楊國林，董志剛，康仁科，鮑巖，郭東明

大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024

裝配是飛機(jī)、火箭等制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，約占總工作量的50%～60%[1]，而制孔則是裝配中的主要工作之一。裝配是將不同零件組裝成部件，再將不同部件組裝成整機(jī)的過程。其中不同零件、部件間的連接，目前絕大部分采用以鉚釘連接、螺栓連接為代表的機(jī)械連接形式。數(shù)據(jù)表明，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處[2]。連接孔的加工質(zhì)量直接影響機(jī)械連接的質(zhì)量，從而影響到整機(jī)的裝配質(zhì)量，乃至后續(xù)的使用壽命與飛行安全。

然而，飛機(jī)、火箭等裝配中的制孔加工也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，長期以來都是航空航天制造技術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一。裝配中連接孔的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1) 制孔數(shù)量大。例如，一架大型客機(jī)裝配需要的制孔總數(shù)通常在百萬以上[3]。巨大的制孔數(shù)量對加工效率、成本、工藝穩(wěn)定性、刀具壽命等都提出了嚴(yán)格要求。

2) 精度、質(zhì)量要求高。由于制孔精度、質(zhì)量影響到飛行安全和使用壽命，因此對制孔的尺寸精度、位置精度、孔壁質(zhì)量、加工損傷、毛刺、合格率等都有著嚴(yán)格要求，且不斷提高。

3) 作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。飛機(jī)、火箭等零部件通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大，裝配時(shí)還需要使用大量的工裝夾具，導(dǎo)致操作空間狹小、易干涉，給制孔加工的實(shí)施帶來了困難，目前大量依賴專用制孔裝備。

4) 材料工藝性差。復(fù)合材料、鈦合金、異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)等難加工材料大量使用，制孔精度、質(zhì)量的控制更加困難，刀具磨損嚴(yán)重，易產(chǎn)生不可修復(fù)的加工損傷。

目前，裝配中連接孔的加工主要通過鉆孔實(shí)現(xiàn)，并配合擴(kuò)、鏜、鉸、锪等工藝。經(jīng)過多年的發(fā)展，相應(yīng)的刀具、工藝、設(shè)備、工裝等技術(shù)均已成熟，性能也不斷提高。但與此同時(shí)，以鉆孔為代表的傳統(tǒng)制孔方法由于本身加工原理的限制，性能提升潛力也在不斷縮小，發(fā)展逐漸遭遇瓶頸。尤其是我國正在研制的大型飛機(jī)，以碳纖維復(fù)合材料為代表的各種難加工材料使用更多，制孔直徑更大，制孔精度、質(zhì)量要求更高，給傳統(tǒng)制孔工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。螺旋銑孔是近些年航空航天領(lǐng)域出現(xiàn)的制孔新方法，相對于鉆孔等傳統(tǒng)工藝由于切削原理上的改變，表現(xiàn)出了許多特有的技術(shù)優(yōu)勢[3]，成為當(dāng)前航空航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

本文結(jié)合航空航天構(gòu)件裝配中的制孔加工需求，首先分析了螺旋銑孔的基本原理并總結(jié)了其相對傳統(tǒng)制孔工藝的技術(shù)優(yōu)勢；然后，從運(yùn)動(dòng)學(xué)、切削力和溫度、加工質(zhì)量、刀具、新工藝等方面概述了國內(nèi)外在螺旋銑孔加工機(jī)理上的研究現(xiàn)狀；接著，圍繞實(shí)現(xiàn)螺旋銑孔技術(shù)應(yīng)用所需的專用裝備，介紹了不同類型加工設(shè)備的研究進(jìn)展；最后，總結(jié)了螺旋銑孔技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景。

1 螺旋銑孔基本原理與技術(shù)優(yōu)勢

1.1 基本原理

螺旋銑孔(Helical milling)在國外又稱行星鉆(Orbital drilling)，制孔加工時(shí)使用特制立銑刀，刀具自身高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著螺旋軌跡進(jìn)給，在材料上銑削出一個(gè)直徑大于刀具自身的圓孔，螺旋銑孔原理如圖1所示。刀具進(jìn)給軌跡呈螺旋線形，是螺旋銑孔的最顯著特點(diǎn)，在大部分螺旋銑孔專用加工設(shè)備上，螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)合成的：刀具繞加工孔軸線的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，又稱公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；以及刀具沿加工孔軸線方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[4]，又稱軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此外，刀具自身的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即主切削運(yùn)動(dòng)，也稱為自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋進(jìn)給軌跡的導(dǎo)程由公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)共同決定，也是螺旋銑孔的重要工藝參數(shù)，計(jì)算式為

圖1 螺旋銑孔原理Fig.1 Schematic of helical milling

ap=f/n2

(1)

式中：ap為螺旋進(jìn)給軌跡導(dǎo)程；f為軸向進(jìn)給速度；n2為公轉(zhuǎn)速度。

螺旋銑孔加工時(shí)，加工孔徑大于刀具直徑，與螺旋進(jìn)給軌跡的半徑(也稱偏心量)有關(guān)，加工孔徑的表達(dá)式為

DB=DT+2e

(2)

