蜂窩芯結構超聲加工工藝研究

趙 振 陳 平 郭鴻俊 李 華

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蜂窩芯結構超聲加工工藝研究

趙 振1陳 平2郭鴻俊1李 華1

（1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.海軍軍事代表室，北京 100076）

針對蜂窩芯在加工過程中容易出現變形、壓塌、切口產生毛刺等問題，開展超聲波加工蜂窩結構的受力分析，針對NOMEX紙蜂窩結構超聲加工技術開展了試驗研究，搭建超聲加工試驗平臺，分析蜂窩超聲加工過程中切削力的變化規律，并在此基礎上以主軸轉速、刀具進給速度和刀具振幅等工藝參數為單因素變量進行單因素試驗研究,獲得各個工藝參數對切削力的影響規律。

蜂窩芯；超聲加工；工藝參數

1 引言

蜂窩夾層結構的復合材料在航空航天領域具有重要應用，如航天飛船、火星探測器等航天器中均大量采用具有不同結構和材料特性的蜂窩結構復合材料構件，對蜂窩類復合材料，目前國內航空航天制造企業廣泛采用銑削和磨削加工[1～3]。由于蜂窩材料強度低、韌性高、導熱性差，加工時刀具堵塞嚴重，加工區域大量熱量無法及時傳遞出去，溫度過高，造成刀具磨損、纖維不能完全切斷，出現蜂窩倒塌、材料變形、纖維拉毛等缺陷[4～6]，如圖1所示。

針對蜂窩復合材料加工中存在的問題，國外一些公司開始研究先進復合材料的超聲加工技術，開展超聲加工裝備研制，并已成功應用于國外航空航天制造領域，實現了蜂窩高效精密加工。如奧地利GFM公司和德國GEISS公司開發了用于蜂窩結構復合材料切削加工的超聲加工機床。這些超聲加工設備已在波音、空客、龐巴迪/肖特、阿萊尼亞和阿古斯塔等航空公司得到了廣泛的應用。國內企業針對蜂窩結構超聲加工工藝也開展了部分研究，由于超聲波加工的切削原理不同于普通銑削[7～10]，為了進一步了解復合材料蜂窩切削時切削力及其影響因素，開展蜂窩結構加工工藝試驗。

圖1 蜂窩結構加工缺陷形式

2 試驗條件

為研究蜂窩結構超聲加工過程中的受力情況，搭建試驗平臺，選用高速數控銑床作為加工主體，在機床主軸上加載超聲加工裝置，超聲裝置主要由超聲電源、超聲刀柄組成，刀具使用螺紋柄圓切刀，刀片直徑為15mm，使用KISTLER測力儀對蜂窩結構超聲加工過程中的受力情況進行監測。

試驗中，所選取的測試材料NOMEX紙蜂窩，壁厚為 0.05mm，高度為10mm，具體性能參數見表1。試驗中將4塊尺寸為40mm×35mm蜂窩材料用膠粘在亞克力板上，試驗時再將其用雙面膠粘結在測力儀上，采用這種粘接方式是為了排除在切削過程中將蜂窩芯拉起，而對切削力的測量產生的影響。切削時每塊蜂窩可以在左右兩側分別切一次，每塊板可以切削8次，三次試驗粘結3塊板。

表1 蜂窩性能參數

3 蜂窩超聲加工試驗分析

蜂窩芯結構屬于多孔薄壁結構，在圓片刀切削的過程中，依靠圓片刀鋒利的刃口，在刀具的旋轉狀態下，借助超聲振動的能量，將材料順利切開。

3.1 蜂窩超聲加工力學分析

根據圓片刀的結構，其底平面設計為向內凹陷的表面，因此在加工過程中主要為刀片的切削刃和上表面與蜂窩芯接觸。材料能夠被切開，是由于圓片刀鋒利的刃口部分，因此蜂窩芯所受的合力應該垂直于刀具上表面，在水平面內，圓片刀對蜂窩芯產生切割作用，切割力的方向沿著蜂窩芯的截面邊長方向，固可以得到蜂窩芯在切削過程中的受力情況，見圖2。

圖2 蜂窩在切削過程中的受力分析

圖2a表示在豎直平面內蜂窩芯受力，圖2b表示在水平平面內蜂窩芯受力。其中F、F、F分別表示蜂窩芯在垂直于刀具進給方向、刀具進給方向、刀具軸線方向所受到的力，為蜂窩芯所受合力，F為蜂窩芯在水平面內所受合力。根據幾何關系，由圖2a可以得出：

F=sin20° （1）

F=cos20° （2）

很容易看出F>F，因此F>F，F>F。在圖2b中，可以得出：

F1=F1Ysin30° （3）

F=F1Ycos30° （4）

F=F1+F2=F1Ysin30°+F2（5）

而F2為圓片刀與蜂窩膠粘處的切割，蜂窩芯膠粘處的厚度約為正常壁厚的2倍，因此切割力比普通壁厚處大很多，可以認為F>F，固有F>F>F。

切削單塊蜂窩芯時，經測力儀測得的切削力的變化規律見圖3。

圖3 切削單塊蜂窩芯時切削力的變化規律

a. 復合材料蜂窩芯切削過程中的軸三個方向的切削力數值很小，最大的力峰值也未超過3N，這是由于超聲加工方式不同于普通切削方式，超加工中的刀具除了水平方向的運動以外，還有在豎直方向的振動，通過刀具振動給材料施加的能量，很容易將分子結構打開，有效地降低了切削力的大小。

