摘 要 芳綸紙蜂窩是航空航天領域常用的減重復合材料，由韌性較大的芳綸纖維和含量較高的脆性樹脂固化而成，固化成型后較難加工。為了滿足某型號加工精度要求，根據(jù)該材料的組成成分和結構特點，結合需加工零件的形狀尺寸，用五軸高速銑削數(shù)控機床進行加工工藝試驗，通過單因素試驗法，研究磨削速度、進給速度和刀具前傾角對其表面質量及形面精度的影響。試驗結果表明：不同工藝參數(shù)對該型號芳綸紙蜂窩表面質量及形面精度差異較大。該型號蜂窩零件加工切削角速度最優(yōu)參數(shù)為12000 rpm，參數(shù)可選區(qū)間為11000 rpm～13000 rpm之間；加工進給速度最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質量，參數(shù)可選區(qū)間為1000 mm/min～1200 mm/min之間；前傾角可選參數(shù)區(qū)間為10～30之間。

關鍵詞 蜂窩芯材；高速銑削；數(shù)控加工；工藝參數(shù)

Experimental Research on Honeycomb Processing

Technology of Aramid Paper for Aviation

Based on 5-Axis High Speed Machining Cente

SHEN Xiangyu

（AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 101300）

ABSTRACT Aramid paper honeycomb is a commonly used composite material for weight reduction in the aerospace field， which is made of tough aramid fibers and brittle resin with a high content. After curing and forming， it is difficult to process. In order to meet the processing precision requirements of a certain model， based on the composition and structural characteristics of the material， combined with the shape and size of the processed parts， a processing technology experiment was conducted on a five-axis high-speed milling numerical control machine using the aramid paper honeycomb. Through the single factor experiment method， the effects of grinding speed， feed rate， and tool nose angle on surface quality and geometric accuracy were studied. The experimental results show that the surface quality and geometric accuracy of the honeycomb parts of the model are significantly different under different processing parameters. The optimal cutting speed parameter for the model honeycomb parts is 12000 rpm， and the parameter selection range is 11000 rpm～13000 rpm; the optimal feed rate parameter is 1000 mm/min， and to ensure processing quality， the parameter selection range is 1000 mm/min～1200 mm/min; the angle parameter selection range is 10～30.

KEYWORDS honeycomb core material; high-speed milling; numerical control processing; processing parameters

1 引言

芳綸蜂窩是一種仿生結構材料，與蜜蜂的蜂巢結構相同，是一種多孔結構材料。蜂窩相比于其他材料具有更高的孔隙率和更低的質量密度［1］?；诘兔芏取⒏邚姸鹊冉Y構性能的特殊性，使芳綸紙蜂窩成為航空領域常用的減重復合材料，但同時在數(shù)控加工時若選擇不合適的工藝參數(shù)，很容易在加工中造成工件被刀具帶起纏攪刀具、蜂窩正六邊形芯格結構被破壞、形面加工殘留毛邊毛刺嚴重等問題。如何更好地解決蜂窩材料的優(yōu)質高效數(shù)控加工問題，也是多年來復合材料應用上的一個重要研究課題。為滿足某型號芳綸紙蜂窩數(shù)控加工生產(chǎn)任務需求，需要對本課題進行研究。

目前，國內(nèi)外對于蜂窩加工目前常采用組合銑刀高速銑削的加工方法［2］。高速銑削技術因為其比傳統(tǒng)切削方式有更高的加工效率以及更好的加工表而質量，而得到廣泛的應用［3］；同時，因為其在加過程中對工件產(chǎn)生的切削力較小，更適用于低剛度的薄壁零件以及非連續(xù)多孔結構材料的加工。因此，復合材料的高速銑削加工正成為國內(nèi)外學者重點研究的對象。對于芳綸紙蜂窩的拓撲結構、材料特性以及機械、力學特性等方面，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的研究，但這些研究內(nèi)容大多限于蜂窩夾層結構的彎曲強度、平壓強度及緩沖性能等方面，對于紙基蜂窩材料的精密加工及其工藝技術的研究卻并不多見。浙江大學的劉剛教授及其團隊針對紙基蜂窩零件難于固持的問題，發(fā)明了基于磁場與摩擦學原理的固持方法［4］；浙江大學金成柱博士在其博士論文中對芳綸紙蜂窩的高速加工工藝進行了研究［5］；我國中航集團的張勝文工程師對紙基蜂窩數(shù)控加工進行了初步介紹和分析，為紙基蜂窩數(shù)控加工的可行性提供了理論基礎［6］。

