作為一種新型孔加工方式，螺旋銑孔技術(shù)具有切削過(guò)程平穩(wěn)、刀具承受切削力小和一次加工即可滿足精度要求的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外材料加工研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。我國(guó)制造技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，其水平取得了很大提高，并進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。切削加工技術(shù)不僅是汽車、航空航天、能源、軍事、模具、電子等制造業(yè)中重要工業(yè)部門的基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵技術(shù)，也是這些工業(yè)部門迅速發(fā)展的重要因素，而且還關(guān)系到機(jī)械加工企業(yè)的加工效率、質(zhì)量、成本、產(chǎn)品性能和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，是制造技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。航空制造業(yè)是制造業(yè)zui為重要的組成部分之一，是*zui為富集的產(chǎn)業(yè)，大量新材料、新技術(shù)首先在航空制造業(yè)中得到應(yīng)用。為了降低飛機(jī)自重、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一些大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件大量采用新型復(fù)合材料，機(jī)翼和一些主承力結(jié)構(gòu)件也普遍采用新型、輕型材料。大量零部件需要加工成千上萬(wàn)個(gè)孔以便進(jìn)行裝配，而對(duì)此類航空裝配孔要實(shí)現(xiàn)、高精度、高質(zhì)量的加工，則需要采用新型技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆孔技術(shù)。
對(duì)于螺旋銑孔技術(shù)，國(guó)外研究得比較深入：eric whinnem闡述了螺旋銑孔技術(shù)的發(fā)展及其在波音飛機(jī)上的應(yīng)用；wangyang ni研究了螺旋銑孔的加工機(jī)理，并在動(dòng)力學(xué)方面取得了一定的進(jìn)展；r.iyer等人對(duì)螺旋銑孔刀具的壽命進(jìn)行了研究?？湛凸疽呀?jīng)在飛機(jī)的研制中應(yīng)用螺旋銑孔技術(shù)。novator公司的研究表明，螺旋銑孔由于能在1個(gè)工序內(nèi)完成對(duì)不同孔的加工，且省掉了通過(guò)拆卸來(lái)消除毛刺的工藝，這項(xiàng)技術(shù)的加工時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)縮短了50%。為了縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本，幾年前空客公司與novator公司合作啟動(dòng)了一項(xiàng)關(guān)于發(fā)展輕型便攜式螺旋銑孔裝置的項(xiàng)目，現(xiàn)已應(yīng)用于法國(guó)、德國(guó)的空客飛機(jī)裝配生產(chǎn)車間中。zui近novator公司又推出了twin spin px3輕型便攜式螺旋銑孔裝置，空客已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了裝配生產(chǎn)線上，并且驗(yàn)證了其生產(chǎn)能力，各公司紛紛效仿，部署這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作。
國(guó)內(nèi)對(duì)螺旋銑法的研究尚處于起步階段。天津大學(xué)在螺旋銑法的動(dòng)力學(xué)研究方面做了積極有效的探索；天津大學(xué)與美國(guó)肯納金屬合作開展的螺旋銑削動(dòng)力學(xué)研究，在螺旋銑孔的加工機(jī)理方面進(jìn)行了深入的工作，建立了螺旋銑孔加工過(guò)程的銑削力和力矩模型，為螺旋銑削刀具研發(fā)提供了有益的參考。
本文將通過(guò)比較傳統(tǒng)鉆削加工工藝與螺旋銑孔加工工藝的特點(diǎn)，進(jìn)一步闡述螺旋銑孔在航空制造裝配業(yè)中的應(yīng)用。
傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝比較
1 傳統(tǒng)鉆削工藝