式中：DB為加工孔徑；DT為刀具直徑；e為偏心量。

螺旋銑孔適用于在無預(yù)孔情況下直接加工出圓孔，也適用于在有預(yù)孔情況下的擴(kuò)孔加工。

螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔在加工原理上的主要區(qū)別如表1所示。

表1 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

區(qū)別于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔是一種銑削加工工藝，并且具有特殊的進(jìn)給形式，使其相對傳統(tǒng)制孔方法具備了一些技術(shù)優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)有研究資料可歸納為以下幾點(diǎn)[5-10]。

1) 加工質(zhì)量好?？妆诠鉂嵍群?，金屬材料出口毛刺高度低，復(fù)合材料出口分層少，孔壁燒傷少，加工孔尺寸精度也獲得改善。

2) 減少工序。由于螺旋銑孔加工質(zhì)量好，較少的工序下即可實(shí)現(xiàn)難加工材料大直徑孔的加工，相對傳統(tǒng)的“鉆-擴(kuò)-鉸”方法，工藝流程短，制孔效率提高。

3) 降低刀具成本。加工同樣孔徑螺旋銑孔使用的刀具直徑更小，通常單價(jià)更低；通過改變偏心量可以實(shí)現(xiàn)一把刀具加工多種孔徑，生產(chǎn)所需的刀具種類大幅減少。

4) 適用范圍廣?？杉庸て降酌た祝浜蠈Ｓ玫毒呖娠粮C，在偏心量可聯(lián)動(dòng)控制的條件下可以加工錐孔和階梯孔。此外，區(qū)別于鉆、鏜、較等傳統(tǒng)制孔工藝，螺旋銑孔由于是銑削加工，刀具不會受到工件上預(yù)孔的引導(dǎo)，避免了刀具引偏導(dǎo)致的各種加工問題，尤其適用于有底孔情況下的擴(kuò)孔精加工，同時(shí)對預(yù)孔的位置精度偏差具有很強(qiáng)的糾正能力。螺旋銑孔還可以在傾斜表面進(jìn)行制孔。螺旋銑孔適用范圍如圖2所示。

圖2 螺旋銑孔適用范圍Fig.2 Scope of application of helical milling

5) 易排屑。螺旋銑孔加工塑性金屬材料時(shí)，不會像鉆孔一樣產(chǎn)生連續(xù)切屑，同時(shí)加工孔徑大于刀具直徑，切削區(qū)域不封閉，排屑通暢，配合吸塵設(shè)備能夠有效排出切屑，不易堵塞。

2 螺旋銑孔加工機(jī)理

螺旋銑孔是一種新出現(xiàn)的制孔工藝，相對現(xiàn)有工藝不但刀具特殊，進(jìn)給形式復(fù)雜，加工機(jī)理也有較大區(qū)別，近些年國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量研究。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)

螺旋銑孔是一種銑削加工方法，但由于其進(jìn)給軌跡呈螺旋線形，材料去除機(jī)理較常見的銑削加工形式更為復(fù)雜。Denkena[11]和Brinksmeier[12]等進(jìn)行了螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究表明螺旋銑孔加工過程中銑刀的端刃和周刃都參與切削，各自的未變形切屑形狀如圖3所示。其中端刃連續(xù)切削，未變形切削寬度為刀具半徑，厚度為軸向每齒進(jìn)給量[11]。周刃斷續(xù)切削，未變形切屑為月牙形，寬度隨著銑刀旋轉(zhuǎn)角度按照正弦規(guī)律變化，最大值為切向每齒進(jìn)給量[11]；高度隨著銑刀旋轉(zhuǎn)角度單調(diào)變化，且呈非線性關(guān)系，最大值為螺旋軌跡導(dǎo)程，周刃未變形切屑瞬時(shí)高度的計(jì)算式為[12]

圖3 螺旋銑孔中端刃與周刃各自的未變形切屑[12]Fig.3 Undeformed chip of frontal cutting edge and peripheral cutting edge in helical milling[12]

(3)

式中：h為周刃未變形切屑瞬時(shí)高度；βa為與銑刀旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的中間變量，βa的計(jì)算式為[12]

(4)

式中：RT為刀具半徑；φ為銑刀瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角度。

軸向每齒進(jìn)給量和切向每齒進(jìn)給量的計(jì)算式分別為

(5)

(6)

式中：fza為軸向每齒進(jìn)給量；fzt為切向每齒進(jìn)給量；n1為主軸轉(zhuǎn)速；z為銑刀齒數(shù)。

在Brinksmeier等[12]對螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析的過程中，還研究了螺旋銑孔加工中銑刀端刃與周刃去除工件材料體積之比,圖4為銑刀端刃與周刃分別去除的材料體積，比值的表達(dá)式為

圖4 螺旋銑孔中端刃與周刃分別去除的材料[12]Fig.4 Cutting material of frontal and peripheral cut in helical milling[12]

