螺旋铣孔机的应用及结构分析

对于大型工件，如飞机上的机翼、支架或骨架连接件、火箭仪器舱、导弹舱段、导弹发射架等，这些航空航天大型结构70%是采用螺钉、铆钉连接，大型飞机，如波音飞机上有约7万个铆钉。钻孔材料有铝合金、钛合金等。波音飞机有300多万个连接孔、F22战机上有1.4万个连接孔。

这些大型件的孔采用传统钻孔工艺，劳动强度大，加工效率低，而且孔的尺寸精度低。使用麻花钻头钻孔，由于横刃负前角大，横刃又不参加切削，而是将中心部位的材料硬挤到端刃上进行切削，所以钻出的孔表面很粗糙，出口端毛刺多，并有飞边（图1-90，图1-91）。尤其在碳纤维复合板上钻出孔的出口毛刺和飞边更多（图1-92）。使用传统的钻头钻孔方法已不能满足现代高速、高效、精密的孔加工需求。近年国内外兴起柔性螺旋铣孔技术，使用“螺旋铣孔机”铣孔，加工效率高、质量好。

图1-90 铝合金孔表面粗糙

图1-91 铝合金孔出口飞边

图1-92 复合材孔出口的飞边

1.螺旋铣孔机结构

图1-93为螺旋铣孔机的结构示意图。铣刀中心偏离孔中心一定距离e，刀具自转转速为n₁和轴向进给量f，同时绕孔的轴线公转n₂。

图1-93 螺旋铣孔机的结构示意图

2.螺旋铣孔机单元

螺旋铣孔机采用单元设计，分为铣刀自转模块、螺旋进给模块和偏心调节模块三大部分，螺旋进给模块采用一级丝杠传动，实现铣刀的螺旋进给，利用中空粗型丝杠装设铣刀自转模块和公转半径调节模块。铣刀自转模块用于控制铣刀自转速度，驱动装置采用轻型气动马达，偏心调节模块用来调节公转半径大小，是连接螺旋进给和铣刀自转模块的连接组合件。

（1）偏心调节模块 偏心调节模块是螺旋铣孔单元的核心组合件，其传动精度和可靠性直接决定铣刀公转半径的精度，进而影响螺旋铣孔的加工精度（图1-94）。

图1-94 偏心调节模块

内外两个套筒的偏心量是相等的，改变两个套筒之间的相对转角，就可以改变内套筒孔的轴线与外套筒外径轴线的偏心距。当转角为零时，两个套筒的偏心量（±）恰好相抵消，即偏心量为“0”（图1-95a），当内套筒与外套筒产生偏心时，自转单元（铣刀中心）便产生偏移，当转角Q达到180°相对转动时，偏心量达到最大e=2a（图1-95b、图1-96）。

图1-95 偏心调节图

图1-96 两个偏心量的关系

两个偏心套间的转角（转动），通过蜗轮/变厚蜗杆结构进行调整，减速比大，并可以自锁。螺旋铣孔机的偏心距一般在1～3mm，调整偏心距即可以调整公转半径，调节铣出孔直径的大小。若偏心量e=2mm，每调节1°产生的偏心量为0.011mm，直径上的增量为0.022mm，考虑综合误差，通过微调可以使铣出孔的公差可以达到H7～H9。

（2）铣刀自转模块 铣刀的转动采用伺服电动机或步进电动机控制，功率为1.3～1.5kW，通过控制箱实现起动、停止、调速、反转的功能，并加装了速度显示器，实时监控铣刀的运转状态。

（3）螺旋进给模块 铣刀的螺旋进给（轴向进给）采用一级丝杠传动，而且利用中空型丝杠装设刀具自转模块和分转模块，如图1-97和图1-98外形图。也可以采用机器人控制铣刀的轴向进给，轴向进给行程一般在10～50mm。

螺旋铣孔机的固定形式：美国波音公司采用柔性导轨式自动制孔系统，真空吸盘吸附在加工件的表面上；西班牙M.Torres公司采用机器人控制，用机器人上足脚上的吸盘（真空或磁力吸盘）吸附铣孔系统，并可调整孔的位置和孔距等。

图1-97 国产铣孔机

图1-98 瑞士产的Novator型铣孔机

3.铣削方式(www.xing528.com)

铣刀的自转与公转方向可以是同向，也可以为异向。图1-99a中铣刀自转为顺时针，公转也是顺时针，就是自转与公转方向是相同的，称作“同向铣孔”，而铣刀自转方向与分转方向相反的称为“异向铣孔”，如图1-99b所示。

同向铣孔时，铣刀侧刃从切屑最高处切入，然后切屑高度逐渐减小（图1-100），而异向铣孔时，铣刀侧刃从未变形切屑的最低处切入，这样切入时产生的冲击小于同向铣，因此振动小于同向铣，铣出孔的表面粗糙度值小。

图1-99 同向铣与异向铣

图1-100 未变形切屑的形状

4.切削用量

螺旋铣孔的切削参数有切削速度、铣刀自转转速、铣刀公转转速、每齿进给量、背吃刀量。

切削速度v_c=πnd/1000

铣刀角速度ω₁=2πn₁

铣刀公转角速度ω₂=2πn₂

进给速度v_f=ω₂（R₂-R₁）

每齿进给量f_z=2πn₁n₂（R₂-R₁）/z

背吃刀量a_p=an₂

式中 R₁——铣刀半径（mm）；

R₂——孔半径（mm）；

z——铣刀齿数；

a——每转吃刀量（mm）。

5.螺旋铣孔的优点

1）铣刀铣孔不同钻孔，钻孔时横刃不参加切削，而螺旋铣孔时铣刀端刃是主要切削刃，因此使进给力减小较大，端刃是连续切削，侧刃是断续切削，因此产生的切屑是碎屑，这十分有利于排屑，不会擦伤孔壁，又由于侧刃参加切削使铣出来的孔壁表面光滑，而且无毛刺，表面粗糙度值可达到Ra0.4～0.8μm（图1-101）。

2）横刃和侧刃均参加切削，排屑又好，因此切削力可比钻孔降低约30%。如铣钛合金ϕ12mm孔，使用ϕ10mm铣刀，切削力为24.17N，而使用ϕ12mm钻头钻孔，则切削力为36.2N。

3）由于铣刀直径比孔径小，容屑和排屑空间大，切屑迅速将切削热带走，降低切削区温度，提高刀具的使用寿命。

4）由于侧刃参加切削，使孔壁光整，同时公转半径可以进行微调，因此可以铣出精度高的孔，通常情况可铣出H7～H9的孔。

5）由于立铣刀底刃有-10°的斜度（图1-102），当铣刀在铣出孔下边出口时，铣刀的侧刃和刀尖紧贴孔壁，先切出一个很薄的圆片形切屑，因此使孔的出口光滑、规整，无毛刺和飞边。

图1-101 铣孔表面光滑

图1-102 底刃切削状况与圆片切削

6）用一个直径的铣刀可以铣出多种孔径的孔，而且可以用整数的铣刀，铣出带小数的孔径，如用ϕ6mm铣刀，通过调节偏心距，可以铣出8.25mm的孔，这样可大大减少换刀次数，提高加工效率。