玻纖復(fù)合材料槳葉試件多軸數(shù)控加工研究

宋育紅

摘要：文章透過(guò)玻纖復(fù)合材料槳葉試件的疊層結(jié)構(gòu)特性分析，根據(jù)其數(shù)控加工要求把控?cái)?shù)控加工要點(diǎn)，進(jìn)而采用三軸超聲輔助數(shù)控加工裝置，確定加工裝置的基本組件及功能模塊后，基于槳葉試件的不同規(guī)格，創(chuàng)新性的應(yīng)用變參數(shù)加工方法，以玻纖復(fù)合材料與金屬材料各自的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行多軸數(shù)控加工，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，獲知采用多軸數(shù)控加工裝置及變參數(shù)工藝方法，可減少槳葉試件的毛刺、撕裂及孔壁粗糙度，達(dá)到了預(yù)期的數(shù)控加工效果。

關(guān)鍵詞：玻纖復(fù)合材料;槳葉;超聲波振動(dòng);多軸數(shù)控加工

中圖分類號(hào)：TB33;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）12-0109-04

0 引言

目前，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，因復(fù)合材料與金屬材料存在物理與力學(xué)性能差異，以兩者組成的疊層構(gòu)件具備輕質(zhì)、高強(qiáng)等性能優(yōu)勢(shì)，而成為該領(lǐng)域的重要應(yīng)用材料，尤其槳葉作為飛機(jī)的核心構(gòu)件，其材料構(gòu)成及加工工藝，直接影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，為此，研究該內(nèi)容具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而玻璃纖維復(fù)合材料以連續(xù)玻璃纖維及其織物和短切保利纖維增強(qiáng)高聚物為增強(qiáng)體，通過(guò)復(fù)合工藝制備而成，其融合了玻璃纖維增強(qiáng)材料耐高溫、抗腐、絕緣、機(jī)械性等優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)與不同材料組分的復(fù)合效應(yīng)，達(dá)到性能互補(bǔ)及協(xié)同，是目前航空飛行器領(lǐng)域中最常用的材料。但是，以玻璃纖維復(fù)合材料與金屬材料組合而成的疊層構(gòu)件，在裝配過(guò)程中需要進(jìn)行大量的鉚接與螺栓孔加工，但以往工藝多以“鉆一擴(kuò)一鉸”加工方法[1]，工序繁雜，加工而成的槳葉試件質(zhì)量無(wú)法保證，亟待創(chuàng)新加工技術(shù)及工藝。為此，本文將超聲波振動(dòng)引入玻纖復(fù)合材料加工之中，基于多軸聯(lián)動(dòng)超聲輔助數(shù)控加工裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探究玻璃復(fù)合材料槳葉試件數(shù)控加工一體成型方法。

1 玻纖復(fù)合材料槳葉試件的特點(diǎn)及數(shù)控加工要求

1.1玻纖復(fù)合材料槳葉試件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

玻纖復(fù)合材料較有機(jī)纖維具有耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗疲勞性等優(yōu)勢(shì)，且通過(guò)物理和力學(xué)性能對(duì)比，玻纖復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比剛度明顯優(yōu)于金屬材料，而密度卻在鋁合金、鈦合金、合金鋼等金屬材料之下，剛性承載能力和輕質(zhì)性較為凸顯，極大的滿足了航空飛行器的機(jī)動(dòng)性，在該領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。玻纖維負(fù)荷材料可與金屬材料組成疊層構(gòu)件用于飛機(jī)槳葉，但是，在裝配過(guò)程中需要加工大量的錨定或螺接孔，而槳葉試件尺寸規(guī)格不一，且復(fù)合材料層間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與金屬材料性能的差異，增加了高效、高質(zhì)數(shù)控加工的難度。而為優(yōu)化數(shù)控加工工藝，首先應(yīng)確定玻纖復(fù)合材料槳葉試件的疊層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

