蜂窩芯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)蜂窩芯在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)變形、壓塌、切口產(chǎn)生毛刺等問(wèn)題，開(kāi)展超聲波加工蜂窩結(jié)構(gòu)的受力分析，針對(duì)NOMEX紙蜂窩結(jié)構(gòu)超聲加工技術(shù)開(kāi)展了試驗(yàn)研究，搭建超聲加工試驗(yàn)平臺(tái)，分析蜂窩超聲加工過(guò)程中切削力的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上以主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給速度和刀具振幅等工藝參數(shù)為單因素變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究,獲得各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。

蜂窩芯；超聲加工；工藝參數(shù)

1 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，如航天飛船、火星探測(cè)器等航天器中均大量采用具有不同結(jié)構(gòu)和材料特性的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件，對(duì)蜂窩類(lèi)復(fù)合材料，目前國(guó)內(nèi)航空航天制造企業(yè)廣泛采用銑削和磨削加工[1～3]。由于蜂窩材料強(qiáng)度低、韌性高、導(dǎo)熱性差，加工時(shí)刀具堵塞嚴(yán)重，加工區(qū)域大量熱量無(wú)法及時(shí)傳遞出去，溫度過(guò)高，造成刀具磨損、纖維不能完全切斷，出現(xiàn)蜂窩倒塌、材料變形、纖維拉毛等缺陷[4～6]，如圖1所示。

針對(duì)蜂窩復(fù)合材料加工中存在的問(wèn)題，國(guó)外一些公司開(kāi)始研究先進(jìn)復(fù)合材料的超聲加工技術(shù)，開(kāi)展超聲加工裝備研制，并已成功應(yīng)用于國(guó)外航空航天制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了蜂窩高效精密加工。如奧地利GFM公司和德國(guó)GEISS公司開(kāi)發(fā)了用于蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料切削加工的超聲加工機(jī)床。這些超聲加工設(shè)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(yīng)用。國(guó)內(nèi)企業(yè)針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)超聲加工工藝也開(kāi)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(jìn)一步了解復(fù)合材料蜂窩切削時(shí)切削力及其影響因素，開(kāi)展蜂窩結(jié)構(gòu)加工工藝試驗(yàn)。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)加工缺陷形式

2 試驗(yàn)條件

為研究蜂窩結(jié)構(gòu)超聲加工過(guò)程中的受力情況，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，選用高速數(shù)控銑床作為加工主體，在機(jī)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(cè)力儀對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)超聲加工過(guò)程中的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)中，所選取的測(cè)試材料NOMEX紙蜂窩，壁厚為 0.05mm，高度為10mm，具體性能參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)中將4塊尺寸為40mm×35mm蜂窩材料用膠粘在亞克力板上，試驗(yàn)時(shí)再將其用雙面膠粘結(jié)在測(cè)力儀上，采用這種粘接方式是為了排除在切削過(guò)程中將蜂窩芯拉起，而對(duì)切削力的測(cè)量產(chǎn)生的影響。切削時(shí)每塊蜂窩可以在左右兩側(cè)分別切一次，每塊板可以切削8次，三次試驗(yàn)粘結(jié)3塊板。

表1 蜂窩性能參數(shù)

3 蜂窩超聲加工試驗(yàn)分析

蜂窩芯結(jié)構(gòu)屬于多孔薄壁結(jié)構(gòu)，在圓片刀切削的過(guò)程中，依靠圓片刀鋒利的刃口，在刀具的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，借助超聲振動(dòng)的能量，將材料順利切開(kāi)。

3.1 蜂窩超聲加工力學(xué)分析

根據(jù)圓片刀的結(jié)構(gòu)，其底平面設(shè)計(jì)為向內(nèi)凹陷的表面，因此在加工過(guò)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(kāi)，是由于圓片刀鋒利的刃口部分，因此蜂窩芯所受的合力應(yīng)該垂直于刀具上表面，在水平面內(nèi)，圓片刀對(duì)蜂窩芯產(chǎn)生切割作用，切割力的方向沿著蜂窩芯的截面邊長(zhǎng)方向，固可以得到蜂窩芯在切削過(guò)程中的受力情況，見(jiàn)圖2。