(7)

式中：V1為銑刀端刃去除工件材料體積；V2為銑刀周刃去除工件材料體積。

根據(jù)式(7)，當(dāng)孔徑與刀具直徑確定之后，無論工藝參數(shù)為何，銑刀端刃與周刃去除工件材料體積之比都為定值。

2.2 切削力與切削溫度

切削力與切削溫度對制孔精度、質(zhì)量、加工損傷和刀具壽命等都有著重要影響。螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔相比，切削力上的凸出特點(diǎn)為軸向分力減小，但由于是偏心加工出現(xiàn)了徑向分力。在切削溫度方面，螺旋銑孔則通常低于傳統(tǒng)鉆孔。一些學(xué)者通過進(jìn)行大量制孔試驗(yàn)，對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進(jìn)行了對比。Brinksmeier等[13]針對鋁合金、碳纖維復(fù)合材料、鈦合金3種常見的航空航天材料進(jìn)行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗(yàn)，結(jié)果表明無論哪種材料，螺旋銑孔的切削溫度和軸向切削力都低于傳統(tǒng)鉆孔，如圖5所示。

圖5 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的切削溫度、軸向切削力對比[13]Fig.5 Comparison of cutting temperature and axial cutting force in helical milling and conventional drilling[13]

Voss等[14]也對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進(jìn)行了系統(tǒng)的對比試驗(yàn)研究，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著制孔數(shù)量的增加，鉆孔的軸向切削力不斷增大，而螺旋銑孔的軸向切削力則變化不大，且鉆孔的軸向力始終大于螺旋銑孔。此外，Voss等的研究還表明，螺旋銑孔加工中雖然存在徑向切削力，但其遠(yuǎn)小于軸向力。

圖6 螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的切削力與扭矩對比[14]Fig.6 Comparison of cutting force and torque in helical milling and conventional drilling[14]

為了對螺旋銑孔加工的切削力進(jìn)行預(yù)測，不同學(xué)者分別進(jìn)行了切削力建模。Rey等[15]考慮刀具的復(fù)雜幾何形狀，進(jìn)行了螺旋銑孔加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算了未變形切屑厚度，建立了螺旋銑孔切削力模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Wang和Qin[16]針對單向帶碳纖維復(fù)合材料，在考慮材料具體鋪層結(jié)構(gòu)和纖維切削角度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了螺旋銑孔的切削力建模，試驗(yàn)結(jié)果能夠與預(yù)測值較好的吻合。許君[17]考慮復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了工件在加工過程中的受力變形以及引起的端刃切削層厚度變化情況，基于彈性地基梁模型對螺旋銑孔軸向切削力進(jìn)行了建模。此外，Ozturk[18]、Li Z Q[19]、Li Z L[20]、Zhou[21]等也進(jìn)行了螺旋銑孔切削力模型的相關(guān)研究。

在螺旋銑孔切削溫度建模方面，Liu等[22-23]分別針對碳纖維復(fù)合材料和鈦合金，將銑刀端刃和周刃分別簡化為兩個(gè)熱源，建立了螺旋銑孔的三維熱傳導(dǎo)模型，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)測量了加工中的切削溫度，模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值能夠較好的吻合。其在后續(xù)研究中，還針對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔，研究了加工過程中不同材料間的熱量傳導(dǎo)，建立了預(yù)測模型，并開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明上層復(fù)合材料被切削時(shí)，對下層鈦合金工件的溫度影響作用很小，而下層鈦合金材料被切削時(shí)，上層復(fù)材中的溫度明顯增大，并呈線性增加的趨勢[24]。

2.3 加工質(zhì)量

尺寸精度是制孔加工中的重要考核指標(biāo)。Denkena等[11]針對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了螺旋銑孔加工試驗(yàn)，檢測了加工中的切削力和加工后的孔徑誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于螺旋銑孔為偏心加工，加工時(shí)存在徑向切削分力，使刀具受力產(chǎn)生指向加工孔中心的彈性變形，導(dǎo)致實(shí)際孔徑小于理論孔徑，如圖7所示。圖中，F(xiàn)fN為徑向切削力，Vc為切削速度，Vft為切向進(jìn)給速度。并且隨著徑向力的增大，刀具變形增大，實(shí)際孔徑也逐漸變小。Denkena等的研究還表明，由于切削鈦合金產(chǎn)生的切削力更大，導(dǎo)致刀具變形更嚴(yán)重，兩種材料之間產(chǎn)生了孔徑差異，鈦合金的孔徑始終小于復(fù)合材料。Zhou等[25]也針對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)開展了螺旋銑孔孔徑誤差的研究，結(jié)果表明復(fù)材孔徑大于鈦合金，且復(fù)材層入口孔徑大于出口孔徑，鈦合金層則相反。針對螺旋銑孔加工中讓刀引起的孔徑誤差問題，李士鵬等[26]通過研究刀具受力撓曲變形規(guī)律，結(jié)合切削力與刀具撓曲變形量間的耦合關(guān)系，建立了螺旋銑孔切削力的柔性預(yù)測模型；并基于鏡像對稱原理和迭代算法對孔徑誤差進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償之后孔徑誤差獲得了改善，孔徑誤差降低到5 μm左右。潘澤民[27]針對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔加工，為消除刀具變形引起的孔徑誤差，建立了刀具變形量預(yù)測模型，并通過調(diào)整偏心量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使孔徑誤差減小50%，單次進(jìn)給即可滿足IT9級精度制孔要求。Voss等[14]通過加工1 000個(gè)孔的工藝試驗(yàn)對比了螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的加工尺寸精度穩(wěn)定性，結(jié)果表明螺旋孔加工中刀具磨損是影響尺寸精度的重要因素，刀具磨損后，加工孔直徑會迅速減小，導(dǎo)致制孔精度變差。Saadatbakhsh等[28]針對AISI 4340鋼通過工藝試驗(yàn)研究了螺旋銑孔加工中各工藝參數(shù)對加工孔尺寸與形狀精度的影響規(guī)律，結(jié)果表明潤滑條件對孔徑誤差影響最顯著，切削速度對圓度和圓柱度影響最顯著。

