基于难加工材料钻铣孔加工的新工艺分析

雷运清

摘 要：螺旋铣孔技术具有单把刀具可完成系列直径、高质量孔的加工，同时具有生产效率高、加工成本低等技术优势，已成为了难加工材料制孔加工的主要加工工艺。本文从传统钻孔工艺在面对难加工材料的制孔加工时存在的问题进行分析的基础上，提出了螺旋铣孔新技术，并就螺旋铣孔技术的动力学特征和该工艺技术在难加工材料制孔加工时体现的显著技术优势进行了详细分析，为螺旋铣孔技术的进一步推广应用奠定了基础。

关键词：螺旋铣孔；难加工材料；新工艺；智能制造

中图分类号：TG54；TH16 文献标识码：A

Abstract：The key technology of the difficult-to-cut materials is the helical milling cutter， it can generate the smoothercutting surfaces with the high qualityand a series of diameter millingswith a single tool. The new method possesses has many advantages of low cost， produces smoothercutting surfaces ， high efficiency and so on .Because of the high quality of the hole requirement on the difficult-to-cut materials ， the traditional drilling cannot satisfy the requirement. Aim at the problem of making holes with traditional drilling， the paper brought helicalmilling in integrate high efficiently making holes. Helical milling kinematics characteristicsand the significant technological advantages were analyzed. The theoretically differences between helical milling and traditional drilling were investigated， the reason why helical milling is better than traditional drilling was confirmed.

Keywords： helical millingkinematics；difficult-to-cutmaterials；newprocess；intelligent manufacturing

0.引言

智能裝备是智能制造的核心组成部分，是未来国民经济的发展特别是智能制造产业快速发展的基础。然而，装备的生产能力、加工效率和质量是整个装备制造智能化的关键，并且在制造领域中与增材制造相对应的减材制造技术的发展进入了瓶颈阶段，为此针对金属和非金属新切削加工机理的研究，产生出更先进的加工方法，提高整个装备生产效率，成为了装备制造业快速实现的必备条件。同时，随着当今科技的快速发展，对复合材料、钛合金以及碳纤维之类难加工材料的使用量也越来越大，尤其是一些大型构件上必须应用复合材料合金叠层的结构才能够满足其使用功能，但复合材料和合金对应的物理化学性能、力学和机械加工性质等截然不同，在采用传统的孔加工工艺对这类难加工材料进行切削处理时无法达到预期的加工效果。为此本文主要针对难加工材料进行钻铣孔加工时所采用的新工艺进行相应分析，以期为后续更多组合的层状材料结构的加工提供了一种思路。

1.传统制孔加工工艺

传统的孔加工工序上通常采用了钻削的加工工艺。在钻孔过程中，主轴中心的线速度为0，即钻头中心不参与切削，工件中心区域需要切削去除的材料完全依靠向下的推力将其挤出去，因而钻头所承受的Z向力很大，当加工钛合金等难加工材料时，导致了刀具的磨损失效非常严重。

传统钻孔加工工艺是一个连续切削过程，刀刃始终与工件相接触，使得切削时接触面温度快速升高，而钛合金等难加工材料本身的导热性差，为此只能依靠切削的废屑带走，但切削的废屑只能从钻头狭槽中排出，排屑速度较慢，切削产生的热不能及时散发时，大量切削热留在了工件和刀具上，连续的切削使温度不断累积，加速了刀具的快速磨损失效；另外，往外挤压的废屑与已加工孔表面有直接接触时，容易划伤加工表面，使得加工质量达不到使用的精度要求。

可以看出，采用传统钻孔工艺对难加工材料进行加工时不仅刀具磨损失效严重，同时后续还必须依靠其他工序才能够保证加工孔的表面质量，使得工作效率低，加工成本增大。因此，传统钻孔工艺已不再适用于难加工材料的加工。

2.螺旋铣孔工艺

螺旋铣孔工艺的加工过程主要由主轴的“自转”和主轴绕孔中心的“公转”和沿孔轴线方向的进给运动复合而成的螺旋进给运动，加工过程的运动轨迹如图1所示。该工艺特点为铣刀垂直于工件表面沿螺旋线下刀，并可以小直径刀具加工大直径的孔。

