基于五軸高速銑削數(shù)控機(jī)床的航空用芳綸紙蜂窩加工工藝及試驗(yàn)研究

摘 要 芳綸紙蜂窩是航空航天領(lǐng)域常用的減重復(fù)合材料，由韌性較大的芳綸纖維和含量較高的脆性樹(shù)脂固化而成，固化成型后較難加工。為了滿足某型號(hào)加工精度要求，根據(jù)該材料的組成成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合需加工零件的形狀尺寸，用五軸高速銑削數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工工藝試驗(yàn)，通過(guò)單因素試驗(yàn)法，研究磨削速度、進(jìn)給速度和刀具前傾角對(duì)其表面質(zhì)量及形面精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同工藝參數(shù)對(duì)該型號(hào)芳綸紙蜂窩表面質(zhì)量及形面精度差異較大。該型號(hào)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(jìn)給速度最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質(zhì)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(guān)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(jié)構(gòu)材料，與蜜蜂的蜂巢結(jié)構(gòu)相同，是一種多孔結(jié)構(gòu)材料。蜂窩相比于其他材料具有更高的孔隙率和更低的質(zhì)量密度［1］。基于低密度、高強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)性能的特殊性，使芳綸紙蜂窩成為航空領(lǐng)域常用的減重復(fù)合材料，但同時(shí)在數(shù)控加工時(shí)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(jié)構(gòu)被破壞、形面加工殘留毛邊毛刺嚴(yán)重等問(wèn)題。如何更好地解決蜂窩材料的優(yōu)質(zhì)高效數(shù)控加工問(wèn)題，也是多年來(lái)復(fù)合材料應(yīng)用上的一個(gè)重要研究課題。為滿足某型號(hào)芳綸紙蜂窩數(shù)控加工生產(chǎn)任務(wù)需求，需要對(duì)本課題進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(shù)因?yàn)槠浔葌鹘y(tǒng)切削方式有更高的加工效率以及更好的加工表而質(zhì)量，而得到廣泛的應(yīng)用［3］；同時(shí)，因?yàn)槠湓诩舆^(guò)程中對(duì)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(jié)構(gòu)材料的加工。因此，復(fù)合材料的高速銑削加工正成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的對(duì)象。對(duì)于芳綸紙蜂窩的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、材料特性以及機(jī)械、力學(xué)特性等方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，但這些研究?jī)?nèi)容大多限于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度及緩沖性能等方面，對(duì)于紙基蜂窩材料的精密加工及其工藝技術(shù)的研究卻并不多見(jiàn)。浙江大學(xué)的劉剛教授及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)紙基蜂窩零件難于固持的問(wèn)題，發(fā)明了基于磁場(chǎng)與摩擦學(xué)原理的固持方法［4］；浙江大學(xué)金成柱博士在其博士論文中對(duì)芳綸紙蜂窩的高速加工工藝進(jìn)行了研究［5］；我國(guó)中航集團(tuán)的張勝文工程師對(duì)紙基蜂窩數(shù)控加工進(jìn)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(chǔ)［6］。

2 航空用芳綸紙蜂窩加工及試驗(yàn)研究

2.1 航空用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和表面質(zhì)量要求

芳綸紙蜂窩在航空領(lǐng)域常用在飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)內(nèi)，用于為空腔提供法向支撐，如圖1所示。

由于機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)基本為雙曲面，且部件內(nèi)部存在梁、肋等支撐結(jié)構(gòu)，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?yàn)镹向，因此對(duì)其加工質(zhì)量的重點(diǎn)要求在N向的質(zhì)量。目前航空航天應(yīng)用的芳綸紙蜂窩芯通常為六邊形結(jié)構(gòu)［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(lèi)的缺陷，例如蜂窩芯格變形、芯格塌陷、節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂、纖維拔出、表面燒蝕等［8-9］。因此，芳綸紙蜂窩常見(jiàn)數(shù)控?cái)?shù)控加工技術(shù)要求一般有：

（1）形面與三維設(shè)計(jì)數(shù)模一致，面輪廓度基本為0.5 mm，有些較為嚴(yán)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(wú)明顯毛邊、毛刺等影響膠接和形面精度的問(wèn)題；

（4）加工不可導(dǎo)致蜂窩孔格灼傷；

（5）加工不可導(dǎo)致蜂窩芯格破裂等影響蜂窩正常發(fā)揮性能的質(zhì)量問(wèn)題。

根據(jù)蜂窩加工技術(shù)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(guò)程中隨著刀具的切削也會(huì)產(chǎn)生較大的彈性模量變形，很難進(jìn)行高精度的加工。所以對(duì)芳綸紙蜂窩加工質(zhì)量檢測(cè)主要分為兩類(lèi)：尺寸精度檢測(cè)和表面、內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。由于蜂窩芯零件產(chǎn)品的尺寸精度檢測(cè)是可量化標(biāo)準(zhǔn)，可以采用激光跟蹤儀組合、攝影測(cè)量及二者混合的測(cè)量方法完成形面精度檢測(cè)［10］。因此，如何對(duì)蜂窩材料進(jìn)行高表面質(zhì)量的數(shù)控加工是需要進(jìn)行加工試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)備

