基于螺旋铣孔技术的钛合金大直径孔铣削工艺优化研究

罗傲梅

（河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000）

钛合金不仅仅是推动我国航天航空事业发展的一种重要金属材料，同时它还是医疗机械与造船、冶金、工具等行业所必不可少的发展材料。但是由于钛合金自身热导率低、硬度大、强度高，以及切削热不容易散发等特点，导致在一定程度上加大了刀具磨损的力度，降低了刀具的使用寿命，同时加工后自身表面质量相对较差且加工效率也比较低。螺旋铣孔加工时，其刀具运动主要由三方面构成，一方面是自转，一方面是公转，还有一方面是轴向进给，在转动时，刀具中心呈现出螺旋线状的转动轨迹，它是一个用铣带钻的转动过程，这样有利于在转动过程中散热同时还可以提高切屑的排出率[1]。本文主要研究了螺旋铣孔技术，进而在此基础之上又深入研究了基于螺旋铣孔技术的钛合金大直径孔铣削工艺。

1 螺旋铣孔技术优势研究

螺旋铣孔技术作为一种新型的孔加工方法，它自身具有以下优势：

（1）有效提高钻孔质量。新型的螺旋铣孔技术属于一种间歇性的断续切削技术，相对于传统钻削技术，它的切削力降低了很多，并且螺旋铣孔技术较低的切削力减少了其所在孔周边的毛刺，提高了孔的加工质量。与此同时，螺旋铣孔自身的偏心加工方式也给其切屑的排出提供了充足的空间，使得切屑能够从螺旋刃得以排除，如此切屑就能够很顺畅的排除出去，而不会粘黏在切削刀上面影响刀刃的加工。这在很大程度上也降低了孔的粗糙度，降低了孔周围的毛刺。

（2）提高制孔效率。螺旋铣孔技术最大的一个特点就是铣孔刀具在自身运转的状况下，能够以螺旋线的方式继续向下进给，并且在加工孔与刀具中心还存在着偏移量。由于存在着这个偏移量，使得螺旋铣孔技术能利用单把刀进行多种直径的孔加工，进而免去了加工过程中的繁琐换刀的过程，减少了制孔刀具的使用数量，在提高制孔效率的同时还有效的降低了刀具的加工成本。这在一定程度上也意味着螺旋铣孔技术的使用大大缩短了产品自身的生产周期，进而使生产出来的产品更加具有市场竞争力。

（3）有效促进新材料推广与应用。由于当前传统钻孔技术无法满足复合材料、钛合金等新材料的钻孔要求，在一定程度上阻碍了航天航空事业的发展。然而螺旋铣孔技术的出现与使用，在很大程度上解决了传统钻孔技术的弊端。由于螺旋铣孔的铣削力较小，它在加工复合材料、钛合金等新材料时功耗较低，这样不仅仅能够提高其自身的加工质量，同时还能够为复合材料、钛合金等新材料的推广与应用打下坚实的工艺基础。

（4）有效降低刀具的磨损。在使用螺旋铣孔技术进行钻孔时，由于与传统的螺旋进给方式不同，在钻孔过程中并不是所有的工件都会与切削刃进行结合且同时参与到切削当中，而是在某一时刻、某一刀刃参与到切削过程当中，这使得在螺旋钻孔过程中的热量能够及时快速的散发，使其温度保持稳定状态，进而改善刀具的磨损状况。

2 试验设备与试验设计

试验设备与材料:为了更好的研究基于螺旋铣孔技术的钛合金大直径孔铣削工艺，进行了以下试验。试验所采用的刀具均为合金螺旋铣刀具，这些刀具的螺旋角为36度，前角为15度，后角为8度，加工孔径为18.05mm,直径为13mm，刀具刃数为5，所采取的切削方式为干切削方式。此次试验所采取的工件材料均为钛合金板，每个钛合金板的厚度都为5mm，它们的尺寸大小为250＊120mm。

此次试验中，所采用的数控机床均为DMC75Vlinear五轴数控机床，所使用的测力仪均为Kistler 9257A测力仪来检测钻孔切削力，并且检测到的信息都是由Kistler 5007A 电荷进行放大器传输与数据采集，进而在通过Dynoware测力仪软件显示出来。

利用Wenzel LH65进行钻孔检测时，要对所选取的孔进行四点采样，以此来平均孔径数据。对孔进行粗糙度检测时，利用三丰粗糙度检测仪来进行检测，同时利用显微镜来观察刀具自身的磨损状况。

Ti-6Al-4V工艺切削试验设计:采取13mm的大直径刀具进行加工4/5″( 18．05mm)孔.在加工过程中，螺距代表公转一周时刀具向下方进给的实际距离。而切向则表示每齿进给时所表示的单个切削刃切削时所切削出来的厚度。在试验中，每组试验都要加工两个孔，数据选取的是这两个孔的平均值。

3 试验结果与分析

经过试验可以发现，不同加工参数会影响到切削力的自身运作规律，同时不同的加工参数还会影响到孔径的精度。在实验中，着重的对这一指标进行了测试，发现采取钛合金加工的孔，其公差等级大概在IT7-IT8之间，第一组的等级为IT7，等级最低，其孔径自身的误差也最小。而第三组的等级为IT8，等级最高，其孔径自身的误差也是最大的。并且经过试验发现影响孔径的最主要因素为切向每齿进给与主轴转速这两个因素，而螺距对孔径产生的影响较小，基本没有影响。

加工参数不同对粗糙度的影响不同，粗糙度是评价Ti－6Al－4V孔表面加工质量的一个关键因素。在加工孔时，要格外重视孔的粗糙度。在实验中可以发现，在不同参数的实验中，孔壁的粗糙度也有所不同。在实验中，采取极差法来进行分析，可以发现，加工参数影响孔自身的粗糙度，并且切向每齿进给是影响孔粗糙度的一个关键因素，影响孔粗糙度的第二个因素是主轴转速，最小的影响因素是螺距。

经过试验可以发现，应以提高孔壁质量、减小孔径误差以及降低轴向切削力作为主要目标来进行参数优化。只有第二组的加工参数的孔径误差和轴向切削力最小，而第三组参数加工参数的孔径误差和轴向切削力最大。第一组参数的孔壁自身的粗糙度最小，第四组参数的孔壁自身的粗糙度最大。考虑到粗糙度值比飞机制造标准所要求的粗糙度高，并且第七组的粗糙度数值与第五组的粗糙度数值仅仅相差0.43μm ，因此选择第七组参数作为大直径螺旋铣孔的一个最优加工参数工艺。

4 结语

钛合金大直径孔加工始终都是飞机制造业加工的一个重点和难点。而传统的工艺在进行加工时需要经多道工序、十把刀具以及需要采取钻扩铰等多种工艺，这样不仅仅费时费力，同时加工效率还低。基于高效率、低损失的螺旋铣孔技术，在试验中进行了4/5″大直径孔的加工工艺优化研究，并且得出了以下结论：①影响孔壁粗糙度的一个关键因素是切向进给。②综合考虑加工质量与切削力，优化得出了大直径螺旋铣孔最佳的切削参数为 主轴转速 n=1980r/min，径向进给f=0.034mm/齿，螺距ap=0．36mm，此时加工效率为1234.7s/孔。