2 航空用芳綸紙蜂窩加工及試驗研究

2.1 航空用產(chǎn)品結構特點和表面質量要求

芳綸紙蜂窩在航空領域常用在飛機機翼、機身等結構內(nèi)，用于為空腔提供法向支撐，如圖1所示。

由于機翼、機身等結構基本為雙曲面，且部件內(nèi)部存在梁、肋等支撐結構，因此芳綸紙蜂窩零件常被需要兩面加工，且存在較多下陷區(qū)（套合區(qū)）。芳綸紙蜂窩主要承力方向為N向，因此對其加工質量的重點要求在N向的質量。目前航空航天應用的芳綸紙蜂窩芯通常為六邊形結構［7］，如圖2所示。

芳綸紙蜂窩很容易在加工段產(chǎn)生不同種類的缺陷，例如蜂窩芯格變形、芯格塌陷、節(jié)點開裂、纖維拔出、表面燒蝕等［8-9］。因此，芳綸紙蜂窩常見數(shù)控數(shù)控加工技術要求一般有：

（1）形面與三維設計數(shù)模一致，面輪廓度基本為0.5 mm，有些較為嚴格要求面輪廓度0.2 mm；

（2）沿W向和L向的輪廓度一般要求為2.0 mm；

（3）N向表面光潔，無明顯毛邊、毛刺等影響膠接和形面精度的問題；

（4）加工不可導致蜂窩孔格灼傷；

（5）加工不可導致蜂窩芯格破裂等影響蜂窩正常發(fā)揮性能的質量問題。

根據(jù)蜂窩加工技術要求不難發(fā)現(xiàn)：相較于常規(guī)材料，蜂窩零件的形面精度要求較低。分析其原因是由于蜂窩材料剛度低，在加工過程中隨著刀具的切削也會產(chǎn)生較大的彈性模量變形，很難進行高精度的加工。所以對芳綸紙蜂窩加工質量檢測主要分為兩類：尺寸精度檢測和表面、內(nèi)部質量檢測。由于蜂窩芯零件產(chǎn)品的尺寸精度檢測是可量化標準，可以采用激光跟蹤儀組合、攝影測量及二者混合的測量方法完成形面精度檢測［10］。因此，如何對蜂窩材料進行高表面質量的數(shù)控加工是需要進行加工試驗重點進行研究的。

2.2 工藝方案

蜂窩材料加工的工藝思路主要借鑒常規(guī)材料的加工思路，先把蜂窩材料假想成常規(guī)材料，從加工前準備入手，逐步研究蜂窩數(shù)控加工的工藝方法，蜂窩加工工藝思路如圖3所示。

2.2.1 加工前準備

根據(jù)蜂窩數(shù)控加工的特殊性，經(jīng)過分析，在開始加工前需要在刀具的選型、加工設備的選擇、模具的設計、蜂窩固定方法、蜂窩翻面加工定位方法和形面檢測方法6個方面進行準備。

（1）刀具選型：蜂窩數(shù)控加工具有專用的刀具體系，市場常見的制式刀具已比較成熟。其中，現(xiàn)有的粗加工刀具為 20 mm蜂窩立銑刀，如圖4所示；現(xiàn)有的精加工刀具為 45 mm蜂窩組合式盤銑刀，如圖5所示。

（2）加工設備的選擇：現(xiàn)有加工設備為CMS ARES 60/26 PX5 Z1200，進口于意大利。相較于國內(nèi)主要蜂窩加工廠家所使用的設備，已屬于高端機型，完全能夠滿足蜂窩加工要求。設備主要參數(shù)：