玻纖復(fù)合材料槳葉疊層試件存在長(zhǎng)和短兩種規(guī)格，選用銑削、鉆削兩種數(shù)控加工工藝，擬進(jìn)行數(shù)控加工部位材料為玻纖維負(fù)荷材料、40CrNiMoA金屬材料。槳葉試件疊層結(jié)構(gòu)，是長(zhǎng)試件在距離一端定位孔4600mm位置切斷，挖空內(nèi)部并以短切纖維與樹(shù)脂基體填充固化成型，因玻纖復(fù)合材料表面為不規(guī)則曲面，需在進(jìn)行銑削加工，使其兩側(cè)加工表面平面度、粗糙度應(yīng)分別在0.2mm以內(nèi)、達(dá)到Ra3.2μm，而后，在加工區(qū)域上下安裝上下夾板，膠接裝配板，對(duì)裝配板以+0.05mm孔位置精度進(jìn)行一體化制孔加工翻。在玻纖復(fù)合材料槳葉試件兩側(cè)銑削加工后，將金屬夾板裝夾兩側(cè)，對(duì)試件進(jìn)行一體化制孔加工，試件的疊層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 玻纖復(fù)合材料槳葉試件數(shù)控加工要求

槳葉疊層試件是以玻纖復(fù)合材料和金屬材料組成，兩種材料的加工難度各異，在統(tǒng)一數(shù)控加工工序中，達(dá)到槳葉試件的下列加工要求成為多軸數(shù)控加工的核心點(diǎn)，參照航空領(lǐng)域及國(guó)家相關(guān)規(guī)定其應(yīng)滿足如下加工要求：

數(shù)控加工孔徑精度等級(jí)、表面光潔度應(yīng)分別達(dá)到H8、1.61μm[3]：

數(shù)控加工包含銑削、鉆削，且鉆削數(shù)控加工又有粗、細(xì)加工之分;

數(shù)控加工過(guò)程不能存在粉末型切屑，配設(shè)吸塵設(shè)備。

與此同時(shí)，因玻纖復(fù)合材料槳葉試件數(shù)控加工包含銑削、鉆削，其在具體加工過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)遭遇如下難題：

槳葉試件存在長(zhǎng)、短兩種尺寸，因長(zhǎng)的試件尺寸達(dá)到了5 m[4]，很難進(jìn)行裝夾定位，目前無(wú)達(dá)到該長(zhǎng)度的數(shù)控加工裝備;

玻纖復(fù)合材料剛性、耐高溫等特性增加了數(shù)控加工難度，采用以往方法很容易出現(xiàn)毛刺、撕裂等加工缺陷;

金屬材料與玻纖復(fù)合材料的物理、力學(xué)性能存在較大差異，在一體化的裝配制孔獎(jiǎng)加工中很難達(dá)到高質(zhì)、高效的加工質(zhì)量，且槳葉試件整體偏厚，阻礙了切削熱能的擴(kuò)散。

2 玻纖復(fù)合材料槳葉試件的多軸數(shù)控加工設(shè)備及工藝選型

2.1多軸數(shù)控加工設(shè)備

結(jié)合上述玻纖復(fù)合材料槳葉試件的疊層結(jié)構(gòu)及數(shù)控加工要求及難點(diǎn)，本文在數(shù)控加工方法、裝備及參數(shù)設(shè)置上均存在創(chuàng)新性。首先，可先使用相同的銑刀對(duì)玻纖復(fù)合材料進(jìn)行超聲輔助銑削交工，在完成兩側(cè)面加工后裝配金屬夾板;而后，針對(duì)傳統(tǒng)加工方式，未區(qū)別金屬材料與玻纖復(fù)合材料的性質(zhì)差異，以相同參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，影響加工質(zhì)量，本文引入變工藝參超聲輔助螺旋銑削制孔工藝進(jìn)行一體化制孔加工，進(jìn)行粗、細(xì)兩次加工。同時(shí)，銑削及螺旋銑削均要求數(shù)控加工裝備應(yīng)擁有X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)及聯(lián)動(dòng)控制，且需引入超聲輔助加工模塊，超聲刀柄及機(jī)床可迅速更換、便于加工，此外，還需配設(shè)吸塵裝置以收集數(shù)控加工過(guò)程中的粉塵。據(jù)此，多軸數(shù)控加工裝備應(yīng)包含三軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)、超聲輔助、防護(hù)吸塵及定位夾緊等裝置模塊，具體的構(gòu)成如圖2所示。

