蜂窩芯零件加工技術(shù)研究*

張 琳，黨 杰

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089 ）

隨著先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（簡稱蜂窩復(fù)合材料）的應(yīng)用也越來越多。蜂窩復(fù)合材料是用專用膠膜或樹脂將蜂窩芯材夾放粘結(jié)在兩塊高強(qiáng)度復(fù)合材料面板（又稱蒙皮）之間形成的一體結(jié)構(gòu)材料[1]。蜂窩復(fù)合材料孔隙度很高，其蜂窩芯特殊的空間幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)性能，使它在隔熱、防噪音、減振、強(qiáng)度和剛度的增強(qiáng)等方面具有突出的優(yōu)勢[2]，因此越來越多地被應(yīng)用于機(jī)械、交通運(yùn)輸、建筑、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，尤其是在航空制造領(lǐng)域，蜂窩復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛[3]。

由于結(jié)構(gòu)、裝配連接需要，蜂窩復(fù)合材料構(gòu)件在加工制造過程中往往需要先對(duì)蜂窩芯進(jìn)行平面、復(fù)雜型面、邊緣倒角、孔及槽口的加工。蜂窩芯作為蜂窩復(fù)合材料的重要組成部分，其空心低密度特殊結(jié)構(gòu)使得加工過程中容易出現(xiàn)變形、撕裂、表面毛糙等缺陷，尤其是飛機(jī)制造上應(yīng)用廣泛的芳綸紙蜂窩（Nomex蜂窩）芯在加工時(shí)容易出現(xiàn)起毛、分層等現(xiàn)象[4]。因此，開展蜂窩芯零件加工技術(shù)研究，對(duì)提高蜂窩復(fù)合材料構(gòu)件加工質(zhì)量和推進(jìn)蜂窩復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展具有重要的意義。

1 蜂窩芯零件加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，我國蜂窩芯零件加工技術(shù)的研究主要集中在高速切削加工和超聲切割加工技術(shù)。高速切削加工相比普通切削加工主要是提高切削速度和進(jìn)給速度，適當(dāng)?shù)慕档瓦M(jìn)給量和背吃刀量，這樣保證合理利用切削機(jī)床的同時(shí)，使得切削力減小、加工效率和加工質(zhì)量提高[5]，蜂窩芯超聲切割加工技術(shù)在我國起步較晚，該技術(shù)通過超聲發(fā)生器產(chǎn)生一定的超頻振動(dòng)施加在切割刀具上，具有超聲振動(dòng)能量的刀具對(duì)蜂窩芯零件產(chǎn)生高頻瞬時(shí)沖擊作用進(jìn)行切割。超聲切割加工與高速切削加工兩種加工技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，其特點(diǎn)對(duì)比見表1[6]。

表1 超聲切割加工與高速切削加工特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of characteristics of ultrasonic cutting and high speed cutting

接表1

無論是高速切削加工還是超聲切割加工，國內(nèi)學(xué)者研究的焦點(diǎn)主要是蜂窩芯加工的固持方法和刀具的使用。

（1）固持方法

固持方法是蜂窩芯零件加工質(zhì)量的主要影響因素。蜂窩芯零件傳統(tǒng)的固持方法有：雙面膠帶粘結(jié)固持法，聚乙二醇固持法，隔膜（真空吸附）固持法。浙江大學(xué)的劉剛、金成柱等[7-8]提出了一種基于磁場和摩擦吸附原理的蜂窩芯固持方法（磁粉固持法）,解決了傳統(tǒng)固持方法因固持力不足而影響蜂窩芯加工精度的缺點(diǎn)。韓變枝等[9]使用硬質(zhì)合金圓片組合銑刀對(duì)冰結(jié)固持條件下的鋁基蜂窩芯進(jìn)行高速銑削，結(jié)果表明該方法提高了薄壁金屬基蜂窩芯強(qiáng)度，改善了斷屑方式，有效抑制了蜂窩芯加工缺陷。蘇小麗[5]在鈦合金蜂窩芯制造技術(shù)研究中，提出了用石膏粉固化蜂窩芯，通過線切割和高速磨削對(duì)蜂窩芯進(jìn)行了平面加工，加工后的蜂窩芯變形小，表面質(zhì)量較好。駱金威 等[10]提出了一種面向超聲波機(jī)床的固持方法，蜂窩芯的加工區(qū)域底面采用雙面膠帶與工作臺(tái)墊板相粘接，在非加工區(qū)域的上表面鋪一層塑料薄膜，通過超聲波機(jī)床的真空吸附功能和雙面膠帶共同固持蜂窩芯。劉元吉等[11]使用單面膠帶粘貼蜂窩芯零件加工區(qū)域的底面，非加工區(qū)域上表面鋪覆塑料薄膜且其底面不粘貼單面膠，通過超聲波機(jī)床的真空吸附功能和單面膠共同達(dá)到固持效果。各種固持方法的利弊不同，適用加工的蜂窩芯類型也不同，選擇適當(dāng)?shù)墓坛址椒ú粌H對(duì)蜂窩芯零件的加工質(zhì)量至關(guān)重要，而且還關(guān)乎生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本的高低。

