基于螺旋銑孔技術的鈦合金大直徑孔銑削工藝優化研究

羅傲梅

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

鈦合金不僅僅是推動我國航天航空事業發展的一種重要金屬材料，同時它還是醫療機械與造船、冶金、工具等行業所必不可少的發展材料。但是由于鈦合金自身熱導率低、硬度大、強度高，以及切削熱不容易散發等特點，導致在一定程度上加大了刀具磨損的力度，降低了刀具的使用壽命，同時加工后自身表面質量相對較差且加工效率也比較低。螺旋銑孔加工時，其刀具運動主要由三方面構成，一方面是自轉，一方面是公轉，還有一方面是軸向進給，在轉動時，刀具中心呈現出螺旋線狀的轉動軌跡，它是一個用銑帶鉆的轉動過程，這樣有利于在轉動過程中散熱同時還可以提高切屑的排出率[1]。本文主要研究了螺旋銑孔技術，進而在此基礎之上又深入研究了基于螺旋銑孔技術的鈦合金大直徑孔銑削工藝。

1 螺旋銑孔技術優勢研究

螺旋銑孔技術作為一種新型的孔加工方法，它自身具有以下優勢：

（1）有效提高鉆孔質量。新型的螺旋銑孔技術屬于一種間歇性的斷續切削技術，相對于傳統鉆削技術，它的切削力降低了很多，并且螺旋銑孔技術較低的切削力減少了其所在孔周邊的毛刺，提高了孔的加工質量。與此同時，螺旋銑孔自身的偏心加工方式也給其切屑的排出提供了充足的空間，使得切屑能夠從螺旋刃得以排除，如此切屑就能夠很順暢的排除出去，而不會粘黏在切削刀上面影響刀刃的加工。這在很大程度上也降低了孔的粗糙度，降低了孔周圍的毛刺。

（2）提高制孔效率。螺旋銑孔技術最大的一個特點就是銑孔刀具在自身運轉的狀況下，能夠以螺旋線的方式繼續向下進給，并且在加工孔與刀具中心還存在著偏移量。由于存在著這個偏移量，使得螺旋銑孔技術能利用單把刀進行多種直徑的孔加工，進而免去了加工過程中的繁瑣換刀的過程，減少了制孔刀具的使用數量，在提高制孔效率的同時還有效的降低了刀具的加工成本。這在一定程度上也意味著螺旋銑孔技術的使用大大縮短了產品自身的生產周期，進而使生產出來的產品更加具有市場競爭力。

（3）有效促進新材料推廣與應用。由于當前傳統鉆孔技術無法滿足復合材料、鈦合金等新材料的鉆孔要求，在一定程度上阻礙了航天航空事業的發展。然而螺旋銑孔技術的出現與使用，在很大程度上解決了傳統鉆孔技術的弊端。由于螺旋銑孔的銑削力較小，它在加工復合材料、鈦合金等新材料時功耗較低，這樣不僅僅能夠提高其自身的加工質量，同時還能夠為復合材料、鈦合金等新材料的推廣與應用打下堅實的工藝基礎。

（4）有效降低刀具的磨損。在使用螺旋銑孔技術進行鉆孔時，由于與傳統的螺旋進給方式不同，在鉆孔過程中并不是所有的工件都會與切削刃進行結合且同時參與到切削當中，而是在某一時刻、某一刀刃參與到切削過程當中，這使得在螺旋鉆孔過程中的熱量能夠及時快速的散發，使其溫度保持穩定狀態，進而改善刀具的磨損狀況。

2 試驗設備與試驗設計

試驗設備與材料:為了更好的研究基于螺旋銑孔技術的鈦合金大直徑孔銑削工藝，進行了以下試驗。試驗所采用的刀具均為合金螺旋銑刀具，這些刀具的螺旋角為36度，前角為15度，后角為8度，加工孔徑為18.05mm,直徑為13mm，刀具刃數為5，所采取的切削方式為干切削方式。此次試驗所采取的工件材料均為鈦合金板，每個鈦合金板的厚度都為5mm，它們的尺寸大小為250＊120mm。

此次試驗中，所采用的數控機床均為DMC75Vlinear五軸數控機床，所使用的測力儀均為Kistler 9257A測力儀來檢測鉆孔切削力，并且檢測到的信息都是由Kistler 5007A 電荷進行放大器傳輸與數據采集，進而在通過Dynoware測力儀軟件顯示出來。

利用Wenzel LH65進行鉆孔檢測時，要對所選取的孔進行四點采樣，以此來平均孔徑數據。對孔進行粗糙度檢測時，利用三豐粗糙度檢測儀來進行檢測，同時利用顯微鏡來觀察刀具自身的磨損狀況。

Ti-6Al-4V工藝切削試驗設計:采取13mm的大直徑刀具進行加工4/5″( 18．05mm)孔.在加工過程中，螺距代表公轉一周時刀具向下方進給的實際距離。而切向則表示每齒進給時所表示的單個切削刃切削時所切削出來的厚度。在試驗中，每組試驗都要加工兩個孔，數據選取的是這兩個孔的平均值。

3 試驗結果與分析

經過試驗可以發現，不同加工參數會影響到切削力的自身運作規律，同時不同的加工參數還會影響到孔徑的精度。在實驗中，著重的對這一指標進行了測試，發現采取鈦合金加工的孔，其公差等級大概在IT7-IT8之間，第一組的等級為IT7，等級最低，其孔徑自身的誤差也最小。而第三組的等級為IT8，等級最高，其孔徑自身的誤差也是最大的。并且經過試驗發現影響孔徑的最主要因素為切向每齒進給與主軸轉速這兩個因素，而螺距對孔徑產生的影響較小，基本沒有影響。

加工參數不同對粗糙度的影響不同，粗糙度是評價Ti－6Al－4V孔表面加工質量的一個關鍵因素。在加工孔時，要格外重視孔的粗糙度。在實驗中可以發現，在不同參數的實驗中，孔壁的粗糙度也有所不同。在實驗中，采取極差法來進行分析，可以發現，加工參數影響孔自身的粗糙度，并且切向每齒進給是影響孔粗糙度的一個關鍵因素，影響孔粗糙度的第二個因素是主軸轉速，最小的影響因素是螺距。

經過試驗可以發現，應以提高孔壁質量、減小孔徑誤差以及降低軸向切削力作為主要目標來進行參數優化。只有第二組的加工參數的孔徑誤差和軸向切削力最小，而第三組參數加工參數的孔徑誤差和軸向切削力最大。第一組參數的孔壁自身的粗糙度最小，第四組參數的孔壁自身的粗糙度最大。考慮到粗糙度值比飛機制造標準所要求的粗糙度高，并且第七組的粗糙度數值與第五組的粗糙度數值僅僅相差0.43μm ，因此選擇第七組參數作為大直徑螺旋銑孔的一個最優加工參數工藝。

4 結語

鈦合金大直徑孔加工始終都是飛機制造業加工的一個重點和難點。而傳統的工藝在進行加工時需要經多道工序、十把刀具以及需要采取鉆擴鉸等多種工藝，這樣不僅僅費時費力，同時加工效率還低。基于高效率、低損失的螺旋銑孔技術，在試驗中進行了4/5″大直徑孔的加工工藝優化研究，并且得出了以下結論：①影響孔壁粗糙度的一個關鍵因素是切向進給。②綜合考慮加工質量與切削力，優化得出了大直徑螺旋銑孔最佳的切削參數為 主軸轉速 n=1980r/min，徑向進給f=0.034mm/齒，螺距ap=0．36mm，此時加工效率為1234.7s/孔。