哈爾濱中天數(shù)控工具有限責任公司
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隨著航空航天業(yè)的發(fā)展，對制孔精度和表面質(zhì)量的要求越來越高，鈦合金的應用也越來越廣泛，目前鈦合金不僅是航空航天業(yè)必不可少的金屬材料，還在醫(yī)療器械和工具、冶金、造船業(yè)等行業(yè)有著廣泛的應用。但鈦合金強度高，硬度大，熱導率低，切削熱不易散出，造成刀具磨損嚴重，嚴重影響刀具使用壽命，加工表面質(zhì)量較差且效率低下。螺旋銑孔時的刀具運動由刀具的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸向進給三方面構(gòu)成，刀具中心呈螺旋線軌跡，是一個以銑帶鉆的過程，有利于切屑排出和散熱(見圖1)。該技術可大幅減少軸向力，改善制孔質(zhì)量，提高制孔效率，還可通過調(diào)節(jié)偏心量方便地實現(xiàn)“一刀多徑”，得到航空制造業(yè)的青睞。
劉剛研究了基于分屑原理的螺旋銑孔專用刀具，并對專用刀具的分屑效果、端部和側(cè)刃切削刃的不同切削作用及刀具使用壽命進行了分析。王海艷、魏敏等對不同角度參數(shù)的刀具進行有限元二維仿真，確定合適的刀具角度范圍，設計了螺旋銑孔專用刀具，并對螺旋銑孔進行了動力學研究。E.A.Rahim研究了刀具刃型對銑刀性能的影響。Jamal Ahnmad指出螺旋銑孔刀具后角對切削力影響較大。Chatelian等研究的齒槽型螺旋銑刀具有良好的切削性能。單以才研究了CFRP/Ti6Al4V工藝，提出了大螺距銑孔對于加工疊層構(gòu)件的工藝優(yōu)勢。李登萬通過均勻設計方法優(yōu)化鈦合金加工參數(shù)，提高了切削效率和表面質(zhì)量。陳爾濤基于切削速度、切削深度和每齒進給量等切削參數(shù)，建立了加工參數(shù)優(yōu)化模型。王豐超通過試驗研究了不同切削參數(shù)對出口毛刺高度、孔徑偏差和粗糙度的影響?！?/p>
圖1 螺旋銑孔原理圖
飛機裝配中直徑1/2″以下的孔數(shù)量最多，因此螺旋銑孔技術的研究多集中于此。但在關鍵承力部位還有一定數(shù)量的大直徑孔，加工十分困難。目前，大直徑孔加工通常采用鉆、擴、鉸等多個工序，工藝復雜，需數(shù)十把刀具，加工成本昂貴，加工效率極低，一直是飛機裝配中難點之一。
以12mm直徑螺旋銑刀為例，采用正交試驗和極值分析等方法進行鈦合金19.05mm(3/4″)大直徑的螺旋銑孔工藝研究，分析了不同參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，優(yōu)化了最佳加工參數(shù)。研究有利于推動螺旋銑孔在大直徑孔加工中的應用，同時對提高飛機裝配效率、降低加工成本也具有重要意義。
1 試驗設備與試驗設計
表1 鈦合金的物理性能和力學性能相關性能
1.1 試驗設備與材料
試驗所用刀具為無涂層硬質(zhì)合金螺旋銑孔刀具，直徑12mm，加工孔徑19.05mm，螺旋角35°，前角8°，后角15°，刀具刃數(shù)4，采用干切削方式。試驗工件材料為鈦合金板，厚度5mm，大小為120×250mm，鈦合金的物理性能和力學性能見表1。
加工中心為DMC75Vlinear五軸數(shù)控機床，采用三向Kistler 9257A測力儀檢測切削力，檢測到的信號經(jīng)Kistler 5007A電荷放大器傳輸、數(shù)據(jù)采集卡進行采集，由Dynoware測力儀軟件進行實時顯示；采用Wenzel LH65三坐標測量儀進行孔徑檢測，每個孔進行四點采樣獲取孔徑數(shù)據(jù)；粗糙度測量采用三豐粗糙度檢測儀，并用超景深顯微鏡觀察刀具磨損情況。
