黃加林, 徐潔芳, 陳 路, 肖 菊

（上海無線電設(shè)備研究所,200090）

含硅芳炔天線保護(hù)罩?jǐn)?shù)控加工技術(shù)研究

黃加林, 徐潔芳, 陳 路, 肖 菊

（上海無線電設(shè)備研究所,200090）

針對石英纖維增強(qiáng)/含硅芳炔復(fù)合材料加工過程中易產(chǎn)生分層、劈裂、毛刺等缺陷,通過切削試驗,分析了不同刀具及切削參數(shù)對該復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的影響,從而優(yōu)選了合適的刀具、切削參數(shù)。并以天線保護(hù)罩為例,利用切削試驗結(jié)果以及合理的裝夾方式和工藝路線,加工滿足設(shè)計要求的天線保護(hù)罩。

數(shù)控加工；銑刀；工藝方法

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性高、破損安全性好及性能可設(shè)計等優(yōu)勢,因而在航空航天、電子信息等高技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1,2］。石英纖維增強(qiáng)/含硅芳炔樹脂基復(fù)合材料（以下簡稱石英/含硅芳炔復(fù)合材料）是近年發(fā)展起來的一種新型先進(jìn)復(fù)合材料,其含硅芳炔樹脂具有優(yōu)異的耐熱性、優(yōu)良的介電性能及機(jī)械性能等［3-5］。該材料具有諸多優(yōu)異性能,但無法避免纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在加工過程中易產(chǎn)生分層、劈裂、毛刺等加工缺陷,刀具磨損嚴(yán)重等問題［6,7］。

本文以石英/含硅芳炔天線保護(hù)罩加工為例,通過試驗分析了刀具、切削參數(shù)以及裝夾方式對含硅芳炔材料切削加工性能的影響,從而優(yōu)選刀具、切削參數(shù)和裝夾方式,并結(jié)合合理的工藝路線,加工滿足設(shè)計要求的天線保護(hù)罩零件,為該類材料的加工應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 試驗條件及方法

天線保護(hù)罩零件結(jié)構(gòu)如圖1所示,其由上下兩個圓弧面組成,內(nèi)圓弧上有一環(huán)形凸臺,在凸臺上有4個φ5mm孔。該零件所用材料為石英/含硅芳炔復(fù)合材料,其物理性能如表1所示。

表1 石英/含硅芳炔復(fù)合材料物理性能

本試驗在南通850數(shù)控加工中心進(jìn)行加工,選用不同刀具對零件型腔、弧面以及孔進(jìn)行加工,通過分析比較,選取合適石英/含硅芳炔復(fù)合材料加工的刀具。整個加工過程都采用干切,因為冷卻液會給切削熱的轉(zhuǎn)移帶來困難,此外該材料切屑還會對機(jī)床導(dǎo)軌造成一定損傷。

圖1 天線罩體零件圖

2 數(shù)控加工工藝方法的探索

2.1 數(shù)控加工方案設(shè)計

根據(jù)該零件結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)要求,設(shè)計了圖2所示的數(shù)控加工方案。

圖2 天線罩體數(shù)控加工方案

2.2 定位裝夾方式

本文結(jié)合天線保護(hù)罩零件結(jié)構(gòu)特征及復(fù)合材料性能,采用四壓板壓緊的方式加工保護(hù)罩凸面；然后制作專用工裝加工反面,該工裝設(shè)計主要是在工裝板上加工一與零件凸面相配的圓弧凹面,并采用銷釘定位,螺釘壓緊的方式固定保護(hù)罩零件,其裝配示意圖如圖3所示。

