肖 敏，朱 科

（中國(guó)商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 200100）

隨著日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和制造能耗與效率問(wèn)題，對(duì)于充分競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)環(huán)境下的航空制造業(yè)，急需尋求高效能和低成本的解決方案。鋁合金零件鉆削加工是民機(jī)改裝零部件加工的典型過(guò)程，深孔鉆削加工常用啄式步進(jìn)鉆削的方式，受限于深孔鉆削散熱、刀具磨損與排屑等問(wèn)題，大量的時(shí)間消耗在退刀冷卻與排屑的過(guò)程中，導(dǎo)致加工效能低下。目前機(jī)械加工中對(duì)于深孔加工的研究與改進(jìn)局限于采用價(jià)格更為昂貴的特種鉆頭，在傳統(tǒng)鉆削中仍大量采用麻花鉆步進(jìn)鉆削加工，導(dǎo)致在傳統(tǒng)鉆削加工方式的基礎(chǔ)上難以有效提高鉆削加工的綜合效率，因此也無(wú)法有效提高機(jī)械加工系統(tǒng)的效能。

已有文獻(xiàn)研究中，Mori M 等[1]提出一種用于常規(guī)鉆孔或深孔加工的加速度控制方法，使主軸加速度與進(jìn)給系統(tǒng)同步進(jìn)而降低能耗。Aized T 等人[2]基于響應(yīng)面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮不同的工藝參數(shù)，研究并改進(jìn)了深孔鉆削工藝和孔的質(zhì)量。張曉東、韓策[3]等對(duì)深孔加工的工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行了分析，就目前現(xiàn)有深孔加工方法、深孔鉆削力學(xué)、深孔鉆削切屑形態(tài)與排屑方法等進(jìn)行了綜述。

1 深孔加工步進(jìn)鉆削原理

在深孔加工過(guò)程中，通常采用步進(jìn)鉆削[2]的工藝方式進(jìn)行加工，即鉆頭鉆削固定深度Q后，強(qiáng)制鉆頭退出孔排屑后，再進(jìn)刀繼續(xù)進(jìn)行加工，如此往復(fù)以防止切屑堆積堵塞排屑槽造成鉆頭受力過(guò)大而折斷，同時(shí)減少因切屑堆積封閉切削液冷卻通道所導(dǎo)致的鉆頭刃尖散熱不暢而造成的刀具快速磨損。步進(jìn)鉆削過(guò)程原理（retract safety level 為安全退刀平面，h0為安全平面高度）如圖1 所示。Z為孔深度，由于步進(jìn)鉆削深度Q常按照經(jīng)驗(yàn)選擇為鉆頭直徑的一半，深孔鉆削加工的大量時(shí)間消耗在退刀排屑過(guò)程，造成加工效能低下。

圖1 步進(jìn)鉆削原理

本文根據(jù)鉆削切削力模型[4]，對(duì)深孔鉆削加工過(guò)程中影響排屑狀況及鉆頭性能的主要因素深孔鉆削排屑力（排屑功耗）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)短時(shí)域數(shù)據(jù)處理與信號(hào)波動(dòng)分析，得到無(wú)切屑累計(jì)深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔加工工藝的啄式步進(jìn)鉆削深度的優(yōu)化[1]，以提高深孔加工效能。

2 深孔鉆削加工無(wú)切屑累積深度

在深孔鉆削加工過(guò)程中，初始階段鉆深相對(duì)較淺，排屑順暢，隨著鉆深的增加，排屑槽中容納的切屑體積越來(lái)越大，逐漸出現(xiàn)切屑累積現(xiàn)象，同時(shí)累積在排屑槽中的切屑滑移產(chǎn)生排屑力[4]。此時(shí)的鉆削力不僅包括鉆頭切削刃材料去除作用所產(chǎn)生的鉆削切削力，還包括隨鉆深增加而不斷增大的鉆削排屑力。

通常情況下啄式步進(jìn)鉆削所采用的鉆削深度Q均按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值為鉆頭直徑的一半，而根據(jù)本文對(duì)深孔鉆削加工過(guò)程的分析及極限鉆深實(shí)驗(yàn)研究，初始鉆入過(guò)程的鉆削力或鉆削功耗均存在一個(gè)平穩(wěn)階段。在深孔鉆削加工過(guò)程中，鉆削力或功耗的平穩(wěn)階段所能達(dá)到的鉆孔深度即為無(wú)切屑累積深度，如圖2 所示。

圖2 深孔加工無(wú)切屑累積深度示意圖

根據(jù)排屑力模型[4]與功耗計(jì)算原理，計(jì)算鉆削功耗與排屑功耗，得到帶無(wú)切屑累積深度的深孔鉆削排屑功耗與鉆削深度的關(guān)系模型，如式（1）所示。

式中：Vz-軸向進(jìn)給速度；Vt-切向切削速度；Fach-切屑施加在鉆頭上的力的軸向力分量，即軸向排屑力；Ftch-切屑施加在鉆頭上的力的切向分量，即鉆削切向排屑力；Kpzq-帶無(wú)切屑累計(jì)深度的排屑功耗系數(shù)；q0-無(wú)切屑累積深度。