表2 正交實驗參數(shù)表
1.2 Ti-6Al-4V工藝切削試驗設計
采用12mm大直徑刀具加工3/4″(19.05mm)孔。三因素三水平正交試驗的具體試驗參數(shù)見表2。其中，螺距表示每公轉(zhuǎn)一周刀具向下進給的距離，切向每齒進給表示每個切削刃切向切削的厚度。每組試驗加工兩個孔，所測參數(shù)取平均值。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 不同加工參數(shù)對切削力的影響規(guī)律
圖2是第五組切削參數(shù)條件下測得的三向切削力隨時間變化的曲線，定義z軸為軸向切削力方向。從圖中可以看出，x向力和y向力的變化波動情況基本趨勢一致，軸向力在一定范圍內(nèi)變化，選取穩(wěn)定切削階段作為有效切削力，各個參數(shù)下測得的切削力見表3。
(a) (b)
(c)
n=1800r/min，螺距α=0.25mm，切向每齒進給f=0.025mm/z
圖2 隨時間變化所測得的切削力信號
圖3是以軸向切削力為目標的極差分析結(jié)果。從圖中可以看出，螺距是影響刀具軸向切削力的主要因素，其次為切向每齒進給量，對軸向切削力影響最小的是主軸轉(zhuǎn)速。
圖3 切削力極差值
表3 軸向切削力平均化試驗結(jié)果
表4 正交試驗孔徑測量值
2.2 不同加工參數(shù)對孔徑精度的影響
孔徑精度是制孔質(zhì)量的重要指標之一，對飛機裝配質(zhì)量和構(gòu)件的服役壽命有重要影響，采用三坐標測量儀試驗研究了不同參數(shù)下的孔徑加工精度(見表4)。
從孔徑的測量結(jié)果可以得出，鈦合金孔加工公差等級均在IT5-IT7間，第五組加工參數(shù)的孔徑等級為IT5，孔徑誤差最小。采用極差分析法分析加工參數(shù)對孔徑的影響規(guī)律，得出的極差值見圖4。主軸轉(zhuǎn)速和切向每齒進給是影響孔徑的主要因素，螺距對孔徑的影響較小。
圖4 孔徑極差值
2.3 不同加工參數(shù)對粗糙度的影響
粗糙度是評價Ti-6Al-4V表面加工質(zhì)量的重要因素，飛機裝配中對其有嚴格要求，不同參數(shù)下得到的孔壁粗糙度見表5。
表5 正交試驗粗糙度測量
圖5 粗糙度極差值
在螺旋銑孔過程中，孔徑粗糙度值在0.18-0.42μm時，孔壁光潔度極好。采用極差法分析加工參數(shù)對粗糙度的影響，得到的極差值見圖5?？梢钥闯?，對孔壁粗糙度影響最大的因素是切向每齒進給，其次是主軸轉(zhuǎn)速，影響最小的是螺距。
綜上所述，以降低軸向切削力、減小孔徑誤差、提高孔壁質(zhì)量為主要目標進行參數(shù)優(yōu)化。第五組加工參數(shù)的軸向切削力和孔徑誤差最小，第七組參數(shù)的孔壁粗糙度最小。考慮到粗糙度值遠小于飛機制造標準，且第五組粗糙度值與第七組僅相差0.055μm，故選擇第五組參數(shù)為大直徑螺旋銑孔最優(yōu)加工參數(shù)工藝。
3 大直徑孔加工質(zhì)量隨加工孔數(shù)的變化規(guī)律
基于以上分析，研究了切削力、加工質(zhì)量和刀具磨損在最佳加工參數(shù)下隨加工孔數(shù)的變化規(guī)律。
3.1 軸向切削力的變化
最優(yōu)切削參數(shù)下軸向切削力隨加工孔數(shù)的變化見圖6。因刀具磨合階段切削過程不穩(wěn)定，導致第二個孔和第三個孔的切削力突然變大；隨后，刀具進入正常磨損階段，切削力逐漸上升，但幅度很小，加工30個孔后軸向切削力依舊在100N左右。