圖7 徑向切削力對加工孔徑的影響[11]Fig.7 Impact of radial cutting force on bore diameter[11]

在出口毛刺方面，螺旋銑孔加工塑性金屬材料時(shí)的一個(gè)突出特點(diǎn)是會在出口形成帽形切屑。Brinksmeier和Fangmann[29]針對螺旋銑孔出口帽形切屑進(jìn)行了研究，從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析了出口帽形切屑的形成原理，并通過試驗(yàn)分析了不同刀具角度、涂層、工藝參數(shù)、刀具磨損和潤滑條件對出口帽形切屑的影響規(guī)律。除帽形切屑外，螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔相似，也會在孔出口圓周留下隆起的毛刺，對此Li等[30]研究的不同刀具涂層對鈦合金螺旋銑孔出口毛刺高度的影響規(guī)律，結(jié)果表明不涂層的硬質(zhì)合金刀具毛刺高度最低，小于0.15 mm。

在復(fù)合材料制孔時(shí)，出口分層是關(guān)注最多的加工質(zhì)量問題之一。Sadek等[31]建立了螺旋銑孔加工復(fù)合材料的出口分層臨界軸向力模型，指出由于螺旋銑孔加工時(shí)軸向力為偏心載荷，且主要載荷為切線方向，使得螺旋銑孔加工復(fù)合材料時(shí)更不容易產(chǎn)生分層。王奔等[32]進(jìn)行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用螺旋銑孔進(jìn)行復(fù)合材料制孔時(shí)的切削溫度顯著低于傳統(tǒng)鉆孔，這是螺旋銑孔能夠抑制復(fù)合材料加工損傷的重要原因。在復(fù)合材料出口毛刺方面，Voss等[14]對螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，隨著制孔數(shù)量增多，螺旋銑孔產(chǎn)生的毛刺始終少于傳統(tǒng)鉆孔。Wang等[33-34]針對復(fù)合材/鈦合金、復(fù)合材料/鋁合金疊層研究了不同加工策略對制孔質(zhì)量的影響規(guī)律，通過改變進(jìn)刀方向和采用分步加工的方式有效減少了復(fù)合材料分層。

圖8 復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔出口毛刺對比[14]Fig.8 Comparison of CFRP bore exits burrs in helical milling and conventional drilling[14]

孔壁粗糙度也是衡量制孔質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。Qin等[35]針對鈦合金，在干切削、切削液潤滑和油霧微量潤滑條件下分別進(jìn)行了螺旋銑孔制孔試驗(yàn)，結(jié)果表明在不同潤滑條件和切削參數(shù)下，孔壁粗糙度都低于Ra1.0，說明螺旋銑孔能夠獲得較好的金屬孔壁光潔度。針對復(fù)合材料孔壁粗糙度，Voss[14]和Geier[36]等進(jìn)行了螺旋銑孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗(yàn)，結(jié)果都表明螺旋銑孔較傳統(tǒng)鉆孔加工復(fù)合材料時(shí)孔壁粗糙度更低。Voss等的試驗(yàn)結(jié)果還表明，螺旋銑孔相對傳統(tǒng)鉆孔，加工復(fù)合材料時(shí)不僅孔壁表面粗糙度更低，而且孔壁加工損傷也更少，如圖9所示。圖中，φ為切削速度與纖維方向夾角。Saadatbakhsh等[28]針對AISI 4340鋼通過工藝試驗(yàn)研究了螺旋銑孔加工中各工藝參數(shù)對孔壁粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明潤滑條件對孔壁粗糙度影響最顯著。Li和Liu[37]基于螺旋銑孔運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并通過使用Z-map模型表示工件，提出了用于預(yù)測螺旋銑孔被加工表面的三維形貌模型，并進(jìn)一步得到用于表征待加工孔表面粗糙度的指標(biāo)。

