高溫合金蜂窩芯冰固持低損傷加工技術研究

姜少瑋 王永青 劉 闊 武曉會 楊子健 楊月冰 于清波 楊曉龍

1.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連，1160242.北京星航機電裝備有限公司，北京，100074

0 引言

金屬蜂窩芯具有質量小、強度高、剛性好、隔音、隔熱、耐腐蝕、吸能減振等優異性能，蜂窩芯作為夾層板的核心材料，被廣泛應用于航空航天、國防工業等領域的熱防護系統、翼舵、動力艙罩、吸能器、著陸器等結構部件中[1-4]。蜂窩芯因其薄壁多孔的結構特點，存在各向異性、面內弱剛性、徑向強度小等加工難題，其裝夾方式、加工方法等均異于致密金屬材料加工，在切削過程中蜂窩壁的回彈讓刀與切削振動現象比較明顯，導致蜂窩芯加工質量較差[5-7]。

在金屬蜂窩芯切削加工研究領域，現階段蜂窩芯的裝夾方式主要有粘接裝夾、吸附裝夾、填充裝夾等三類。粘接裝夾是利用特殊雙面膠或聚乙二醇將蜂窩芯和托盤粘接到一起，固定作用力小，加工后清理困難，常用于紙基蜂窩芯和小去除量的鋁基蜂窩芯加工。吸附裝夾需要把粘貼在蜂窩芯上的隔膜和工作臺之間抽成真空，或在蜂窩芯裝入鐵粉，使蜂窩芯在磁鐵的磁力和自身的重力作用下與芯孔壁產生摩擦力，與工作臺固定在一起，操作較為復雜。填充裝夾是在蜂窩芯與夾具體的空腔內填充聚乙二醇或石膏，加工中固持的可靠性會受到切削熱的影響，且加工后難以清理[8-10]。

本文提出了高溫合金蜂窩芯冰固持低損傷加工方法。針對蜂窩芯和人工冰開展力學性能測試，分析兩者的側向抗壓強度和抵抗變形能力，論證蜂窩芯冰固持的工藝適應性和可靠性，設計高溫合金蜂窩芯在冰固持超低溫冷卻條件下的單因素試驗，分析切削參數對蜂窩芯加工質量的影響規律，進而實現高溫合金蜂窩芯的高質高效加工。

1 高溫合金蜂窩芯冰固持裝夾方法

1.1 難加工特性分析

根據ASTM C365標準進行GH4099高溫合金蜂窩芯的壓縮性能測試[11-12]，被壓縮樣塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，其結構參數如下：壁厚t=0.12 mm、孔格內切圓直徑d=10 mm、孔格邊長a=5.77 mm，如圖1所示。試驗在萬能試驗機WDW-20E上進行，上下兩塊加載板對蜂窩芯試件施加壓力，加載速率為1 mm/min，三個方向各壓縮5個樣塊取其平均值，得到的蜂窩芯側向壓縮W方向、L方向強度很小，僅有0.13 MPa、0.09 MPa，蜂窩芯壓縮強度測試結果如表1所示。

圖1 蜂窩芯結構參數Fig.1 Honeycomb core structure parameters

表1 高溫合金蜂窩芯壓縮強度

基于GIBSON等[1]對等壁厚蜂窩芯的力學性能理論分析，得到了蜂窩芯的面內彈性模量計算公式：

(1)

式中，E1為單層蜂窩壁側壓彈性模量；E2為雙層蜂窩壁側壓彈性模量；E為GH4099高溫合金彈性模量。

GH4099高溫合金的彈性模量約為210 GPa[13]，由式(1)計算可得單層、雙層蜂窩壁側壓彈性模量分別約為0.21 GPa、0.42 GPa。由于蜂窩芯孔的壁厚與邊長之比很小，導致其側壓彈性模量遠低于致密高溫合金材料的彈性模量，故在承受較小外載荷時即會造成蜂窩壁局部變形避讓[1,14]。如圖2所示，采用Photron高速攝像機Fastcam Mini AX拍攝GH4099高溫合金蜂窩芯加工過程，可清晰地觀測到，在高溫合金蜂窩芯無填充裝夾銑削的條件下，易產生撕裂毛刺、蜂窩壁變形、雙層壁開焊、蜂窩壁塌邊等缺陷，因此，亟需一種金屬蜂窩芯低損傷裝夾和加工技術，以提高其加工質量。

