航空难加工材料螺旋铣孔专用刀具设计及开发
2016-9-9 来源：贵州理工学院 作者： 邵芳
摘要：对于飞机上用到的难加工的钛合金以及复合材料，螺旋铣孔技术表现出了一定优势，但因操作过程中多使用传统的立铣刀，所以仍存在不少问题，需要对飞机装配的螺旋铣孔专用刀具进行改良。本文将对航空难加工材料螺旋铣孔专用刀的设计与应用进行研究，通过分析螺旋铣孔过程中刀具的运动特点以及传统立铣刀在螺旋铣孔加工中出现的问题，进而设计出适合现代加工材料的钻孔刀具，从而为提高钻孔刀具的利用效率创造条件。
关键词：航空难加工材料螺旋铣孔专用刀具
航空制造业的整体水平标志着一个国家的安防能力，对国家的稳定发展具有重要作用。在航空制造业中，飞机装配技术决定着飞机的整体质量以及制造进度，是重要的生产技术。通常，一架飞机上会有上万个孔，有的甚至有上百万个孔，而加工这些孔在整个机械制造中占有很大的比例。目前，我国飞机装配制孔仍以传统钻孔方式为主，但因技术上的欠缺导致钻孔工艺上的欠缺，极大地影响了飞机制造的进度以及整体质量。因此，对航空钻孔方式进行改革，优化钻孔工具十分必要。
1、螺旋铣孔运动分析
螺旋铣孔作为新型的钻孔技术，与传统钻孔不同，刀具在进入材料后在自转的同时沿螺旋线进给，运动形式如图1 所示。
图1 螺旋铣孔运动形式示意图
此种方式要求螺旋铣孔加工刀具切削的特殊性，侧刃以铣削方式加工，端刃以类似转削方式加工。加工过程中，刀具的自转速度、公转速度以及进给速度等都会影响加工速度[1]。因此，刀具的设计要充分考虑刀具的切削运动，从运动轨迹和切削速度上实现刀具性能的优化。
2、结合图片分析螺旋铣孔刀具的运动轨迹
螺旋铣孔的运动分析可为刀具的设计以及加工提供理论指导。在对螺旋铣孔刀具的运动轨迹进行分析的过程中，通过建立轨迹方程模拟各点以及整体切削刃的运动情况，从而对切屑进行分析[2]。在螺旋铣孔的过程中，刀具的运动形式有三种，即自转、公转和进给（图2）。因切削刃个点的轴向运动相同，所以在垂直刀具轴线的平面内对各点的运动规律进行分析，忽略轴向进给因素。
图2 为螺旋铣孔运动学
在x-y 平面内，切削刃上各点的运动轨迹范围由切削刀沿轴自转和公转的速度决定，通过转速形成的角度作为方程参数形成切削刃上的刀具中心距离的轨迹方程。以某一段切削刃为例，图形如图3 所示。
从图3 可得出如下方程：
图3 为切削刃上某一点的轨迹
在实际加工中，刀具的自转速度和公转速度相互关联的且确定，所以设计过程中要考虑好自转和公转的速度对工具使用的影响。
3、专用刀具端部切削设计
3.1 对普通麻花钻进行改进
用群钻替代传统麻花钻，可以降低转削力，提高刀具耐用性，保证孔的加工质量等，对螺旋铣孔专用刀具技术的提升以及改进具有重要的借鉴意义。群钻与普通麻花钻的最大不同在于分屑设计，这对于减少切削能量的损耗，提供工作效率具有重要作用[3]。在切削过程中，切削的形状以及能量的损耗对器件切削表面以及刀具的性能都会产生一定影响。观察变形切削器件表面和未变形切削器件的形状，可以看出存在很大差距，这主要是因为切削过程中变形的刀具自转和公转与常规刀具的自转和公转具有一定的偏差，从而影响施工效果。
