈦合金疊層結構開展了螺旋銑孔孔徑誤差的研究，結果表明復材孔徑大于鈦合金，且復材層入口孔徑大于出口孔徑，鈦合金層則相反。針對螺旋銑孔加工中讓刀引起的孔徑誤差問題，李士鵬等[26]通過研究刀具受力撓曲變形規(guī)律，結合切削力與刀具撓曲變形量間的耦合關系，建立了螺旋銑孔切削力的柔性預測模型；并基于鏡像對稱原理和迭代算法對孔徑誤差進行補償。試驗結果表明，補償之后孔徑誤差獲得了改善，孔徑誤差降低到5 μm左右。潘澤民[27]針對復合材料/鈦合金疊層結構螺旋銑孔加工，為消除刀具變形引起的孔徑誤差，建立了刀具變形量預測模型，并通過調整偏心量實現(xiàn)實時補償，使孔徑誤差減小50%，單次進給即可滿足IT9級精度制孔要求。Voss等[14]通過加工1 000個孔的工藝試驗對比了螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的加工尺寸精度穩(wěn)定性，結果表明螺旋孔加工中刀具磨損是影響尺寸精度的重要因素，刀具磨損后，加工孔直徑會迅速減小，導致制孔精度變差。Saadatbakhsh等[28]針對AISI 4340鋼通過工藝試驗研究了螺旋銑孔加工中各工藝參數(shù)對加工孔尺寸與形狀精度的影響規(guī)律，結果表明潤滑條件對孔徑誤差影響最顯著，切削速度對圓度和圓柱度影響最顯著。

圖7 徑向切削力對加工孔徑的影響[11]Fig.7 Impact of radial cutting force on bore diameter[11]

在出口毛刺方面，螺旋銑孔加工塑性金屬材料時的一個突出特點是會在出口形成帽形切屑。Brinksmeier和Fangmann[29]針對螺旋銑孔出口帽形切屑進行了研究，從運動學分析了出口帽形切屑的形成原理，并通過試驗分析了不同刀具角度、涂層、工藝參數(shù)、刀具磨損和潤滑條件對出口帽形切屑的影響規(guī)律。除帽形切屑外，螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔相似，也會在孔出口圓周留下隆起的毛刺，對此Li等[30]研究的不同刀具涂層對鈦合金螺旋銑孔出口毛刺高度的影響規(guī)律，結果表明不涂層的硬質合金刀具毛刺高度最低，小于0.15 mm。

在復合材料制孔時，出口分層是關注最多的加工質量問題之一。Sadek等[31]建立了螺旋銑孔加工復合材料的出口分層臨界軸向力模型，指出由于螺旋銑孔加工時軸向力為偏心載荷，且主要載荷為切線方向，使得螺旋銑孔加工復合材料時更不容易產生分層。王奔等[32]進行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗，結果表明，采用螺旋銑孔進行復合材料制孔時的切削溫度顯著低于傳統(tǒng)鉆孔，這是螺旋銑孔能夠抑制復合材料加工損傷的重要原因。在復合材料出口毛刺方面，Voss等[14]對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進行了對比，試驗結果如圖8所示，隨著制孔數(shù)量增多，螺旋銑孔產生的毛刺始終少于傳統(tǒng)鉆孔。Wang等[33-34]針對復合材/鈦合金、復合材料/鋁合金疊層研究了不同加工策略對制孔質量的影響規(guī)律，通過改變進刀方向和采用分步加工的方式有效減少了復合材料分層。

圖8 復合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔出口毛刺對比[14]Fig.8 Comparison of CFRP bore exits burrs in helical milling and conventional drilling[14]

孔壁粗糙度也是衡量制孔質量的重要指標之一。Qin等[35]針對鈦合金，在干切削、切削液潤滑和油霧微量潤滑條件下分別進行了螺旋銑孔制孔試驗，結果表明在不同潤滑條件和切削參數(shù)下，孔壁粗糙度都低于Ra1.0，說明螺旋銑孔能夠獲得較好的金屬孔壁光潔度。針對復合材料孔壁粗糙度，Voss[14]和Geier[36]等進行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗，結果都表明螺旋銑孔較傳統(tǒng)鉆孔加工復合材料時孔壁粗糙度更低。Voss等的試驗結果還表明，螺旋銑孔相對傳統(tǒng)鉆孔，加工復合材料時不僅孔壁表面粗糙度更低，而且孔壁加工損傷也更少，如圖9所示。圖中，φ為切削速度與纖維方向夾角。Saadatbakhsh等[28]針對AISI 4340鋼通過工藝試驗研究了螺旋銑孔加工中各工藝參數(shù)對孔壁粗糙度的影響規(guī)律，結果表明潤滑條件對孔壁粗糙度影響最顯著。Li和Liu[37]基于螺旋銑孔運動學分析，并通過使用Z-map模型表示工件，提出了用于預測螺旋銑孔被加工表面的三維形貌模型，并進一步得到用于表征待加工孔表面粗糙度的指標。