圖2 高溫合金蜂窩芯無填充裝夾干式銑削加工Fig.2 Dry milling of superalloy honeycomb corewithout filling fixation

1.2 冰固持裝夾原理

水是比較容易被獲取的，選擇它作為冷凍介質的優點在于成本低、綠色環保、可循環利用、后處理簡單等。在金屬蜂窩芯加工中引入冰固持裝夾方式，液態水可流動填充蜂窩芯任一空隙，在低溫條件下，逐漸凍結成固態冰，具有較高的強度和致密均勻的組織結構。這不僅對一體化結構及其加工中剛度時變具有高適應性，而且有助于保證任意刀位點處具有足夠的工藝系統剛性，且清潔無污染、無壓痕，可避免蜂窩芯孔壁的回彈讓刀與切削振動現象，實現對蜂窩芯良好的固定和支撐效果。

依托冰樣加載試驗裝置系統開展人工冰壓縮強度測試試驗，如圖3所示。采用TT-T-30型熱電偶和DAM-4501數據采集模塊跟蹤測試制冷過程中人工冰內溫度，測得高溫合金蜂窩芯被穩定冰固持后，在冰固持夾具邊側和中心位置的冰面下0.5～2 mm深度處的溫度約為-20 ℃，因此選取-20 ℃作為人工冰的試驗溫度。根據國際水利與環境工程學會(IAHR)建議，冰樣制備尺寸為70 mm×70 mm×175 mm。試驗前需將冰樣塊靜置在-20 ℃的低溫恒溫箱中24 h，試驗中采用的加載速率分別為100 mm/min、300 mm/min、500 mm/min，每個加載速率下壓縮10個冰樣塊。

圖3 冰樣加載試驗裝置系統Fig.3 Ice sample loading test device system

理論上材料的強度應定義為材料開始產生基本破壞時的應力，由于冰樣在外力的作用下，從其內部逐漸產生裂縫，隨著外力的增大，裂縫逐漸擴大直至冰樣破碎，所以，在試驗中，常采用冰的強度來確定冰的最大抗力，一般不考慮冰樣內部微觀結構的破損，而是通過試驗得到極限應力作為冰的單軸壓縮強度[15-16]。人工冰在三個加載速率下的試驗結果相近，其平均單軸壓縮強度分別為1.83 MPa、1.72 MPa、1.82 MPa，試驗結果如圖4所示。在-20 ℃的低溫條件下，人工冰的固態成分比較穩定，較大的加載速率不會對冰的破碎形式造成大的改變，所以人工冰的單軸壓縮強度比較穩定。

圖4 不同加載速率下-20 ℃人工冰的單軸壓縮強度Fig.4 Uniaxial compressive strength of -20 ℃artificial ice under different loading rates

在對人工冰實施加載的初始階段，由于冰樣在進行切割時存在一定誤差，試驗機壓頭與冰樣不能充分接觸，所表現出的彈性性能并不明顯，故選取力-位移曲線上升階段，按下式計算人工冰壓縮彈性模量值[16-17]：

(2)

式中，EICE為人工冰壓縮彈性模量；ΔFICE為人工冰破壞力變化量；x、y分別為冰樣塊承壓截面的長、寬；z為冰樣塊高度；Δz為冰樣塊高度變形量。

以-20 ℃人工冰在300 mm/min加載速率下的一組試驗結果為例，所截取的力-位移曲線上數據段如圖5所示。由式(2)計算可得，人工冰的壓縮彈性模量約為0.33 GPa。蜂窩芯冰固持后，可提高蜂窩壁抵抗彈性變形的能力，可避免在外載荷作用下蜂窩壁局部產生變形避讓。

