高溫合金蜂窩芯冰固持低損傷加工技術(shù)研究

姜少瑋 王永青 劉 闊 武曉會(huì) 楊子健 楊月冰 于清波 楊曉龍

1.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連，1160242.北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京，100074

0 引言

金屬蜂窩芯具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、剛性好、隔音、隔熱、耐腐蝕、吸能減振等優(yōu)異性能，蜂窩芯作為夾層板的核心材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防工業(yè)等領(lǐng)域的熱防護(hù)系統(tǒng)、翼舵、動(dòng)力艙罩、吸能器、著陸器等結(jié)構(gòu)部件中[1-4]。蜂窩芯因其薄壁多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在各向異性、面內(nèi)弱剛性、徑向強(qiáng)度小等加工難題，其裝夾方式、加工方法等均異于致密金屬材料加工，在切削過程中蜂窩壁的回彈讓刀與切削振動(dòng)現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致蜂窩芯加工質(zhì)量較差[5-7]。

在金屬蜂窩芯切削加工研究領(lǐng)域，現(xiàn)階段蜂窩芯的裝夾方式主要有粘接裝夾、吸附裝夾、填充裝夾等三類。粘接裝夾是利用特殊雙面膠或聚乙二醇將蜂窩芯和托盤粘接到一起，固定作用力小，加工后清理困難，常用于紙基蜂窩芯和小去除量的鋁基蜂窩芯加工。吸附裝夾需要把粘貼在蜂窩芯上的隔膜和工作臺(tái)之間抽成真空，或在蜂窩芯裝入鐵粉，使蜂窩芯在磁鐵的磁力和自身的重力作用下與芯孔壁產(chǎn)生摩擦力，與工作臺(tái)固定在一起，操作較為復(fù)雜。填充裝夾是在蜂窩芯與夾具體的空腔內(nèi)填充聚乙二醇或石膏，加工中固持的可靠性會(huì)受到切削熱的影響，且加工后難以清理[8-10]。

本文提出了高溫合金蜂窩芯冰固持低損傷加工方法。針對(duì)蜂窩芯和人工冰開展力學(xué)性能測(cè)試，分析兩者的側(cè)向抗壓強(qiáng)度和抵抗變形能力，論證蜂窩芯冰固持的工藝適應(yīng)性和可靠性，設(shè)計(jì)高溫合金蜂窩芯在冰固持超低溫冷卻條件下的單因素試驗(yàn)，分析切削參數(shù)對(duì)蜂窩芯加工質(zhì)量的影響規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高溫合金蜂窩芯的高質(zhì)高效加工。

1 高溫合金蜂窩芯冰固持裝夾方法

1.1 難加工特性分析

根據(jù)ASTM C365標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行GH4099高溫合金蜂窩芯的壓縮性能測(cè)試[11-12]，被壓縮樣塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：壁厚t=0.12 mm、孔格內(nèi)切圓直徑d=10 mm、孔格邊長a=5.77 mm，如圖1所示。試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-20E上進(jìn)行，上下兩塊加載板對(duì)蜂窩芯試件施加壓力，加載速率為1 mm/min，三個(gè)方向各壓縮5個(gè)樣塊取其平均值，得到的蜂窩芯側(cè)向壓縮W方向、L方向強(qiáng)度很小，僅有0.13 MPa、0.09 MPa，蜂窩芯壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖1 蜂窩芯結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Honeycomb core structure parameters

表1 高溫合金蜂窩芯壓縮強(qiáng)度

基于GIBSON等[1]對(duì)等壁厚蜂窩芯的力學(xué)性能理論分析，得到了蜂窩芯的面內(nèi)彈性模量計(jì)算公式：

(1)

式中，E1為單層蜂窩壁側(cè)壓彈性模量；E2為雙層蜂窩壁側(cè)壓彈性模量；E為GH4099高溫合金彈性模量。

GH4099高溫合金的彈性模量約為210 GPa[13]，由式(1)計(jì)算可得單層、雙層蜂窩壁側(cè)壓彈性模量分別約為0.21 GPa、0.42 GPa。由于蜂窩芯孔的壁厚與邊長之比很小，導(dǎo)致其側(cè)壓彈性模量遠(yuǎn)低于致密高溫合金材料的彈性模量，故在承受較小外載荷時(shí)即會(huì)造成蜂窩壁局部變形避讓[1,14]。如圖2所示，采用Photron高速攝像機(jī)Fastcam Mini AX拍攝GH4099高溫合金蜂窩芯加工過程，可清晰地觀測(cè)到，在高溫合金蜂窩芯無填充裝夾銑削的條件下，易產(chǎn)生撕裂毛刺、蜂窩壁變形、雙層壁開焊、蜂窩壁塌邊等缺陷，因此，亟需一種金屬蜂窩芯低損傷裝夾和加工技術(shù)，以提高其加工質(zhì)量。

