玻纖復合材料槳葉試件多軸數控加工研究

宋育紅

摘要：文章透過玻纖復合材料槳葉試件的疊層結構特性分析，根據其數控加工要求把控數控加工要點，進而采用三軸超聲輔助數控加工裝置，確定加工裝置的基本組件及功能模塊后，基于槳葉試件的不同規格，創新性的應用變參數加工方法，以玻纖復合材料與金屬材料各自的最優參數進行多軸數控加工，并通過實驗分析，獲知采用多軸數控加工裝置及變參數工藝方法，可減少槳葉試件的毛刺、撕裂及孔壁粗糙度，達到了預期的數控加工效果。

關鍵詞：玻纖復合材料;槳葉;超聲波振動;多軸數控加工

中圖分類號：TB33;TG659

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0109-04

0 引言

目前，隨著航空航天技術的不斷發展進步，因復合材料與金屬材料存在物理與力學性能差異，以兩者組成的疊層構件具備輕質、高強等性能優勢，而成為該領域的重要應用材料，尤其槳葉作為飛機的核心構件，其材料構成及加工工藝，直接影響飛機的機動性，為此，研究該內容具有重要的現實意義。而玻璃纖維復合材料以連續玻璃纖維及其織物和短切保利纖維增強高聚物為增強體，通過復合工藝制備而成，其融合了玻璃纖維增強材料耐高溫、抗腐、絕緣、機械性等優勢，并通過與不同材料組分的復合效應，達到性能互補及協同，是目前航空飛行器領域中最常用的材料。但是，以玻璃纖維復合材料與金屬材料組合而成的疊層構件，在裝配過程中需要進行大量的鉚接與螺栓孔加工，但以往工藝多以“鉆一擴一鉸”加工方法[1]，工序繁雜，加工而成的槳葉試件質量無法保證，亟待創新加工技術及工藝。為此，本文將超聲波振動引入玻纖復合材料加工之中，基于多軸聯動超聲輔助數控加工裝置，通過實驗方法探究玻璃復合材料槳葉試件數控加工一體成型方法。

1 玻纖復合材料槳葉試件的特點及數控加工要求

1.1玻纖復合材料槳葉試件的結構特點

玻纖復合材料較有機纖維具有耐高溫、隔熱、抗腐蝕、抗疲勞性等優勢，且通過物理和力學性能對比，玻纖復合材料的比強度、比剛度明顯優于金屬材料，而密度卻在鋁合金、鈦合金、合金鋼等金屬材料之下，剛性承載能力和輕質性較為凸顯，極大的滿足了航空飛行器的機動性，在該領域有廣泛應用。玻纖維負荷材料可與金屬材料組成疊層構件用于飛機槳葉，但是，在裝配過程中需要加工大量的錨定或螺接孔，而槳葉試件尺寸規格不一，且復合材料層間結構特點及與金屬材料性能的差異，增加了高效、高質數控加工的難度。而為優化數控加工工藝，首先應確定玻纖復合材料槳葉試件的疊層結構特點。

玻纖復合材料槳葉疊層試件存在長和短兩種規格，選用銑削、鉆削兩種數控加工工藝，擬進行數控加工部位材料為玻纖維負荷材料、40CrNiMoA金屬材料。槳葉試件疊層結構，是長試件在距離一端定位孔4600mm位置切斷，挖空內部并以短切纖維與樹脂基體填充固化成型，因玻纖復合材料表面為不規則曲面，需在進行銑削加工，使其兩側加工表面平面度、粗糙度應分別在0.2mm以內、達到Ra3.2μm，而后，在加工區域上下安裝上下夾板，膠接裝配板，對裝配板以+0.05mm孔位置精度進行一體化制孔加工翻。在玻纖復合材料槳葉試件兩側銑削加工后，將金屬夾板裝夾兩側，對試件進行一體化制孔加工，試件的疊層結構如圖1所示。

1.2 玻纖復合材料槳葉試件數控加工要求

槳葉疊層試件是以玻纖復合材料和金屬材料組成，兩種材料的加工難度各異，在統一數控加工工序中，達到槳葉試件的下列加工要求成為多軸數控加工的核心點，參照航空領域及國家相關規定其應滿足如下加工要求：

數控加工孔徑精度等級、表面光潔度應分別達到H8、1.61μm[3]：

數控加工包含銑削、鉆削，且鉆削數控加工又有粗、細加工之分;

