CFRP薄壁圓筒零件的精密加工與測量技術(shù)*

劉　陽　陳　軍　蔣曉麟　錢志強(qiáng)

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

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CFRP薄壁圓筒零件的精密加工與測量技術(shù)*

劉陽陳軍蔣曉麟錢志強(qiáng)

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

介紹了用于精密加工、測量CFRP薄壁圓筒工件的技術(shù)。通過合理的工藝規(guī)劃、夾具設(shè)計，克服了工件的加工難點，實現(xiàn)了工件的精密測量。根據(jù)實際加工情況改進(jìn)了工藝流程與夾具設(shè)計，進(jìn)一步提高了工件加工質(zhì)量，基本滿足設(shè)計要求。

碳纖維復(fù)合材料；薄壁圓筒工件；精密加工

碳纖維復(fù)合材料(carbonfiberreinforcedplastic,CFRP)由于具有高的比強(qiáng)度、比模量、比剛度以及熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、工業(yè)、體育等領(lǐng)域[1]。然而由于其塑性好、各向異性，加工中易脫絲、分層等特點，碳纖維復(fù)合材料的可加工性并不理想。碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械加工技術(shù)一直是制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要因素[2]。

碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒工件的加工較少見諸于報道。由于薄壁工件固有的加工難點，再加上碳纖維復(fù)合材料的特點，使得這類工件很難獲得較高的加工精度。為實現(xiàn)此類工件的精密加工，有必要研究一套具有針對性的加工與測量方法。

1　工件特點與加工難點分析

需要加工的較大的一種碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒工件如圖1所示。

該工件外徑與壁厚之比D/δ≈45，屬典型薄壁圓筒工件。而該工件的尺寸、形位公差要求卻很高。3個主要尺寸，內(nèi)孔、外圓圓柱度、外圓相對內(nèi)孔的同軸度均有較高要求。此外，兩端面的平面度、對內(nèi)孔垂直度也有要求。加工該工件所用的毛坯為沿圓周纏繞而成的碳纖維筒，各方向均留有少量余量。

薄壁圓筒工件的主要加工難點在于工件壁薄、剛性差，易產(chǎn)生裝夾和加工變形，進(jìn)而造成尺寸和形位精度超差。而該工件的材料，即碳纖維復(fù)合材料，更是加重了這一難題。此外，由于毛坯為沿圓周方向纏繞而成，在選擇加工方法時還需考慮如何避免脫絲和分層。

2　工藝流程及夾具設(shè)計

根據(jù)上述加工難點，在加工CFRP薄壁圓筒工件中采用磨削為主要加工手段。磨削加工切削力很小，“機(jī)床—刀具—工件”工藝系統(tǒng)幾乎不會變形，保證了工件的加工精度[3]。同時由于切削力很小，裝夾力也就可以控制得比較小，進(jìn)而減小了工件的裝夾變形。這些都有利于提高該工件的加工精度。此外，磨削加工較小的切削深度和切削力還有利于避免產(chǎn)生脫絲和分層。

該工件較為關(guān)鍵的要求為內(nèi)孔及外圓的尺寸、形位公差，因此，內(nèi)孔及外圓的磨削加工應(yīng)放在最后進(jìn)行?？紤]內(nèi)孔、外圓配磨夾具的難易程度，并兼顧“基面先行”原則，應(yīng)先加工內(nèi)孔，再以內(nèi)孔為基準(zhǔn)加工外圓。

在內(nèi)孔及外圓的磨削加工中，將在兩端面施加夾緊力。若兩端面及與之接觸的夾具平面度不佳，出現(xiàn)了局部、高點接觸的情況，則將形成局部應(yīng)力，增大裝夾變形。因此在磨削內(nèi)孔外圓之前，應(yīng)先平磨兩端面，獲得較好的平面度、平行度。

基于以上分析，再綜合毛坯狀態(tài)，最終形成了CFRP薄壁圓筒工件的加工工藝流程：

(1)粗磨外圓。

(2)以外圓為基準(zhǔn)平磨兩端面。

(3)以端面為基準(zhǔn)粗、精磨內(nèi)孔。

(4)以內(nèi)孔為基準(zhǔn)精磨外圓。

其中，在磨削內(nèi)孔時需要使用胎具作為夾具，如圖2所示；在磨削外圓時需要使用心軸作為夾具，如圖3所示。

按照工藝流程的設(shè)計，磨削內(nèi)孔時應(yīng)以端面為基準(zhǔn)，故胎具孔與工件外圓配作時采用的是大間隙(0.05～0.1mm)配合以避免過定位和裝卸困難。

磨削外圓時，為保證工件外圓與內(nèi)孔的同軸度，工件內(nèi)孔與胎具外圓間采用了小間隙，以保證定位精度。由于工件內(nèi)孔已經(jīng)過精磨，具有較高的圓柱度和粗糙度，產(chǎn)生過定位和裝夾變形的可能性相對較小，但仍需嚴(yán)格控制工裝的夾緊力。