b.軸三個方向的力都呈現出周期性變化的規律，這與蜂窩芯結構周期性的結構相對應。在每個周期中，力的變化都是先增大后減小，并且軸三個方向的力的變化趨勢保持一致，向力周期性變化不如方向平穩。向力在峰值處總是有瞬間的突變，經過在加工過程中的仔細觀察，剛好是在刀具切削到蜂窩粘結處的時刻。根據試驗原理中的力學分析，是由于在軸方向的力主要包含圓片刀與蜂窩粘結處的摩擦，而蜂窩粘結處的方向剛好垂直于軸方向，因此導致在刀具到達蜂窩粘結處的時候，向力出現瞬時的增大。

c. 每個周期中力的峰值，都有先逐漸贈大，維持在最大值一段時間后，又逐漸減小。這是由于在切削過程中，蜂窩芯的變形，有一個累積的過程，在邊緣處的蜂窩受到內部蜂窩牽連的作用小，因此切削邊緣蜂窩的力比較小。

3.2 蜂窩加工參數對受力影響研究

對每個參數下的切削力進行取平均值處理，得到切削力與主軸轉速、進給速度和刀具振幅之間的規律。

切削力與主軸轉速關系的曲線如圖4。在試驗中軸方向為垂直于刀具進給方向，軸為刀具進給方向，軸為蜂窩高度方向，根據圖中曲線，軸方向的力在轉速為1000r/min時有突然的減小，這可能是因為此時的轉速和刀具的振幅比較匹配，因此切削力比較小。隨著刀具轉速的增加，軸和軸方向力有所增加，這是因為轉速增加之后，刀具與材料之間的摩擦更加劇烈，軸方向的力變化不明顯。

圖4 主軸轉速對切削力的影響

切削力與進給速度的關系曲線如圖5。可以看出，軸和軸的力比軸的小，這是由于刀具的振動方向是沿著軸方向，因此在軸方向刀具與蜂窩之間的作用更劇烈。隨著刀具進給速度的增加，三個方向的力都呈現出減小的趨勢，其中軸方向的力稍有波動。

圖5 進給速度對切削力的影響

刀具振幅對于切削力的影響如圖6。刀具振幅為零的點是無超聲的情況，加了超聲以后，切削力的大小有所增加，這可能是因為刀具超聲振動時，振動方向不僅在軸方向，在軸和軸也會產生振動，所以可能導致切削力的增加。在超聲振動情況下，軸三個方向的力均隨著刀具振幅的增加而減少。

綜合觀察圖4、圖5、圖6，三個方向的力都滿足F>F>F的大小關系，除了在轉速圖中1000r/min下F<F，分析可能的原因是由于在1000r/min時，刀具的轉速與振幅的匹配較好，因此使得此時的向切削力下降。

4 結束語

針對超聲波加工蜂窩結構的受力方式進行分析，通過搭建蜂窩超聲加工試驗臺，對蜂窩結構超聲加工過程中的受力情況進行檢測，得出蜂窩加工受力過程中F> F>F的大小關系，并通過單因素試驗分析了主軸轉速、進給速度以及刀具振幅等工藝參數對蜂窩超聲加工受力的影響。根據試驗測力結果可以指導切削參數的選擇，以避免加工過程中切削力過大拉起蜂窩，影響加工質量。

1 王玉瑛，吳榮煌. 蜂窩材料及孔格結構技術的發展[J]. 航空材料學報，2000，20(3)：172～177

2 郝巍，羅玉清. 國產對位芳綸紙蜂窩性能的研究[J]. 高科技纖維與應用，2009，34(6)：21～25

3 李瑞淳. 蜂窩夾層結構復合材料設計及應用研究[J]. 鐵道機車車輛，2009，29(6)：3～6

4 張菊霞，田衛. 碳纖維、芳綸纖維、蜂窩芯零件數控加工刀具的選用[J]. 復合材料切削加工，2010(15)：71～73

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

6 張勝波. 飛機方向舵紙蜂窩零件的高速銑削加工[J]. 金屬加工，2010，增刊：55～58

7 謝坤，董輝躍，薛輝. NOMEX 紙基蜂窩零件新加工工藝研究[J]. 機械科學與技術，2011，11(30)：1811～1815

8 李裕，駱金威，高濤. 基于超聲波機床加工蜂窩芯的誤差分析研究[J]. 工藝與檢測，2013(9)：102～105

9 高濤，駱金威，林勇.基于超聲波機床的蜂窩芯數控加工技術研究[J]. 機械制造，2013，51(581)：41～43

10 李勇，周懿，范一鳴. 切削加工和刀具技術的現狀及發展[J]. 機械工程師，2003(9)：41～43

Study on Machining Technique for Honeycomb Core Based on Ultrasonic

Zhao Zhen1Chen Ping2Guo Hongjun1Li Hua1

(1. Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology, Beijing 100076; 2. Representative Office of Navy, Beijing 100076)

The machine of NOMEX honeycomb core produces quality problems like deformation and breakage. Therefore, analysis of its mechanical properties has a great value in theoretical research and engineering application. The cutting force of NOMEX honeycomb core based on ultrasonic was analyzed. The ultrasonic machining experiments were conducted on NOMEX honeycomb core using test system. The variation law of the cutting force during ultrasonic machining was studied. The single factor test was designed for the ultrasonic machining of the honeycomb core and the effects of technological parameters like spindle speed, feed speed and amplitude on the cutting force were obtained.

honeycomb core；ultrasonic machining；technological parameter

趙振（1986），碩士，機械制造專業；研究方向：復合材料制造技術。

2017-10-08