核心提示：本文基于螺旋铣孔技术,采用正交试验和极差值分析方法,在钛合金上进行了19.05mm直径孔的螺旋铣削试验。分析了不同切削参数对轴向切削力、钛合金孔径、粗糙度等的影响,以此为指标优化出最佳工艺参数。在此基础上研究了最佳参数下切削力、加工质量和刀具磨损随加工孔数的变化,发现在大直径孔加工中,螺旋铣孔技术可有效改善加工质量、提高加工效率。
随着航空航天业的发展，对制孔精度和表面质量的要求越来越高，钛合金的应用也越来越广泛，目前钛合金不仅是航空航天业必不可少的金属材料，还在医疗器械和工具、冶金、造船业等行业有着广泛的应用。但钛合金强度高，硬度大，热导率低，切削热不易散出，造成刀具磨损严重，严重影响刀具使用寿命，加工表面质量较差且效率低下。螺旋铣孔时的刀具运动由刀具的自转、公转、轴向进给三方面构成，刀具中心呈螺旋线轨迹，是一个以铣带钻的过程，有利于切屑排出和散热(见图1)。该技术可大幅减少轴向力，改善制孔质量，提高制孔效率，还可通过调节偏心量方便地实现“一刀多径”，得到航空制造业的青睐。
刘刚研究了基于分屑原理的螺旋铣孔专用刀具，并对专用刀具的分屑效果、端部和侧刃切削刃的不同切削作用及刀具使用寿命进行了分析。王海艳、魏敏等对不同角度参数的刀具进行有限元二维仿真，确定合适的刀具角度范围，设计了螺旋铣孔专用刀具，并对螺旋铣孔进行了动力学研究。E.A.Rahim研究了刀具刃型对铣刀性能的影响。Jamal Ahnmad指出螺旋铣孔刀具后角对切削力影响较大。Chatelian等研究的齿槽型螺旋铣刀具有良好的切削性能。单以才研究了CFRP/Ti6Al4V工艺，提出了大螺距铣孔对于加工叠层构件的工艺优势。李登万通过均匀设计方法优化钛合金加工参数，提高了切削效率和表面质量。陈尔涛基于切削速度、切削深度和每齿进给量等切削参数，建立了加工参数优化模型。王丰超通过试验研究了不同切削参数对出口毛刺高度、孔径偏差和粗糙度的影响。
图1 螺旋铣孔原理图
飞机装配中直径1/2″以下的孔数量最多，因此螺旋铣孔技术的研究多集中于此。但在关键承力部位还有一定数量的大直径孔，加工十分困难。目前，大直径孔加工通常采用钻、扩、铰等多个工序，工艺复杂，需数十把刀具，加工成本昂贵，加工效率极低，一直是飞机装配中难点之一。
以12mm直径螺旋铣刀为例，采用正交试验和极值分析等方法进行钛合金19.05mm(3/4″)大直径的螺旋铣孔工艺研究，分析了不同参数对加工质量的影响，优化了最佳加工参数。研究有利于推动螺旋铣孔在大直径孔加工中的应用，同时对提高飞机装配效率、降低加工成本也具有重要意义。
1 试验设备与试验设计
表1 钛合金的物理性能和力学性能相关性能
1.1 试验设备与材料
试验所用刀具为无涂层硬质合金螺旋铣孔刀具，直径12mm，加工孔径19.05mm，螺旋角35°，前角8°，后角15°，刀具刃数4，采用干切削方式。试验工件材料为钛合金板，厚度5mm，大小为120×250mm，钛合金的物理性能和力学性能见表1。
加工中心为DMC75Vlinear五轴数控机床，采用三向Kistler 9257A测力仪检测切削力，检测到的信号经Kistler 5007A电荷放大器传输、数据采集卡进行采集，由Dynoware测力仪软件进行实时显示；采用Wenzel LH65三坐标测量仪进行孔径检测，每个孔进行四点采样获取孔径数据；粗糙度测量采用三丰粗糙度检测仪，并用超景深显微镜观察刀具磨损情况。
表2 正交实验参数表
1.2 Ti-6Al-4V工艺切削试验设计
采用12mm大直径刀具加工3/4″(19.05mm)孔。三因素三水平正交试验的具体试验参数见表2。其中，螺距表示每公转一周刀具向下进给的距离，切向每齿进给表示每个切削刃切向切削的厚度。每组试验加工两个孔，所测参数取平均值。
2 试验结果与分析
2.1 不同加工参数对切削力的影响规律
图2是第五组切削参数条件下测得的三向切削力随时间变化的曲线，定义z轴为轴向切削力方向。从图中可以看出，x向力和y向力的变化波动情况基本趋势一致，轴向力在一定范围内变化，选取稳定切削阶段作为有效切削力，各个参数下测得的切削力见表3。
n=1800r/min，螺距α=0.25mm，切向每齿进给f=0.025mm/z
图2 随时间变化所测得的切削力信号
图3是以轴向切削力为目标的极差分析结果。从图中可以看出，螺距是影响刀具轴向切削力的主要因素，其次为切向每齿进给量，对轴向切削力影响最小的是主轴转速。
图3 切削力极差值
表3 轴向切削力平均化试验结果