圖5 -20 ℃人工冰300 mm/min加載下力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curve of -20 ℃artificial ice under 300 mm/min loading

2 高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗

2.1 試驗裝置與方案

(a)切削試驗現場圖

(b)切削試驗配置示意圖圖6 高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗Fig.6 Ice fixation cryogenic cooling machining test of superalloy honeycomb core

GH4099高溫合金蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工試驗裝置系統如圖6所示。本次試驗在長征KVC850M三軸聯動立式加工中心上進行，其工作臺行程為550 mm×850 mm×600 mm，主軸最高轉速為8000 r/min；采用DPL-175MP型自增壓液氮罐，通過真空隔熱管和孔徑2 mm的噴嘴對切削區域進行噴淋冷卻，降低切削熱，實現加工過程的冰固持約束保持；利用FLIR T610型紅外熱成像儀測試加工過程中的切削溫度；采用制冷裝置將完整浸沒的蜂窩芯進行低溫冰固，待完全凍結后，制冷溫度將始終穩定在-20 ℃；刀具選用4刃硬質合金整體式立銑刀，直徑為12 mm；GH4099高溫合金蜂窩芯樣塊尺寸為30 mm×40 mm×25 mm。

采用單因素試驗分析方法，選取的基礎切削參數為：主軸轉速n=7000 r/min,進給速度f=4000 mm/min,銑削深度ap=0.5 mm,銑削寬度ae=2 mm，在此組切削參數基礎上進行單因素變換，具體切削參數如表2所示。

表2 切削參數

2.2 試驗結果與分析

蜂窩芯加工質量會直接影響蒙皮的焊合率和蜂窩夾層結構的承載強度，故需分析切削參數對蜂窩芯加工質量的影響規律，從而進一步優化蜂窩芯冰固持低損傷加工工藝。采用KEYENCE VHX-600E型超景深顯微鏡測試加工后的表面微觀形貌，采用ZYGO NewView9000型3D表面形貌儀測試蜂窩芯孔壁的表面粗糙度。

在不同切削參數加工條件下，蜂窩芯孔壁的局部變形程度、受力點微裂紋擴展撕裂程度等均不同。根據蜂窩芯加工后的表面形貌特征，量化了相同結構參數和尺寸規格的高溫合金蜂窩芯加工后的缺陷種類和數量，如圖7所示。由蜂窩芯加工缺陷計數結果可知，缺陷類型主要有撕裂毛刺、蜂窩壁變形、雙層壁開焊、蜂窩壁塌邊、微小毛邊、過切缺失等。主要加工缺陷形貌如圖8所示。撕裂毛刺和蜂窩壁變形出現頻次較多，分別占缺陷總數的42.70%、29.73%。切削參數對蜂窩芯加工質量的影響從大到小排序依次為進給速度、銑削深度、主軸轉速、銑削寬度。

(a)主軸轉速(f=4000 mm/min、ap=0.5 mm、ae=2 mm)

(b)進給速度(n=7000 r/min、ap=0.5 mm、ae=2 mm)

(c)銑削深度(n=7000 r/min、f=4000 mm/min、ae=2 mm)

(d)銑削寬度(n=7000 r/min、f=4000 mm/min、ap=0.5 mm)圖7 切削參數對蜂窩芯加工缺陷的影響Fig.7 Influence of cutting parameters on machiningdefects of honeycomb core

(a)蜂窩壁變形 (b)撕裂毛刺 (c)微小毛邊

(d)過切缺失 (e)雙層壁開焊(f)蜂窩壁塌邊圖8 蜂窩芯典型加工缺陷Fig.8 Typical machining defects of honeycomb core

