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        飛機(jī)零件螺旋銑孔專用刀具分析

        2019-05-21 04:54:04曹雷
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年8期

        曹雷

        摘 要:航空制造業(yè)是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要指標(biāo),在飛機(jī)裝配制造材料的選擇上要求也是非常高的,為了滿足飛機(jī)零件的性能要求,通常選用先進(jìn)的鈦合金與復(fù)合材料,那么裝配制孔就成了首要問題。螺旋銑孔作為一種新型孔加工工藝,就是為了適應(yīng)飛機(jī)零件的孔加工與飛機(jī)裝配制造而興起的一種新型制孔工藝,目前在國內(nèi)外已經(jīng)展開了大量的實(shí)驗(yàn)與研究。

        關(guān)鍵詞:航空制造業(yè);裝配制孔;螺旋銑孔

        中圖分類號:TG71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        1 螺旋銑孔

        1.1 刀具運(yùn)動軌跡分析

        螺旋銑孔刀具在設(shè)備上工作的運(yùn)動形式是不同的,分為:刀具繞自身軸線的轉(zhuǎn)動、刀具的進(jìn)給運(yùn)動、刀具繞加工孔的軸線的轉(zhuǎn)動,這3種形式是最常見的同時應(yīng)用也是最廣泛的,這種刀具的螺旋運(yùn)動使螺旋銑孔技術(shù)在孔加工工藝中凸顯出諸多優(yōu)勢,如圖1所示。

        1.2 刀具切削速度分析

        切削速度非常重要,合理的切削速度對于加工質(zhì)量、加工過程中能量的消耗和刀具的磨損有著多方面的影響。切削加工在不產(chǎn)生積屑瘤的前提下,工件加工切削速度越大,零件變形系數(shù)越??;如果切削速度過小,刀具的磨損會隨著速度的降低而隨之增加,因此在加工中就會對加工零件的表面質(zhì)量、零件的公差、切削溫度等產(chǎn)生影響。切削速度對切削變形的影響主要有2個原因,一是彈性變形比塑性變形的傳播速度快;二是切削速度對于摩擦系數(shù)的影響,切削速度大時摩擦系數(shù)減小。

        1.3 分析立銑刀螺旋銑孔

        當(dāng)偏心距增大時,孔的體積會隨之增大,側(cè)刃對零件的加工體積增大,端刃不變,切削比例也隨之增大。由上述分析得出,立銑刀在加工中存在側(cè)刃切削比例大,端刃切屑尺寸大等弊端,因此在對刀具的設(shè)計(jì)上需要深入研究專用刀具的加工,進(jìn)行專用刀具的設(shè)計(jì)。

        2 專用刀具切削刃設(shè)計(jì)

        2.1 分屑與群鉆的介紹

        在普通的切削加工時,切屑作為一個整體動作進(jìn)行工作,那么隨著切削過程的進(jìn)展,切屑體積增加,在刀具與工件的內(nèi)部相互作用力會增大,同時這種作用力在切削過程中使刀具產(chǎn)生附加變形,對刀具的磨損加劇,這種情況下切削刃處于非自由切削狀態(tài);為了提高刀具的自由切削程度,我們采取了分屑措施,好處有以下幾點(diǎn):

        (1)分屑措施可以保證刀具對工件切削過程中能使切削層組織斷裂,使產(chǎn)生的切屑本體內(nèi)部能耗減小,總體變形降低。

        (2)分屑能夠在不改變刀具進(jìn)給的前提下,增加切削厚度,減小寬度。

        (3)分屑將整體的切屑分割后,在刀具與工件接觸中使摩擦減小,摩擦產(chǎn)生的熱量也會降低,排屑順暢后加工過程也變得更加平穩(wěn)。

        (4)分屑以后,切屑體積減小,與孔壁的接觸減小,不僅使切削液能夠順利地流入,更可以減小對孔的損害,提高孔加工質(zhì)量。

        (5)分屑后能夠?qū)崿F(xiàn)合理斷屑。群鉆是對普通的麻花鉆進(jìn)行改進(jìn)的一種新型鉆孔技術(shù),這種技術(shù)主要利用了分屑原理。群鉆的鉆頭改變了原來的直線型刀刃,在普通鉆頭上磨出圓弧槽,兩側(cè)刀刃形成“W”形刀刃。

