飛機(jī)零件螺旋銑孔專(zhuān)用刀具分析

曹雷

摘 要：航空制造業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要指標(biāo)，在飛機(jī)裝配制造材料的選擇上要求也是非常高的，為了滿(mǎn)足飛機(jī)零件的性能要求，通常選用先進(jìn)的鈦合金與復(fù)合材料，那么裝配制孔就成了首要問(wèn)題。螺旋銑孔作為一種新型孔加工工藝，就是為了適應(yīng)飛機(jī)零件的孔加工與飛機(jī)裝配制造而興起的一種新型制孔工藝，目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了大量的實(shí)驗(yàn)與研究。

關(guān)鍵詞：航空制造業(yè)；裝配制孔；螺旋銑孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TG71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 螺旋銑孔

1.1 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分析

螺旋銑孔刀具在設(shè)備上工作的運(yùn)動(dòng)形式是不同的，分為：刀具繞自身軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)、刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具繞加工孔的軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這3種形式是最常見(jiàn)的同時(shí)應(yīng)用也是最廣泛的，這種刀具的螺旋運(yùn)動(dòng)使螺旋銑孔技術(shù)在孔加工工藝中凸顯出諸多優(yōu)勢(shì)，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(duì)于加工質(zhì)量、加工過(guò)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(chǎn)生積屑瘤的前提下，工件加工切削速度越大，零件變形系數(shù)越?。蝗绻邢魉俣冗^(guò)小，刀具的磨損會(huì)隨著速度的降低而隨之增加，因此在加工中就會(huì)對(duì)加工零件的表面質(zhì)量、零件的公差、切削溫度等產(chǎn)生影響。切削速度對(duì)切削變形的影響主要有2個(gè)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(duì)于摩擦系數(shù)的影響，切削速度大時(shí)摩擦系數(shù)減小。

1.3 分析立銑刀螺旋銑孔

當(dāng)偏心距增大時(shí)，孔的體積會(huì)隨之增大，側(cè)刃對(duì)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(cè)刃切削比例大，端刃切屑尺寸大等弊端，因此在對(duì)刀具的設(shè)計(jì)上需要深入研究專(zhuān)用刀具的加工，進(jìn)行專(zhuān)用刀具的設(shè)計(jì)。

2 專(zhuān)用刀具切削刃設(shè)計(jì)

2.1 分屑與群鉆的介紹

在普通的切削加工時(shí)，切屑作為一個(gè)整體動(dòng)作進(jìn)行工作，那么隨著切削過(guò)程的進(jìn)展，切屑體積增加，在刀具與工件的內(nèi)部相互作用力會(huì)增大，同時(shí)這種作用力在切削過(guò)程中使刀具產(chǎn)生附加變形，對(duì)刀具的磨損加劇，這種情況下切削刃處于非自由切削狀態(tài)；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(diǎn)：

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

（2）分屑能夠在不改變刀具進(jìn)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(chǎn)生的熱量也會(huì)降低，排屑順暢后加工過(guò)程也變得更加平穩(wěn)。

（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(duì)孔的損害，提高孔加工質(zhì)量。

（5）分屑后能夠?qū)崿F(xiàn)合理斷屑。群鉆是對(duì)普通的麻花鉆進(jìn)行改進(jìn)的一種新型鉆孔技術(shù)，這種技術(shù)主要利用了分屑原理。群鉆的鉆頭改變了原來(lái)的直線(xiàn)型刀刃，在普通鉆頭上磨出圓弧槽，兩側(cè)刀刃形成“W”形刀刃。

2.2 專(zhuān)用刀具切削分析

在零件加工中我們使用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用刀具，用Slidworks對(duì)切屑的形成進(jìn)行模擬，保證加工質(zhì)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(xiàn)自轉(zhuǎn)一周。

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

（3）實(shí)體工件與陣列工件相交得到待加工工件，此時(shí)形成的切屑在每次自轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)。

（4）將刀具在下一個(gè)公轉(zhuǎn)周期的起始位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，得到的實(shí)體與c步驟相交，即可得到?jīng)]有變形的切屑形狀。

3 測(cè)試與刀具參數(shù)優(yōu)化

為了驗(yàn)證專(zhuān)用刀具螺旋銑孔時(shí)的切削性能，我們用鈦合金、復(fù)合材料做了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了專(zhuān)用刀具在分屑效果與針對(duì)難加工材料時(shí)顯現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)。

3.1 鈦合金螺旋銑孔對(duì)比試驗(yàn)

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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速90 r/min，每公轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量0.1 mm/r，加工后得出結(jié)果如下：

（1）從切屑對(duì)比看出，專(zhuān)用刀具產(chǎn)生的切屑尺寸小，切屑較薄，刀具刀刃上的應(yīng)力大，減輕刀具的崩刃現(xiàn)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(zhì)量對(duì)比看出，專(zhuān)用刀具的表面光滑基本滿(mǎn)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(duì)比來(lái)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(zhuān)用刀具大，在加工了5個(gè)孔以后就出現(xiàn)了毛刺，噪聲大等情況，而專(zhuān)用刀具基本沒(méi)有問(wèn)題。

3.2 復(fù)合材料螺旋銑孔對(duì)比試驗(yàn)

材料復(fù)合材料，板厚10 mm，干切削加工；偏心距2.5 mm，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速10 000 r/min，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速100 r/min，每公轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量0.5 mm/r，加工后得出結(jié)果如下：

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

3.3 刀具幾何參數(shù)優(yōu)化

（1）端部切削刃前角優(yōu)化，經(jīng)過(guò)有限元分析，刀具的軸向力趨于平穩(wěn)。

（2）刀具偏心距與中心切削刃的選擇，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)陣分布優(yōu)化，專(zhuān)用刀具的端部切削刃多點(diǎn)陣式分布，使側(cè)刃的壽命增加，從而延長(zhǎng)了刀具的壽命并且提高了孔的質(zhì)量。

4 結(jié)論

在航空難加工材料的孔加工要求逐漸提高的同時(shí)，螺旋銑孔作為一種新的加工手段也逐漸被重視。該文通過(guò)對(duì)專(zhuān)用刀具的介紹，以立銑刀為例與專(zhuān)用刀具的切削試驗(yàn)對(duì)比，都有力地證明了螺旋銑孔專(zhuān)用刀具的重要性。雖然螺旋銑孔的研制已經(jīng)取得了很好的成績(jī)，但是在分屑時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)與延長(zhǎng)較大直徑刀具的使用壽命等問(wèn)題仍然值得我們繼續(xù)深入研究。

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