紙基蜂窩芯零件的數(shù)控加工技術(shù)

□ 宋育紅

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710089

紙基蜂窩材料是一種多孔固體結(jié)構(gòu)的短纖維復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它不同于實(shí)心金屬，它由厚度僅為0．05～0．1mm的鋁箔或紙質(zhì)圍成的多個六方孔格組成，六方孔格的邊長為2～5mm，并且有規(guī)則的排列。它具有的特點(diǎn)是：質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比剛度高，自熄性能好，有良好的絕緣性能及化學(xué)惰性，抗壓性能好；但其橫向伸縮性很大，強(qiáng)度較低。正是由于蜂窩芯材料所具有的獨(dú)特外形結(jié)構(gòu)和特殊的各向異性力學(xué)特征而備受各界青睞，例如NOMEX蜂窩的比強(qiáng)度、比剛度一般是鋼的9倍［1］。所以蜂窩芯材料已經(jīng)應(yīng)用到許多工業(yè)部門，如航天航空、造船、汽車、醫(yī)療儀器、建筑橋梁、石化管道、自行車、運(yùn)動娛樂器材、防護(hù)服以及高溫?zé)煔膺^濾系統(tǒng)領(lǐng)域。特別是在航空領(lǐng)域，近年來，發(fā)達(dá)國家大型飛機(jī)制造公司均把蜂窩數(shù)控加工技術(shù)作為降低飛機(jī)制造成本的關(guān)鍵技術(shù)，并取得了突破性進(jìn)展。

金屬基蜂窩在飛機(jī)上已經(jīng)使用多年，但大型紙基蜂窩在飛機(jī)上的大量應(yīng)用還存在一定的技術(shù)難題。紙基蜂窩與金屬基蜂窩相比，具有更好的抗壓性能和更輕的質(zhì)量。但紙基蜂窩就其加工而言，有其特殊的工藝難點(diǎn)。

1 紙基蜂窩零件的加工問題

▲圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)組成

▲圖2 碟形無齒銑刀

▲圖3 帶有打碎裝置的碟形無齒銑刀

蜂窩芯材料制作完成后，大多數(shù)情況下需要進(jìn)行一定的切削加工，以滿足裝配、連接等要求。目前蜂窩芯零件主要采用高速切削機(jī)床來加工，由于紙基蜂窩特殊的結(jié)構(gòu)，使整個加工過程完全不同于金屬加工，尤其對于較大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)紙基蜂窩的數(shù)控加工，目前國內(nèi)仍缺少成熟的加工經(jīng)驗(yàn)，存在一些有待解決的難題。

1．1 刀具的問題

蜂窩零件的數(shù)控加工在我國已有十余年的歷史，但對于復(fù)雜紙基蜂窩型面加工刀具的選擇十分困難，不合理的選型會造成加工過程中壓傷、帶起、表面粗糙等缺陷。由于紙基蜂窩和金屬基蜂窩在結(jié)構(gòu)上有很大的差距，加工紙基蜂窩必須采用特殊的刀具，以往金屬基蜂窩加工采用碟形無齒銑刀，到目前已經(jīng)發(fā)展了很多規(guī)格，刀具直徑從20～200mm，具體形狀如圖2所示。另外，目前還有帶有打碎裝置的碟形無齒銑刀，如圖3所示，此刀具在把切下來的紙片打碎時，如果機(jī)床沒有抽風(fēng)裝置，碎末就會滿天飛，使機(jī)床很難清洗，對人體的健康也會帶來很大危害。如果機(jī)床有抽風(fēng)裝置，則既可以防止高速切削產(chǎn)生的熱使蜂窩燃燒，也可以減少刀具的磨損。除此之外，還有有齒圓片銑刀、片狀球頭銑刀和切割兼粉碎的組合功能銑刀等。

1．2 蜂窩芯材常用的固定夾持方法

（1）聚乙二醇法。此法是利用聚乙二醇加熱到70～90℃熔化后冷卻固化的特性，對蜂窩芯材料進(jìn)行固定夾持，其工作原理圖如圖4所示。此方法由于切削熱會使聚乙二醇熔化而導(dǎo)致工件脫落，特別是加工到后緣段，因此處的蜂窩芯很薄，最容易脫落或被高速轉(zhuǎn)動的刀具帶走一塊，造成產(chǎn)品報廢。

▲圖4 聚乙二醇法

▲圖5 雙面粘結(jié)帶法

（2）雙面粘結(jié)帶［2］固定法。該法是采用雙面不干膠將紙蜂窩和工裝型面粘在一起固定，如圖5所示。這種方法固定力小，不適合切削深度大及切削力大的零件，通常用于紙基蜂窩芯的加工。