        2.2 專用刀具切削分析

        在零件加工中我們使用設(shè)計(jì)的專用刀具,用Slidworks對切屑的形成進(jìn)行模擬,保證加工質(zhì)量,步驟如下:

        (1)將2種刀齒端部相交形成的切削刃繞刀具軸線自轉(zhuǎn)一周。

        (2)將步驟a中的得到的實(shí)體做圓周陣列,以偏心距為圓心,以自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)比值作為半徑。

        (3)實(shí)體工件與陣列工件相交得到待加工工件,此時形成的切屑在每次自轉(zhuǎn)時出現(xiàn)。

        (4)將刀具在下一個公轉(zhuǎn)周期的起始位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作,得到的實(shí)體與c步驟相交,即可得到?jīng)]有變形的切屑形狀。

        3 測試與刀具參數(shù)優(yōu)化

        為了驗(yàn)證專用刀具螺旋銑孔時的切削性能,我們用鈦合金、復(fù)合材料做了對比試驗(yàn),驗(yàn)證了專用刀具在分屑效果與針對難加工材料時顯現(xiàn)出的優(yōu)勢。

        3.1 鈦合金螺旋銑孔對比試驗(yàn)

        材料鈦合金,板厚5 mm,刀具直徑10 mm,干切削加工;偏心距2.5 mm,自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速3 000 r/min,公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速90 r/min,每公轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量0.1 mm/r,加工后得出結(jié)果如下:

        (1)從切屑對比看出,專用刀具產(chǎn)生的切屑尺寸小,切屑較薄,刀具刀刃上的應(yīng)力大,減輕刀具的崩刃現(xiàn)象;立銑刀的切屑尺寸大,切屑容易蜷曲纏繞,使排泄不暢,使加工孔壁不光滑。

        (2)從加工孔壁的質(zhì)量對比看出,專用刀具的表面光滑基本滿足加工要求,立銑刀加工的工件表面有明顯的劃痕。

        (3)從刀具的磨損情況對比來看,在兩種刀具加工條件相同的情況下,立銑刀的磨損情況比專用刀具大,在加工了5個孔以后就出現(xiàn)了毛刺,噪聲大等情況,而專用刀具基本沒有問題。

        3.2 復(fù)合材料螺旋銑孔對比試驗(yàn)

        材料復(fù)合材料,板厚10 mm,干切削加工;偏心距2.5 mm,自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速10 000 r/min,公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速100 r/min,每公轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量0.5 mm/r,加工后得出結(jié)果如下:

        立銑刀加工工件的出入口毛刺大于專用刀具, 在相同的加工條件下,專用刀具的加工質(zhì)量與刀具壽命均大于立銑刀。

        3.3 刀具幾何參數(shù)優(yōu)化

        (1)端部切削刃前角優(yōu)化,經(jīng)過有限元分析,刀具的軸向力趨于平穩(wěn)。

        (2)刀具偏心距與中心切削刃的選擇,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,偏心距要大于刀具直徑的1/4,刀具中心切削刃是合理的。

        (3)多點(diǎn)陣分布優(yōu)化,專用刀具的端部切削刃多點(diǎn)陣式分布,使側(cè)刃的壽命增加,從而延長了刀具的壽命并且提高了孔的質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        在航空難加工材料的孔加工要求逐漸提高的同時,螺旋銑孔作為一種新的加工手段也逐漸被重視。該文通過對專用刀具的介紹,以立銑刀為例與專用刀具的切削試驗(yàn)對比,都有力地證明了螺旋銑孔專用刀具的重要性。雖然螺旋銑孔的研制已經(jīng)取得了很好的成績,但是在分屑時產(chǎn)生的震動與延長較大直徑刀具的使用壽命等問題仍然值得我們繼續(xù)深入研究。

        參考文獻(xiàn)

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