2.2 不同加工参数对孔径精度的影响
孔径精度是制孔质量的重要指标之一，对飞机装配质量和构件的服役寿命有重要影响，采用三坐标测量仪试验研究了不同参数下的孔径加工精度(见表4)。
从孔径的测量结果可以得出，钛合金孔加工公差等级均在IT5-IT7间，第五组加工参数的孔径等级为IT5，孔径误差最小。采用极差分析法分析加工参数对孔径的影响规律，得出的极差值见图4。主轴转速和切向每齿进给是影响孔径的主要因素，螺距对孔径的影响较小。
图4 孔径极差值
2.3 不同加工参数对粗糙度的影响
粗糙度是评价Ti-6Al-4V表面加工质量的重要因素，飞机装配中对其有严格要求，不同参数下得到的孔壁粗糙度见表5。
表5 正交试验粗糙度测量
在螺旋铣孔过程中，孔径粗糙度值在0.18-0.42μm时，孔壁光洁度极好。采用极差法分析加工参数对粗糙度的影响，得到的极差值见图5。可以看出，对孔壁粗糙度影响最大的因素是切向每齿进给，其次是主轴转速，影响最小的是螺距。
综上所述，以降低轴向切削力、减小孔径误差、提高孔壁质量为主要目标进行参数优化。第五组加工参数的轴向切削力和孔径误差最小，第七组参数的孔壁粗糙度最小。考虑到粗糙度值远小于飞机制造标准，且第五组粗糙度值与第七组仅相差0.055μm，故选择第五组参数为大直径螺旋铣孔最优加工参数工艺。
3 大直径孔加工质量随加工孔数的变化规律
基于以上分析，研究了切削力、加工质量和刀具磨损在最佳加工参数下随加工孔数的变化规律。
3.1 轴向切削力的变化
最优切削参数下轴向切削力随加工孔数的变化见图6。因刀具磨合阶段切削过程不稳定，导致第二个孔和第三个孔的切削力突然变大；随后，刀具进入正常磨损阶段，切削力逐渐上升，但幅度很小，加工30个孔后轴向切削力依旧在100N左右。
3.2 最优参数下粗糙度的变化
最优参数下粗糙度随加工孔数的变化见图7。可以看出，前20个孔的粗糙度基本在0.2-0.3μm之间波动，但第20个孔的粗糙度明显升高，随后又在0.4μm左右波动。总体来说，大直径螺旋铣孔的孔壁粗糙度随加工孔数的增加而升高，但变化范围较小(0.2-0.4μm之间)，完全符合航空制造业对孔壁粗糙度的要求。
3.3 最优参数下孔径的变化
最优切削参数下孔径随加工孔数的变化见图8。从图中可以看出，加工前期的直径较稳定，在19.07mm左右波动；第13个孔后孔径出现较大波动，这主要是由钛合金粘结以及刀具磨损所致。考虑到螺旋铣孔可通过调节偏心量实现孔径误差的补偿，因而以其最大变化量评价该工艺的孔径精度更有效。与标准孔径19.05mm相比，加工孔径的最大误差为0.03mm，误差值小，加工效果良好。
3.4 刀具磨损形貌
图9为加工30个孔后的刀具磨损形貌，刀具侧刃的磨损极小，几乎观测不到，且刃形也基本完整，并未发生崩刃(见图9a)；图9b为刀尖磨损形貌，刀尖后刀面出现明显的钛合金粘结，说明此处发生了粘结磨损；图9c和图9d为刀具底刃的后刀面磨损形貌，可以看出发生了微崩刃，从磨损量上来看底刃的磨损比侧刃严重。因此，磨损最严重的为底刃，且外侧刀尖处最严重，这是因为螺旋铣孔过程中底刃为连续切削，且每齿轴向进给极小(0.28μm/齿)，后刀面与工件间摩擦较严重，故切削温度高，粘结磨损、氧化磨损加剧；越靠近刀尖，切削速度越高，导致磨损严重。
图8 钛合金孔径值
图9 钛合金刀具磨损图
无论侧刃还是底刃，铣削30个孔后，磨损量远未达到0.3mm的磨钝标准，说明在此加工参数下，刀具可加工孔数远大于30个。
4 小结
钛合金大直径孔的加工一直是飞机制造业加工的难点，传统工艺需采用钻扩铰等多种工艺、多道工序以及数十把刀具，费时费力。基于低损伤、高效率的螺旋铣孔技术，通过正交试验法进行了3/4″大直径孔的加工工艺优化研究，得到以下结论：
基于正交试验和极值分析方法，分析了不同加工参数对钛合金大直径(3/4″)螺旋铣孔时切削力、孔径精度和孔壁粗糙度等的影响，发现对轴向力影响最大的是螺距，而主轴转速和切向进给是影响孔径精度的主要因素，切向进给是影响孔壁粗糙度的主要因素。
综合考虑切削力及加工质量，优化得出大直径螺旋铣孔的最佳切削参数为：主轴转速n=1800r/min，螺距ap=0.25mm，径向进给f=0.025mm/齿，此时加工效率为147.7s/孔。
采用优化后的加工参数进行螺旋铣孔试验，随着加工孔数增加，切削力呈小幅升高，加工30个孔后，加工质量远优于航空制造标准，且刀具磨损轻微，能满足钛合金大直径螺旋铣孔的加工要求。