圖9 復合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔孔壁質量對比[14]Fig.9 Comparison of hole surface quality produced using helical milling and conventional drilling[14]

除了孔壁表面粗糙度，孔壁的表面完整性也對制孔綜合質量有著重要影響。尤其是關鍵部位承受大載荷的金屬結構件，其孔壁亞表面的晶相組織變化對連接孔的抗疲勞性能有著重要影響。Paulsen等[38]針對鈦合金材料，研究了螺旋銑孔和其他制孔工藝下的孔壁亞表面質量。Paulsen等的研究表明，相對于傳統(tǒng)鉆孔和低頻振動制孔，螺旋銑孔孔壁亞表面塑性變形層深度最小，如圖10 所示。圖中，Vf為進給速度。同時，螺旋銑孔會在孔壁亞表面組織形成壓縮應力，但應力值相對低頻振動制孔和傳統(tǒng)鉆孔較低。江躍東等[39]研究了螺旋銑孔加工工藝參數(shù)對鈦合金孔壁表面完整性的影響規(guī)律，結果表明，孔壁表面層殘余應力均為壓應力，有利于提高孔的抗疲勞性能，孔壁表層并未出現(xiàn)“白層”現(xiàn)象，螺旋銑孔工藝能改善鈦合金制孔表面完整性。Rasti等[40]針對AISI 4340鋼對比了傳統(tǒng)鉆孔、有預孔條件下的鉆孔和螺旋銑孔的孔壁表面完整性與疲勞壽命，結果表明螺旋銑孔的孔壁光潔度最好，顯微硬度最低，白層厚度最小，疲勞壽命優(yōu)于傳統(tǒng)鉆孔但低于有預孔條件下的鉆孔。

圖10 不同制孔方法下的鈦合金孔壁塑性變形[38]Fig.10 Plastic deformation of titanium alloy in different hole-making processes[38]

在螺旋銑孔加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面，Pereira[41-43]和Rodrigues[44]等針對鋁合金、淬硬鋼等材料的螺旋銑孔加工，建立了多目標魯棒優(yōu)化模型，系統(tǒng)分析了不同工藝參數(shù)對螺旋銑孔加工質量的影響規(guī)律，為螺旋銑孔加工工藝參數(shù)的選取提供了指導。陸翠[45]針對復合材料/鈦合金疊層結構進行了螺旋銑孔工藝優(yōu)化，研究了針對疊層結構的變參數(shù)螺旋銑孔加工工藝，分析了不同變參數(shù)位置對切削力、刀具和加工質量的影響規(guī)律，結果表明在刀具到達界面之前改變加工參數(shù)效果最優(yōu)。潘澤民[27]通過對軸向切削力進行在線檢測和評估，采用移動線性回歸算法識別切削力突變特征，獲取了疊層界面位置信息，實現(xiàn)了復合材料/鈦合金疊層結構螺旋銑孔過程中的界面自動識別，為變參數(shù)加工提供了技術支持。

2.4 刀 具

螺旋銑孔加工使用的是銑刀而非鉆頭，同時，由于進給形式特殊，工件材料特殊，一般的標準銑刀通常不能達到最優(yōu)的制孔效果，為此需設計專用刀具。

國外山特維克可樂滿公司、肯納金屬公司、藍幟公司等都有螺旋銑孔專用刀具的相關報道，但多為非標定制型號，具體細節(jié)較少公布。

國內天津大學[35,46-48]針對螺旋銑孔工藝開發(fā)了專用刀具，如圖11所示，進行了角度與涂層的優(yōu)化，并通過試驗進行了加工質量研究。同時，還研究了不同潤滑條件、工藝參數(shù)和涂層對刀具壽命的影響規(guī)律。浙江大學[49-50]基于分屑原理，結合螺旋銑孔中刀具的運動特點，設計了一種具有分布式多點陣端部切削刃的螺旋銑孔專用刀具，如圖12所示[25]，并與通用立銑刀進行了制孔效果對比試驗，制孔質量、刀具壽命均有改善。

圖11 天津大學開發(fā)的螺旋銑孔專用刀具[35]Fig.11 Special cutting tool for helical milling developed by Tianjin University[35]