圖3 零件定位裝夾示意圖

2.3 刀具及切削參數(shù)的選擇

2.3.1 銑刀及其切削參數(shù)的選擇

考慮到復(fù)合材料強(qiáng)度高,刀具材料優(yōu)先選用硬質(zhì)合金刀具?；∶娲旨庸みx用直徑為8 mm的硬質(zhì)合金刀,單邊余量為1 mm。半精加工選用直徑為3 mm的銑刀,余量為0.1 mm,由于含硅芳炔材料為纖維增強(qiáng)層狀結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)銑刀零件加工過程中對工件產(chǎn)生斜向上的切削力,加之,復(fù)合材料的層間結(jié)合強(qiáng)度較低,在受到向上的軸向力時將很容易出現(xiàn)纖維的分層、拉毛以及翻邊等問題,這主要是由于石英/含硅芳炔復(fù)合材料呈現(xiàn)各向異性、不均勻性,其層間強(qiáng)度低,造成其在切削力的作用下極易產(chǎn)生諸多缺陷。而且該道工序半精加工余量小,若出現(xiàn)上述情況,易導(dǎo)致零件弧面無法滿足設(shè)計要求而報廢,因此需采用合適刀具進(jìn)行該道工序的加工。

本試驗選取IT行業(yè)切割印制板常用的多刃銑刀（“菠蘿”刃銑刀）,如圖4所示,該刀具切削刃呈多刃多槽、小螺旋角、切削刃不連續(xù)結(jié)構(gòu),類似菠蘿結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計有利于排屑,降低切削溫度,具有延長刀具壽命的作用,進(jìn)而避免材料分層、翻邊及起毛等問題,特別適合層狀纖維板加工。

圖4給出了“菠蘿”刃銑刀切削石英/含硅芳炔復(fù)合材料時的狀況。經(jīng)多次試驗摸索,本文依據(jù)切削參數(shù)變化對零件加工表面質(zhì)量的影響,獲得了合理的切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速υs=1 000 r/min,進(jìn)給速度υf=500 mm/min,切深ap=0.5 mm。針對設(shè)計要求,精加工弧面需采用直徑為4 mm的球刀,分別選用白鋼和硬質(zhì)合金兩種材料的刀具,通過多次試驗發(fā)現(xiàn),白鋼刀在切削過程中極易磨損,影響了零件尺寸精度,而硬質(zhì)合金刀導(dǎo)熱性能較好,刀具切削壽命長,未出現(xiàn)磨損情況,這是由于石英/含硅芳炔復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)小,切削區(qū)溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區(qū)域內(nèi),對刀具熱量的轉(zhuǎn)移非常不利,導(dǎo)致刀具磨損。

圖4 多刃銑刀及其銑削含硅芳炔復(fù)材的狀況

通過上述試驗驗證,本試驗最終選用直徑為8 mm的硬質(zhì)合金刀進(jìn)行粗加工,直徑為3 mm的菠蘿銑刀進(jìn)行半精加工,最后選用直徑為4 mm的球刀硬質(zhì)合金球頭刀精加工曲面。

2.3.2 制孔刀具及其切削參數(shù)的選擇

鉆削加工時,采用數(shù)控機(jī)床啄孔的方式,有利于切屑及時排出和熱量的散發(fā),可保護(hù)刀具,并延長刀具壽命。本文采用直徑為5 mm的普通鉆頭進(jìn)行鉆孔加工過程中,發(fā)現(xiàn)鉆頭尖部發(fā)紅,且鉆頭磨損嚴(yán)重,如圖5所示。這主要是由于鉆削溫度過高,即使采用數(shù)控啄孔的方式也很難排出熱量,進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭燒傷磨損。經(jīng)過對當(dāng)前國內(nèi)外復(fù)合材料鉆削加工的研究成果進(jìn)行收集總結(jié),發(fā)現(xiàn)目前用于鉆削加工層狀復(fù)合材料的制孔刀具多為套料鉆,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 套料鉆結(jié)構(gòu)示意圖

圖7給出了套料鉆鉆削層狀復(fù)合材料的過程模型,從套料鉆鉆入復(fù)材,如圖7（a）所示,套料鉆沿垂直向下的進(jìn)給方向接觸層狀復(fù)合材料表面,即套料鉆端面磨粒頂部擠壓層合板的最上一層,當(dāng)套料鉆端面磨粒（包括內(nèi)外倒角的磨粒）全部進(jìn)入材料內(nèi)部時,層合板最上幾層被切削,形成圓柱狀切屑的最原始形貌。然后套料鉆內(nèi)壁和外壁的磨粒逐漸進(jìn)入材料內(nèi)部,套料鉆的全部磨粒進(jìn)入材料參與切削,整個鉆削過程趨于穩(wěn)定,如圖7（b）。