1）多軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)裝置：該模塊由X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其使用無(wú)級(jí)變速伺服進(jìn)給系統(tǒng)，其聯(lián)軸器來(lái)促發(fā)滾珠絲杠，使絲杠螺母與滑臺(tái)連接，讓伺服電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，滑臺(tái)利用精密直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用進(jìn)行數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)控制，且為規(guī)避誤操作或過(guò)限加工造成的碰撞，可預(yù)設(shè)軟限位于伺服電機(jī)數(shù)控程序中，并配設(shè)行程開(kāi)關(guān)，以確保數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)不回超行程。

2）超聲輔助裝置：該模塊由數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)、刀具及超聲單元組成，超聲機(jī)床系統(tǒng)與刀具連接選用BT40標(biāo)準(zhǔn)刀柄[5]，而這需要預(yù)先在機(jī)床上裝配也增壓泵，以支撐刀柄安裝;刀具與超聲單元基于非接觸式信號(hào)傳輸方式進(jìn)行連接，但是，因?yàn)榈毒咴跀?shù)控加工時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)，如何與超聲單元進(jìn)行信號(hào)傳遞成為超聲輔助加工的關(guān)鍵，而以往躲在刀柄換能器上配設(shè)銅環(huán)，在刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，將基于銅環(huán)與碳刷的相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行信號(hào)的傳遞，但碳刷易損性，影響了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，為此，可選用非接觸式方式，將一圓盤(pán)固定于主軸上，并鋪設(shè)固定線圈于其內(nèi)部，圓盤(pán)線圈于刀柄上，如此，在刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩線圈將通過(guò)電磁感應(yīng)將超聲信號(hào)傳輸至刀具。

3）防護(hù)及吸塵裝置：玻纖復(fù)合材料槳葉試件數(shù)控加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生金屬切屑，為此，可在機(jī)床下安裝200W功率、直徑為100mm的螺旋排屑機(jī)[6]，并采用外側(cè)防護(hù)方法加裝吸塵裝置的方法，對(duì)數(shù)控加工裝置進(jìn)行防護(hù)。

4）定位夾緊裝置：為確保槳葉試件加工性能，需設(shè)計(jì)合理的定位夾緊方案直觀重要，而因?yàn)椴＠w復(fù)合材料槳葉試件的規(guī)格不一，其加工應(yīng)包含超聲輔助銑削、螺旋銑削制孔等3個(gè)步驟的工序，具體需先銑削玻纖復(fù)合材料槳葉試件的A面，而后，銑削B面，完成兩面銑削后在槳葉試件兩側(cè)裝夾金屬夾板[7]，進(jìn)行一體化鉆屑制孔加工，而該過(guò)程中涉及銑削夾具1、2及鉆削夾具等三道夾具，其對(duì)應(yīng)上述3個(gè)步驟工序。

2.2 多軸數(shù)控加工工藝方法

以往槳葉試件多為單一材料，此時(shí)，數(shù)控加工僅需采用同一最優(yōu)工藝參數(shù)便可進(jìn)行制孔加工，但目前，隨著工藝及技術(shù)的進(jìn)步，以復(fù)合材料與金屬材料組合的疊層結(jié)構(gòu)槳葉試件應(yīng)用最為廣泛，此時(shí)，再采用不變參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，無(wú)法確保加工質(zhì)量。為此，本文引入了編工藝參數(shù)，其以玻纖復(fù)合材料與金屬材料各自的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，首先，在既定f頻率、A振幅下刀具進(jìn)行高頻超聲振動(dòng)，并圍繞加工孔中心以nz自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、ng公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并以軸向進(jìn)給螺距ap進(jìn)行軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在完成金屬材料數(shù)控加工后，在一定位置進(jìn)行參數(shù)變化，改為適用于玻纖復(fù)合材料加工的不同加工參數(shù)。