（3）隔膜法。該法如圖6所示，首先將塑膠薄膜利用雙面粘結(jié)帶粘結(jié)在紙基蜂窩芯材料上，然后將平臺與薄膜之間抽成真空，達(dá)到對紙基蜂窩芯材料固定夾持的目的，加工完畢后再將薄膜材料去除。但由于紙基蜂窩芯材料的橫截面非常小，很難粘結(jié)可靠，在實(shí)際加工中并不能達(dá)到滿意效果。

1．3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及檢驗(yàn)

如圖7（a）所示，由于原產(chǎn)品設(shè)計中后緣沒有修型，后緣處厚度很薄，造成精加工時一刀的切削深度大于蜂窩芯厚度，因此容易引起脫膠。

另外，由于裝配用的工裝、卡板及與蜂窩芯三邊相協(xié)調(diào)的鈑金件，都是用常規(guī)模擬量傳遞方法制造，而蜂窩芯是按數(shù)學(xué)模型截取數(shù)據(jù)經(jīng)編程數(shù)控加工而成，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)［3］，裝配時容易出現(xiàn)階差。

2 改進(jìn)措施

2．1 機(jī)床的主要改進(jìn)措施

（1）機(jī)床轉(zhuǎn)速。采用無齒銑刀加工紙基蜂窩芯材料，一般要求機(jī)床轉(zhuǎn)速在6000～20000r/min范圍內(nèi)，刀具直徑大時轉(zhuǎn)速可以相對低一些，在JOBS機(jī)床上加工時，分別用直徑為76．2mm和25．4mm的刀進(jìn)行加工，轉(zhuǎn)速在8000～12000r/min時，加工出來的型面很平整，符合尺寸要求。

（2）走刀速度。紙基蜂窩芯材料在加工時和金屬零件的加工有相似之處，粗加工速度一般在3000～5000mm/min左右，精加工速度在1000～3000mm/min左右，空程返回一般在8000mm/min以上，這樣就不會出現(xiàn)壓倒和撕裂現(xiàn)象。

▲圖6 隔膜法

▲圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（3）切削深度。切削深度應(yīng)在2～20mm范圍內(nèi)，但不能大于20mm。切削深度太小，會使紙基蜂窩芯材料壓倒，切削深度太大時，容易造成該材料撕裂。所以粗加工中一般取5～10mm，精加工一般取1～5 mm。

2．2 防止脫膠的主要措施

（1）加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的維修保養(yǎng)。數(shù)控機(jī)床主軸的漏油，將嚴(yán)重影響紙基蜂窩芯材料膠接固化的質(zhì)量，這是絕對禁止的。

（2）改進(jìn)膠接材料。將后緣處一條膠接材料改為雙面膠接帶，基礎(chǔ)部位仍用聚乙二醇固定在夾具上，這樣可以解決紙基蜂窩芯材料在加工過程中的脫膠現(xiàn)象。

（3）改進(jìn)加工程序。對數(shù)控加工程序進(jìn)行更改，保證修型區(qū)蜂窩芯厚度不小于 1．6～2．5mm。 如圖 7（b）所示，理論外形為斜平面的，加工程序必須在后緣修型區(qū)特意走出斜面，保持蜂窩芯厚度2．5mm，并嚴(yán)格控制精加工余量，最后一刀不超過2mm。

（4）采用基于強(qiáng)磁場和摩擦學(xué)原理的蜂窩固定夾持方法［4］。傳統(tǒng)固定夾持方法穩(wěn)定性差，加工精度低，可靠性差，后續(xù)清理工作困難。采用基于強(qiáng)磁場和摩擦學(xué)的固定夾持原理，這種固定夾持平臺以非鐵磁材料為基體，通過純鐵磁極將平臺內(nèi)部的磁場引到平臺上部，通過對填充鐵粉的磁化實(shí)現(xiàn)固定夾持的目的，如圖8所示。此方法固定夾持可靠，只要將磁場關(guān)閉，就可以輕松地將蜂窩芯零件取下，不需要后續(xù)的清理。