3 加工過(guò)程信號(hào)短時(shí)域處理

深孔鉆削功耗信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，其具有多種數(shù)據(jù)特征信息，能夠反映深孔鉆削加工過(guò)程中的排屑變化狀況。對(duì)于鉆削排屑功耗信號(hào)的數(shù)據(jù)分析，可分為時(shí)域分析和變換域（頻域）分析，其中時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單、最直觀的方法，它直接對(duì)鉆削排屑功耗信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行分析，提取能夠反映短時(shí)峰值和平均幅度及短時(shí)平均幅度差函數(shù)等信號(hào)數(shù)據(jù)特征。

采用短時(shí)域信號(hào)分析（Short Time Signal Analysis，STSA）來(lái)分析加工過(guò)程信號(hào)，用短時(shí)域的多個(gè)特征表示這段信號(hào)的特征，過(guò)程信號(hào)細(xì)分原理如圖3 所示，在深孔鉆削加工過(guò)程中，采集加工過(guò)程中的鉆削功耗信號(hào)，通過(guò)短時(shí)域信號(hào)處理后，得到短時(shí)域?qū)?yīng)的短時(shí)域信號(hào)特征峰值、均值和方差。

圖3 過(guò)程信號(hào)細(xì)分原理

為了減少數(shù)據(jù)處理的工作量只保留關(guān)鍵時(shí)域特征，這里對(duì)深孔鉆削排屑功耗信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析提取的特征是峰值式（2）、均值式（3）、方差式（4）。

式（2）、（3）、（4）中：xp-鉆削力信號(hào)數(shù)據(jù)短時(shí)域峰值；鉆削力信號(hào)數(shù)據(jù)短時(shí)域均值；s2-鉆削力信號(hào)數(shù)據(jù)短時(shí)域方差；Ni-劃分短時(shí)域數(shù)量；Rs-目標(biāo)信號(hào)數(shù)據(jù)集合；F-短時(shí)域劃分采樣頻率。

在深孔加工過(guò)程中，步進(jìn)鉆削的單步鉆削深度參數(shù)選擇直接決定了鉆孔加工效能。因此，本研究在選取的工藝參數(shù)組合范圍內(nèi)，進(jìn)行極限鉆深實(shí)驗(yàn)得到了不同工藝參數(shù)組合的鉆削功耗，通過(guò)對(duì)鉆削切削功耗分析得到無(wú)切屑累計(jì)功耗，基于短時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)計(jì)算得到步進(jìn)鉆削無(wú)切屑累積深度，以此深度作為步進(jìn)鉆削深度，以提高深孔加工效能。

3.1 深孔鉆削無(wú)切屑累積功耗閾值

根據(jù)鉆削切削功耗數(shù)學(xué)模型，得到相應(yīng)工藝參數(shù)下的鉆削切削功耗如式（5）所示，作為深孔極限鉆深無(wú)切屑累積功耗閾值。

式中：Protation-主軸旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)功耗；Pfeed-主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功耗。

因此，深孔鉆削無(wú)切屑累積功耗閾值PNCT（No Chip accumulation Threshold，NCT）如式（6）所示。

3.2 鉆削功耗短時(shí)域數(shù)據(jù)分析處理

選取工藝參數(shù)進(jìn)行深孔極限鉆削實(shí)驗(yàn)，得到鉆削功耗時(shí)間與鉆削深度變化數(shù)據(jù)信號(hào)，基于短時(shí)域信號(hào)分析通過(guò)數(shù)據(jù)均值衡量短時(shí)域內(nèi)的深孔鉆削功耗水平，以短時(shí)域數(shù)據(jù)方差作為鉆削功耗變化趨勢(shì)參考。將短時(shí)域均值特征與無(wú)切屑累積功耗閾值即鉆削切削功耗作差，通過(guò)搜索得到差值大于零時(shí)的鉆深如式（7）所示，綜合方差分析得到短時(shí)域鉆削功耗對(duì)應(yīng)的鉆削深度即為無(wú)切屑累積深度。

3.3 步進(jìn)鉆削深度減少率

根據(jù)已有研究[5]，在深孔啄式鉆削中排屑扭矩隨深度增加而不斷變大，已有研究表明，不同深徑比的經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)減少率[6]如表1 所示。在得到深孔步進(jìn)鉆削無(wú)切屑累積深度的基礎(chǔ)上，由轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度計(jì)算關(guān)系式（8），按麻花鉆鉆深孔時(shí)的切削用量減少率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_立步進(jìn)鉆削深度減少率。

表1 麻花鉆鉆深孔時(shí)的切削用量減少率

為保證切屑能夠順利排出且提高步進(jìn)鉆削效率，當(dāng)切削速度與進(jìn)給量不變時(shí)，在相同條件下的步進(jìn)鉆削深度隨之減少。因此，鉆削深度減少率如式（9）所示，已知無(wú)切屑累積深度q0，則步進(jìn)鉆削深度為Q，如式（10）所示。