圖9 復(fù)合材料螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔孔壁質(zhì)量對比[14]Fig.9 Comparison of hole surface quality produced using helical milling and conventional drilling[14]

除了孔壁表面粗糙度，孔壁的表面完整性也對制孔綜合質(zhì)量有著重要影響。尤其是關(guān)鍵部位承受大載荷的金屬結(jié)構(gòu)件，其孔壁亞表面的晶相組織變化對連接孔的抗疲勞性能有著重要影響。Paulsen等[38]針對鈦合金材料，研究了螺旋銑孔和其他制孔工藝下的孔壁亞表面質(zhì)量。Paulsen等的研究表明，相對于傳統(tǒng)鉆孔和低頻振動(dòng)制孔，螺旋銑孔孔壁亞表面塑性變形層深度最小，如圖10 所示。圖中，Vf為進(jìn)給速度。同時(shí)，螺旋銑孔會在孔壁亞表面組織形成壓縮應(yīng)力，但應(yīng)力值相對低頻振動(dòng)制孔和傳統(tǒng)鉆孔較低。江躍東等[39]研究了螺旋銑孔加工工藝參數(shù)對鈦合金孔壁表面完整性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，孔壁表面層殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，有利于提高孔的抗疲勞性能，孔壁表層并未出現(xiàn)“白層”現(xiàn)象，螺旋銑孔工藝能改善鈦合金制孔表面完整性。Rasti等[40]針對AISI 4340鋼對比了傳統(tǒng)鉆孔、有預(yù)孔條件下的鉆孔和螺旋銑孔的孔壁表面完整性與疲勞壽命，結(jié)果表明螺旋銑孔的孔壁光潔度最好，顯微硬度最低，白層厚度最小，疲勞壽命優(yōu)于傳統(tǒng)鉆孔但低于有預(yù)孔條件下的鉆孔。

圖10 不同制孔方法下的鈦合金孔壁塑性變形[38]Fig.10 Plastic deformation of titanium alloy in different hole-making processes[38]

在螺旋銑孔加工工藝參數(shù)優(yōu)化方面，Pereira[41-43]和Rodrigues[44]等針對鋁合金、淬硬鋼等材料的螺旋銑孔加工，建立了多目標(biāo)魯棒優(yōu)化模型，系統(tǒng)分析了不同工藝參數(shù)對螺旋銑孔加工質(zhì)量的影響規(guī)律，為螺旋銑孔加工工藝參數(shù)的選取提供了指導(dǎo)。陸翠[45]針對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了螺旋銑孔工藝優(yōu)化，研究了針對疊層結(jié)構(gòu)的變參數(shù)螺旋銑孔加工工藝，分析了不同變參數(shù)位置對切削力、刀具和加工質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明在刀具到達(dá)界面之前改變加工參數(shù)效果最優(yōu)。潘澤民[27]通過對軸向切削力進(jìn)行在線檢測和評估，采用移動(dòng)線性回歸算法識別切削力突變特征，獲取了疊層界面位置信息，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)螺旋銑孔過程中的界面自動(dòng)識別，為變參數(shù)加工提供了技術(shù)支持。

2.4 刀 具

螺旋銑孔加工使用的是銑刀而非鉆頭，同時(shí)，由于進(jìn)給形式特殊，工件材料特殊，一般的標(biāo)準(zhǔn)銑刀通常不能達(dá)到最優(yōu)的制孔效果，為此需設(shè)計(jì)專用刀具。

國外山特維克可樂滿公司、肯納金屬公司、藍(lán)幟公司等都有螺旋銑孔專用刀具的相關(guān)報(bào)道，但多為非標(biāo)定制型號，具體細(xì)節(jié)較少公布。

國內(nèi)天津大學(xué)[35,46-48]針對螺旋銑孔工藝開發(fā)了專用刀具，如圖11所示，進(jìn)行了角度與涂層的優(yōu)化，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了加工質(zhì)量研究。同時(shí)，還研究了不同潤滑條件、工藝參數(shù)和涂層對刀具壽命的影響規(guī)律。浙江大學(xué)[49-50]基于分屑原理，結(jié)合螺旋銑孔中刀具的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有分布式多點(diǎn)陣端部切削刃的螺旋銑孔專用刀具，如圖12所示[25]，并與通用立銑刀進(jìn)行了制孔效果對比試驗(yàn)，制孔質(zhì)量、刀具壽命均有改善。

圖11 天津大學(xué)開發(fā)的螺旋銑孔專用刀具[35]Fig.11 Special cutting tool for helical milling developed by Tianjin University[35]

圖12 浙江大學(xué)開發(fā)的螺旋銑孔專用刀具[25]Fig.12 Special cutting tool for helical milling developed by Zhejiang University[25]