圖7 套料鉆鉆削層狀復(fù)材的過程模型

圖7（c）為套料鉆鉆出材料時的狀況,隨著套料鉆端面金剛石鉆出層狀復(fù)合材料最下側(cè),形成由外壁磨粒的最外端決定的圓孔,整個加工過程完成。

整個加工過程中,端面和內(nèi)外倒角的磨粒起到主要切削作用,在來自端面磨粒的擠壓、切削的雙重作用下,基體破裂。碳纖維受到擠壓、拉伸、彎曲作用,最后斷裂。在端面磨粒完成切削作用之后,形成最原始的已加工表面,受到破壞的基體和纖維所形成的孔內(nèi)壁并不理想。

基體會大面積地粘附在已加工表面,纖維由于此時只是斷裂未被完全切除,纖維束參差不齊。外壁磨粒則可改善上述加工表面,其通過修磨孔內(nèi)壁,微觀上使孔內(nèi)壁更加平整,進(jìn)而獲得更優(yōu)的尺寸精度。

鑒于套料鉆鉆削層狀復(fù)合材料的諸多優(yōu)點,本文選取了電鍍金剛石套料鉆鉆削加工石英/含硅芳炔復(fù)合材料,如圖8所示。

圖8 電鍍金剛石套料鉆實物圖

本文通過試驗積累,得到了合理的切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速υs=5 000 r/min,進(jìn)給速度υf=10 mm/ min,切深ap=0.5 mm。在該切削條件下,采用電鍍金剛石套料鉆鉆削石英/含硅芳炔復(fù)合材料,孔壁質(zhì)量較好,且孔的兩端口幾乎無毛刺。

經(jīng)過上述加工技術(shù)的不斷改進(jìn),最終加工出將合要求的天線罩體零件,實物圖如圖9所示。

圖9 天線罩體實物圖

3 結(jié)論

本文通過對石英/含硅芳炔天線保護(hù)罩?jǐn)?shù)控加工技術(shù)的摸索,優(yōu)化了加工工藝過程,確定了裝夾定位方法,并通過多次試驗的探索,比較不同銑刀、鉆頭及切削參數(shù)對含硅芳炔材料加工質(zhì)量的影響,選取了適合該材料加工的刀具和切削參數(shù),為該類材料的加工應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

［1］杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天［J］.復(fù)合材料學(xué)報,2007,24（1）：1-12.

［2］何東曉.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用綜述［J］.高技術(shù)纖維與應(yīng)用,2006,31（2）：9-11.

［3］Itoh M,Inoue K,et al.New Highly Heat-resistant Polymers Containing Silicon：Poly［J］.Macromolecules.1997,30：694-701.

［4］ToshioO,Takashi I,et al.Thermal Response and Ablation Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Composite with Novel Silicon-containing Polymer MSP［J］.J Comp Mater.2002,36（2）：143-157.

［5］嚴(yán)浩,齊會民,黃發(fā)榮.新穎含硅芳基多炔樹脂的合成與性能［J］.石油化工,2004,33（9）：880-883.

［6］高金淼,等.新型含硅芳炔樹脂及其復(fù)合材料的性能［J］.化工新型材料,2008,36（12）,45-56.

［7］齊會民,等.含硅芳炔樹脂的改性及其性能研究［C］.第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集（上側(cè)）,2008：335-339.

The Numerically Controlled Machining Technology Research of Silicon-Containing Arylacetylene Composite Matericals Antenna Radome

HUANG Jia-lin, XU Jie-fang, CHEN Lu, XIAO Ju
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

Machining experiments of silicon-containing arylacetylene composite matericals with different tools and cutting parameters were carried out to investigate the grinding performance.According to the results,the appropriate tools and cutting parameters were selected to solve the problems such as delamination,tearing,tipping,burr and so on.Moreover,An antenna radome was machined with above-mentioned results,reasonable clamping and processes.

numerically controlled machining；milling cutter；technological method

TM205.1

A

1671-0576（2014）01-0056-04

2013-08-02

黃加林（1986-）,男,碩士,主要從事機(jī)械制造及其自動化技術(shù)研究。