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摘 要 本文联系生产实践，为改进和提升钛合金材料构件制孔效率以及质量，从钻削制孔缺陷的形成机理中探寻用铣削取代钻削制孔的新工艺。
关键词 钛合金；钻削；铣削
中图分类号：V262 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0072-01
当前我国复合材料叠层制孔的主要方式是手工加工，加工质量满足不了生产设计的需求，且工作强度大，效率低，对于大直径、大厚度的钛合金材料叠层结构来说更是如此。本文联系生产实践，为改进和提升钛合金材料构件制孔效率以及质量，从钻削制孔缺陷的形成机理，探寻用铣削取代钻削制孔的新
工艺。
1 螺旋铣孔加工工艺
1.1 钻孔加工方式的缺陷
采用传统的钻削工艺进行钛合金叠层结构制孔有几个特点：一是在钻孔过程中，切屑从钻头螺旋槽中排出，极易和以加工孔表面相触，划损已经加工过的孔壁，造成孔的表面的损伤。二是在钻削的时候，钻头横刃处的转速是零，切削条件较差，横刃处的材料全部依靠钻头挤压成切屑排出，因而制孔的轴向力很大。当钻孔的轴向力大于钛合金层间结合力将会造成分层。三是钛合金是一种导热性差、加工硬化严重的材料，当钻头开始钻削时，切削的温度会急剧升高，刀具磨损失效加重，通常会因为道具进行不了有效的切削失去效用。总而言之，传统的钻孔加工需仰赖其他的工序来确保孔的表面质量，且满足不了飞机制造业的精度需求，加工成本不但提高了，工作效率也跟着降低。
虽然有很多专家在提高加工效率、改善刀具形式等方面都做了许多研发工作，但是这些刀具尽管提升了钻孔质量和刀具寿命，刀具本身对机床设备却有很高的要求，而且价格昂贵，并不能全部用于装配线环节。在飞机制造业的全部环节上，尤其是加工比较大的装配孔，都已不再适合使用传统的钻孔工艺，不管是从经济角度上还是技术可行性上。
1.2 螺旋铣孔加工
螺旋铣孔采取的加工方式与传统的钻削加工是完全不同的。在螺旋铣孔加工工艺中，其轴向力是沿铣刀轴线方向的分力，消耗掉的功率较少；但作用在铣刀圆周切线方向上的分力是其主切削力，铣刀的旋转运动是铣削的主运动，因而消耗较多的功率；而对钻削来说技术来说，极易出现钛合金翻边现象，因为向下的切削加工是它的主运动，消耗掉的功率非常大，因而具有非常大轴向力。螺旋铣孔工艺中不会产生分层缺陷、钻入缺陷、钻出缺陷、毛刺等毛病是因为其制孔时的轴向切削力被减弱了，加工孔的质量因此得以提升：①偏心加工的方法使切屑有充足的空间从空槽排出，排屑方法不会再成为影响孔质量与刀具磨损的主要原因。②螺旋铣孔经过是断续铣削，方便刀具散热，以此使得碳纤维板树脂因为温度的累积而融化的风险降低。③刀具中心的轨迹不是直线而是螺旋线，也就是说刀具中心没有和所加工孔的中心重叠，属于偏加工过程。④不但避开了常规方式制孔的缺点，而且还省略了经由拆卸消去毛刺的工艺。螺旋铣孔加工技术超越了传统中一把刀具加工同一直径孔的钻孔技术，加工孔都能够完成一次成形，完成了单直径刀具加工一系列直径孔技术（经由变动径向偏移量完成一把刀具加工一系列直径的孔）。这不但减少了存刀种类与数量，还大大的提升了加工效率，减少加工成本。
2 试验验证
主要采用硬质合铣刀和硬质合金麻花钻对钛合金叠层板进行制孔，经由分析在不一样的条件下（是不是采用MQL技术，即微量润滑技术）采取不一样的制孔方法下孔质量与轴向力的大小，验证以铣取代钻的实用价值与微量润滑技术的效果。
2.1 试验条件
1）刀具：Φ4，Φ6硬质合铣刀，Φ5，Φ8硬质合金麻花钻，（Φ8的孔用Φ6的铣刀铣，Φ5的孔用Φ4的铣刀铣）。
2）工件材料：10 mm钛合金材料。
3）机床。Mikron UCP710五坐标高速加工中心，有关参数：功率：16 kW；行程（X/Y/Z）：710 mm/550 mm/500 mm；转速：100 r/min～18000 r/min；最大工作进给速度：20 m/min。