圖2 高溫合金蜂窩芯無填充裝夾干式銑削加工Fig.2 Dry milling of superalloy honeycomb corewithout filling fixation

1.2 冰固持裝夾原理

水是比較容易被獲取的，選擇它作為冷凍介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、綠色環(huán)保、可循環(huán)利用、后處理簡(jiǎn)單等。在金屬蜂窩芯加工中引入冰固持裝夾方式，液態(tài)水可流動(dòng)填充蜂窩芯任一空隙，在低溫條件下，逐漸凍結(jié)成固態(tài)冰，具有較高的強(qiáng)度和致密均勻的組織結(jié)構(gòu)。這不僅對(duì)一體化結(jié)構(gòu)及其加工中剛度時(shí)變具有高適應(yīng)性，而且有助于保證任意刀位點(diǎn)處具有足夠的工藝系統(tǒng)剛性，且清潔無污染、無壓痕，可避免蜂窩芯孔壁的回彈讓刀與切削振動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂窩芯良好的固定和支撐效果。

依托冰樣加載試驗(yàn)裝置系統(tǒng)開展人工冰壓縮強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，如圖3所示。采用TT-T-30型熱電偶和DAM-4501數(shù)據(jù)采集模塊跟蹤測(cè)試制冷過程中人工冰內(nèi)溫度，測(cè)得高溫合金蜂窩芯被穩(wěn)定冰固持后，在冰固持夾具邊側(cè)和中心位置的冰面下0.5～2 mm深度處的溫度約為-20 ℃，因此選取-20 ℃作為人工冰的試驗(yàn)溫度。根據(jù)國際水利與環(huán)境工程學(xué)會(huì)(IAHR)建議，冰樣制備尺寸為70 mm×70 mm×175 mm。試驗(yàn)前需將冰樣塊靜置在-20 ℃的低溫恒溫箱中24 h，試驗(yàn)中采用的加載速率分別為100 mm/min、300 mm/min、500 mm/min，每個(gè)加載速率下壓縮10個(gè)冰樣塊。

圖3 冰樣加載試驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.3 Ice sample loading test device system

理論上材料的強(qiáng)度應(yīng)定義為材料開始產(chǎn)生基本破壞時(shí)的應(yīng)力，由于冰樣在外力的作用下，從其內(nèi)部逐漸產(chǎn)生裂縫，隨著外力的增大，裂縫逐漸擴(kuò)大直至冰樣破碎，所以，在試驗(yàn)中，常采用冰的強(qiáng)度來確定冰的最大抗力，一般不考慮冰樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破損，而是通過試驗(yàn)得到極限應(yīng)力作為冰的單軸壓縮強(qiáng)度[15-16]。人工冰在三個(gè)加載速率下的試驗(yàn)結(jié)果相近，其平均單軸壓縮強(qiáng)度分別為1.83 MPa、1.72 MPa、1.82 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在-20 ℃的低溫條件下，人工冰的固態(tài)成分比較穩(wěn)定，較大的加載速率不會(huì)對(duì)冰的破碎形式造成大的改變，所以人工冰的單軸壓縮強(qiáng)度比較穩(wěn)定。

圖4 不同加載速率下-20 ℃人工冰的單軸壓縮強(qiáng)度Fig.4 Uniaxial compressive strength of -20 ℃artificial ice under different loading rates

在對(duì)人工冰實(shí)施加載的初始階段，由于冰樣在進(jìn)行切割時(shí)存在一定誤差，試驗(yàn)機(jī)壓頭與冰樣不能充分接觸，所表現(xiàn)出的彈性性能并不明顯，故選取力-位移曲線上升階段，按下式計(jì)算人工冰壓縮彈性模量值[16-17]：

(2)

式中，EICE為人工冰壓縮彈性模量；ΔFICE為人工冰破壞力變化量；x、y分別為冰樣塊承壓截面的長、寬；z為冰樣塊高度；Δz為冰樣塊高度變形量。

以-20 ℃人工冰在300 mm/min加載速率下的一組試驗(yàn)結(jié)果為例，所截取的力-位移曲線上數(shù)據(jù)段如圖5所示。由式(2)計(jì)算可得，人工冰的壓縮彈性模量約為0.33 GPa。蜂窩芯冰固持后，可提高蜂窩壁抵抗彈性變形的能力，可避免在外載荷作用下蜂窩壁局部產(chǎn)生變形避讓。

