蜂窩芯工件高速銑削自動化固持系統設計*＊

姜杰鳳 畢運波

(①杭州師范大學錢江學院，浙江杭州310036;②浙江大學機械工程學院，浙江杭州310027)

紙基蜂窩材料是現代航空航天領域大量應用的復合材料之一，它具有重量輕、比剛度大、可設計性強等特點，同時還具有耐腐蝕、抗沖擊、抗疲勞、優良的絕緣性能和透電磁波等一系列特性，廣泛用于飛機整流罩、副翼、襟翼和方向舵等航空結構件上［1－2］。高速銑削是蜂窩芯工件的主要加工方法，而在高速加工中蜂窩芯必須被可靠固持。目前紙蜂窩芯加工中使用的固持方法主要為雙面粘結帶固持法、隔膜固持法、聚乙二醇固持法，這些固持方法存在著較多問題，如粘結劑局部融化導致固持失敗、加工后難以清理、污染環境、危害人體健康、不可回收等。而在我國某型號飛機制造當中，因為高速切削中固持不穩定，一些蜂窩芯工件難以加工到設計要求，進而影響到飛機裝配和使用性能。針對以上問題，浙江大學柯映林教授等提出了基于強磁場和摩擦學原理的紙基蜂窩芯工件固持方法［3－4］，它具有可靠、方便、綠色、無污染等優點。本文將在磁性固持方法的原理基礎之上，對其實現方式進行具體分析，設計相關部件，進而集成為自動化固持系統。

1 磁性平臺設計

1.1 固持原理

基于磁場和摩擦吸附原理的紙基蜂窩芯固持方法適用于高速銑削全過程。圖1為固持原理圖，蜂窩芯工件置于帶有磁性的平臺之上，磁性平臺產生的磁場對填充于蜂窩芯孔格中的鐵粉進行磁化，平臺磁極對孔格內鐵粉吸引力及鐵粉自重引起對平臺的正壓力，當銑削時此正壓力將產生XY平面內的摩擦力來平衡X、Y方向的銑削力;蜂窩壁兩側孔格中鐵粉的相互吸引力以及由于鐵粉自重產生對壁面的張力，將引起對蜂窩壁的正壓力，切削時由此正壓力產生的摩擦力將平衡Z方向的銑削力。利用由磁場產生的壓力及摩擦力，使蜂窩芯工件在高速加工中被牢牢吸附于磁性平臺之上，達到可靠固持的目的。

該固持原理的一種磁性控制方案如圖2所示，下層的可移動部分由永磁鐵和純鐵組成，上層的固定臺面由銅塊和純鐵組成。永磁鐵可永久產生磁場，純鐵具有良好的導磁性能，銅塊則不導磁材料。永磁鐵的兩側分別為N、S極，當可移動部分和固定臺面對齊時，如圖2a所示，在永磁鐵、純鐵和蜂窩內鐵粉之間形成閉合磁回路，將蜂窩芯工件固持于固定臺面上;當可移動部分和固定臺面錯開時，如圖2b，直接在永磁鐵、純鐵之間形成磁回路，這時鐵粉不再起作用，可方便取下蜂窩芯工件進行更換。固定臺面和可移動部分之間保持一微小間隙Δ(1 mm)，從而使其可相對移動，同時保證磁力效果不發生較大損失。

1.2 磁性平臺結構設計

根據固持原理及控制方案，設計具體磁性平臺結構，如圖3所示。從圖3b主視圖可見，其傳動路線為步進電動機及減速器輸出動力，通過絲杠螺母傳動，實現滑座的直線運動，整個磁性平臺含有11組這樣的傳動裝置?？梢苿硬糠止踢B于滑座上，可隨之移動，從而實現與上方固定臺面的磁路接通或斷開。從圖3a右視圖上看，滑座的支撐為一系列固定在支撐板上的軸承滾子來實現，支撐板則固連于磁性平臺底座上。由于形成回路時，可移動部分和滑座受到向上的磁力，所以工字型滑座壓緊在軸承的底部。該磁力高達幾噸，通過計算校核，在每組傳遞路線上均勻布置了7對軸承滾子。

2 預壓緊方法與實現

2.1 預壓緊方法

由于蜂窩芯材料在原始制作過程中經常會存在變形，導致在加工蜂窩芯工件時其表面不能和磁性平臺的固定臺面緊密貼合，產生一定間隙，如圖4a中雙點畫線所示，填料時一些鐵粉會流到蜂窩壁下與臺面的間隙處，一部分磁力損失掉，會降低鐵粉磁力對蜂窩壁的壓緊作用。另外，在加工蜂窩芯工件的第二表面時，如果已加工好表面和曲面模塊曲面未緊密貼合，如圖4b雙點畫線所示，除了磁力損失問題之外，還會嚴重影響工件的定位精度和整個工件的加工精度。所以在填充鐵粉之前和填充過程中，必須對蜂窩芯材料進行有效的預壓緊，消除間隙量，使相關表面緊密貼合。