4）测试仪器。选用Kistler5019电荷放大器，与之对应的是Kistler9265B动态测力仪。Kistler9265B测力仪使用压电晶体传感器，能够在同一时间内测量三个方位的铣削力，它性能指标是：Z方向量程-10 kN～30 kN，固有频率2.5 kHz，灵敏度3.7pC/N；X，Y方向量程-15 kN～15 kN，固有频率1.5 kHz，灵敏度8pC/N。
2.2 轴向力对比
铣削与钻削相同孔径的轴向力相较，钻削力比铣削力大。在钻Φ5的孔时钻削力对于钛合金是700 N，对于CFRP大概是190 N；而在铣Φ5的孔时铣削力对于钛合金是320 N，对于CFRP大概是120 N。在钻Φ8的孔时钻削力对于钛合金是1000 N，对于CFRP大概是300 N；而在铣Φ8的孔时铣削力对于钛合金是400 N，对于CFRP大概是150 N。
在铣削孔时，不使用MQL技术与使用MQL技术时轴向力的相较：不使用MQL技术在铣钛合金材料时轴向力大概是340 N，使用的时候轴向力大概是320 N；不使用MQL技术在铣CFRP材料时轴向力大概是120 N，而使用的时候其轴向力大概是110 N。由此可知使用MQL技术能够减弱轴向力。
在钻孔时，不使用MQL技术钻孔与使用MQL技术钻孔相较：不使用MQL技术在钻CFRP材料时轴向力大概是180 N，使用的时候大概是200 N；不用MQL技术在铣钛合金材料时轴向力大概是700 N，使用的时候大概是800 N。由此可知在钻孔时使用MQL技术轴向力会增大。
3 结束语
综上所述，一定直径以上的装配孔，铣削制孔比钻孔更有优势：一是孔的质量要比钻孔的好很多；二是铣削制孔时可以采取高转速并可以在一个工序内实现对不同孔的加工，缩短换刀时间，提升制孔效率，并省略经由拆卸来消去毛刺的工艺；三是柔性较好，螺旋铣孔工艺能够用同一直径的刀具加工不一样直径的孔，减少刀具支出；四是可使所需制孔力明显下降，通常是钻孔的50%左右；五是MQL技术的应用使制孔力降低，有利于节约能源。
参考文献
[1]秦旭达，陈仕茂，刘伟成.螺旋铣孔技术在航空制造装配业中的发展应用[J].航空制造技术，2009（6）：58-60.
[2]钱秀松，刘永琪，张万君.碳纤维复合材料的孔加工[J].纤维复合材料，2005（3）：49-52.
[3]杨健.民用飞机机体用钛合金的新技术探讨[J].航空制造技术，2011（13）：51-53.
关键词 钛合金；钻削；铣削
中图分类号：V262 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0072-01
当前我国复合材料叠层制孔的主要方式是手工加工，加工质量满足不了生产设计的需求，且工作强度大，效率低，对于大直径、大厚度的钛合金材料叠层结构来说更是如此。本文联系生产实践，为改进和提升钛合金材料构件制孔效率以及质量，从钻削制孔缺陷的形成机理，探寻用铣削取代钻削制孔的新
工艺。
1 螺旋铣孔加工工艺
1.1 钻孔加工方式的缺陷
采用传统的钻削工艺进行钛合金叠层结构制孔有几个特点：一是在钻孔过程中，切屑从钻头螺旋槽中排出，极易和以加工孔表面相触，划损已经加工过的孔壁，造成孔的表面的损伤。二是在钻削的时候，钻头横刃处的转速是零，切削条件较差，横刃处的材料全部依靠钻头挤压成切屑排出，因而制孔的轴向力很大。当钻孔的轴向力大于钛合金层间结合力将会造成分层。三是钛合金是一种导热性差、加工硬化严重的材料，当钻头开始钻削时，切削的温度会急剧升高，刀具磨损失效加重，通常会因为道具进行不了有效的切削失去效用。总而言之，传统的钻孔加工需仰赖其他的工序来确保孔的表面质量，且满足不了飞机制造业的精度需求，加工成本不但提高了，工作效率也跟着降低。
虽然有很多专家在提高加工效率、改善刀具形式等方面都做了许多研发工作，但是这些刀具尽管提升了钻孔质量和刀具寿命，刀具本身对机床设备却有很高的要求，而且价格昂贵，并不能全部用于装配线环节。在飞机制造业的全部环节上，尤其是加工比较大的装配孔，都已不再适合使用传统的钻孔工艺，不管是从经济角度上还是技术可行性上。
1.2 螺旋铣孔加工