2．3 保證蜂窩芯理論外形相協(xié)調(diào)的措施

（1）要徹底解決不協(xié)調(diào)的問題，必須堅持用數(shù)字量傳遞方法制造所有零件和工裝。

（2）蜂窩芯零件精加工余量既不能太大，也不能過小。余量大時切削容易出現(xiàn)脫膠，余量過小不但無法切削，反而會將蜂窩芯壓倒。

（3）采用二倍銑夾具［5］，如圖 9所示。 此夾具采用鋁合金鑄造，既是固定夾具，也是檢驗(yàn)夾具，因此，要在夾具體上劃出找正用的所有基準(zhǔn)線。當(dāng)蜂窩芯零件的第一個理論外型面銑完后，用熱水從夾具上將零件沖洗下來，零件在二倍銑夾具上膠接固化時，必須按照夾具上的基準(zhǔn)線嚴(yán)格找正，這樣可以減少不協(xié)調(diào)。

2．4 進(jìn)刀和加工路線

▲圖8 磁場和摩擦吸附原理圖

▲圖9 蜂窩芯二倍銑夾具

▲圖10 刀路圖

▲圖11 紙基蜂窩芯零件典型工藝流程圖

無論是金屬基蜂窩還是紙基蜂窩，走刀都須從外面進(jìn)刀，從最低點(diǎn)走向最高點(diǎn)。在順X方向完成一層切削后，將刀具沿Z向抬起，空程返回起刀點(diǎn)，然后再沿Y向進(jìn)一次刀，開始下一步加工，如圖10（a）所示。下刀時要在零件外沿Z向下刀，下到所需的切削深度，然后沿Y向進(jìn)給走刀，開始切削，如圖10（b）所示。

3 工藝編程和質(zhì)量控制

由于紙基蜂窩芯材料結(jié)構(gòu)的特殊性，無法像金屬結(jié)構(gòu)件那樣定位，而且其橫向無法承受切削力，所以對其工藝和編程就要提出新的要求。

3．1 工藝方法［6］

紙基蜂窩芯作為一種新型材料，有著越來越廣闊的使用前景，特別是在航天航空業(yè)中，所以有必要對其加工工藝流程、工裝進(jìn)行深入探討和研究，以便提高紙基蜂窩芯零件的加工工藝，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

紙基蜂窩芯零件加工具有典型的工藝流程，如圖11所示。

3．2 編程方法

程序編制時涉及到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，紙基蜂窩芯零件的程序編制要與工藝方法和具體零件情況有機(jī)結(jié)合。

一般情況下，在銑削加工時，刀具的前刀面對工件存在擠壓、摩擦，其擠壓力和摩擦力的大小受走刀速度、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的控制，在選用碟狀銑刀切削時，可以利用機(jī)床高轉(zhuǎn)速對蜂窩芯六方形晶格采用切割的方法加工出蜂窩芯理論外形，而不是靠擠壓和摩擦，避免變形倒塌造成蜂窩芯不合格。

3．3 質(zhì)量控制

采用嚴(yán)格的過程控制來達(dá)到保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量，措施為：①在對零件進(jìn)行精加工之前，仔細(xì)檢查固定夾持是否牢靠，并對粗加工完成的型面用卡板進(jìn)行檢驗(yàn)。②使用新工裝前，先對工裝的型面用測量機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，并實(shí)時監(jiān)控。對蜂窩芯零件進(jìn)行全型面測量，在測量合格后再用卡板檢驗(yàn)外形。

4 結(jié)論

隨著紙基蜂窩在多領(lǐng)域的大量應(yīng)用，我國航空領(lǐng)域紙基蜂窩芯材料的加工技術(shù)雖取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，但發(fā)展仍相對滯后。作為一種新技術(shù)，它還處于不斷發(fā)展完善的過程。所以，在今后的發(fā)展中，還需進(jìn)一步摸索試驗(yàn)，改進(jìn)固定夾持方法，優(yōu)化切削參數(shù)，提高程序編程效率，解決制約紙基蜂窩芯材料加工工藝的瓶頸，從而縮短加工過程，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。

［1］ 柯映林，金成柱，劉剛．NOMEX蜂窩芯高速銑削加工工藝優(yōu)化［J］．中國機(jī)械工程，2006，17（12）．

［2］ 趙稼祥．新型高性能蜂窩芯［J］．宇航材料工藝，1996（5）:58-59．

［3］ 佘敏娟，龔斌，賈保國．紙蜂窩數(shù)控加工技術(shù)［J］．裝備制造，2011，11（1）：44-46．

［4］ 劉剛．紙基蜂窩芯零件高速銑削加上固持系統(tǒng)[D]．杭州:浙江大學(xué),2004．

［5］ 陳華輝．現(xiàn)代復(fù)合材料［M］．北京：中國物資出版社，1998．

［6］ 李勇．Nomex蜂窩在俄羅斯航空領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用 ［J］．材料工程，2005（4）．