圖5 -20 ℃人工冰300 mm/min加載下力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curve of -20 ℃artificial ice under 300 mm/min loading

2 高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置與方案

(a)切削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

(b)切削試驗(yàn)配置示意圖圖6 高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗(yàn)Fig.6 Ice fixation cryogenic cooling machining test of superalloy honeycomb core

GH4099高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖6所示。本次試驗(yàn)在長征KVC850M三軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心上進(jìn)行，其工作臺(tái)行程為550 mm×850 mm×600 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min；采用DPL-175MP型自增壓液氮罐，通過真空隔熱管和孔徑2 mm的噴嘴對(duì)切削區(qū)域進(jìn)行噴淋冷卻，降低切削熱，實(shí)現(xiàn)加工過程的冰固持約束保持；利用FLIR T610型紅外熱成像儀測(cè)試加工過程中的切削溫度；采用制冷裝置將完整浸沒的蜂窩芯進(jìn)行低溫冰固，待完全凍結(jié)后，制冷溫度將始終穩(wěn)定在-20 ℃；刀具選用4刃硬質(zhì)合金整體式立銑刀，直徑為12 mm；GH4099高溫合金蜂窩芯樣塊尺寸為30 mm×40 mm×25 mm。

采用單因素試驗(yàn)分析方法，選取的基礎(chǔ)切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=7000 r/min,進(jìn)給速度f=4000 mm/min,銑削深度ap=0.5 mm,銑削寬度ae=2 mm，在此組切削參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行單因素變換，具體切削參數(shù)如表2所示。

表2 切削參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

蜂窩芯加工質(zhì)量會(huì)直接影響蒙皮的焊合率和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度，故需分析切削參數(shù)對(duì)蜂窩芯加工質(zhì)量的影響規(guī)律，從而進(jìn)一步優(yōu)化蜂窩芯冰固持低損傷加工工藝。采用KEYENCE VHX-600E型超景深顯微鏡測(cè)試加工后的表面微觀形貌，采用ZYGO NewView9000型3D表面形貌儀測(cè)試蜂窩芯孔壁的表面粗糙度。

在不同切削參數(shù)加工條件下，蜂窩芯孔壁的局部變形程度、受力點(diǎn)微裂紋擴(kuò)展撕裂程度等均不同。根據(jù)蜂窩芯加工后的表面形貌特征，量化了相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸規(guī)格的高溫合金蜂窩芯加工后的缺陷種類和數(shù)量，如圖7所示。由蜂窩芯加工缺陷計(jì)數(shù)結(jié)果可知，缺陷類型主要有撕裂毛刺、蜂窩壁變形、雙層壁開焊、蜂窩壁塌邊、微小毛邊、過切缺失等。主要加工缺陷形貌如圖8所示。撕裂毛刺和蜂窩壁變形出現(xiàn)頻次較多，分別占缺陷總數(shù)的42.70%、29.73%。切削參數(shù)對(duì)蜂窩芯加工質(zhì)量的影響從大到小排序依次為進(jìn)給速度、銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速、銑削寬度。

(a)主軸轉(zhuǎn)速(f=4000 mm/min、ap=0.5 mm、ae=2 mm)

(b)進(jìn)給速度(n=7000 r/min、ap=0.5 mm、ae=2 mm)

(c)銑削深度(n=7000 r/min、f=4000 mm/min、ae=2 mm)

(d)銑削寬度(n=7000 r/min、f=4000 mm/min、ap=0.5 mm)圖7 切削參數(shù)對(duì)蜂窩芯加工缺陷的影響Fig.7 Influence of cutting parameters on machiningdefects of honeycomb core

(a)蜂窩壁變形 (b)撕裂毛刺 (c)微小毛邊

(d)過切缺失 (e)雙層壁開焊(f)蜂窩壁塌邊圖8 蜂窩芯典型加工缺陷Fig.8 Typical machining defects of honeycomb core

