螺旋铣孔技术在航空制造业中的应用

磨削 · 发表于 2011-6-11 11:39:15

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作为一种新型孔加工方式，螺旋铣孔技术具有切削过程平稳、刀具承受切削力小和一次加工即可满足精度要求的优点。该技术已成为国内外材料加工研究的热点和难点之一。
　　我国制造技术正处于快速发展时期，切削加工作为制造技术的主要基础工艺，其水平取得了很大提高，并进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。切削加工技术不仅是汽车、航空航天、能源、军事、模具、电子等制造业中重要工业部门的基础工艺和关键技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素，而且还关系到机械加工企业的加工效率、质量、成本、产品性能和竞争实力，是制造技术进步的重要标志。航空制造业是制造业最为重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的产业，大量新材料、新技术首先在航空制造业中得到应用。为了降低飞机自重、提高结构强度，一些大型的复杂结构零件大量采用新型复合材料，机翼和一些主承力结构件也普遍采用新型、轻型材料。大量零部件需要加工成千上万个孔以便进行装配，而对此类航空装配孔要实现高效、高精度、高质量的加工，则需要采用新型技术来代替传统钻孔技术。
　　对于螺旋铣孔技术，国外研究得比较深入：Eric Whinnem阐述了螺旋铣孔技术的发展及其在波音飞机上的应用；Wangyang Ni研究了螺旋铣孔的加工机理，并在动力学方面取得了一定的进展；R.Iyer等人对螺旋铣孔刀具的寿命进行了研究。空客公司已经在飞机的研制中应用螺旋铣孔技术。Novator公司的研究表明，螺旋铣孔由于能在1个工序内完成对不同孔的加工，且省掉了通过拆卸来消除毛刺的工艺，这项技术的加工时间相对于传统钻孔技术缩短了50%。为了缩短研制周期、降低生产成本，几年前空客公司与Novator公司合作启动了一项关于发展轻型便携式螺旋铣孔装置的项目，现已应用于法国、德国的空客飞机装配生产车间中。最近Novator公司又推出了Twin spin PX3轻型便携式螺旋铣孔装置，空客已经将该项技术应用到了装配生产线上，并且验证了其生产能力，各公司纷纷效仿，部署这项技术的研发工作。

　　国内对螺旋铣法的研究尚处于起步阶段。天津大学在螺旋铣法的动力学研究方面做了积极有效的探索；天津大学与美国肯纳金属合作开展的螺旋铣削动力学研究，在螺旋铣孔的加工机理方面进行了深入的工作，建立了螺旋铣孔加工过程的铣削力和力矩模型，为螺旋铣削刀具研发提供了有益的参考。
　　本文将通过比较传统钻削加工工艺与螺旋铣孔加工工艺的特点，进一步阐述螺旋铣孔在航空制造装配业中的应用。
传统钻削与螺旋铣孔加工工艺比较
　　1 传统钻削工艺
　　传统的钻削加工主要有以下特点：其一，在传统的钻孔过程中，主轴中心的线速度为0，即钻头中心不参与切削，工件的中心区域材料要完全依靠钻机向下的推力将其挤出来去除，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，刀具的快速磨损失效也就在所难免了。其二，传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃始终与工件相接触，切削时接触面温度很高，而钛合金的导热性差，连续的切削过程使温度不断累积，这也加速了刀具的磨损失效，导致加工表面质量下降。其三，传统钻孔加工的排屑方式也是导致刀具失效的一个原因。钻孔过程中，切屑从钻头狭槽中排出，排屑速度慢，而切削热主要是由切屑带走的，当切削热不能及时疏散时，大量切削热留在了工件和刀具上，这会加速刀具的磨损失效。另外，切屑与已加工孔的表面有直接接触时，加工表面会被划伤，显然这种排屑方式又影响了孔的表面质量。一般说来，传统钻孔加工质量是无法满足飞机制造业的精度要求的，还必须依靠其他工序来保证孔的表面质量，从而降低了工作效率，同时也提高了加工成本。从技术可行性和经济角度考虑，传统钻孔工艺已不再适用于飞机制造业。
2 螺旋铣孔工艺
　　与传统的钻削加工相比，螺旋铣孔采用了完全不同的加工方式。螺旋铣孔过程由主轴的“自转”和主轴绕孔中心的“公转”2个运动复合而成，这种特殊的运动方式决定了螺旋铣孔的优势。首先，刀具中心的轨迹是螺旋线而非直线，即刀具中心不再与所加工孔的中心重合，属偏心加工过程。刀具的直径与孔的直径不一样，这突破了传统钻孔技术中一把刀具加工同一直径孔的限制，实现了单一直径刀具加工一系列直径孔。这不仅提高了加工效率，同时也大大减少了存刀数量和种类，降低了加工成本。其次，螺旋铣孔过程是断续铣削过程，有利于刀具的散热，从而降低了因温度累积而造成刀具磨损失效的风险。更重要的是，与传统钻孔相比，螺旋铣孔过程在冷却液的使用上有了很大的改进，整个铣孔过程可以采用微量润滑甚至空冷方式来实现冷却，是一个绿色环保的过程。第三，偏心加工的方式使得切屑有足够的空间从孔槽排出，排屑方式不再是影响孔质量的主要因素。由此可见，该项技术有着广阔的发展空间和良好的市场前景，但作为新的加工方式，其加工机理有待进一步研究探讨。
螺旋铣孔动力学
　　螺旋铣孔工艺的显著特点是切削运动由2种进给运动复合而成，2种进给运动分别是刀具主轴的向下进给运动和刀具周向进给运动，且这2种运动存在着一定的几何关系，如图2所示。图中Dr为刀具直径， Dh为孔径，H为刀具每旋转1转中心下降的距离，L1为刀具每转1圈中心移动距离在垂直于中心轴平面上的投影，L2为刀具每转1圈中心移动的距离，θ为切削螺旋角。
　　描述一个完整的螺旋铣孔运动至少需要以下4个参数：刀具主轴转速N（r/min），轨道转速ω（r/min），轴向进给量f（mm/min）和中心偏移距离s（mm）。如图2所示，各参数间的关系为：

