基于螺旋銑孔技術(shù)的鈦合金大直徑孔銑削工藝優(yōu)化研究

羅傲梅

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

鈦合金不僅僅是推動(dòng)我國航天航空事業(yè)發(fā)展的一種重要金屬材料，同時(shí)它還是醫(yī)療機(jī)械與造船、冶金、工具等行業(yè)所必不可少的發(fā)展材料。但是由于鈦合金自身熱導(dǎo)率低、硬度大、強(qiáng)度高，以及切削熱不容易散發(fā)等特點(diǎn)，導(dǎo)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(shí)加工后自身表面質(zhì)量相對(duì)較差且加工效率也比較低。螺旋銑孔加工時(shí)，其刀具運(yùn)動(dòng)主要由三方面構(gòu)成，一方面是自轉(zhuǎn)，一方面是公轉(zhuǎn)，還有一方面是軸向進(jìn)給，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀具中心呈現(xiàn)出螺旋線狀的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，它是一個(gè)用銑帶鉆的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，這樣有利于在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中散熱同時(shí)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(shù)，進(jìn)而在此基礎(chǔ)之上又深入研究了基于螺旋銑孔技術(shù)的鈦合金大直徑孔銑削工藝。

1 螺旋銑孔技術(shù)優(yōu)勢(shì)研究

螺旋銑孔技術(shù)作為一種新型的孔加工方法，它自身具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）有效提高鉆孔質(zhì)量。新型的螺旋銑孔技術(shù)屬于一種間歇性的斷續(xù)切削技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削技術(shù)，它的切削力降低了很多，并且螺旋銑孔技術(shù)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(zhì)量。與此同時(shí)，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(huì)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(shù)最大的一個(gè)特點(diǎn)就是銑孔刀具在自身運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況下，能夠以螺旋線的方式繼續(xù)向下進(jìn)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(gè)偏移量，使得螺旋銑孔技術(shù)能利用單把刀進(jìn)行多種直徑的孔加工，進(jìn)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(shù)量，在提高制孔效率的同時(shí)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(shù)的使用大大縮短了產(chǎn)品自身的生產(chǎn)周期，進(jìn)而使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品更加具有市場競爭力。

（3）有效促進(jìn)新材料推廣與應(yīng)用。由于當(dāng)前傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)無法滿足復(fù)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(yè)的發(fā)展。然而螺旋銑孔技術(shù)的出現(xiàn)與使用，在很大程度上解決了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)的弊端。由于螺旋銑孔的銑削力較小，它在加工復(fù)合材料、鈦合金等新材料時(shí)功耗較低，這樣不僅僅能夠提高其自身的加工質(zhì)量，同時(shí)還能夠?yàn)閺?fù)合材料、鈦合金等新材料的推廣與應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)。

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

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備與材料:為了更好的研究基于螺旋銑孔技術(shù)的鈦合金大直徑孔銑削工藝，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。試驗(yàn)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(shù)為5，所采取的切削方式為干切削方式。此次試驗(yàn)所采取的工件材料均為鈦合金板，每個(gè)鈦合金板的厚度都為5mm，它們的尺寸大小為250＊120mm。

此次試驗(yàn)中，所采用的數(shù)控機(jī)床均為DMC75Vlinear五軸數(shù)控機(jī)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(jìn)行放大器傳輸與數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而在通過Dynoware測力儀軟件顯示出來。

利用Wenzel LH65進(jìn)行鉆孔檢測時(shí)，要對(duì)所選取的孔進(jìn)行四點(diǎn)采樣，以此來平均孔徑數(shù)據(jù)。對(duì)孔進(jìn)行粗糙度檢測時(shí)，利用三豐粗糙度檢測儀來進(jìn)行檢測，同時(shí)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(yàn)設(shè)計(jì):采取13mm的大直徑刀具進(jìn)行加工4/5″( 18．05mm)孔.在加工過程中，螺距代表公轉(zhuǎn)一周時(shí)刀具向下方進(jìn)給的實(shí)際距離。而切向則表示每齒進(jìn)給時(shí)所表示的單個(gè)切削刃切削時(shí)所切削出來的厚度。在試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)都要加工兩個(gè)孔，數(shù)據(jù)選取的是這兩個(gè)孔的平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同加工參數(shù)會(huì)影響到切削力的自身運(yùn)作規(guī)律，同時(shí)不同的加工參數(shù)還會(huì)影響到孔徑的精度。在實(shí)驗(yàn)中，著重的對(duì)這一指標(biāo)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)采取鈦合金加工的孔，其公差等級(jí)大概在IT7-IT8之間，第一組的等級(jí)為IT7，等級(jí)最低，其孔徑自身的誤差也最小。而第三組的等級(jí)為IT8，等級(jí)最高，其孔徑自身的誤差也是最大的。并且經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響孔徑的最主要因素為切向每齒進(jìn)給與主軸轉(zhuǎn)速這兩個(gè)因素，而螺距對(duì)孔徑產(chǎn)生的影響較小，基本沒有影響。

加工參數(shù)不同對(duì)粗糙度的影響不同，粗糙度是評(píng)價(jià)Ti－6Al－4V孔表面加工質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。在加工孔時(shí)，要格外重視孔的粗糙度。在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，在不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，孔壁的粗糙度也有所不同。在實(shí)驗(yàn)中，采取極差法來進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，加工參數(shù)影響孔自身的粗糙度，并且切向每齒進(jìn)給是影響孔粗糙度的一個(gè)關(guān)鍵因素，影響孔粗糙度的第二個(gè)因素是主軸轉(zhuǎn)速，最小的影響因素是螺距。

經(jīng)過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)以提高孔壁質(zhì)量、減小孔徑誤差以及降低軸向切削力作為主要目標(biāo)來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。只有第二組的加工參數(shù)的孔徑誤差和軸向切削力最小，而第三組參數(shù)加工參數(shù)的孔徑誤差和軸向切削力最大。第一組參數(shù)的孔壁自身的粗糙度最小，第四組參數(shù)的孔壁自身的粗糙度最大。考慮到粗糙度值比飛機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)所要求的粗糙度高，并且第七組的粗糙度數(shù)值與第五組的粗糙度數(shù)值僅僅相差0.43μm ，因此選擇第七組參數(shù)作為大直徑螺旋銑孔的一個(gè)最優(yōu)加工參數(shù)工藝。

4 結(jié)語

鈦合金大直徑孔加工始終都是飛機(jī)制造業(yè)加工的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。而傳統(tǒng)的工藝在進(jìn)行加工時(shí)需要經(jīng)多道工序、十把刀具以及需要采取鉆擴(kuò)鉸等多種工藝，這樣不僅僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)加工效率還低。基于高效率、低損失的螺旋銑孔技術(shù)，在試驗(yàn)中進(jìn)行了4/5″大直徑孔的加工工藝優(yōu)化研究，并且得出了以下結(jié)論：①影響孔壁粗糙度的一個(gè)關(guān)鍵因素是切向進(jìn)給。②綜合考慮加工質(zhì)量與切削力，優(yōu)化得出了大直徑螺旋銑孔最佳的切削參數(shù)為 主軸轉(zhuǎn)速 n=1980r/min，徑向進(jìn)給f=0.034mm/齒，螺距ap=0．36mm，此時(shí)加工效率為1234.7s/孔。