2.5 新工藝

螺旋銑孔表現(xiàn)出的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢吸引了大量學(xué)者的關(guān)注，并在傳統(tǒng)螺旋銑孔工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，發(fā)展出了新的制孔工藝。Tanaka等[51]提出了一種傾斜螺旋銑孔工藝，Wang等[52]隨后也進(jìn)行了研究，傳統(tǒng)螺旋銑孔與傾斜螺旋銑孔原理的對比如圖13所示。傾斜螺旋銑孔也包括自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸線進(jìn)給3個(gè)運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)螺旋銑孔的最大區(qū)別在于刀具軸線傾斜布置，可以通過調(diào)節(jié)刀具傾角來改變加工孔徑。Fukushima和Tanaka[53]針對傾斜螺旋銑孔加工原理設(shè)計(jì)了專用加工設(shè)備并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖13 傳統(tǒng)螺旋銑孔與傾斜螺旋銑孔對比[51]Fig.13 Comparison of conventional helical milling and tilted helical milling[51]

另一些學(xué)者將螺旋銑孔與超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步提高制孔質(zhì)量、加工效率和刀具壽命，衍生出超聲輔助螺旋銑孔制孔工藝。大連理工大學(xué)[54]公布了一種超聲螺旋銑加工設(shè)備，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種超聲縱扭復(fù)合振動(dòng)銑孔裝置[55]，天津大學(xué)Chen等[56]研究了超聲螺旋銑孔的材料去除機(jī)理。

在對復(fù)合材料進(jìn)行制孔時(shí)，除特制銑刀外，不同規(guī)格的砂輪也可作為刀具使用，并同樣沿著螺旋軌跡進(jìn)給，以磨削代替銑削，實(shí)現(xiàn)圓孔的加工，Sultana等[57-58]對此進(jìn)行了相應(yīng)研究。

根據(jù)現(xiàn)有研究資料，針對螺旋銑孔加工機(jī)理方面的主要研究方向與進(jìn)展如表2所示。

表2 螺旋銑孔加工機(jī)理研究進(jìn)展Table 2 Research progress on machining mechanism of helical milling

3 螺旋銑孔專用裝備

由于螺旋銑孔相對傳統(tǒng)制孔工藝表現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)外許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在努力將其應(yīng)用于航空航天構(gòu)件裝配的實(shí)際生產(chǎn)中，這其中最大的障礙來自于螺旋銑孔對加工設(shè)備的特殊要求。雖然常見的三軸加工中心即可在試驗(yàn)件上完成螺旋銑孔的工藝試驗(yàn)，但實(shí)際生產(chǎn)中由于環(huán)境限制則必須依賴專用的制孔裝備，而現(xiàn)有的采用鉆孔工藝的制孔裝備通常無法提供螺旋銑孔加工所需的運(yùn)動(dòng)形式，為此，必須開發(fā)專用的螺旋銑孔加工設(shè)備。

目前開發(fā)的螺旋銑孔專用加工設(shè)備通?？煞譃閮深?。一類為多功能末端執(zhí)行器，制孔時(shí)需要與機(jī)器人、多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等集成后使用，通過機(jī)器人等將末端執(zhí)行器運(yùn)送至正確制孔位置。多功能末端執(zhí)行器除提供自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸向進(jìn)給3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)外，為保證制孔位置精度，一般還集成有視覺檢測、法向檢測等功能，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工通常還具有自動(dòng)換刀、壓腳預(yù)緊、真空排屑等輔助功能，設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重于多功能和自動(dòng)化。另一類為便攜式螺旋銑孔單元，工作原理模仿現(xiàn)有的自動(dòng)進(jìn)給鉆(ADU)。制孔前首先需要在正確的加工位置固定專用鉆模板，然后通過人工搬運(yùn)的方式使便攜式螺旋銑孔單元與鉆模板通過機(jī)械結(jié)構(gòu)對接。便攜式螺旋銑孔單元自身具有自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸向進(jìn)給3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)，與鉆模板對接后不再需要人手把持，設(shè)備自重與切削載荷均由鉆模板承受，制孔位置精度也取決于鉆模板的安裝精度。因需人工在不同制孔位置間搬運(yùn)，對設(shè)備體積重量有一定限制，設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重輕量化與小型化。

3.1 多功能末端執(zhí)行器

瑞典Novator公司最早開始螺旋銑孔專用加工設(shè)備的設(shè)計(jì)，針對飛機(jī)裝配中疊層結(jié)構(gòu)的制孔需求，開發(fā)了一款E-D100型螺旋銑孔末端執(zhí)行器，與工業(yè)機(jī)器人集成使用，如圖14所示。該設(shè)備偏心調(diào)節(jié)范圍0～5 mm，最大制孔直徑 25 mm，通過HSK32刀柄裝夾刀具，重量130 kg。Novator公司使用該設(shè)備在鈦合金、復(fù)合材料上進(jìn)行了加工性能測試，但未見后續(xù)改進(jìn)或應(yīng)用報(bào)道。

圖14 Novator公司開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器Fig.14 Helical milling end-effector developed by Novator

