本发明涉及航空航天飞行器装配中的制孔加工技术领域，具体涉及一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法。
背景技术：
航空航天飞行器设计中大量使用复合材料，在飞行器装配过程中经常遇到复合材料与金属叠层结构的制孔问题。由于飞行器结构复杂，装配制孔时作业空间有限或设计上的特殊要求等原因，某些复合材料与金属叠层结构的制孔，刀具必须从金属侧切入，从复合材料侧切出。常用的制孔方法为使用钻头钻孔，使用这种加工方法时，会产生较大的轴向切削力。还有一种新的制孔方法为使用特制立铣刀进行螺旋铣孔，其轴向切削力虽然较钻孔小，但仍然存在。复合材料通常是由多层纤维组合而成的，不同纤维层之间通常为强度较弱的树脂基体材料，加工中的轴向力是引起复合材料加工损伤的主要原因，在刀具从复合材料一侧切出时，在刀具轴向切削力的作用下，靠近出口侧纤维层产生变形，将不同纤维层之间的树脂基体拉断，形成分层、撕裂等加工缺陷，影响制孔质量，如图6所示为钻孔出口侧形成加工缺陷的情况，如图8所示为螺旋铣孔出口侧形成加工缺陷的情况。如果在复合材料后端增加一层垫板，当刀具切削到靠近复合材料出口一侧时，靠近出口侧的纤维层会受到垫板的支撑而不发生大的变形，纤维层间的树脂基体不会被破坏，从而避免分层、撕裂等加工缺陷的出现，如图7所示为钻孔有垫板的情况，如图9所示为螺旋铣孔有垫板的情况。但是实际生产中，有些情况下复合材料背面无法在制孔时加装垫板；有些情况下虽然能在制孔时加装垫板，但垫板的安装拆卸将大幅增加生产成本，降低生产效率。
因此，对于必须从复合材料侧切出的复合材料与金属的叠层结构，如何实现无垫板情况下的无缺陷高质量制孔是目前急需解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明针对以上问题，研究设计一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法，解决复合材料出口易出现分层、撕裂的等缺陷和垫板安装费时费力的问题。本发明采用技术手段如下：
一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法，具有如下步骤：
s1、刀具正向进给以螺旋铣孔方式铣预加工孔，预加工孔的孔径为d1，d1＜d，d为待加工的通孔的最终孔径，直至刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧；
s2、单次或多次调节刀具偏心量，从出口侧(出口侧的材质为复合材料)反向进给螺旋铣孔铣出孔径为d的通孔。
所述步骤s1具有如下步骤：
s11、计算预加工孔的孔径d1；
s12、选取刀具；
s13、装夹待加工工件和所述刀具；
s14、将所述刀具偏心量调节至e1＝(d1-d)/2，其中，d为所述刀具的切削部的直径，驱动所述刀具从入口侧正向进给螺旋铣孔铣出孔径为d1的预加工孔，直至所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧。
所述步骤s2具有如下步骤：
s21、若d-di<d-d0，将所述刀具偏心量调节至e＝(d-d)/2，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出孔径为d与预加工孔同轴的孔，得到待加工的通孔，加工完毕，其中，di为前一次螺旋铣孔后，出口侧的孔径，d为所述刀具的切削部的直径，d0为所述刀具的颈部的直径，i＝1，2，3，4……；
若d-di≥d-d0，将所述刀具偏心量调节至e(i+1)满足ei<e(i+1)<ei+(d-d0)/2，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出与预加工孔同轴的通孔，将所述刀具偏心量调节至e0<e(i+1)，正向进给，使所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧，其中，di为前一次螺旋铣孔后，出口侧的孔径，d为所述刀具的切削部的直径，d0为所述刀具的颈部的直径，ei为出口侧产生孔径为di的孔时，所述刀具偏心量，e(i+1)为本次螺旋铣孔时，所述刀具偏心量，i＝1，2，3，4……；