為了對蜂窩芯材料進行簡便而有效的預壓緊，提出均布的圓柱壓縮彈簧機械預壓緊方式，如圖5所示。彈簧對蜂窩芯工件進行較均勻的壓緊的同時，填料的鐵粉可以順利滑過彈簧流入孔格內，一次壓縮就可以完成全部范圍內的填料。蜂窩芯工件在水平面內(XY平面)的彈性模量較小，在豎向(Z方向)的拉壓彈性模量、剪切模量較大［5］，所以在該方向的彈簧壓緊是完全可行的。

2.2 預壓緊傳動實現

彈簧的壓縮采用了一種連桿傳動方式實現，圖6為預壓緊傳動簡圖。磁性平臺兩側上各設有7組連桿機構，圖中示出了2組。短桿一端固鉸于平臺側面的移動框架(圖中未示出)上，長桿連接推拉桿和縱梁。電動機通過同步帶傳動、絲桿螺母傳動將動力傳遞到推拉桿、連桿機構、縱梁彈簧。推拉桿向右運動，彈簧安裝縱梁向下移動壓緊蜂窩芯，反之，則放松蜂窩芯工件。根據蜂窩毛坯高度和彈簧壓縮行程要求，設計短連桿正好是長連桿的一半，則兩桿構成直角三角形，推拉桿的水平運動將引起縱梁的垂直運動。

3 鐵粉填充傳動機構

為了保證在高速銑削中磁場力對蜂窩芯可靠夾緊，需要均勻地填充鐵粉。在預壓緊機構中，安裝彈簧的縱梁橫截面大、剛性較好，所以設計在其上面安裝一套能實現X、Y向運動的進給裝置對蜂窩芯填料。圖7為鐵粉填充裝置的示意圖，X、Y兩個方向都由電動機驅動，通過同步帶傳動實現兩個方向的運動，橫梁和料斗都由滾輪支撐。

按照規劃路徑填充鐵粉并能實現自動化控制，除了控制X、Y方向的進給速度外，需要鐵粉能夠均勻的流出。但是在料斗出口尺寸確定的情況下，使用料斗直接對蜂窩芯填料，料斗口處的鐵粉流量是不相等的。料斗中滿料時，壓力大流量大，隨著鐵粉的減少流量也相應減少。通過在料斗口設計一輸送帶，如圖8所示，鐵粉從料斗口流出后首先在輸送帶上形成堆積，再通過勻速運動的輸送帶將鐵粉撒向蜂窩芯孔格中，基本實現了鐵粉均勻填充的目的。

4 固持系統集成及控制

本固持系統(如圖9所示)由磁性平臺、預壓緊裝置和填料機構疊加組成，整套系統為一自動化、柔性化的夾具，可安裝在龍門機床的工作臺之上。磁性平臺在系統的最下部，是系統的核心部分，蜂窩芯切削時的執行裝置;預壓緊裝置安裝于一U型移動框架(圖9a中下方)上，移動框架安裝于磁性平臺側面滑槽內，填充鐵粉前駛入，切削時駛出，磁性平臺后方設有導軌支撐駛出的移動框架及預壓緊裝置;填料機構架設在預壓緊裝置的縱梁之上，料斗和下方輸送帶等安裝于橫導軌上。

本系統中需要控制的對象共有6個單元，磁性單元、移動框架單元、預壓緊單元、填料機構X向運動單元、填料機構Y向運動單元、料斗下鐵粉輸送單元，這些運動單元均選擇電動機驅動。綜合考慮本系統的精度要求和經濟性，選擇步進電動機驅動的開環控制系統。步進電動機的開環控制基本形式如圖10所示，主要由工業控制計算機、觸摸界面、控制卡、驅動器、步進電動機、傳動機構、執行器、零位和限位開關組成。為實現系統的自動化、數字化控制，開發了相應控制軟件。此外，在實驗性應用中，該集成系統實現了磁性固持、預壓緊、均勻填料等各項性能需求，達到了設計要求。

5 結語

基于強磁場和摩擦力的固持方法實現了蜂窩芯高速銑削加工中可靠固持，設計了磁性平臺傳動機構;選擇合理的預壓緊和可靠的填料方式，設計了預壓緊和填料裝置;集成的自動化固持系統性能完善、可控性強、使用簡便，將廣泛應用于蜂窩芯復合材料零件的高速加工制造中。