巴西航空理工學(xué)院Eguti和Trabasso[59]也開發(fā)了一款集成于工業(yè)機(jī)器人的螺旋銑孔多功能末端執(zhí)行器，如圖15所示。該設(shè)備集成有壓力可控的壓腳、視覺相機(jī)和法向檢測裝置，主軸采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，偏心量需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，性能測試時(shí)在鋁合金板材上加工了直徑4.77 mm的孔，主要適用于小直徑孔的加工。

圖15 Eguti和Trabasso開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[59]Fig.15 Helical milling end-effector developed by Eguti and Trabasso[59]

國內(nèi)航空制造技術(shù)研究院[60]以機(jī)器人為載體，開發(fā)了一款螺旋銑孔末端執(zhí)行器，如圖16所示。該設(shè)備具有偏心自動(dòng)調(diào)節(jié)、曲面法向檢測、壓緊力調(diào)整和真空排屑等功能，制孔范圍10.5～20 mm，重量120 kg，刀具裝夾采用ER20彈簧筒夾。使用該設(shè)備在TC4鈦合金板材上進(jìn)行了加工測試，上、下孔口整齊，毛邊高度低于0.1 mm，孔內(nèi)壁光潔，未見切屑劃傷內(nèi)壁現(xiàn)象，尺寸精度達(dá)到H8。

圖16 航空制造技術(shù)研究院開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[60]Fig.16 Helical milling end-effector developed by AVIC Manufacturing Technology Institute[60]

浙江大學(xué)[61]研發(fā)了一種可锪橢圓窩的螺旋銑孔末端執(zhí)行器，如圖17所示。除完成螺旋銑孔必要的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)外，該設(shè)備主軸可通過齒輪圓弧齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸的左右擺動(dòng)完成锪橢圓窩加工。為了實(shí)現(xiàn)偏心量的準(zhǔn)確自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了復(fù)雜的帶有閉環(huán)反饋的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在0～5 mm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏心量的精確自動(dòng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，孔位置精度達(dá)到±0.5 mm，法向偏差優(yōu)于0.5°，锪窩深度精度為0.02 mm。

圖17 浙江大學(xué)開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[61]Fig.17 Helical milling end-effector developed by Zhejiang University[61]

大連理工大學(xué)[3]也進(jìn)行了螺旋銑孔多功能末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)并研發(fā)出多種型號，圖18所示為其較新一款。該設(shè)備采用高速電主軸，額定功率7.5 kW，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，通過BT30刀柄裝夾刀具，最高公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速60 r/min，最大制孔直徑30 mm，偏心量可在0～6 mm范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。為保證制孔精度，該設(shè)備前端集成有光幕型激光測量儀，可在加工前對刀具直徑、偏心量的實(shí)際值進(jìn)行檢測并通過微調(diào)偏心量自動(dòng)補(bǔ)償孔徑誤差，精度達(dá)到0.002 mm。該設(shè)備同時(shí)集成了壓腳、吸塵、視覺定位、法向檢測、真空排屑等其他輔助功能，已在上海飛機(jī)制造有限公司完成示范應(yīng)用。在CFRP復(fù)合材料上的制孔試驗(yàn)結(jié)果表明，加工尺寸精度達(dá)到H7。

圖18 大連理工大學(xué)開發(fā)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器[3]Fig.18 Helical milling end-effector developed by Dalian University of Technology[3]

此外，天津大學(xué)[62]、南京航空航天大學(xué)[63-64]等也進(jìn)行了螺旋銑孔專用加工設(shè)備的相關(guān)研究。

3.2 便攜式設(shè)備

瑞典Novator公司已報(bào)道過多款便攜式螺旋銑孔單元，進(jìn)給行程在40～80 mm之間，重量在10～17 kg之間，最大制孔直徑32 mm，如圖19所示。Novator公司研發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元都采用氣動(dòng)主軸，公轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給則通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，偏心量均為手動(dòng)調(diào)節(jié)。該設(shè)備已被美國波音公司采購，用于B-787客機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中，并且在加工中實(shí)現(xiàn)了單工序制孔[5-6]。

圖19 Novator公司開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元Fig.19 Portable helical milling unit developed by Novator

日本沼津工業(yè)高等專門學(xué)校[65-66]也進(jìn)行了便攜式螺旋銑孔單元的研發(fā)，如圖20所示。為了減小重量，該設(shè)備的主軸使用了交流電機(jī)，功率450 W，轉(zhuǎn)速1 500～4 000 r/min，進(jìn)給行程45 mm，偏心調(diào)節(jié)范圍0～3 mm，最大制孔直徑16 mm，重量13.5 kg。在后續(xù)的加工試驗(yàn)中使用該設(shè)備在4 mm厚鈦合金板上加工了直徑15 mm的孔，孔徑誤差在0.05 mm以內(nèi)。

圖20 日本開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元[65]Fig.20 Portable helical milling unit developed by Japan[65]