s22、重复步骤s21。
所述步骤s11中，d1的计算方法为：根据待加工的通孔的孔径d，加工要求的损伤区域径向单边最大宽度k和由以往实验数据和生产经验确定的螺旋铣预加工孔产生的损伤区域径向单边最大宽度k1，则d1满足：
d1<d+2×k-2×k1，d1具体数值根据实际情况确定。
所述步骤s12中，刀具的选取方法为：刀具包括切削部、颈部和柄部，切削部包括前端切削区、圆周切削区和后端切削区，切削部的直径d满足d1/2<d<d1，颈部直径d0满足d0<d，颈部的长度h>h，h为待加工的通孔的孔深，正向进给至所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧时，柄部未进入孔内。
所述待加工工件为叠层结构，包括至少一层复合材料和至少一层金属材料。
所述刀具的驱动装置为加工中心或具有偏心量自动调节功能的螺旋铣专用设备或其他可驱动刀具实现本发明所需运动的加工设备。
所述步骤s21中，从出口侧反向进给螺旋铣孔的方法为：刀具自身高速旋转的同时，沿螺旋轨迹向出口侧进给，利用所述刀具的切削部的后端切削区对出口侧进行螺旋铣削。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.可避免复合材料出现超出加工要求的分层、撕裂等缺陷，提高加工质量。在本发明螺旋铣孔过程中，由于复合材料背面无垫板，可能产生较大的加工缺陷，但有缺陷的材料会在后续的反向进给螺旋铣孔过程中被切削掉，且反向进给螺旋铣孔过程不会再产生新的加工缺陷。这是因为在反向进给螺旋铣孔过程中复合材料受到的轴向力方向发生了改变，不会使纤维层产生可能导致分层、撕裂的变形。当刀具反向进给螺旋铣孔接近复合材料与金属层的界面时，金属层可充当垫板，使复合材料在此处的纤维层也不出现分层、撕裂等缺陷。
2.复合材料出口侧无需使用额外垫板，节约成本，简化加工过程，提高生产效率。
3.降低刀具设计难度。本发明使用的刀具前端切削区进行正向进给螺旋铣孔时，允许产生一定尺度内的加工缺陷，相当于降低了刀具前端切削区刃形的设计要求，更容易获得可使用的刀具。
4.提高刀具寿命。本发明使用前端切削区进行正向进给螺旋铣孔时，允许产生一定尺度内的加工缺陷，因此前端切削区切削刃产生一定磨损后，即使加工质量下降，也能继续使用，直至产生的加工缺陷超过本发明的允许值。本发明使用后端切削区反向进给螺旋铣孔时，由于金属层可以充当垫板，因此即使产生一定程度的磨损，也不会在复合材料靠近金属一侧产生加工缺陷。
基于上述理由本发明可在制孔加工技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法的流程图。
图2是本发明的具体实施方式中刀具的结构示意图。
图3是本发明的具体实施方式中刀具从入口侧正向进给螺旋铣预加工孔示意图。
图4是本发明的具体实施方式中刀具调整偏心量示意图。
图5是本发明的具体实施方式中刀具从出口侧反向进给螺旋铣孔示意图。
图6是本发明背景技术中现有钻孔加工方法下复合材料出口侧加工损伤形成原理示意图。
图7是本发明背景技术中现有钻孔加工方法下复合材料出口侧有垫板时对加工损伤抑制原理示意图。
图8是本发明背景技术中现有螺旋铣孔加工方法下复合材料出口侧加工损伤形成原理示意图。
图9是本发明背景技术中现有螺旋铣孔加工方法下复合材料出口侧有垫板时对加工损伤抑制原理示意图。
图10是利用本发明方法对复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔加工获得最终孔的出口质量与第一次从入口侧正向进给螺旋铣孔得到的预加工孔的出口质量加工效果对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法，适用于复合材料、金属及叠层材料结构加工。本发明所提到的方向用语上、下、左、右等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