3　測量技術(shù)及加工效果

加工好的工件在測量中同樣需要夾緊，因此同樣存在裝夾變形的問題。而且因為測量同軸度需要在一次裝夾中將內(nèi)孔、外圓都測一遍，所以無法使用加工中所采用的胎具、心軸來裝夾。因此，工件測量中的裝夾問題甚至比加工中的更棘手。

經(jīng)過反復(fù)討論，最終在測量中采用了粘接固定的方式，如圖4所示。工件通過雙面膠被粘接在一塊具有良好平面度的鋼板上，再用臺虎鉗直接夾持鋼板。粘接固定看似簡陋，實則較好地解決了裝夾與變形、測量之間的矛盾。通過反復(fù)裝夾、測量同一工件，發(fā)現(xiàn)粘接固定使得測量結(jié)果具有較好的重復(fù)性精度，間接證明粘接固定是可靠、有效的。

通過上一節(jié)所述工藝流程加工出的小、大筒，測量結(jié)果如表1、表2所示。

表1　小筒首次加工測量結(jié)果　mm

從表中可以看出，小筒的加工精度較高，滿足設(shè)計要求。但大筒的加工精度則不容樂觀。大部分大筒的所有測量項目都遠(yuǎn)高于小筒的對應(yīng)指標(biāo)，難以滿足設(shè)計、使用要求。因此，有必要進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程、夾具設(shè)計。

表2　大筒首次加工測量結(jié)果　mm

4　工藝與夾具改進(jìn)及其效果

在前文所述的工藝流程中，第一序為粗磨外圓，為精磨兩端面提供基準(zhǔn)。但粗磨外圓時的基準(zhǔn)是毛坯端面，并不平整，再加上粗加工切削力、夾緊力較大，很容易產(chǎn)生裝夾變形。因此在撤去夾緊力后，外圓的圓柱度可能較差，而以此較差的基準(zhǔn)面定位、夾緊而加工的兩端面，也就會存在類似的問題。

為了解決較差基準(zhǔn)對加工的影響，采用了進(jìn)一步細(xì)分工序的方法，即將原有的“平磨兩端面”序拆分為“粗磨端面”和“精磨端面”兩序，并微調(diào)各粗、精加工序的順序。最終確定的工藝流程如下：

(1)粗磨外圓。

(2)粗磨端面。

(3)粗磨內(nèi)孔。

(4)精磨端面。

(5)精磨內(nèi)孔。

(6)精磨外圓。

此外，前文提到在磨削外圓時，為了保證同軸度要求，定位心軸與工件之間的間隙非常小。如此小的間隙往往會造成裝夾過程中工件變形。因此對該夾具設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，加長了定位心軸，加長部分由磨工磨出一很小的錐度，作為導(dǎo)向段，以避免裝夾過程中的工件變形，如圖5所示。

通過以上改進(jìn)后加工出的小、大筒，測量結(jié)果如表3、表4所示。

表3　小筒二次加工測量結(jié)果　mm

表4　大筒二次加工測量結(jié)果　mm

從表3、表4可以看出，經(jīng)改進(jìn)后加工出的小、大筒，其精度較首次加工顯著提高，滿足設(shè)計、使用需求。對工藝流程、夾具設(shè)計的改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期效果。

5　結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料薄壁圓筒工件因其壁薄、剛性差，易產(chǎn)生裝夾和加工變形，且易脫絲和分層現(xiàn)象，較難實現(xiàn)精密加工與測量。本文通過合理規(guī)劃工藝流程，合理設(shè)計工裝、夾具，實現(xiàn)了該工件的精密加工與測量。根據(jù)實際加工情況優(yōu)化了工藝流程、夾具設(shè)計，進(jìn)一步提高了加工精度。可以實現(xiàn)內(nèi)孔、外圓圓柱度小于0.015mm，同軸度小于0.02mm的精密加工。

[1]王巍.CFRP加工工具研制及加工工藝研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]吳紅，陳燕，韓勝超. 兩種銑刀在切削碳纖維增強(qiáng)塑料時的磨損機(jī)理[J]. 機(jī)械工程材料，2014，38(12)：29-32.

[3]翁世修，吳振華. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

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Precision machining and measuring techniques for thin-walled cylindrical CFRP parts

LIU Yang, CHEN Jun, JIANG Xiaolin, QIAN Zhiqiang

(InstituteofMechanicalManufacturingTechnology,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,CHN)

Precisionmachiningandmeasuringtechniquesforthin-walledcylindricalCFRPpartsareintroducedinthispaper.Withproperprocessplanningandworktooldesign,precisionmachiningandmeasuringoftheworkpieceareachievedagainstalldifficulties.Adaptionsaremadetotheprocessandworktoolaccordingtoactualprocessing,machiningprecisionisfurtherimproved,anddesignrequirementsarereached.

CFRP;thin-walledcylindricalparts;precisionmanufacturing

TH162

B

劉陽，男，1989年生，碩士，助理工程師，工藝員，從事工藝編寫工作，已發(fā)表論文2篇。

(編輯汪藝)(2015-08-26)

160329

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2013YQ130429)