螺旋铣孔工艺与传统的钻削加工相比采用了完全不同的加工方式。首先，加工刀具中心的运动轨迹是螺旋线而非直线，刀具中心与所加工孔的中心不重合，同时刀具的直径与加工孔的直径不同，从根本上突破了传统钻孔工艺中刀具直径与加工孔径需严格匹配对应的问题，实现了单把刀具可加工多系列种类的孔径，提高了加工效率，降低了加工成本。

另外，螺旋铣孔过程属于断续偏心的铣削过程，对刀具的散热和切屑的排出十分有利，有效避免了由温度累积造成刀具的磨损失效和切屑对加工表面的划伤。endprint

螺旋铣孔技术作为一种新型孔加工工艺，具有切削过程平稳、刀具承受切削力小和一次加工即可满足精度要求等优点，已成为国内外材料加工领域研究的热点和难点之一。

3.螺旋铣孔的动力学分析

在螺旋铣孔过程中轨迹的运动包括有周向和轴向两个方向进给的间断切削，即刀具主轴的向下进给运动和切削刀具轴向进给运动。从图1可以看出，螺旋铣孔工艺运动主要特征为刀具的直径小于孔直径、刀具轴线与孔轴线间存在偏距、刀具中心点的运动轨迹为与孔同轴的螺旋线。为此，螺旋铣孔过程中铣刀轴向切削深度、径向切削深度和主轴转速等切削参数选择至关重要，尤其是选取参数匹配不合理的情况下很容易引起系统横向、轴向以及绕轴线方向产生切削颤振失稳的现象。大量的试验表明，轴向进给量对轴向铣削力的影响最大，且随着轴向进给量的增大，铣削力增大，刀具磨损会更加剧烈。

4.螺旋铣孔的技术优势

相对于传统的钻孔加工工艺，对难加工材料在切削孔的加工工序中螺旋铣孔技术的优势十分明显。

4.1孔表面质量和刀具寿命

从螺旋铣孔技术的分析可知，螺旋铣孔属于断续切削，加工过程中较低的铣削力可使加工的孔无毛刺；同时铣削刀具直径比加工孔径小，切屑可以快速顺利地排出，提高了加工孔表面的光洁度；尤其是在加工复合材料时，可以消除以往传统钻孔工艺存在的脱层、剥离、孔表面加工精度低等问题，显著提高了难加工材料上加工孔表面的精度质量和强度。

螺旋铣孔时属于偏心加工过程，刀具直径小于加工孔径，使得铣刀承受的切削力小，具有切削过程平稳，易于排屑，有效避免了发热过快刀具的磨损失效，使刀具的使用寿命显著提高。

4.2生产效率和自动化程度高

采用螺旋铣孔技术时可以省去传统的锪锥孔、铰孔、去毛刺以及冷却液的清除等加工工序，尤其是可用单把刀加工不同直径的孔和复杂形状的孔，减小了加工孔的刀具种类型号和避免了传统钻孔时需要更换不同直径钻头的问题，缩短了研制加工周期，节省加工成本。

传统钻孔加工时轴向力太大，无法集成到相对比较柔弱的工业机器人，然而螺旋铣孔在加工時铣削力小，可以集成到生产线上的工业机械手实现自动化的铣孔加工，从而也可以降低生产成本，提高生产效率。

4.3新材料应用

新材料的研制使用需要有新的加工工艺支撑。螺旋铣孔工艺只需单把刀具就可以加工出不同直径、高质量的孔，既省去了换刀时间，又节省了精加工的工序，极大提高了生产效率。通过分析可知，在难加工材料的孔加工方面螺旋铣孔技术有着明显的技术优势，因此在螺旋铣孔等新工艺的逐步成熟下，飞机及航天器上零部件新型材料的广泛使用势必成为未来的发展趋势，尤其是钛合金、复合材料及碳纤维等新型材料及复合结构材料的应用，将会越来越广泛。

结论

本文在对螺旋铣孔工艺及动力学特征进行分析的基础上，对难加工材料采用螺旋铣孔工艺进行制孔加工时具有单把刀具完成多系列直径孔的加工，同时能够保证加工孔质量精度，在生产效率以及加工成本等方面具有明显的优势，已成为了难加工材料制孔加工的主要生产工艺，同时随着该技术的推广和应用，传统的钻孔加工工艺逐渐被螺旋铣孔技术所代替。

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