本发明适用于复合材料与金属的叠层结构的加工，同时也适用于单层复合材料、复合材料叠层、单层金属、金属叠层材料的制孔，用以避免出口侧产生飞边和毛刺等加工缺陷。
本发明中提到的复合材料主要指碳纤维增强树脂基复合材料，但也包含其他具有不同纤维和基体材料的复合材料，金属材料主要包括但不限于钛合金、铝合金、高强钢等金属材料。
本发明中提到的加工缺陷包含分层、撕裂加工缺陷，但不限于此。本发明也适用于因出口侧无垫板支撑引起的其他缺陷，或其他与分层、撕裂具有相同特征但命名不同的加工缺陷。
若工件上已存在直径小于待加工通孔的预钻孔、小孔、导孔、盲孔、倾斜孔、不良孔等类型孔，可在不考虑此类孔的基础上，仍然按照本发明方法步骤进行加工制孔。
若工件上已存在小的通孔允许刀具的切削部伸出，且刀具颈部长度大于待加工的通孔的孔深，此状态下也可利用本发明方法直接进行反向扩孔。
所述方法具有如下步骤：
s1、刀具正向进给以螺旋铣孔方式铣预加工孔，预加工孔的孔径为d1，d1＜d，d为待加工的通孔的最终孔径，直至刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧；
s2、单次或多次调节刀具偏心量，从出口侧反向进给螺旋铣孔铣出孔径为d的通孔。
所述步骤s1具有如下步骤：
s11、计算预加工孔的孔径d1；
s12、选取刀具；
s13、装夹待加工工件和所述刀具；
s14、将所述刀具偏心量调节至e1＝(d1-d)/2，其中，d为所述刀具的切削部的直径，驱动所述刀具从入口侧正向进给螺旋铣孔铣出孔径为d1的预加工孔，直至所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧。
所述步骤s2具有如下步骤：
s21、若d-di<d-d0，将所述刀具偏心量调节至e＝(d-d)/2，从出口侧反向进螺旋铣孔，铣出孔径为d与预加工孔同轴的孔，得到待加工的通孔，加工完毕，其中，di为前一次螺旋铣孔后，出口侧的孔径，d为所述刀具的切削部的直径，d0为所述刀具的颈部的直径，i＝1，2，3，4……；
若d-di≥d-d0，将所述刀具偏心量调节至e(i+1)满足ei<e(i+1)<ei+(d-d0)/2，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出与预加工孔同轴的通孔，将所述刀具偏心量调节至e0<e(i+1)，正向进给，使所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧，其中，di为前一次螺旋铣孔后，出口侧的孔径，d为所述刀具的切削部的直径，d0为所述刀具的颈部的直径，ei为出口侧产生孔径为di的孔时，所述刀具偏心量，e(i+1)为本次螺旋铣孔时，所述刀具偏心量，i＝1，2，3，4……；
s22、重复步骤s21。
所述步骤s11中，d1的计算方法为：根据待加工的通孔的孔径d，加工要求的损伤区域径向单边最大宽度k和由以往实验数据和生产经验确定的螺旋铣预加工孔产生的损伤区域径向单边最大宽度k1，则d1满足：
d1<d+2×k-2×k1，d1具体数值根据实际情况确定。
所述步骤s12中，刀具的选取方法为：刀具包括切削部、颈部和柄部，切削部包括前端切削区、圆周切削区和后端切削区，切削部的直径d满足d1/2<d<d1，颈部直径d0满足d0<d，颈部的长度h>h，h为待加工的通孔的孔深，正向进给至所述刀具的切削部的后端切削区伸出出口侧时，柄部未进入孔内。
所述待加工工件为叠层结构，包括至少一层复合材料和至少一层金属材料。
所述刀具的驱动装置为加工中心或具有偏心量自动调节功能的螺旋铣专用设备或其他可驱动刀具实现本发明所需运动的加工设备。
所述步骤s21中，从出口侧反向进给螺旋铣孔的方法为：刀具自身高速旋转的同时，沿螺旋轨迹向出口侧进给，利用所述刀具的切削部的后端切削区对出口侧进行螺旋铣削。