圖12 浙江大學開發(fā)的螺旋銑孔專用刀具[25]Fig.12 Special cutting tool for helical milling developed by Zhejiang University[25]

2.5 新工藝

螺旋銑孔表現(xiàn)出的獨特技術優(yōu)勢吸引了大量學者的關注，并在傳統(tǒng)螺旋銑孔工藝的基礎上進行了拓展，發(fā)展出了新的制孔工藝。Tanaka等[51]提出了一種傾斜螺旋銑孔工藝，Wang等[52]隨后也進行了研究，傳統(tǒng)螺旋銑孔與傾斜螺旋銑孔原理的對比如圖13所示。傾斜螺旋銑孔也包括自轉、公轉、軸線進給3個運動，與傳統(tǒng)螺旋銑孔的最大區(qū)別在于刀具軸線傾斜布置，可以通過調節(jié)刀具傾角來改變加工孔徑。Fukushima和Tanaka[53]針對傾斜螺旋銑孔加工原理設計了專用加工設備并進行了運動學分析。

圖13 傳統(tǒng)螺旋銑孔與傾斜螺旋銑孔對比[51]Fig.13 Comparison of conventional helical milling and tilted helical milling[51]

另一些學者將螺旋銑孔與超聲振動輔助加工技術相結合，以進一步提高制孔質量、加工效率和刀具壽命，衍生出超聲輔助螺旋銑孔制孔工藝。大連理工大學[54]公布了一種超聲螺旋銑加工設備，哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了一種超聲縱扭復合振動銑孔裝置[55]，天津大學Chen等[56]研究了超聲螺旋銑孔的材料去除機理。

在對復合材料進行制孔時，除特制銑刀外，不同規(guī)格的砂輪也可作為刀具使用，并同樣沿著螺旋軌跡進給，以磨削代替銑削，實現(xiàn)圓孔的加工，Sultana等[57-58]對此進行了相應研究。

根據(jù)現(xiàn)有研究資料，針對螺旋銑孔加工機理方面的主要研究方向與進展如表2所示。

表2 螺旋銑孔加工機理研究進展Table 2 Research progress on machining mechanism of helical milling

3 螺旋銑孔專用裝備

由于螺旋銑孔相對傳統(tǒng)制孔工藝表現(xiàn)出獨特的技術優(yōu)勢，國內外許多企業(yè)和研究機構正在努力將其應用于航空航天構件裝配的實際生產中，這其中最大的障礙來自于螺旋銑孔對加工設備的特殊要求。雖然常見的三軸加工中心即可在試驗件上完成螺旋銑孔的工藝試驗，但實際生產中由于環(huán)境限制則必須依賴專用的制孔裝備，而現(xiàn)有的采用鉆孔工藝的制孔裝備通常無法提供螺旋銑孔加工所需的運動形式，為此，必須開發(fā)專用的螺旋銑孔加工設備。

目前開發(fā)的螺旋銑孔專用加工設備通常可分為兩類。一類為多功能末端執(zhí)行器，制孔時需要與機器人、多軸運動機構等集成后使用，通過機器人等將末端執(zhí)行器運送至正確制孔位置。多功能末端執(zhí)行器除提供自轉、公轉、軸向進給3個基本運動外，為保證制孔位置精度，一般還集成有視覺檢測、法向檢測等功能，為實現(xiàn)自動化加工通常還具有自動換刀、壓腳預緊、真空排屑等輔助功能，設計時側重于多功能和自動化。另一類為便攜式螺旋銑孔單元，工作原理模仿現(xiàn)有的自動進給鉆(ADU)。制孔前首先需要在正確的加工位置固定專用鉆模板，然后通過人工搬運的方式使便攜式螺旋銑孔單元與鉆模板通過機械結構對接。便攜式螺旋銑孔單元自身具有自轉、公轉、軸向進給3個基本運動，與鉆模板對接后不再需要人手把持，設備自重與切削載荷均由鉆模板承受，制孔位置精度也取決于鉆模板的安裝精度。因需人工在不同制孔位置間搬運，對設備體積重量有一定限制，設計時側重輕量化與小型化。

3.1 多功能末端執(zhí)行器

瑞典Novator公司最早開始螺旋銑孔專用加工設備的設計，針對飛機裝配中疊層結構的制孔需求，開發(fā)了一款E-D100型螺旋銑孔末端執(zhí)行器，與工業(yè)機器人集成使用，如圖14所示。該設備偏心調節(jié)范圍0～5 mm，最大制孔直徑 25 mm，通過HSK32刀柄裝夾刀具，重量130 kg。Novator公司使用該設備在鈦合金、復合材料上進行了加工性能測試，但未見后續(xù)改進或應用報道。