圖6 鈦合金切削力
圖7 鈦合金粗糙度值
3.2 最優(yōu)參數(shù)下粗糙度的變化
最優(yōu)參數(shù)下粗糙度隨加工孔數(shù)的變化見圖7。可以看出，前20個孔的粗糙度基本在0.2-0.3μm之間波動，但第20個孔的粗糙度明顯升高，隨后又在0.4μm左右波動?？傮w來說，大直徑螺旋銑孔的孔壁粗糙度隨加工孔數(shù)的增加而升高，但變化范圍較小(0.2-0.4μm之間)，完全符合航空制造業(yè)對孔壁粗糙度的要求。
3.3 最優(yōu)參數(shù)下孔徑的變化
最優(yōu)切削參數(shù)下孔徑隨加工孔數(shù)的變化見圖8。從圖中可以看出，加工前期的直徑較穩(wěn)定，在19.07mm左右波動；第13個孔后孔徑出現(xiàn)較大波動，這主要是由鈦合金粘結(jié)以及刀具磨損所致?？紤]到螺旋銑孔可通過調(diào)節(jié)偏心量實現(xiàn)孔徑誤差的補償，因而以其最大變化量評價該工藝的孔徑精度更有效。與標準孔徑19.05mm相比，加工孔徑的最大誤差為0.03mm，誤差值小，加工效果良好。
3.4 刀具磨損形貌
圖9為加工30個孔后的刀具磨損形貌，刀具側(cè)刃的磨損極小，幾乎觀測不到，且刃形也基本完整，并未發(fā)生崩刃(見圖9a)；圖9b為刀尖磨損形貌，刀尖后刀面出現(xiàn)明顯的鈦合金粘結(jié)，說明此處發(fā)生了粘結(jié)磨損；圖9c和圖9d為刀具底刃的后刀面磨損形貌，可以看出發(fā)生了微崩刃，從磨損量上來看底刃的磨損比側(cè)刃嚴重。因此，磨損最嚴重的為底刃，且外側(cè)刀尖處最嚴重，這是因為螺旋銑孔過程中底刃為連續(xù)切削，且每齒軸向進給極小(0.28μm/齒)，后刀面與工件間摩擦較嚴重，故切削溫度高，粘結(jié)磨損、氧化磨損加??；越靠近刀尖，切削速度越高，導致磨損嚴重。
圖8 鈦合金孔徑值
(a) 切削后的溝槽 (b) 齒的邊緣破損情況
(c) (d)
圖9 鈦合金刀具磨損圖
無論側(cè)刃還是底刃，銑削30個孔后，磨損量遠未達到0.3mm的磨鈍標準，說明在此加工參數(shù)下，刀具可加工孔數(shù)遠大于30個。
4 小結(jié)
鈦合金大直徑孔的加工一直是飛機制造業(yè)加工的難點，傳統(tǒng)工藝需采用鉆擴鉸等多種工藝、多道工序以及數(shù)十把刀具，費時費力。基于低損傷、高效率的螺旋銑孔技術，通過正交試驗法進行了3/4″大直徑孔的加工工藝優(yōu)化研究，得到以下結(jié)論：
基于正交試驗和極值分析方法，分析了不同加工參數(shù)對鈦合金大直徑(3/4″)螺旋銑孔時切削力、孔徑精度和孔壁粗糙度等的影響，發(fā)現(xiàn)對軸向力影響最大的是螺距，而主軸轉(zhuǎn)速和切向進給是影響孔徑精度的主要因素，切向進給是影響孔壁粗糙度的主要因素。
綜合考慮切削力及加工質(zhì)量，優(yōu)化得出大直徑螺旋銑孔的最佳切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=1800r/min，螺距ap=0.25mm，徑向進給f=0.025mm/齒，此時加工效率為147.7s/孔。
采用優(yōu)化后的加工參數(shù)進行螺旋銑孔試驗，隨著加工孔數(shù)增加，切削力呈小幅升高，加工30個孔后，加工質(zhì)量遠優(yōu)于航空制造標準，且刀具磨損輕微，能滿足鈦合金大直徑螺旋銑孔的加工要求。
來源：切削技術網(wǎng)站