3.4 面向效率的鉆深優(yōu)化分析

根據(jù)步進(jìn)鉆深啄式鉆削過(guò)程，不同進(jìn)給速度條件下完成無(wú)切屑累計(jì)深度所需時(shí)間不同，為取得相對(duì)最優(yōu)效率，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為加工時(shí)間和無(wú)切屑累積深度。取加工時(shí)間和無(wú)切屑累積深度的權(quán)重相等，因此目標(biāo)函數(shù)為鉆削加工時(shí)間和無(wú)切屑累積深度歸一化后之和，目標(biāo)函數(shù)為式（11）。

式中：T-鉆削加工時(shí)間；Tmax-最大鉆削加工時(shí)間；Tmin-最小鉆削加工時(shí)間。

通過(guò)鉆削加工時(shí)間與無(wú)切屑累積深度兩個(gè)不同指標(biāo)對(duì)影響深孔鉆削效率的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。對(duì)不同量綱和數(shù)量級(jí)的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，原始的鉆削加工時(shí)間與無(wú)切屑累積深度數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)別上的無(wú)量綱化指標(biāo)評(píng)價(jià)值，然后進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)分析。通過(guò)歸一化使不同維度之間的特征在數(shù)值上具有一定比較性，比較得出相對(duì)最優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)計(jì)算分析得到相對(duì)最優(yōu)的步進(jìn)鉆削深度，以實(shí)現(xiàn)深孔鉆削加工效能優(yōu)化提升的目標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

驗(yàn)證采用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆鉆削加工6061 鋁合金件，鉆頭直徑4mm、鉆削深度40mm、長(zhǎng)徑比為10，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與工件如圖4 所示。

通過(guò)極限鉆深實(shí)驗(yàn)，結(jié)合短時(shí)域信號(hào)分析得到深孔鉆削無(wú)切屑累積深度，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)與未優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行比較，分析深孔加工效能變化情況。

4.1 極限鉆深實(shí)驗(yàn)結(jié)果與短時(shí)域分析

首先對(duì)選定的4 組工藝參數(shù)組合進(jìn)行極限鉆深實(shí)驗(yàn)，得到4 組極限鉆深功耗數(shù)據(jù)信號(hào)如圖5 所示。

圖5 極限鉆深功耗數(shù)據(jù)信號(hào)

根據(jù)時(shí)空映射機(jī)制將極限鉆深信號(hào)由時(shí)域映射到空間域，得到鉆削深度與極限鉆深功耗的關(guān)系，通過(guò)短時(shí)域信號(hào)處理計(jì)算均值與方差得到無(wú)切屑累積深度閾值，如表2 所示。

表2 無(wú)切屑累積深度閾值

4.2 深孔加工步進(jìn)鉆削驗(yàn)證分析

根據(jù)麻花鉆深孔鉆削加工，啄式鉆削步進(jìn)鉆削深度經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取鉆頭直徑的一半。本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)固定鉆深優(yōu)化前后考慮首步無(wú)切屑累積深度啄鉆的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化前后的啄鉆效能進(jìn)行驗(yàn)證分析。對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 步進(jìn)鉆削深度優(yōu)化對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化前：步進(jìn)鉆削深度Q=2mm；優(yōu)化后：首步采用無(wú)切屑累積深度進(jìn)行鉆削，從第2 步起將切削用量減少率轉(zhuǎn)化為基于無(wú)切屑累計(jì)深度的鉆削深度減少率，得到不同工藝參數(shù)條件下的步進(jìn)鉆削深度Q如表3 所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化前后的鉆削加工功耗與時(shí)間如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化前后的鉆削加工功耗與時(shí)間

由對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，考慮無(wú)切屑累積深度閾值的深孔步進(jìn)鉆削對(duì)比采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行加工，其加工總功耗與時(shí)間均有不同程度的減少，效能優(yōu)化提升結(jié)果如表4、表5 所示。

表4 加工工藝優(yōu)化前后總能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 加工工藝優(yōu)化前后時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本文對(duì)深孔步進(jìn)鉆削加工的工藝優(yōu)化研究實(shí)現(xiàn)了加工能耗最多降低67.1%，加工時(shí)間最多減少67.4%，在一定程度上有效提升了深孔加工效能。

5 結(jié)論

本文基于深孔極限鉆深鉆削加工功耗特性分析，提出了深孔加工步進(jìn)鉆削無(wú)切屑累積深度的概念，基于短時(shí)域信號(hào)處理分析方法，通過(guò)計(jì)算得到了深孔加工的無(wú)切屑累積深度，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了深孔加工步進(jìn)鉆削深度，解決了傳統(tǒng)麻花鉆深孔加工步進(jìn)鉆削依靠經(jīng)驗(yàn)步進(jìn)鉆削深度而加工效能低下的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了提升加工效能的目的。