數控加工過程不能存在粉末型切屑，配設吸塵設備。

與此同時，因玻纖復合材料槳葉試件數控加工包含銑削、鉆削，其在具體加工過程中，勢必會遭遇如下難題：

槳葉試件存在長、短兩種尺寸，因長的試件尺寸達到了5 m[4]，很難進行裝夾定位，目前無達到該長度的數控加工裝備;

玻纖復合材料剛性、耐高溫等特性增加了數控加工難度，采用以往方法很容易出現毛刺、撕裂等加工缺陷;

金屬材料與玻纖復合材料的物理、力學性能存在較大差異，在一體化的裝配制孔獎加工中很難達到高質、高效的加工質量，且槳葉試件整體偏厚，阻礙了切削熱能的擴散。

2 玻纖復合材料槳葉試件的多軸數控加工設備及工藝選型

2.1多軸數控加工設備

結合上述玻纖復合材料槳葉試件的疊層結構及數控加工要求及難點，本文在數控加工方法、裝備及參數設置上均存在創新性。首先，可先使用相同的銑刀對玻纖復合材料進行超聲輔助銑削交工，在完成兩側面加工后裝配金屬夾板;而后，針對傳統加工方式，未區別金屬材料與玻纖復合材料的性質差異，以相同參數進行數控加工，影響加工質量，本文引入變工藝參超聲輔助螺旋銑削制孔工藝進行一體化制孔加工，進行粗、細兩次加工。同時，銑削及螺旋銑削均要求數控加工裝備應擁有X、Y、Z三軸的運動及聯動控制，且需引入超聲輔助加工模塊，超聲刀柄及機床可迅速更換、便于加工，此外，還需配設吸塵裝置以收集數控加工過程中的粉塵。據此，多軸數控加工裝備應包含三軸數控運動、超聲輔助、防護吸塵及定位夾緊等裝置模塊，具體的構成如圖2所示。

1）多軸數控運動裝置：該模塊由X、Y、Z三軸運動機構組成，其使用無級變速伺服進給系統，其聯軸器來促發滾珠絲杠，使絲杠螺母與滑臺連接，讓伺服電機改變旋轉運動，轉為直線運動，此時，滑臺利用精密直線導軌的導向作用進行數控加工運動控制，且為規避誤操作或過限加工造成的碰撞，可預設軟限位于伺服電機數控程序中，并配設行程開關，以確保數控加工運動不回超行程。

2）超聲輔助裝置：該模塊由數控機床系統、刀具及超聲單元組成，超聲機床系統與刀具連接選用BT40標準刀柄[5]，而這需要預先在機床上裝配也增壓泵，以支撐刀柄安裝;刀具與超聲單元基于非接觸式信號傳輸方式進行連接，但是，因為刀具在數控加工時在高速旋轉，如何與超聲單元進行信號傳遞成為超聲輔助加工的關鍵，而以往躲在刀柄換能器上配設銅環，在刀具高速旋轉時，將基于銅環與碳刷的相對滑動進行信號的傳遞，但碳刷易損性，影響了信號傳輸的準確性，為此，可選用非接觸式方式，將一圓盤固定于主軸上，并鋪設固定線圈于其內部，圓盤線圈于刀柄上，如此，在刀具旋轉時，兩線圈將通過電磁感應將超聲信號傳輸至刀具。

3）防護及吸塵裝置：玻纖復合材料槳葉試件數控加工過程中很容易產生金屬切屑，為此，可在機床下安裝200W功率、直徑為100mm的螺旋排屑機[6]，并采用外側防護方法加裝吸塵裝置的方法，對數控加工裝置進行防護。

4）定位夾緊裝置：為確保槳葉試件加工性能，需設計合理的定位夾緊方案直觀重要，而因為玻纖復合材料槳葉試件的規格不一，其加工應包含超聲輔助銑削、螺旋銑削制孔等3個步驟的工序，具體需先銑削玻纖復合材料槳葉試件的A面，而后，銑削B面，完成兩面銑削后在槳葉試件兩側裝夾金屬夾板[7]，進行一體化鉆屑制孔加工，而該過程中涉及銑削夾具1、2及鉆削夾具等三道夾具，其對應上述3個步驟工序。