圖14 Novator公司開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器Fig.14 Helical milling end-effector developed by Novator

巴西航空理工學院Eguti和Trabasso[59]也開發(fā)了一款集成于工業(yè)機器人的螺旋銑孔多功能末端執(zhí)行器，如圖15所示。該設備集成有壓力可控的壓腳、視覺相機和法向檢測裝置，主軸采用氣動馬達驅動，偏心量需要手動調節(jié)，性能測試時在鋁合金板材上加工了直徑4.77 mm的孔，主要適用于小直徑孔的加工。

圖15 Eguti和Trabasso開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[59]Fig.15 Helical milling end-effector developed by Eguti and Trabasso[59]

國內航空制造技術研究院[60]以機器人為載體，開發(fā)了一款螺旋銑孔末端執(zhí)行器，如圖16所示。該設備具有偏心自動調節(jié)、曲面法向檢測、壓緊力調整和真空排屑等功能，制孔范圍10.5～20 mm，重量120 kg，刀具裝夾采用ER20彈簧筒夾。使用該設備在TC4鈦合金板材上進行了加工測試，上、下孔口整齊，毛邊高度低于0.1 mm，孔內壁光潔，未見切屑劃傷內壁現(xiàn)象，尺寸精度達到H8。

圖16 航空制造技術研究院開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[60]Fig.16 Helical milling end-effector developed by AVIC Manufacturing Technology Institute[60]

浙江大學[61]研發(fā)了一種可锪橢圓窩的螺旋銑孔末端執(zhí)行器，如圖17所示。除完成螺旋銑孔必要的自轉、公轉、軸向進給運動外，該設備主軸可通過齒輪圓弧齒條傳動實現(xiàn)主軸的左右擺動完成锪橢圓窩加工。為了實現(xiàn)偏心量的準確自動調節(jié)，設計了復雜的帶有閉環(huán)反饋的運動機構，可在0～5 mm范圍內實現(xiàn)偏心量的精確自動調節(jié)。試驗結果表明，孔位置精度達到±0.5 mm，法向偏差優(yōu)于0.5°，锪窩深度精度為0.02 mm。

圖17 浙江大學開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[61]Fig.17 Helical milling end-effector developed by Zhejiang University[61]

大連理工大學[3]也進行了螺旋銑孔多功能末端執(zhí)行器的設計并研發(fā)出多種型號，圖18所示為其較新一款。該設備采用高速電主軸，額定功率7.5 kW，最高轉速8 000 r/min，通過BT30刀柄裝夾刀具，最高公轉轉速60 r/min，最大制孔直徑30 mm，偏心量可在0～6 mm范圍內自動調節(jié)。為保證制孔精度，該設備前端集成有光幕型激光測量儀，可在加工前對刀具直徑、偏心量的實際值進行檢測并通過微調偏心量自動補償孔徑誤差，精度達到0.002 mm。該設備同時集成了壓腳、吸塵、視覺定位、法向檢測、真空排屑等其他輔助功能，已在上海飛機制造有限公司完成示范應用。在CFRP復合材料上的制孔試驗結果表明，加工尺寸精度達到H7。

圖18 大連理工大學開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[3]Fig.18 Helical milling end-effector developed by Dalian University of Technology[3]

此外，天津大學[62]、南京航空航天大學[63-64]等也進行了螺旋銑孔專用加工設備的相關研究。

3.2 便攜式設備

瑞典Novator公司已報道過多款便攜式螺旋銑孔單元，進給行程在40～80 mm之間，重量在10～17 kg之間，最大制孔直徑32 mm，如圖19所示。Novator公司研發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元都采用氣動主軸，公轉與軸向進給則通過電機驅動，偏心量均為手動調節(jié)。該設備已被美國波音公司采購，用于B-787客機的實際生產中，并且在加工中實現(xiàn)了單工序制孔[5-6]。

圖19 Novator公司開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元Fig.19 Portable helical milling unit developed by Novator

日本沼津工業(yè)高等專門學校[65-66]也進行了便攜式螺旋銑孔單元的研發(fā)，如圖20所示。為了減小重量，該設備的主軸使用了交流電機，功率450 W，轉速1 500～4 000 r/min，進給行程45 mm，偏心調節(jié)范圍0～3 mm，最大制孔直徑16 mm，重量13.5 kg。在后續(xù)的加工試驗中使用該設備在4 mm厚鈦合金板上加工了直徑15 mm的孔，孔徑誤差在0.05 mm以內。

圖20 日本開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元[65]Fig.20 Portable helical milling unit developed by Japan[65]