圖2 蜂窩在切削過(guò)程中的受力分析

圖2a表示在豎直平面內(nèi)蜂窩芯受力，圖2b表示在水平平面內(nèi)蜂窩芯受力。其中F、F、F分別表示蜂窩芯在垂直于刀具進(jìn)給方向、刀具進(jìn)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(nèi)所受合力。根據(jù)幾何關(guān)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(rèn)為F>F，固有F>F>F。

切削單塊蜂窩芯時(shí)，經(jīng)測(cè)力儀測(cè)得的切削力的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 切削單塊蜂窩芯時(shí)切削力的變化規(guī)律

a. 復(fù)合材料蜂窩芯切削過(guò)程中的軸三個(gè)方向的切削力數(shù)值很小，最大的力峰值也未超過(guò)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(yùn)動(dòng)以外，還有在豎直方向的振動(dòng)，通過(guò)刀具振動(dòng)給材料施加的能量，很容易將分子結(jié)構(gòu)打開(kāi)，有效地降低了切削力的大小。

b.軸三個(gè)方向的力都呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，這與蜂窩芯結(jié)構(gòu)周期性的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。在每個(gè)周期中，力的變化都是先增大后減小，并且軸三個(gè)方向的力的變化趨勢(shì)保持一致，向力周期性變化不如方向平穩(wěn)。向力在峰值處總是有瞬間的突變，經(jīng)過(guò)在加工過(guò)程中的仔細(xì)觀察，剛好是在刀具切削到蜂窩粘結(jié)處的時(shí)刻。根據(jù)試驗(yàn)原理中的力學(xué)分析，是由于在軸方向的力主要包含圓片刀與蜂窩粘結(jié)處的摩擦，而蜂窩粘結(jié)處的方向剛好垂直于軸方向，因此導(dǎo)致在刀具到達(dá)蜂窩粘結(jié)處的時(shí)候，向力出現(xiàn)瞬時(shí)的增大。

c. 每個(gè)周期中力的峰值，都有先逐漸贈(zèng)大，維持在最大值一段時(shí)間后，又逐漸減小。這是由于在切削過(guò)程中，蜂窩芯的變形，有一個(gè)累積的過(guò)程，在邊緣處的蜂窩受到內(nèi)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(shù)對(duì)受力影響研究

對(duì)每個(gè)參數(shù)下的切削力進(jìn)行取平均值處理，得到切削力與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和刀具振幅之間的規(guī)律。

切削力與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線如圖4。在試驗(yàn)中軸方向?yàn)榇怪庇诘毒哌M(jìn)給方向，軸為刀具進(jìn)給方向，軸為蜂窩高度方向，根據(jù)圖中曲線，軸方向的力在轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)有突然的減小，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)的轉(zhuǎn)速和刀具的振幅比較匹配，因此切削力比較小。隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加，軸和軸方向力有所增加，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)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(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響

切削力與進(jìn)給速度的關(guān)系曲線如圖5?？梢钥闯觯S和軸的力比軸的小，這是由于刀具的振動(dòng)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(jìn)給速度的增加，三個(gè)方向的力都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其中軸方向的力稍有波動(dòng)。

圖5 進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響

刀具振幅對(duì)于切削力的影響如圖6。刀具振幅為零的點(diǎn)是無(wú)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?yàn)榈毒叱曊駝?dòng)時(shí)，振動(dòng)方向不僅在軸方向，在軸和軸也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，所以可能導(dǎo)致切削力的增加。在超聲振動(dòng)情況下，軸三個(gè)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(gè)方向的力都滿足F>F>F的大小關(guān)系，除了在轉(zhuǎn)速圖中1000r/min下F<F，分析可能的原因是由于在1000r/min時(shí)，刀具的轉(zhuǎn)速與振幅的匹配較好，因此使得此時(shí)的向切削力下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超聲波加工蜂窩結(jié)構(gòu)的受力方式進(jìn)行分析，通過(guò)搭建蜂窩超聲加工試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)超聲加工過(guò)程中的受力情況進(jìn)行檢測(cè)，得出蜂窩加工受力過(guò)程中F> F>F的大小關(guān)系，并通過(guò)單因素試驗(yàn)分析了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及刀具振幅等工藝參數(shù)對(duì)蜂窩超聲加工受力的影響。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)力結(jié)果可以指導(dǎo)切削參數(shù)的選擇，以避免加工過(guò)程中切削力過(guò)大拉起蜂窩，影響加工質(zhì)量。

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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(jī)械制造專(zhuān)業(yè)；研究方向：復(fù)合材料制造技術(shù)。

2017-10-08