如圖7a所示，隨著主軸轉速的提高，蜂窩芯加工缺陷的種類和數量變化不明顯，轉速由4000 r/min變為8000 r/min時，蜂窩壁變形的數量由7變為1，撕裂毛刺的數量由0變為5，分析可能是因為主軸轉速的提高加大了切削刃對蜂窩壁的疊加擠壓作用，更多的蜂窩壁變形由微裂紋擴展成撕裂毛刺。如圖7b所示，隨著進給速度的提高，蜂窩芯加工缺陷數量先減少后增加，蜂窩壁塌邊集中出現在低進給加工時，存在應被去除而未被切除的蜂窩壁余量，被去除的塌邊根部也常伴有刀具切出的微小毛邊產生。如圖7c所示，隨著銑削深度的增大，蜂窩芯加工缺陷數量先減少后增加，切深小于1.5 mm時，隨著切深增大，切削位置的冰固持支撐力變大，加工缺陷減少，但切深大于1.5 mm時，隨著切深增大，切削力增大幅度大于冰固持支撐力增大幅度，加工缺陷增加，出現了雙層壁開焊和微小毛邊。如圖7d所示，隨著銑削寬度的增大，蜂窩芯加工缺陷數量逐漸增加，且蜂窩壁形面刀痕變得明顯。

(a)未加工 (b)冰固持 (c)無填充(d)無填充 超低溫 超低溫 干式圖9 不同加工條件下蜂窩芯加工質量Fig.9 Machining quality of honeycomb core underdifferent machining conditions

(a)無填充裝夾干式銑削(b)冰固持超低溫冷卻加工圖10 高溫合金蜂窩芯切削溫度Fig.10 Cutting temperature of superalloy honeycomb core

在最優切削參數主軸轉速7000 r/min、進給速度4000 mm/min、銑削深度0.5 mm、銑削寬度0.5 mm的加工條件下，蜂窩芯加工質量如圖9所示，可見，冰固持超低溫冷卻加工后的蜂窩芯樣件形面質量最佳，而在無填充裝夾條件下，由于高溫合金蜂窩芯面內弱剛性、徑向強度小等難加工特點，在切削加工時不易斷屑，蜂窩芯孔在外載荷作用下易產生較多的加工缺陷。如圖10所示，冰固持超低溫冷卻銑削加工中的切削溫度約為32.7 ℃，無填充裝夾干式銑削加工中的切削溫度約為131.1 ℃，說明在蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工過程中，利用噴淋液氮方式可大幅度降低切削熱，實現加工過程中冰固持約束保持。如圖11所示，冰固持超低溫冷卻加工后的蜂窩壁形面粗糙度Sa約為0.224 μm，未加工的蜂窩壁形面粗糙度Sa約為0.214 μm，兩者表面粗糙度幾乎一致，說明采用最優切削參數進行蜂窩芯冰固持超低溫冷卻加工不僅可以大幅度減少形面加工缺陷，同時還可以保證蜂窩芯孔不變形和蜂窩壁形面的光潔度。

(a)未加工

(b)冰固持超低溫冷卻加工圖11 加工前后蜂窩芯孔形狀及蜂窩壁形面粗糙度Fig.11 Hole shape of honeycomb core and surfaceroughness of honeycomb wall before and after machining

3 結論

(1)采用冰固持超低溫冷卻的裝夾和加工方法，固持和冷卻介質綠色環保、可循環利用、后處理簡單，對薄壁多孔復雜結構具有高適應性，可提高工藝系統剛性，可降低切削熱，可實現加工過程的固持約束保持，為金屬蜂窩芯低損傷加工提供了新方法。

(2)人工冰在側向抗壓強度和抵抗變形能力方面均優于高溫合金蜂窩芯，在金屬蜂窩芯加工中引入冰固持裝夾方式，可為其提供良好固定和支撐作用，彌補了蜂窩芯面內弱剛性和徑向強度小的加工劣勢，有利于提高蜂窩芯的加工質量。

(3)闡明了切削參數對蜂窩芯加工質量的影響規律，按影響程度由大到小依次為進給速度、銑削深度、主軸轉速、銑削寬度。在出現的6種典型加工缺陷中，撕裂毛刺占比最高，約為總數的42.70%。當轉速為7000 r/min、進給速度為4000 mm/min、切深為0.5 mm、切寬為0.5 mm時，可保證低損傷、低粗糙度、無變形的良好加工質量。