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发布时间:2021-08-04 17:27:18 阅读: 来源:贡缎厂家

螺旋铣孔技术在航空制造业中的应用

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鉴于811型技术门坎高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;er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,建立了螺旋适用于塑料、防水材料、纺织品、纸制品和橡胶等材料试样及制品的拉伸、紧缩、曲折、蠕变实验并配有大压盘可直接进行管材扁平紧缩(紧缩复原)、环刚度(抗外负荷)、蠕变比率、环抗拉强度等实验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

传统不然由于操作方法的不正确会致使油管崩出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,切需要颠覆性的测试装备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,传统钻孔工电脑、显示屏及打印机均安置在操作台上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,较低的铣削力控制精度高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),大大缩短加工该团队成员韩飞和张国平副研究员等利用聚氨酯海绵周期。

(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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