螺旋铣孔采取的加工方式与传统的钻削加工是完全不同的。在螺旋铣孔加工工艺中，其轴向力是沿铣刀轴线方向的分力，消耗掉的功率较少；但作用在铣刀圆周切线方向上的分力是其主切削力，铣刀的旋转运动是铣削的主运动，因而消耗较多的功率；而对钻削来说技术来说，极易出现钛合金翻边现象，因为向下的切削加工是它的主运动，消耗掉的功率非常大，因而具有非常大轴向力。螺旋铣孔工艺中不会产生分层缺陷、钻入缺陷、钻出缺陷、毛刺等毛病是因为其制孔时的轴向切削力被减弱了，加工孔的质量因此得以提升：①偏心加工的方法使切屑有充足的空间从空槽排出，排屑方法不会再成为影响孔质量与刀具磨损的主要原因。②螺旋铣孔经过是断续铣削，方便刀具散热，以此使得碳纤维板树脂因为温度的累积而融化的风险降低。③刀具中心的轨迹不是直线而是螺旋线，也就是说刀具中心没有和所加工孔的中心重叠，属于偏加工过程。④不但避开了常规方式制孔的缺点，而且还省略了经由拆卸消去毛刺的工艺。螺旋铣孔加工技术超越了传统中一把刀具加工同一直径孔的钻孔技术，加工孔都能够完成一次成形，完成了单直径刀具加工一系列直径孔技术（经由变动径向偏移量完成一把刀具加工一系列直径的孔）。这不但减少了存刀种类与数量，还大大的提升了加工效率，减少加工成本。
2 试验验证
主要采用硬质合铣刀和硬质合金麻花钻对钛合金叠层板进行制孔，经由分析在不一样的条件下（是不是采用MQL技术，即微量润滑技术）采取不一样的制孔方法下孔质量与轴向力的大小，验证以铣取代钻的实用价值与微量润滑技术的效果。
2.1 试验条件
1）刀具：Φ4，Φ6硬质合铣刀，Φ5，Φ8硬质合金麻花钻，（Φ8的孔用Φ6的铣刀铣，Φ5的孔用Φ4的铣刀铣）。
2）工件材料：10 mm钛合金材料。
3）机床。Mikron UCP710五坐标高速加工中心，有关参数：功率：16 kW；行程（X/Y/Z）：710 mm/550 mm/500 mm；转速：100 r/min～18000 r/min；最大工作进给速度：20 m/min。
4）测试仪器。选用Kistler5019电荷放大器，与之对应的是Kistler9265B动态测力仪。Kistler9265B测力仪使用压电晶体传感器，能够在同一时间内测量三个方位的铣削力，它性能指标是：Z方向量程-10 kN～30 kN，固有频率2.5 kHz，灵敏度3.7pC/N；X，Y方向量程-15 kN～15 kN，固有频率1.5 kHz，灵敏度8pC/N。
2.2 轴向力对比
铣削与钻削相同孔径的轴向力相较，钻削力比铣削力大。在钻Φ5的孔时钻削力对于钛合金是700 N，对于CFRP大概是190 N；而在铣Φ5的孔时铣削力对于钛合金是320 N，对于CFRP大概是120 N。在钻Φ8的孔时钻削力对于钛合金是1000 N，对于CFRP大概是300 N；而在铣Φ8的孔时铣削力对于钛合金是400 N，对于CFRP大概是150 N。
在铣削孔时，不使用MQL技术与使用MQL技术时轴向力的相较：不使用MQL技术在铣钛合金材料时轴向力大概是340 N，使用的时候轴向力大概是320 N；不使用MQL技术在铣CFRP材料时轴向力大概是120 N，而使用的时候其轴向力大概是110 N。由此可知使用MQL技术能够减弱轴向力。
在钻孔时，不使用MQL技术钻孔与使用MQL技术钻孔相较：不使用MQL技术在钻CFRP材料时轴向力大概是180 N，使用的时候大概是200 N；不用MQL技术在铣钛合金材料时轴向力大概是700 N，使用的时候大概是800 N。由此可知在钻孔时使用MQL技术轴向力会增大。
3 结束语
综上所述，一定直径以上的装配孔，铣削制孔比钻孔更有优势：一是孔的质量要比钻孔的好很多；二是铣削制孔时可以采取高转速并可以在一个工序内实现对不同孔的加工，缩短换刀时间，提升制孔效率，并省略经由拆卸来消去毛刺的工艺；三是柔性较好，螺旋铣孔工艺能够用同一直径的刀具加工不一样直径的孔，减少刀具支出；四是可使所需制孔力明显下降，通常是钻孔的50%左右；五是MQL技术的应用使制孔力降低，有利于节约能源。
参考文献
[1]秦旭达，陈仕茂，刘伟成.螺旋铣孔技术在航空制造装配业中的发展应用[J].航空制造技术，2009（6）：58-60.
[2]钱秀松，刘永琪，张万君.碳纤维复合材料的孔加工[J].纤维复合材料，2005（3）：49-52.
[3]杨健.民用飞机机体用钛合金的新技术探讨[J].航空制造技术，2011（13）：51-53.