行程范圍：X=6000 mm、Y=2600 mm、Z=1200 mm；臺面尺寸：6040 mm×2350 mm

定位精度：X=0.06 mm、Y=0.06 mm、Z=0.05 mm；

重復定位精度：X=0.03 mm、Y=0.03 mm、Z=0.025mm；

最大轉速：24000 rad/min；

最大承重：1000 kg。

（3）模具設計：模具上設置蜂窩定位標記和對刀點，模具材料優(yōu)先采用全鋁合金模具，采用框架結構，控制自重不超過1000 kg。

（4）蜂窩固定：國內(nèi)外蜂窩加工單位最常用蜂窩固定方法為雙面膠帶粘接法。通過借鑒經(jīng)驗，目前主要選用0.3 mm厚的膠帶3M55280。

（5）蜂窩翻面加工定位方法：根據(jù)模具設置的蜂窩定位標記，將蜂窩輪廓邊沿與定位標記對齊；

（6）形面的檢測：蜂窩形面精度要求±0.2 mm，結合公司現(xiàn)有測量設備，選用激光跟蹤儀對工件進行形面檢測，設備型號如表1所示。

2.2.2 典型工藝流程

蜂窩材料數(shù)控加工工藝流程與常規(guī)材料加工并無明顯區(qū)別，僅在粗、精加工使用的刀具不同。因此，蜂窩加工使用典型加工工藝流程如圖6所示。

2.2.3 加工參數(shù)確定

影響蜂窩材料數(shù)控加工精度的加工參數(shù)主要有切削角速度、進給速度和切削深度。在蜂窩精加工時一般使用盤銑刀切削，且精加工余量普遍不超過2 mm，因此切削深度對蜂窩加工精度影響極?。欢褂帽P銑刀加工時，為了減小刀具與工件摩擦產(chǎn)生加工熱，往往需要刀具抬起一定的前傾角以減少刀具與工件表面接觸面積，因此前傾角α的大小直接影響蜂窩加工表面質量。雖然各刀具品牌廠家在針對蜂窩加工會給出建議參數(shù)值，但由于機床結構、主軸剛性、主軸功率和冷卻方式的不同，建議參數(shù)并不是實際生產(chǎn)中的最優(yōu)化的參數(shù)。經(jīng)多方調查統(tǒng)計，推薦的切削角速度范圍8000 rpm～20000 rpm，進給速度范圍300 mm/min～2000 mm/min，前傾角范圍1°～5°。

如何在現(xiàn)有條件下獲得適合該型號蜂窩生產(chǎn)的最優(yōu)加工參數(shù)，是本次研究的關鍵技術。

3 關鍵技術研究

根據(jù)上文所述，本次研究關鍵技術是獲得適合芳綸紙蜂窩工程化加工生產(chǎn)的最優(yōu)加工參數(shù)，因此需要根據(jù)進行加工試驗來判定各加工參數(shù)對蜂窩表面質量及形面精度的影響，從而選擇出最優(yōu)化的參數(shù)組合。

引用文件：

GB/T1958-2004《產(chǎn)品幾何技術規(guī)范（GPS）形狀與位置公差 檢測規(guī)定》；

蜂窩產(chǎn)品型號生產(chǎn)文件，蜂窩組件三維設計數(shù)模。

3.1 試驗方案

由2.2中蜂窩零件結構可知，蜂窩相對于弦平面對稱，蜂窩雙面定位精度由模具保證，蜂窩整體厚度可由加工坐標系Z軸高度調整，因此在表面質量及進行形面精度試驗時，僅需加工單面即可獲得結論，節(jié)省試驗成本。同樣，在進行參數(shù)試驗時，可首先以2.3.3獲得的參數(shù)推薦范圍為依據(jù)逐項檢驗排查，減少試驗次數(shù)。

考慮到節(jié)約加工成本，在研究切削角速度、進給速度和前傾角對工件加工質量影響的同時，還需要考慮加工參數(shù)對刀具磨損以及加工時長的影響。

采用單一變量法，分別以切削角速度、進給速度和前傾角為自變量，以蜂窩表面質量、形面精度、刀具磨損和加工時長為因變量進行加工參數(shù)試驗。

在采用單一變量法時，為保證試驗結果的準確性，其余變量應當選取最能保證加工質量的值：

（1）進行切削角速度工藝試驗時，進給速度應取推薦值中較小值300 mm/min、前傾角應選較小值1°；

（2）進行進給速度工藝試驗時，切削角速度應取前一步試驗的最優(yōu)值、前傾角應選推薦值中較小值1°；

（3）進行前傾角工藝試驗時，切削角速度和進給速度應取前一步試驗的最優(yōu)值。

每次參數(shù)試驗完成后，使用激光跟蹤儀對工件形面進行自由擬合檢測，并對比檢測結果得出結論。

3.1.1 切削角速度工藝試驗

蜂窩材料加工一般采用高速銑削，為減少試驗次數(shù)，首先選取5000 rpm、10000 rpm、15000 rpm、20000 rpm進行加工試驗，根據(jù)實驗結果確定最優(yōu)角速度所在區(qū)間，再重復進行細化試驗得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.1.2 進給速度工藝試驗