若工件上已存在直径小于待加工通孔的预钻孔、小孔、导孔、盲孔、倾斜孔、不良孔等类型孔，可在不考虑此类孔的基础上，仍然按照本发明方法步骤进行加工制孔。
若工件上已存在小的通孔允许刀具的切削部伸出，且刀具颈部长度大于待加工的通孔的孔深，此状态下也可利用本发明方法直接进行反向扩孔。
本发明也可用于金属材料的制孔，用以避免出口侧产生飞边和毛刺。
实施例1
如图1-图5所示，一种复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔方法，如图10所示，为利用本发明方法对复合材料与金属叠层结构的正向-反向进给螺旋铣孔加工获得的最终孔的出口质量与第一次从入口侧正向进给螺旋铣孔得到的预加工孔的出口质量加工效果对比图。待加工的通孔的孔径d＝14mm，待加工工件的厚度h＝20mm，加工要求的损伤区域径向单边最大宽度k＝0，所述方法具有如下步骤：
s1、刀具9正向进给以螺旋铣孔方式铣预加工孔，直至刀具9的切削部1的后端切削区伸出出口侧，具体步骤如下：
s11、计算预加工孔的孔径d1：
根据待加工的通孔的孔径d＝14mm，加工要求的损伤区域径向单边最大宽度k＝0和由以往实验数据和生产经验确定的螺旋铣预加工孔产生的损伤区域径向单边最大宽度k1＝0.5mm，则d1满足：
d1<d+2×k-2×k1，d1具体数值根据实际情况确定，得到d1＝12mm；
s12、选取刀具9：
所述刀具9包括切削部1、颈部2和柄部3，切削部1包括前端切削区6、圆周切削区5和后端切削区4，切削部1的直径d满足d1/2<d<d1，d＝8mm，颈部2直径d0满足d0<d，d0＝7mm，颈部2的长度h>h，h＝30mm，正向进给至所述刀具9的切削部1的后端切削区4伸出出口侧时，柄部3未进入孔内；
s13、装夹待加工工件和所述刀具9，所述待加工工件为叠层结构，包括一层复合材料7和一层金属材料8，将所述刀具9夹持在可以进行自转并以一定偏心量公转的装置上，使所述刀具9的轴线和待加工的通孔的轴线平行；
s14、将所述刀具9偏心量调节至e1＝(d1-d)/2＝2mm，驱动装置驱动所述刀具9从入口侧正向进给螺旋铣孔，铣出孔径为d1的预加工孔，直至所述刀具9的切削部1的后端切削区4伸出出口侧，所述驱动装置为加工中心或具有偏心量自动调节功能的螺旋铣专用设备或其他可驱动刀具9实现本发明所需运动的加工设备。
s2、从出口侧反向进给螺旋铣孔铣出孔径为d的通孔，具体步骤如下：
s21、d-d1＝2mm，d-d0＝1mm，则d-d1≥d-d0，将所述刀具9偏心量调节至e(1+1)＝2.4mm满足e1<e(1+1)<e1+(d-d0)/2，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出与预加工孔同轴的通孔，刀具9自身高速旋转的同时，沿螺旋轨迹向出口侧进给，利用所述刀具9的切削部1的后端切削区4对出口侧进行螺旋铣削，将所述刀具9偏心量调节至e0＝2.3mm<e(1+1)，正向进给，使所述刀具9的切削部1的后端切削区4伸出出口侧；
s22、d-d2＝1.2mm，d-d0＝1mm，则d-d2≥d-d0，将所述刀具9偏心量调节至e(2+1)＝2.7mm满足e2<e(2+1)<e2+(d-d0)/2，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出与预加工孔同轴的通孔，刀具9自身高速旋转的同时，沿螺旋轨迹向出口侧进给，利用所述刀具9的切削部1的后端切削区4对出口侧进行螺旋铣削，将所述刀具9偏心量调节至e0＝2.3mm<e(2+1)，正向进给，使所述刀具9的切削部1的后端切削区4伸出出口侧，d2为步骤s21得到的出口侧的孔径；
s23、d-d3＝0.6mm，d-d0＝1mm，则d-d3<d-d0，将所述刀具9偏心量调节至e＝(d-d)/2＝3mm，从出口侧反向进给螺旋铣孔，铣出孔径为d与预加工孔同轴的孔，得到待加工的通孔，加工完毕，d3为步骤s22得到的出口侧的孔径。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。