飛機零件螺旋銑孔專用刀具分析

曹雷

摘 要：航空制造業是衡量一個國家制造業水平的重要指標，在飛機裝配制造材料的選擇上要求也是非常高的，為了滿足飛機零件的性能要求，通常選用先進的鈦合金與復合材料，那么裝配制孔就成了首要問題。螺旋銑孔作為一種新型孔加工工藝，就是為了適應飛機零件的孔加工與飛機裝配制造而興起的一種新型制孔工藝，目前在國內外已經展開了大量的實驗與研究。

關鍵詞：航空制造業；裝配制孔；螺旋銑孔

中圖分類號：TG71 文獻標志碼：A

1 螺旋銑孔

1.1 刀具運動軌跡分析

螺旋銑孔刀具在設備上工作的運動形式是不同的，分為：刀具繞自身軸線的轉動、刀具的進給運動、刀具繞加工孔的軸線的轉動，這3種形式是最常見的同時應用也是最廣泛的，這種刀具的螺旋運動使螺旋銑孔技術在孔加工工藝中凸顯出諸多優勢，如圖1所示。

1.2 刀具切削速度分析

切削速度非常重要，合理的切削速度對于加工質量、加工過程中能量的消耗和刀具的磨損有著多方面的影響。切削加工在不產生積屑瘤的前提下，工件加工切削速度越大，零件變形系數越小；如果切削速度過小，刀具的磨損會隨著速度的降低而隨之增加，因此在加工中就會對加工零件的表面質量、零件的公差、切削溫度等產生影響。切削速度對切削變形的影響主要有2個原因，一是彈性變形比塑性變形的傳播速度快；二是切削速度對于摩擦系數的影響，切削速度大時摩擦系數減小。

1.3 分析立銑刀螺旋銑孔

當偏心距增大時，孔的體積會隨之增大，側刃對零件的加工體積增大，端刃不變，切削比例也隨之增大。由上述分析得出，立銑刀在加工中存在側刃切削比例大，端刃切屑尺寸大等弊端，因此在對刀具的設計上需要深入研究專用刀具的加工，進行專用刀具的設計。

2 專用刀具切削刃設計

2.1 分屑與群鉆的介紹

在普通的切削加工時，切屑作為一個整體動作進行工作，那么隨著切削過程的進展，切屑體積增加，在刀具與工件的內部相互作用力會增大，同時這種作用力在切削過程中使刀具產生附加變形，對刀具的磨損加劇，這種情況下切削刃處于非自由切削狀態；為了提高刀具的自由切削程度，我們采取了分屑措施，好處有以下幾點：

（1）分屑措施可以保證刀具對工件切削過程中能使切削層組織斷裂，使產生的切屑本體內部能耗減小，總體變形降低。

（2）分屑能夠在不改變刀具進給的前提下，增加切削厚度，減小寬度。

（3）分屑將整體的切屑分割后，在刀具與工件接觸中使摩擦減小，摩擦產生的熱量也會降低，排屑順暢后加工過程也變得更加平穩。

（4）分屑以后，切屑體積減小，與孔壁的接觸減小，不僅使切削液能夠順利地流入，更可以減小對孔的損害，提高孔加工質量。

（5）分屑后能夠實現合理斷屑。群鉆是對普通的麻花鉆進行改進的一種新型鉆孔技術，這種技術主要利用了分屑原理。群鉆的鉆頭改變了原來的直線型刀刃，在普通鉆頭上磨出圓弧槽，兩側刀刃形成“W”形刀刃。

2.2 專用刀具切削分析

在零件加工中我們使用設計的專用刀具，用Slidworks對切屑的形成進行模擬，保證加工質量，步驟如下：

（1）將2種刀齒端部相交形成的切削刃繞刀具軸線自轉一周。

（2）將步驟a中的得到的實體做圓周陣列，以偏心距為圓心，以自轉與公轉比值作為半徑。

（3）實體工件與陣列工件相交得到待加工工件，此時形成的切屑在每次自轉時出現。

（4）將刀具在下一個公轉周期的起始位置進行旋轉操作，得到的實體與c步驟相交，即可得到沒有變形的切屑形狀。

3 測試與刀具參數優化

為了驗證專用刀具螺旋銑孔時的切削性能，我們用鈦合金、復合材料做了對比試驗，驗證了專用刀具在分屑效果與針對難加工材料時顯現出的優勢。

3.1 鈦合金螺旋銑孔對比試驗

材料鈦合金，板厚5 mm，刀具直徑10 mm，干切削加工；偏心距2.5 mm，自轉轉速3 000 r/min，公轉轉速90 r/min，每公轉軸向進給量0.1 mm/r，加工后得出結果如下：

（1）從切屑對比看出，專用刀具產生的切屑尺寸小，切屑較薄，刀具刀刃上的應力大，減輕刀具的崩刃現象；立銑刀的切屑尺寸大，切屑容易蜷曲纏繞，使排泄不暢，使加工孔壁不光滑。

（2）從加工孔壁的質量對比看出，專用刀具的表面光滑基本滿足加工要求，立銑刀加工的工件表面有明顯的劃痕。

（3）從刀具的磨損情況對比來看，在兩種刀具加工條件相同的情況下，立銑刀的磨損情況比專用刀具大，在加工了5個孔以后就出現了毛刺，噪聲大等情況，而專用刀具基本沒有問題。

3.2 復合材料螺旋銑孔對比試驗

材料復合材料，板厚10 mm，干切削加工；偏心距2.5 mm，自轉轉速10 000 r/min，公轉轉速100 r/min，每公轉軸向進給量0.5 mm/r，加工后得出結果如下：

立銑刀加工工件的出入口毛刺大于專用刀具， 在相同的加工條件下，專用刀具的加工質量與刀具壽命均大于立銑刀。

3.3 刀具幾何參數優化

（1）端部切削刃前角優化，經過有限元分析，刀具的軸向力趨于平穩。

（2）刀具偏心距與中心切削刃的選擇，根據實驗結果得出，偏心距要大于刀具直徑的1/4，刀具中心切削刃是合理的。

（3）多點陣分布優化，專用刀具的端部切削刃多點陣式分布，使側刃的壽命增加，從而延長了刀具的壽命并且提高了孔的質量。

4 結論

在航空難加工材料的孔加工要求逐漸提高的同時，螺旋銑孔作為一種新的加工手段也逐漸被重視。該文通過對專用刀具的介紹，以立銑刀為例與專用刀具的切削試驗對比，都有力地證明了螺旋銑孔專用刀具的重要性。雖然螺旋銑孔的研制已經取得了很好的成績，但是在分屑時產生的震動與延長較大直徑刀具的使用壽命等問題仍然值得我們繼續深入研究。

參考文獻

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