航空制造技術(shù)研究院[67]開發(fā)了一種全電動(dòng)的便攜式螺旋銑孔單元，如圖21所示。該設(shè)備主軸功率850 W，進(jìn)給行程65 mm，最大制孔直徑20 mm，重量18 kg，使用ER20彈簧筒夾裝夾刀具。使用該設(shè)備在鋁合金上進(jìn)行了制孔試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)及控制方法的合理性和可行性。在鋁合金上的測試結(jié)果顯示，加工尺寸精度達(dá)到H8，孔壁粗糙度達(dá)到Ra2.5。

圖21 航空制造技術(shù)研究院開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元[67]Fig.21 Portable helical milling unit developed by AVIC Manufacturing Technology Institute[67]

大連理工大學(xué)面向航空航天構(gòu)件裝配中難加工材料的制孔需求，開發(fā)了多款適用不同孔徑范圍的便攜式螺旋銑孔單元，圖22所示為其中一典型型號。該型便攜式螺旋銑孔單元進(jìn)給行程80 mm，偏心調(diào)整范圍0～3 mm，主軸功率800 W為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1～40 r/min，最大制孔直徑20 mm，重量14 kg。該設(shè)備通過PLC搭建控制系統(tǒng)，制孔過程程序化控制，可變參數(shù)加工。主軸配有轉(zhuǎn)速反饋單元，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警。主軸上集成了中心冷卻裝置，可利用油霧進(jìn)行微量潤滑(MQL)，刀具裝夾通過ER16或ER20彈簧夾頭的形式。目前大連理工大學(xué)開發(fā)的不同型號的便攜式螺旋銑孔單元已在上海飛機(jī)制造有限公司應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，有效提高了加工制孔和生產(chǎn)效率。針對鈦合金、超高強(qiáng)度鋼的加工測試結(jié)果表明，加工尺寸精度達(dá)到IT7，孔壁粗糙度達(dá)到Ra1.6。根據(jù)現(xiàn)有資料，針對螺旋銑孔專用加工設(shè)備的主要研究進(jìn)展如表3所示。

圖22 大連理工大學(xué)開發(fā)的便攜式螺旋銑孔單元Fig.22 Portable helical milling unit developed by Dalian University of Technology

表3 螺旋銑孔專用加工裝備研究進(jìn)展Table 3 Research progress on special machine equipment of helical milling

4 結(jié)論與展望

螺旋銑孔是航空航天領(lǐng)域出現(xiàn)的制孔新技術(shù)，在難加工材料大直徑孔加工中表現(xiàn)出了質(zhì)量好、效率高、成本低、適用廣等優(yōu)勢。近些年，國內(nèi)外針對螺旋銑孔技術(shù)開展了大量研究，使其加工機(jī)理、專用裝備、配套刀具和工藝日趨成熟，且已實(shí)現(xiàn)了小范圍的實(shí)際應(yīng)用。日后，隨著螺旋銑孔技術(shù)自身更加完善，各種新型難加工材料的更大范圍使用，以及裝配制孔要求的不斷提高，螺旋銑孔技術(shù)的應(yīng)用范圍也將逐步擴(kuò)大。未來可結(jié)合以下幾方面展開研究：

1) 高性能螺旋銑孔專用加工裝備。目前，專用加工裝備仍是限制螺旋銑孔技術(shù)大范圍應(yīng)用的主要障礙。針對航空航天構(gòu)件裝配中的制孔需求，結(jié)合裝配現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境，進(jìn)行螺旋銑孔專用加工設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并通過系統(tǒng)的性能測試不斷完善，研制性能更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更緊湊，操作更簡便，價(jià)格更低廉，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化專用裝備。

2) 高性能螺旋銑孔專用刀具。螺旋銑孔的應(yīng)用對象通常是飛機(jī)、火箭等裝配中難度較大的制孔加工，如難加工材料異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的大直徑連接孔加工，由于材料工藝性差本身刀具設(shè)計(jì)難度很大；另一方面，螺旋銑孔是新出現(xiàn)的制孔技術(shù)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，機(jī)理研究尚不充分，現(xiàn)有制孔刀具的設(shè)計(jì)均尚未達(dá)到最優(yōu)，制孔質(zhì)量與壽命仍需改善。針對航空航天難加工材料的工藝特性，結(jié)合螺旋銑孔的切削原理，研究高性能的專用制孔刀具，優(yōu)化刀具角度，改善涂層工藝，并研究配套的加工工藝參數(shù)，為螺旋銑孔技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

3) 螺旋銑孔的加工質(zhì)量表征。相較于傳統(tǒng)鉆孔，螺旋銑孔是一種全新的制孔工藝，制孔過程對材料性能產(chǎn)生的影響十分復(fù)雜，規(guī)律也區(qū)別于傳統(tǒng)的制孔方法。除尺寸精度、圓柱度、粗糙度、毛刺高度、分層大小等常規(guī)質(zhì)量表征方法外，應(yīng)著重研究孔內(nèi)壁亞表面組織在加工中的變化規(guī)律，分析螺旋銑孔加工對連接孔力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究螺旋銑孔加工質(zhì)量的綜合評價(jià)方法。