傳統(tǒng)的鉆削加工主要有以下特點(diǎn)：其一，在傳統(tǒng)的鉆孔過(guò)程中，主軸中心的線速度為0，即鉆頭中心不參與切削，工件的中心區(qū)域材料要*依靠鉆機(jī)向下的推力將其擠出來(lái)去除，因而鉆頭所承受的z向力很大，當(dāng)加工鈦合金等難加工材料時(shí)，刀具的快速磨損失效也就在所難免了。其二，傳統(tǒng)鉆孔加工過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的切削過(guò)程，刀刃始終與工件相接觸，切削時(shí)接觸面溫度很高，而鈦合金的導(dǎo)熱性差，連續(xù)的切削過(guò)程使溫度不斷累積，這也加速了刀具的磨損失效，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降。其三，傳統(tǒng)鉆孔加工的排屑方式也是導(dǎo)致刀具失效的一個(gè)原因。鉆孔過(guò)程中，切屑從鉆頭狹槽中排出，排屑速度慢，而切削熱主要是由切屑帶走的，當(dāng)切削熱不能及時(shí)疏散時(shí)，大量切削熱留在了工件和刀具上，這會(huì)加速刀具的磨損失效。另外，切屑與已加工孔的表面有直接接觸時(shí)，加工表面會(huì)被劃傷，顯然這種排屑方式又影響了孔的表面質(zhì)量。一般說(shuō)來(lái)，傳統(tǒng)鉆孔加工質(zhì)量是無(wú)法滿足飛機(jī)制造業(yè)的精度要求的，還必須依靠其他工序來(lái)保證孔的表面質(zhì)量，從而降低了工作效率，同時(shí)也提高了加工成本。從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)角度考慮，傳統(tǒng)鉆孔工藝已不再適用于飛機(jī)制造業(yè)。
2 螺旋銑孔工藝
與傳統(tǒng)的鉆削加工相比，螺旋銑孔采用了*不同的加工方式。螺旋銑孔過(guò)程由主軸的“自轉(zhuǎn)”和主軸繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”2個(gè)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，這種特殊的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了螺旋銑孔的優(yōu)勢(shì)。首先，刀具中心的軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過(guò)程。刀具的直徑與孔的直徑不一樣，這突破了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實(shí)現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔。這不僅提高了加工效率，同時(shí)也大大減少了存刀數(shù)量和種類，降低了加工成本。其次，螺旋銑孔過(guò)程是斷續(xù)銑削過(guò)程，有利于刀具的散熱，從而降低了因溫度累積而造成刀具磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，與傳統(tǒng)鉆孔相比，螺旋銑孔過(guò)程在冷卻液的使用上有了很大的改進(jìn)，整個(gè)銑孔過(guò)程可以采用微量潤(rùn)滑甚至空冷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，是一個(gè)綠色環(huán)保的過(guò)程。第三，偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式不再是影響孔質(zhì)量的主要因素。由此可見，該項(xiàng)技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景，但作為新的加工方式，其加工機(jī)理有待進(jìn)一步研究探討。
螺旋銑孔動(dòng)力學(xué)
螺旋銑孔工藝的顯著特點(diǎn)是切削運(yùn)動(dòng)由2種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，2種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別是刀具主軸的向下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具周向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，且這2種運(yùn)動(dòng)存在著一定的幾何關(guān)系，如圖2所示。圖中dr為刀具直徑， dh為孔徑，h為刀具每旋轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)中心下降的距離，l1為刀具每轉(zhuǎn)1圈中心移動(dòng)距離在垂直于中心軸平面上的投影，l2為刀具每轉(zhuǎn)1圈中心移動(dòng)的距離，θ為切削螺旋角。
描述一個(gè)完整的螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)至少需要以下4個(gè)參數(shù)：刀具主軸轉(zhuǎn)速n（r/min），軌道轉(zhuǎn)速ω（r/min），軸向進(jìn)給量f（mm/min）和中心偏移距離s（mm）。如圖2所示，各參數(shù)間的關(guān)系為：
h=f/ω,
l1=π（dh-dr），