3 玻纖復(fù)合材料槳葉試件的多軸數(shù)控加工工藝實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)上述分析，在變參數(shù)工藝下進(jìn)行多軸數(shù)控加工，實(shí)則是刀具加工槳葉試件時(shí)，刀具切削刃運(yùn)動(dòng)至玻纖復(fù)合材料及金屬材料間界面時(shí)，改變進(jìn)給速度。為此，試驗(yàn)中預(yù)設(shè)傳統(tǒng)鉆削加工工藝將下刀具轉(zhuǎn)速為nd1，進(jìn)給速度厶加工至量材料間界面時(shí)，參數(shù)變?yōu)閚d2、fd1[8];螺旋銑削加工方法下刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為nz1，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為ng1、螺距為ap1，刀具運(yùn)動(dòng)至材料間界面時(shí)，多軸數(shù)控加工參數(shù)變?yōu)閚 z2、ng2、ap2，由此，便可讓玻纖復(fù)合材料與金屬材料在各自最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，確保同一工序下實(shí)現(xiàn)槳葉試件高效、優(yōu)質(zhì)加工。

同時(shí)，因?yàn)闃~試件是以玻纖復(fù)合材料與金屬材料組成的疊加構(gòu)件，在多軸數(shù)控加工時(shí)，因材料性質(zhì)的差異較大，一體化裝配制孔較為困難，為此，實(shí)驗(yàn)采用超聲輔助、普通螺旋銑削及鉆銑削等3種數(shù)控加工方式，以一樣的加工效率、切削速度，參照以往研究計(jì)算軸向進(jìn)給速度、主切削刃最外端線速度，在既定的超聲幅值下進(jìn)行數(shù)控加工，相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1和表2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在玻纖復(fù)合材料槳葉試件多軸數(shù)控加工過(guò)程中，毛刺、撕裂是評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[9]，為此，使用上述數(shù)控加工設(shè)備及工藝方法，得出的3種方法制備而成的槳葉試件毛刺、撕裂缺陷如圖3所示，鉆選數(shù)控加工方法的毛刺較多、撕裂面積較大，而普通、超聲輔助的螺旋銑削也存在一些毛刺缺陷，但超聲輔助螺旋銑削數(shù)控加工方法相對(duì)較小，且以纖維及切削速度方向成鈍角區(qū)域居多，撕裂出現(xiàn)在纖維及切削方向近似90度區(qū)域。

同時(shí)，采用因果Tayor公司生產(chǎn)的intra touch表面輪廓度粗糙度儀測(cè)定槳葉試件的孔壁表面粗糙度，如圖4所示，根據(jù)結(jié)果可知，以玻纖復(fù)合材料與金屬材料組成的疊層槳葉試件，金屬材料的超聲輔助、普通螺旋銑削加工方法下孔壁粗糙度均在0.38μm上下，滿足半精鉸孔加工精度，鉆削孑L壁粗糙度為1.2μm上下，僅滿足粗鉸孔加工精度;對(duì)比之下，玻纖復(fù)合材料在超聲輔助、普通螺旋銑削數(shù)控加工下的孔壁粗糙度各為0.8μm，1.5 μm，分別達(dá)到了半精鉸孔、粗鉸孔精度，但在鉆削下孔壁粗糙度為2.4 μm左右，孔壁質(zhì)量較差?？梢?jiàn)，多軸數(shù)控加工的3種方式中，超聲輔助螺旋銑削加工方法的孔壁質(zhì)量較優(yōu)，且毛刺、撕裂缺陷較小，以該方法進(jìn)行玻纖復(fù)合材料槳葉的加工可獲得更優(yōu)的使用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，以高強(qiáng)抗腐、耐溫的玻纖復(fù)合材料，與性質(zhì)差異較大的金屬材料組合的疊層構(gòu)件成為航空領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)鍵，飛行器中的槳葉便是一種疊層構(gòu)件，其在裝配過(guò)程中需要大量鉚接與螺栓孔，但因?yàn)閮煞N材料性質(zhì)差異較大，同一參數(shù)下的一體化制孔存在難度。所以，上述研究，利用超聲波振動(dòng)輔助進(jìn)行多軸數(shù)控加工，針對(duì)玻纖復(fù)合材料與金屬材料性質(zhì)差異，以變參數(shù)工藝方法進(jìn)行數(shù)控加工，并經(jīng)由實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該方法指引下的多軸數(shù)控加工毛刺、撕裂缺陷較少、孔壁粗糙度較優(yōu)，達(dá)到了高質(zhì)、高效的一體化制孔加工效果，在滿足了槳葉試件的加工和應(yīng)用要求。

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