首先選取500 mm/min、1000 mm/min、1500 mm/min、2000 mm/min進行加工試驗，根據(jù)實驗結果確定進給速度所在區(qū)間，再重復進行細化試驗得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.1.3 前傾角工藝試驗

首先選取1°、3°、5°進行加工試驗，根據(jù)實驗結果確定進給速度所在區(qū)間，再重復進行細化試驗得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.2 工藝試驗結果

3.2.1 切削角速度對加工質量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.1選取的參數(shù)進行第一次試驗，結果如表2所示。

根據(jù)試驗結果，可知切削角速度最優(yōu)參數(shù)區(qū)間在10000 rpm～15000 rpm之間。據(jù)此在該區(qū)間取11000 rpm、12000 rpm、13000 rpm和14000 rpm共4個參數(shù)值進行第二次試驗，結果如表3所示。

根據(jù)第二次試驗結果可得到結論，蜂窩加工切削角速度ωc最優(yōu)參數(shù)為12000 rpm，參數(shù)可選區(qū)間為11000 rpm～13000 rpm之間。

3.2.2 進給速度對加工質量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.2選取的參數(shù)進行第一次試驗，結果如表4所示。

根據(jù)試驗結果，可知進給速度最優(yōu)參數(shù)區(qū)間在500 mm/min～1500 mm/min之間。據(jù)此在該區(qū)間取600 mm/min、800 mm/min、1200 mm/min和1400 mm/min共4個參數(shù)值進行第二次試驗，結果如表5所示。

根據(jù)第二次試驗結果可得到結論，蜂窩加工進給速度vf最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質量，參數(shù)可選區(qū)間為1000 mm/min～1200 mm/min之間。

3.2.3 前傾角α對加工質量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.3選取的參數(shù)進行試驗，結果如表6所示。

根據(jù)試驗結果可得到結論，蜂窩加工前傾角α可選參數(shù)區(qū)間為1°～3°之間，在此區(qū)間內(nèi)加工表面質量差距細微。

3.3 產(chǎn)品試制與驗證

結合3.2工藝試驗結果，選取工藝參數(shù)切削角速度為12000 rpm、進給速度為1000 mm/min、前傾角為1°，依據(jù)2.3.2典型工藝流程進行蜂窩零件的試制，檢驗結果如下：

第一面檢測結果：

（1）共測量783點，公差要求為±0.20 mm，滿公差要求的的測量點：783/783=100 %。

（2）最大正偏差：0.0976 mm，最大負偏差：-0.1323 mm，公差主要分布在±0.06 mm。

（3）工件表面質量較好，無孔格撕裂，表面無毛刺。

第二面檢測結果：

（1）共測量789點，公差要求為±0.20 mm，滿公差要求的的測量點：789/789=100 %

（2）最大正偏差：0.1470 mm，最大負偏差：-0.1457 mm，公差主要分布在±0.07 mm

（3）工件表面質量較好，無孔格撕裂，表面無毛刺。

使用上述試驗所得參數(shù)加工該型號蜂窩零件表面質量及形面精度較好，上述結論合理可靠。

4 結語

（1）芳綸紙蜂窩零件加工切削角速度最優(yōu)參數(shù)為12000 rpm，參數(shù)可選區(qū)間為11000 rpm～13000 rpm之間；

（2）芳綸紙蜂窩零件加工進給速度最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質量，參數(shù)可選區(qū)間為1000 mm/min～1200 mm/min之間；

（3）芳綸紙蜂窩零件加工前傾角可選參數(shù)區(qū)間為1°～3°之間；

（4）上述加工參數(shù)經(jīng)過產(chǎn)品試制驗證，結論合理可靠；

（5）在機械加工過程中，由于不同容重的蜂窩自身強度不同，需要不同的加工參數(shù)，對于具體的每一種蜂窩，都需要進行相應的試加工，以確定該類蜂窩的最終加工參數(shù)。

參 考 文 獻

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