含硅芳炔天線保護罩數控加工技術研究

黃加林, 徐潔芳, 陳 路, 肖 菊

（上海無線電設備研究所,200090）

含硅芳炔天線保護罩數控加工技術研究

黃加林, 徐潔芳, 陳 路, 肖 菊

（上海無線電設備研究所,200090）

針對石英纖維增強/含硅芳炔復合材料加工過程中易產生分層、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對該復合材料加工表面質量的影響,從而優選了合適的刀具、切削參數。并以天線保護罩為例,利用切削試驗結果以及合理的裝夾方式和工藝路線,加工滿足設計要求的天線保護罩。

數控加工；銑刀；工藝方法

0 引言

先進復合材料（ACM）具有比強度高、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計等優勢,因而在航空航天、電子信息等高技術領域得到了廣泛應用［1,2］。石英纖維增強/含硅芳炔樹脂基復合材料（以下簡稱石英/含硅芳炔復合材料）是近年發展起來的一種新型先進復合材料,其含硅芳炔樹脂具有優異的耐熱性、優良的介電性能及機械性能等［3-5］。該材料具有諸多優異性能,但無法避免纖維增強樹脂基復合材料在加工過程中易產生分層、劈裂、毛刺等加工缺陷,刀具磨損嚴重等問題［6,7］。

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

1 試驗條件及方法

天線保護罩零件結構如圖1所示,其由上下兩個圓弧面組成,內圓弧上有一環形凸臺,在凸臺上有4個φ5mm孔。該零件所用材料為石英/含硅芳炔復合材料,其物理性能如表1所示。

表1 石英/含硅芳炔復合材料物理性能

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

圖1 天線罩體零件圖

2 數控加工工藝方法的探索

2.1 數控加工方案設計

根據該零件結構特征和技術要求,設計了圖2所示的數控加工方案。

圖2 天線罩體數控加工方案

2.2 定位裝夾方式

本文結合天線保護罩零件結構特征及復合材料性能,采用四壓板壓緊的方式加工保護罩凸面；然后制作專用工裝加工反面,該工裝設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 刀具及切削參數的選擇

2.3.1 銑刀及其切削參數的選擇

考慮到復合材料強度高,刀具材料優先選用硬質合金刀具。弧面粗加工選用直徑為8 mm的硬質合金刀,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層狀結構,標準銑刀零件加工過程中對工件產生斜向上的切削力,加之,復合材料的層間結合強度較低,在受到向上的軸向力時將很容易出現纖維的分層、拉毛以及翻邊等問題,這主要是由于石英/含硅芳炔復合材料呈現各向異性、不均勻性,其層間強度低,造成其在切削力的作用下極易產生諸多缺陷。而且該道工序半精加工余量小,若出現上述情況,易導致零件弧面無法滿足設計要求而報廢,因此需采用合適刀具進行該道工序的加工。

本試驗選取IT行業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、切削刃不連續結構,類似菠蘿結構。該結構的設計有利于排屑,降低切削溫度,具有延長刀具壽命的作用,進而避免材料分層、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/含硅芳炔復合材料時的狀況。經多次試驗摸索,本文依據切削參數變化對零件加工表面質量的影響,獲得了合理的切削參數：轉速υs=1 000 r/min,進給速度υf=500 mm/min,切深ap=0.5 mm。針對設計要求,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合金兩種材料的刀具,通過多次試驗發現,白鋼刀在切削過程中極易磨損,影響了零件尺寸精度,而硬質合金刀導熱性能較好,刀具切削壽命長,未出現磨損情況,這是由于石英/含硅芳炔復合材料導熱系數小,切削區溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區域內,對刀具熱量的轉移非常不利,導致刀具磨損。

圖4 多刃銑刀及其銑削含硅芳炔復材的狀況

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

2.3.2 制孔刀具及其切削參數的選擇

鉆削加工時,采用數控機床啄孔的方式,有利于切屑及時排出和熱量的散發,可保護刀具,并延長刀具壽命。本文采用直徑為5 mm的普通鉆頭進行鉆孔加工過程中,發現鉆頭尖部發紅,且鉆頭磨損嚴重,如圖5所示。這主要是由于鉆削溫度過高,即使采用數控啄孔的方式也很難排出熱量,進而導致鉆頭燒傷磨損。經過對當前國內外復合材料鉆削加工的研究成果進行收集總結,發現目前用于鉆削加工層狀復合材料的制孔刀具多為套料鉆,其結構示意圖如圖6所示。

圖6 套料鉆結構示意圖

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

圖7 套料鉆鉆削層狀復材的過程模型

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合材料最下側,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,其通過修磨孔內壁,微觀上使孔內壁更加平整,進而獲得更優的尺寸精度。

鑒于套料鉆鉆削層狀復合材料的諸多優點,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：轉速υs=5 000 r/min,進給速度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/含硅芳炔復合材料,孔壁質量較好,且孔的兩端口幾乎無毛刺。

經過上述加工技術的不斷改進,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 結論

本文通過對石英/含硅芳炔天線保護罩數控加工技術的摸索,優化了加工工藝過程,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、鉆頭及切削參數對含硅芳炔材料加工質量的影響,選取了適合該材料加工的刀具和切削參數,為該類材料的加工應用提供了參考依據。

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［6］高金淼,等.新型含硅芳炔樹脂及其復合材料的性能［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］.第十五屆全國復合材料學術會議論文集（上側）,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,主要從事機械制造及其自動化技術研究。