（2）刀具的使用

蜂窩芯零件的加工刀具與普通切削加工的刀具有較大差別。切削刀具的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對(duì)蜂窩芯零件的加工質(zhì)量也有較大影響。在數(shù)控機(jī)床上加工平面類蜂窩芯零件一般采用碟形無齒銑刀，復(fù)雜型面零件一般選用帶有打碎裝置的無齒組合銑刀[12]。李焱等[13]在加工NOMEX蜂窩芯零件時(shí)采用了一種專用的硬質(zhì)合金碟狀片組合銑刀，克服了以往銑削加工過程中刀具前刀面的擠壓摩擦造成蜂窩晶格倒塌變形的問題。胡德艷等[14]在分析蜂窩芯現(xiàn)有倒角加工工藝方法及加工缺陷的基礎(chǔ)上，介紹了一種適用于直線邊蜂窩芯零件的專用倒角鋸，解決了傳統(tǒng)倒角或斜面加工時(shí)存在的夾固難、易變形、易撕裂、表面質(zhì)量差等問題。超聲波機(jī)床的切割刀具有用于粗加工的直刃尖刀和用于精加工型面的盤式刀具。西南石油大學(xué)的黃帥[15]設(shè)計(jì)了一種具有鋒利切削刃的鋸齒圓盤刀，并通過鋸齒圓盤刀超聲加工Nomex蜂窩芯的有限元仿真模擬，證明了該刀具在超聲切削條件下可以有效降低切削力。邱宇等[16]研究發(fā)現(xiàn)：蜂窩芯超聲振動(dòng)切削中，采用大轉(zhuǎn)速、大吃刀量、大進(jìn)給速度，選取大齒數(shù)的鋸齒圓盤刀對(duì)蜂窩芯進(jìn)行加工，加工后蜂窩芯零件表面質(zhì)量和切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

高速切削加工和超聲切割加工技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，是目前蜂窩芯零件加工的主要方法。合適的固持方法和加工刀具是保證蜂窩芯零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。然而隨著蜂窩復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，蜂窩芯零件的加工結(jié)構(gòu)越來越多樣化，除了平面、復(fù)雜型面（曲面）、倒角、孔及槽口的加工外，許多大型復(fù)雜構(gòu)件的制造往往需要將幾部分插接成型，這就需要在蜂窩芯上加工深槽，尤其是加工多排并行的窄深槽。如何在現(xiàn)有生產(chǎn)條件不足如缺乏先進(jìn)超聲機(jī)床及工裝的情況下，實(shí)現(xiàn)蜂窩芯深槽加工，保證蜂窩芯零件加工質(zhì)量是個(gè)難題。

2 一種蜂窩芯深槽加工方法

本文提出一種蜂窩芯深槽加工方法，該方法的創(chuàng)新之處是切削加工前先對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)，提高其整體強(qiáng)度和剛度，從而減少或避免后續(xù)切削加工深槽過程中蜂窩芯出現(xiàn)變形、撕裂等缺陷。

2.1 蜂窩芯的增強(qiáng)

該方法中如何對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)是關(guān)鍵，具體步驟如下：

（1）制作加強(qiáng)層

蜂窩芯的加強(qiáng)層可由預(yù)浸料和純膠膜聯(lián)合制成，也可單獨(dú)由預(yù)浸料或者載體膠膜制成。預(yù)浸料是把強(qiáng)化纖維（碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維等）浸漬在樹脂基體（環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等）中制成的片材產(chǎn)品[17]。該方法中制作的加強(qiáng)層在后續(xù)加工完后需要去除，所以使用的預(yù)浸料是刷了膠的布料，來源方便，價(jià)格低廉。膠膜是以膜狀形式供應(yīng)的膠粘劑產(chǎn)品，有純膠膜和載體膠膜（用膠液浸漬纖維織物、玻璃布等制得）之分，其作用是提高蜂窩芯和蒙皮的粘接強(qiáng)度，如果用預(yù)浸料和純膠膜聯(lián)合制作加強(qiáng)層的話，膠膜則能增強(qiáng)蜂窩芯與預(yù)浸料之間的摩擦力，從而提高蜂窩芯的剛性及抗側(cè)壓變形的能力。本方法中需要制作兩個(gè)加強(qiáng)層，分別為第一加強(qiáng)層和第二加強(qiáng)層，兩個(gè)加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)組成相同。

（2）對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)