2.2 多軸數控加工工藝方法

以往槳葉試件多為單一材料，此時，數控加工僅需采用同一最優工藝參數便可進行制孔加工，但目前，隨著工藝及技術的進步，以復合材料與金屬材料組合的疊層結構槳葉試件應用最為廣泛，此時，再采用不變參數進行數控加工，無法確保加工質量。為此，本文引入了編工藝參數，其以玻纖復合材料與金屬材料各自的最優參數進行數控加工，首先，在既定f頻率、A振幅下刀具進行高頻超聲振動，并圍繞加工孔中心以nz自轉轉速、ng公轉轉速進行旋轉運動，并以軸向進給螺距ap進行軸向進給運動，在完成金屬材料數控加工后，在一定位置進行參數變化，改為適用于玻纖復合材料加工的不同加工參數。

3 玻纖復合材料槳葉試件的多軸數控加工工藝實驗分析

3.1 實驗方案

根據上述分析，在變參數工藝下進行多軸數控加工，實則是刀具加工槳葉試件時，刀具切削刃運動至玻纖復合材料及金屬材料間界面時，改變進給速度。為此，試驗中預設傳統鉆削加工工藝將下刀具轉速為nd1，進給速度厶加工至量材料間界面時，參數變為nd2、fd1[8];螺旋銑削加工方法下刀具自轉轉速為nz1，公轉轉速為ng1、螺距為ap1，刀具運動至材料間界面時，多軸數控加工參數變為n z2、ng2、ap2，由此，便可讓玻纖復合材料與金屬材料在各自最優參數下進行數據加工，確保同一工序下實現槳葉試件高效、優質加工。

同時，因為槳葉試件是以玻纖復合材料與金屬材料組成的疊加構件，在多軸數控加工時，因材料性質的差異較大，一體化裝配制孔較為困難，為此，實驗采用超聲輔助、普通螺旋銑削及鉆銑削等3種數控加工方式，以一樣的加工效率、切削速度，參照以往研究計算軸向進給速度、主切削刃最外端線速度，在既定的超聲幅值下進行數控加工，相關實驗參數如表1和表2所示。

3.2 實驗結果

在玻纖復合材料槳葉試件多軸數控加工過程中，毛刺、撕裂是評價加工質量的關鍵指標[9]，為此，使用上述數控加工設備及工藝方法，得出的3種方法制備而成的槳葉試件毛刺、撕裂缺陷如圖3所示，鉆選數控加工方法的毛刺較多、撕裂面積較大，而普通、超聲輔助的螺旋銑削也存在一些毛刺缺陷，但超聲輔助螺旋銑削數控加工方法相對較小，且以纖維及切削速度方向成鈍角區域居多，撕裂出現在纖維及切削方向近似90度區域。

同時，采用因果Tayor公司生產的intra touch表面輪廓度粗糙度儀測定槳葉試件的孔壁表面粗糙度，如圖4所示，根據結果可知，以玻纖復合材料與金屬材料組成的疊層槳葉試件，金屬材料的超聲輔助、普通螺旋銑削加工方法下孔壁粗糙度均在0.38μm上下，滿足半精鉸孔加工精度，鉆削孑L壁粗糙度為1.2μm上下，僅滿足粗鉸孔加工精度;對比之下，玻纖復合材料在超聲輔助、普通螺旋銑削數控加工下的孔壁粗糙度各為0.8μm，1.5 μm，分別達到了半精鉸孔、粗鉸孔精度，但在鉆削下孔壁粗糙度為2.4 μm左右，孔壁質量較差。可見，多軸數控加工的3種方式中，超聲輔助螺旋銑削加工方法的孔壁質量較優，且毛刺、撕裂缺陷較小，以該方法進行玻纖復合材料槳葉的加工可獲得更優的使用性能。

4 結語

目前，以高強抗腐、耐溫的玻纖復合材料，與性質差異較大的金屬材料組合的疊層構件成為航空領域的應用關鍵，飛行器中的槳葉便是一種疊層構件，其在裝配過程中需要大量鉚接與螺栓孔，但因為兩種材料性質差異較大，同一參數下的一體化制孔存在難度。所以，上述研究，利用超聲波振動輔助進行多軸數控加工，針對玻纖復合材料與金屬材料性質差異，以變參數工藝方法進行數控加工，并經由實驗對比，該方法指引下的多軸數控加工毛刺、撕裂缺陷較少、孔壁粗糙度較優，達到了高質、高效的一體化制孔加工效果，在滿足了槳葉試件的加工和應用要求。

參考文獻

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