航空制造技術研究院[67]開發(fā)了一種全電動的便攜式螺旋銑孔單元，如圖21所示。該設備主軸功率850 W，進給行程65 mm，最大制孔直徑20 mm，重量18 kg，使用ER20彈簧筒夾裝夾刀具。使用該設備在鋁合金上進行了制孔試驗，驗證了該裝置設計及控制方法的合理性和可行性。在鋁合金上的測試結果顯示，加工尺寸精度達到H8，孔壁粗糙度達到Ra2.5。

圖21 航空制造技術研究院開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元[67]Fig.21 Portable helical milling unit developed by AVIC Manufacturing Technology Institute[67]

大連理工大學面向航空航天構件裝配中難加工材料的制孔需求，開發(fā)了多款適用不同孔徑范圍的便攜式螺旋銑孔單元，圖22所示為其中一典型型號。該型便攜式螺旋銑孔單元進給行程80 mm，偏心調整范圍0～3 mm，主軸功率800 W為壓縮空氣驅動，公轉轉速1～40 r/min，最大制孔直徑20 mm，重量14 kg。該設備通過PLC搭建控制系統(tǒng)，制孔過程程序化控制，可變參數(shù)加工。主軸配有轉速反饋單元，能夠實時監(jiān)控工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常時自動停機報警。主軸上集成了中心冷卻裝置，可利用油霧進行微量潤滑(MQL)，刀具裝夾通過ER16或ER20彈簧夾頭的形式。目前大連理工大學開發(fā)的不同型號的便攜式螺旋銑孔單元已在上海飛機制造有限公司應用于實際生產中，有效提高了加工制孔和生產效率。針對鈦合金、超高強度鋼的加工測試結果表明，加工尺寸精度達到IT7，孔壁粗糙度達到Ra1.6。根據(jù)現(xiàn)有資料，針對螺旋銑孔專用加工設備的主要研究進展如表3所示。

圖22 大連理工大學開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元Fig.22 Portable helical milling unit developed by Dalian University of Technology

表3 螺旋銑孔專用加工裝備研究進展Table 3 Research progress on special machine equipment of helical milling

4 結論與展望

螺旋銑孔是航空航天領域出現(xiàn)的制孔新技術，在難加工材料大直徑孔加工中表現(xiàn)出了質量好、效率高、成本低、適用廣等優(yōu)勢。近些年，國內外針對螺旋銑孔技術開展了大量研究，使其加工機理、專用裝備、配套刀具和工藝日趨成熟，且已實現(xiàn)了小范圍的實際應用。日后，隨著螺旋銑孔技術自身更加完善，各種新型難加工材料的更大范圍使用，以及裝配制孔要求的不斷提高，螺旋銑孔技術的應用范圍也將逐步擴大。未來可結合以下幾方面展開研究：

1) 高性能螺旋銑孔專用加工裝備。目前，專用加工裝備仍是限制螺旋銑孔技術大范圍應用的主要障礙。針對航空航天構件裝配中的制孔需求，結合裝配現(xiàn)場的實際環(huán)境，進行螺旋銑孔專用加工設備的創(chuàng)新設計，并通過系統(tǒng)的性能測試不斷完善，研制性能更穩(wěn)定，結構更緊湊，操作更簡便，價格更低廉，具有自主知識產權的系列化專用裝備。

2) 高性能螺旋銑孔專用刀具。螺旋銑孔的應用對象通常是飛機、火箭等裝配中難度較大的制孔加工，如難加工材料異質疊層結構的大直徑連接孔加工，由于材料工藝性差本身刀具設計難度很大；另一方面，螺旋銑孔是新出現(xiàn)的制孔技術，實踐經驗較少，機理研究尚不充分，現(xiàn)有制孔刀具的設計均尚未達到最優(yōu)，制孔質量與壽命仍需改善。針對航空航天難加工材料的工藝特性，結合螺旋銑孔的切削原理，研究高性能的專用制孔刀具，優(yōu)化刀具角度，改善涂層工藝，并研究配套的加工工藝參數(shù)，為螺旋銑孔技術的推廣應用提供技術支持。

3) 螺旋銑孔的加工質量表征。相較于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔是一種全新的制孔工藝，制孔過程對材料性能產生的影響十分復雜，規(guī)律也區(qū)別于傳統(tǒng)的制孔方法。除尺寸精度、圓柱度、粗糙度、毛刺高度、分層大小等常規(guī)質量表征方法外，應著重研究孔內壁亞表面組織在加工中的變化規(guī)律，分析螺旋銑孔加工對連接孔力學性能的影響規(guī)律，研究螺旋銑孔加工質量的綜合評價方法。