在蜂窩芯的上、下表面分別安放第一加強(qiáng)層和第二加強(qiáng)層，蜂窩芯和加強(qiáng)層之間分別安放PEEL PLY（脫模布）。脫模布一般被用作第一道隔離或其它真空輔助材料，可以提高結(jié)構(gòu)粘結(jié)的剪切力。在固化成型后，脫模布可以很容易地被撕離并且在蜂窩芯表面形成編織紋路便于后續(xù)膠結(jié)，該方法使用的脫模布參數(shù)見表2。對(duì)蜂窩芯進(jìn)行加強(qiáng)，各結(jié)構(gòu)組成部分具體的安放順序是：第一加強(qiáng)層、PEEL PLY、蜂窩芯、PEEL PLY和第二加強(qiáng)層，蜂窩芯加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。安放完成后得到待固化蜂窩芯，然后將待固化蜂窩芯裝進(jìn)真空袋封裝，放入烘箱內(nèi)加熱加壓，使第一加強(qiáng)層和第二加強(qiáng)層的預(yù)浸料發(fā)生固化，固化完成后即得到一體的加強(qiáng)蜂窩芯。蜂窩芯經(jīng)增強(qiáng)處理后，其整體強(qiáng)度和剛度均提高，便可防止后續(xù)切削加工深槽過程中蜂窩芯出現(xiàn)變形等缺陷。

表2 脫模布參數(shù)Table 2 Parameters of peel ply

2.2 蜂窩芯深槽的加工

（1）在加強(qiáng)蜂窩芯上加工深槽

利用現(xiàn)有的數(shù)控磨床和薄砂輪片實(shí)現(xiàn)蜂窩芯深槽加工。編制好加工程序后，將加強(qiáng)蜂窩芯夾持在數(shù)控磨床的加工臺(tái)上，加工刀具采用薄砂輪片，依深槽寬度選取相應(yīng)厚度的砂輪片。開啟程序在蜂窩芯上磨削出具有一定間距、寬度和深度的深槽，圖2為深槽結(jié)構(gòu)平面示意圖，圖3為深槽結(jié)構(gòu)另一種形式示意圖。多次試加工結(jié)果表明，該方法可以保證蜂窩芯深槽的間距和尺寸精度，加工過程中蜂窩芯無損傷，加工后的蜂窩芯整體性好。在加強(qiáng)蜂窩芯上加工深槽，深槽最小寬度為0.5mm，深度不限或者根據(jù)要求選擇不同直徑的砂輪片，深槽之間的距離不小于4.5mm，深槽的長度根據(jù)要求可調(diào)整。對(duì)于厚度較小的蜂窩芯，單面磨削出深槽后，用細(xì)紋銼刀按一個(gè)方向銼走底部余料；對(duì)于厚度較大的蜂窩芯可以雙面依次磨削對(duì)應(yīng)部位深槽，這樣可以減少后續(xù)手工銼除余料的工作量。

（2）祛除對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)的多余材料

祛除對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)的PEEL PLY、預(yù)浸料和/或膠膜等多余材料，即得到帶有深槽的蜂窩芯。試加工結(jié)果表明，祛除增強(qiáng)材料后，不會(huì)對(duì)蜂窩芯產(chǎn)生任何化學(xué)或者物理的損傷，保持了蜂窩芯原有的特性。需要制作蜂窩芯零件時(shí)，可對(duì)帶有深槽的蜂窩芯重新鋪貼更結(jié)實(shí)的高性能蒙皮。

圖2 深槽結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of deep groove structure

圖3 深槽結(jié)構(gòu)另一種形式示意圖Fig.3 Schematic diagram of another form of deep groove structure

3 結(jié)論

（1）高速切削加工和超聲切割加工技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，是目前蜂窩芯零件加工的主要方法。合適的固持方法和加工刀具是保證蜂窩芯零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在現(xiàn)有生產(chǎn)條件不足的情況下，選擇已有的數(shù)控設(shè)備既解決了加工難題也節(jié)約了設(shè)備投資費(fèi)用。

（2）蜂窩芯零件加工過程中容易出現(xiàn)變形、撕裂、表面毛糙等缺陷，為了提高蜂窩芯零件加工質(zhì)量，切削加工前可以先對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)，以提高其整體強(qiáng)度和剛度。

（3）通過制作加強(qiáng)層，依順序安放，真空袋封裝，烘箱內(nèi)加熱加壓固化等工藝先對(duì)蜂窩芯進(jìn)行增強(qiáng)，提高其整體強(qiáng)度和剛度，然后利用數(shù)控磨床和薄砂輪片實(shí)現(xiàn)蜂窩芯深槽加工。結(jié)果表明，該方法可以保證蜂窩芯深槽的間距和尺寸精度，加工過程中蜂窩芯無損傷，加工后的蜂窩芯整體性好，祛除增強(qiáng)材料后，不會(huì)對(duì)蜂窩芯產(chǎn)生任何化學(xué)或者物理的損傷，保持了蜂窩芯原有的特性。