如圖7a所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，蜂窩芯加工缺陷的種類和數(shù)量變化不明顯，轉(zhuǎn)速由4000 r/min變?yōu)?000 r/min時(shí)，蜂窩壁變形的數(shù)量由7變?yōu)?，撕裂毛刺的數(shù)量由0變?yōu)?，分析可能是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速的提高加大了切削刃對(duì)蜂窩壁的疊加擠壓作用，更多的蜂窩壁變形由微裂紋擴(kuò)展成撕裂毛刺。如圖7b所示，隨著進(jìn)給速度的提高，蜂窩芯加工缺陷數(shù)量先減少后增加，蜂窩壁塌邊集中出現(xiàn)在低進(jìn)給加工時(shí)，存在應(yīng)被去除而未被切除的蜂窩壁余量，被去除的塌邊根部也常伴有刀具切出的微小毛邊產(chǎn)生。如圖7c所示，隨著銑削深度的增大，蜂窩芯加工缺陷數(shù)量先減少后增加，切深小于1.5 mm時(shí)，隨著切深增大，切削位置的冰固持支撐力變大，加工缺陷減少，但切深大于1.5 mm時(shí)，隨著切深增大，切削力增大幅度大于冰固持支撐力增大幅度，加工缺陷增加，出現(xiàn)了雙層壁開焊和微小毛邊。如圖7d所示，隨著銑削寬度的增大，蜂窩芯加工缺陷數(shù)量逐漸增加，且蜂窩壁形面刀痕變得明顯。

(a)未加工 (b)冰固持 (c)無填充(d)無填充 超低溫 超低溫 干式圖9 不同加工條件下蜂窩芯加工質(zhì)量Fig.9 Machining quality of honeycomb core underdifferent machining conditions

(a)無填充裝夾干式銑削(b)冰固持超低溫冷卻加工圖10 高溫合金蜂窩芯切削溫度Fig.10 Cutting temperature of superalloy honeycomb core

在最優(yōu)切削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速7000 r/min、進(jìn)給速度4000 mm/min、銑削深度0.5 mm、銑削寬度0.5 mm的加工條件下，蜂窩芯加工質(zhì)量如圖9所示，可見，冰固持超低溫冷卻加工后的蜂窩芯樣件形面質(zhì)量最佳，而在無填充裝夾條件下，由于高溫合金蜂窩芯面內(nèi)弱剛性、徑向強(qiáng)度小等難加工特點(diǎn)，在切削加工時(shí)不易斷屑，蜂窩芯孔在外載荷作用下易產(chǎn)生較多的加工缺陷。如圖10所示，冰固持超低溫冷卻銑削加工中的切削溫度約為32.7 ℃，無填充裝夾干式銑削加工中的切削溫度約為131.1 ℃，說明在蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工過程中，利用噴淋液氮方式可大幅度降低切削熱，實(shí)現(xiàn)加工過程中冰固持約束保持。如圖11所示，冰固持超低溫冷卻加工后的蜂窩壁形面粗糙度Sa約為0.224 μm，未加工的蜂窩壁形面粗糙度Sa約為0.214 μm，兩者表面粗糙度幾乎一致，說明采用最優(yōu)切削參數(shù)進(jìn)行蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工不僅可以大幅度減少形面加工缺陷，同時(shí)還可以保證蜂窩芯孔不變形和蜂窩壁形面的光潔度。

(a)未加工

(b)冰固持超低溫冷卻加工圖11 加工前后蜂窩芯孔形狀及蜂窩壁形面粗糙度Fig.11 Hole shape of honeycomb core and surfaceroughness of honeycomb wall before and after machining

3 結(jié)論

(1)采用冰固持超低溫冷卻的裝夾和加工方法，固持和冷卻介質(zhì)綠色環(huán)保、可循環(huán)利用、后處理簡(jiǎn)單，對(duì)薄壁多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有高適應(yīng)性，可提高工藝系統(tǒng)剛性，可降低切削熱，可實(shí)現(xiàn)加工過程的固持約束保持，為金屬蜂窩芯低損傷加工提供了新方法。

(2)人工冰在側(cè)向抗壓強(qiáng)度和抵抗變形能力方面均優(yōu)于高溫合金蜂窩芯，在金屬蜂窩芯加工中引入冰固持裝夾方式，可為其提供良好固定和支撐作用，彌補(bǔ)了蜂窩芯面內(nèi)弱剛性和徑向強(qiáng)度小的加工劣勢(shì)，有利于提高蜂窩芯的加工質(zhì)量。

(3)闡明了切削參數(shù)對(duì)蜂窩芯加工質(zhì)量的影響規(guī)律，按影響程度由大到小依次為進(jìn)給速度、銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速、銑削寬度。在出現(xiàn)的6種典型加工缺陷中，撕裂毛刺占比最高，約為總數(shù)的42.70%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為7000 r/min、進(jìn)給速度為4000 mm/min、切深為0.5 mm、切寬為0.5 mm時(shí)，可保證低損傷、低粗糙度、無變形的良好加工質(zhì)量。