θ=arctan[f/ωπ（dh-dr）]，
l2=h/sinθ。
若給定銑刀的齒數(shù)為zn，則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。
大量切削試驗(yàn)表明，刀具主軸轉(zhuǎn)速n、軌道轉(zhuǎn)速ω、軸向進(jìn)給量f和中心偏移距離s對(duì)銑削力有著不同程度的影響。其中軸向進(jìn)給量f對(duì)軸向銑削力的影響zui大，且隨著f的增大，銑削力增大，刀具磨損加劇。
螺旋銑孔的優(yōu)勢(shì)
（1）提高加工孔的質(zhì)量和刀具壽命。
相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)，螺旋銑孔顯著地提高了孔的質(zhì)量和強(qiáng)度；螺旋銑孔屬于斷續(xù)切削，較低的銑削力使得加工的孔無(wú)毛刺；刀具直徑比孔小，切屑得以順利排出，使得孔表面的粗糙度值能大幅降低；在加工復(fù)合型材料時(shí)，消除了以往傳統(tǒng)打孔由于刀尖鈍化導(dǎo)致的脫層、剝離、孔表面質(zhì)量低等情況。
傳統(tǒng)鉆孔刀具中心的切削能力低下，且易積聚發(fā)熱快速磨損，刀具壽命普遍較低；螺旋銑孔則由于較低的銑削力使刀具壽命顯著提高。
（2） 縮短研制周期，節(jié)約加工成本。
在制造飛機(jī)或其他重型機(jī)器時(shí)，使用螺旋銑孔技術(shù)將會(huì)大大縮短研發(fā)周期，降低成本。
應(yīng)用螺旋銑孔技術(shù)，可用同一把刀加工不同直徑的孔和復(fù)雜形狀的孔。由于其加工方法的優(yōu)越性，可以節(jié)省傳統(tǒng)的锪錐孔、鉸孔等工作。這意味著，今后加工孔的刀具種類型號(hào)會(huì)不斷減少。從整個(gè)研制周期來(lái)看，使用螺旋技術(shù)可減少很多工序（如分解拆卸后對(duì)不同的孔分別進(jìn)行毛刺去除處理、鉸孔、清除冷卻液，再進(jìn)行組裝），大大縮短加工周期。
（3） 高度自動(dòng)化。
實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化程度，也是降低加工成本的一種方式。由于螺旋銑孔工藝銑削力低，此項(xiàng)技術(shù)才能在工業(yè)機(jī)器人裝置上得以應(yīng)用。由于工業(yè)機(jī)器人裝置比較柔弱，而傳統(tǒng)鉆孔軸向力太大，因此傳統(tǒng)鉆孔是無(wú)法應(yīng)用在此類裝置上的。
（4） 促進(jìn)新材料的使用。
在飛機(jī)的零部件中使用新型材料是明顯的發(fā)展趨勢(shì)，鈦合金、復(fù)合材料等新型材料已得到廣泛應(yīng)用。而新型材料的研制使用需要適合的加工工藝支撐，在孔加工方面，研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)，螺旋銑孔技術(shù)有著顯著的優(yōu)勢(shì)。
結(jié)束語(yǔ)
目前，我國(guó)已成為世界上飛機(jī)零部件的重要生產(chǎn)國(guó)，波音、空客等世界飛機(jī)制造公司都在我國(guó)生產(chǎn)多種飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件（尾翼、機(jī)身、艙門等），這些零部件的加工生產(chǎn)必須采用*的加工裝備和加工工藝。與此同時(shí)，國(guó)外不斷涌現(xiàn)出大量高速、、柔性、復(fù)合、環(huán)保的切削加工新技術(shù)，使得切削加工技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。
在當(dāng)今機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展迅猛、更新?lián)Q代頻繁的時(shí)代，特別針對(duì)*密集的航空、模具行業(yè)，螺旋銑孔技術(shù)提高了制孔工藝效率、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)收益率。這種技術(shù)采用了全新的、*的工藝，在新型材料（如碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等）上打孔，也能取得非常高的孔質(zhì)量，從而為促進(jìn)企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)提供了保證。
螺旋銑孔工藝只需1把刀具就可以加工出不同直徑、高質(zhì)量的孔，既減少了換刀時(shí)間，又節(jié)省了精加工的工序，大大提高了工作效率。鑒于螺旋銑孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，各大企業(yè)，特別是航空、模具行業(yè)中的許多企業(yè)已開始將它應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。隨著這種技術(shù)的推廣和應(yīng)用，傳統(tǒng)的鉆孔刀具將會(huì)慢慢被淘汰，而新型銑孔裝置將越來(lái)越多地出現(xiàn)在機(jī)械加工車間中。