在实际切削中，绝大部分用非自由切削方法。但是，这在操作中存在一定的不足，影响钻孔加工质量。刀具在切削器件的过程中，产生的废屑会增加切削功率的损耗，从而增加刀具自身的热量，加剧刀具的磨损[4]。因此，有人提出了自由切削工具，即采用分屑处理措施，从而使连续的操作流程分开执行，从而提高各段切削刃的自由切削程度。群钻对麻花钻的改进主要依据分屑的原理，通过对钻头的修磨达到理想的钻型。
3.2 分布式多点阵端部切削刃
螺旋铣孔具有两种切削方式同时操作的特点。目前，多以立铣刀为刀具优化的研究对象。在螺旋铣孔施工的过程中，刀具自身的自转和公转速度结合施工的特殊性以及切削刃的不同，对器件加工结果产生一定的影响。因此，通过对端部切削刃进行优化设计，以减轻侧刃承受的钻孔压力，提高刀具的使用寿命。借助群钻对麻花钻的改进，对传统立铣刀的端部切削刃的改进采用分布式多点阵端部切削刃设计。
分布式多点阵端部切削刃设计是将传统的刀具端部切削刃改成四个刀齿，有两种型号，即S 和W 型，如图4、图5 所示。在设计过程中，缩小刀具柄部的直径，以避免在施工过程中过长的刀柄与加工孔壁发生碰撞，影响加工质量，保证孔的尺寸。对于刀具切削刃的优化，则采用有刃带的双重后刀面，通过增厚刀具的厚度来提升刀具切削部分的韧度，增加散热空间，从而提高刀具的使用寿命。
针对刀具加工过程产生的热能对刀刃的损害，可通过设计新型的冷却孔来达到降温、散热的目的。将传统钻孔开孔处的刀具底部作为刀齿的背部，可以提高钻孔废屑的排除，提高切削刃的工作效率。从中心孔引出四个斜向的冷却孔，开口与端部切削刃前刀面相对，位于刀齿的齿背上，从而使刀口冷却更具针对性。
图4 多点阵端部切削刃直视图
图5 多点阵端部切削刃俯视图
在螺旋铣孔施工过程中，中刀尖最先进入器件内部。随着进入强度的增加，两侧切削刃也与器件接触，并完成切削任务[5]。使用过程中，切削的速度一定程度上影响刀具的使用寿命以及切削性能，所以中心转速越大，刀具的使用性能愈高。为了保持平稳转速，对中刀尖的位置布控将选择远离刀具中心为宜。
3.3 专用刀具切削设计
传统的立铣刀因新型材料的应用，已经无法满足新工艺的生产需要，所以需要改进立铣刀的工艺性能，提高其工作效率，保证施工质量。为了凸显螺旋铣孔加工工艺的优势，建立专用刀具未变形切屑模型，将其与传统立铣刀未变形切屑进行对比，从而得出不同切削比例对钻孔加工的影响。
为了更加真实地展现专用刀具的分屑效果，直观观察切屑的实体形状，在三维软件中模拟操作，结合相关的研究结果与后续研究成果，对模拟的准确性进行分析。
在将两种刀齿端部切削刃相交次形成的外侧轮廓绕刀具中心轴线旋转一周，得出如图6 所示的实体。
图6 切削模拟后刀具自转形成的实体
将第一步模拟试验完成后获得的实体物按照运动轨迹排列，排列个数为自转速度和公转速度的比，阵列沿以偏心距为半径的圆周。完成此步骤后，用实体减去该步骤得到的圆周阵列，结果就为刀具完成一周运动后需要加工的工件数量。
通过与传统切削刀得到的切屑形状以及切屑比例进行对比分析，可以得出专用刀分屑效果良好，切屑比例小，不易发生钻孔堵塞的情况等，从而为开展专业道设计和开发提供实验依据。
4、结束语
在航空难加工材料制孔中，采用螺旋铣孔技术可以大大提高工作效率，提高钻孔质量，降低刀具损耗，为使飞机机械制造能够顺利实施创造有利条件。为了能够更好地发挥此项工艺的优越性，对螺旋铣孔刀具进行设计与开发将进一步提高施工工序效率，具有着积极的研究价值。
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