　　H=f/ω,
　　L1=π（Dh-Dr），
　　θ=arctan[f/ωπ（Dh-Dr）]，
　　L2=H/sinθ。
　　若给定铣刀的齿数为Zn，则刀具中心的切削用量
　　Δ=L2ω/NZn，
　　由于θ角度很小，故有
　　θ≈sinθ≈tanθ，
　　便可得到
　　Δ≈f/NZn×π（Dh-Dr）/f=π（Dh-Dr）/NZn。
　　大量切削试验表明，刀具主轴转速N、轨道转速ω、轴向进给量f和中心偏移距离s对铣削力有着不同程度的影响。其中轴向进给量f对轴向铣削力的影响最大，且随着f的增大，铣削力增大，刀具磨损加剧。
螺旋铣孔的优势
　　（1）提高加工孔的质量和刀具寿命。
　　相对于传统的钻孔技术，螺旋铣孔显著地提高了孔的质量和强度；螺旋铣孔属于断续切削，较低的铣削力使得加工的孔无毛刺；刀具直径比孔小，切屑得以顺利排出，使得孔表面的粗糙度值能大幅降低；在加工复合型材料时，消除了以往传统打孔由于刀尖钝化导致的脱层、剥离、孔表面质量低等情况。
　　传统钻孔刀具中心的切削能力低下，且易积聚发热快速磨损，刀具寿命普遍较低；螺旋铣孔则由于较低的铣削力使刀具寿命显著提高。
　　（2）缩短研制周期，节约加工成本。
　　在制造飞机或其他重型机器时，使用螺旋铣孔技术将会大大缩短研发周期，降低成本。
　　应用螺旋铣孔技术，可用同一把刀加工不同直径的孔和复杂形状的孔。由于其加工方法的优越性，可以节省传统的锪锥孔、铰孔等工作。这意味着，今后加工孔的刀具种类型号会不断减少。从整个研制周期来看，使用螺旋技术可减少很多工序（如分解拆卸后对不同的孔分别进行毛刺去除处理、铰孔、清除冷却液，再进行组装），大大缩短加工周期。
　　（3）高度自动化。
　　实现更高的自动化程度，也是降低加工成本的一种方式。由于螺旋铣孔工艺铣削力低，此项技术才能在工业机器人装置上得以应用。由于工业机器人装置比较柔弱，而传统钻孔轴向力太大，因此传统钻孔是无法应用在此类装置上的。
（4）促进新材料的使用。
　　在飞机的零部件中使用新型材料是明显的发展趋势，钛合金、复合材料等新型材料已得到广泛应用。而新型材料的研制使用需要适合的加工工艺支撑，在孔加工方面，研究表明，相对于传统钻孔技术，螺旋铣孔技术有着显著的优势。
结束语
　　目前，我国已成为世界上飞机零部件的重要生产国，波音、空客等世界著名飞机制造公司都在我国生产多种飞机、发动机零部件（尾翼、机身、舱门等），这些零部件的加工生产必须采用先进的加工装备和加工工艺。与此同时，国外不断涌现出大量高速、高效、柔性、复合、环保的切削加工新技术，使得切削加工技术发生了根本性的变化。
　　在当今机械工业产品发展迅猛、更新换代频繁的时代，特别针对高新技术密集的航空、模具行业，螺旋铣孔技术提高了制孔工艺效率、产品质量和企业收益率。这种技术采用了全新的、先进的工艺，在新型材料（如碳纤维复合材料、钛合金等）上打孔，也能取得非常高的孔质量，从而为促进企业新产品的开发提供了保证。
　　螺旋铣孔工艺只需1把刀具就可以加工出不同直径、高质量的孔，既减少了换刀时间，又节省了精加工的工序，大大提高了工作效率。鉴于螺旋铣孔技术的优势，各大企业，特别是航空、模具行业中的许多企业已开始将它应用到生产实际中。随着这种技术的推广和应用，传统的钻孔刀具将会慢慢被淘汰，而新型铣孔装置将越来越多地出现在机械加工车间中。
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