根據(jù)蜂窩數(shù)控加工的特殊性，經(jīng)過(guò)分析，在開(kāi)始加工前需要在刀具的選型、加工設(shè)備的選擇、模具的設(shè)計(jì)、蜂窩固定方法、蜂窩翻面加工定位方法和形面檢測(cè)方法6個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)備。

（1）刀具選型：蜂窩數(shù)控加工具有專(zhuān)用的刀具體系，市場(chǎng)常見(jiàn)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(pán)銑刀，如圖5所示。

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

行程范圍：X=6000 mm、Y=2600 mm、Z=1200 mm；臺(tái)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(fù)定位精度：X=0.03 mm、Y=0.03 mm、Z=0.025mm；

最大轉(zhuǎn)速：24000 rad/min；

最大承重：1000 kg。

（3）模具設(shè)計(jì)：模具上設(shè)置蜂窩定位標(biāo)記和對(duì)刀點(diǎn)，模具材料優(yōu)先采用全鋁合金模具，采用框架結(jié)構(gòu)，控制自重不超過(guò)1000 kg。

（4）蜂窩固定：國(guó)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(guò)借鑒經(jīng)驗(yàn)，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(shè)置的蜂窩定位標(biāo)記，將蜂窩輪廓邊沿與定位標(biāo)記對(duì)齊；

（6）形面的檢測(cè)：蜂窩形面精度要求±0.2 mm，結(jié)合公司現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備，選用激光跟蹤儀對(duì)工件進(jìn)行形面檢測(cè)，設(shè)備型號(hào)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(wú)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(jìn)給速度和切削深度。在蜂窩精加工時(shí)一般使用盤(pán)銑刀切削，且精加工余量普遍不超過(guò)2 mm，因此切削深度對(duì)蜂窩加工精度影響極??；而使用盤(pán)銑刀加工時(shí)，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(zhì)量。雖然各刀具品牌廠家在針對(duì)蜂窩加工會(huì)給出建議參數(shù)值，但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)、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(shí)際生產(chǎn)中的最優(yōu)化的參數(shù)。經(jīng)多方調(diào)查統(tǒng)計(jì)，推薦的切削角速度范圍8000 rpm～20000 rpm，進(jìn)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(hào)蜂窩生產(chǎn)的最優(yōu)加工參數(shù)，是本次研究的關(guān)鍵技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)上文所述，本次研究關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行加工試驗(yàn)來(lái)判定各加工參數(shù)對(duì)蜂窩表面質(zhì)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(shù)規(guī)范（GPS）形狀與位置公差 檢測(cè)規(guī)定》；

蜂窩產(chǎn)品型號(hào)生產(chǎn)文件，蜂窩組件三維設(shè)計(jì)數(shù)模。

3.1 試驗(yàn)方案

由2.2中蜂窩零件結(jié)構(gòu)可知，蜂窩相對(duì)于弦平面對(duì)稱(chēng)，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(biāo)系Z軸高度調(diào)整，因此在表面質(zhì)量及進(jìn)行形面精度試驗(yàn)時(shí)，僅需加工單面即可獲得結(jié)論，節(jié)省試驗(yàn)成本。同樣，在進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)時(shí)，可首先以2.3.3獲得的參數(shù)推薦范圍為依據(jù)逐項(xiàng)檢驗(yàn)排查，減少試驗(yàn)次數(shù)。

考慮到節(jié)約加工成本，在研究切削角速度、進(jìn)給速度和前傾角對(duì)工件加工質(zhì)量影響的同時(shí)，還需要考慮加工參數(shù)對(duì)刀具磨損以及加工時(shí)長(zhǎng)的影響。

采用單一變量法，分別以切削角速度、進(jìn)給速度和前傾角為自變量，以蜂窩表面質(zhì)量、形面精度、刀具磨損和加工時(shí)長(zhǎng)為因變量進(jìn)行加工參數(shù)試驗(yàn)。

在采用單一變量法時(shí)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，其余變量應(yīng)當(dāng)選取最能保證加工質(zhì)量的值：

（1）進(jìn)行切削角速度工藝試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)取推薦值中較小值300 mm/min、前傾角應(yīng)選較小值1°；

（2）進(jìn)行進(jìn)給速度工藝試驗(yàn)時(shí)，切削角速度應(yīng)取前一步試驗(yàn)的最優(yōu)值、前傾角應(yīng)選推薦值中較小值1°；

（3）進(jìn)行前傾角工藝試驗(yàn)時(shí)，切削角速度和進(jìn)給速度應(yīng)取前一步試驗(yàn)的最優(yōu)值。

每次參數(shù)試驗(yàn)完成后，使用激光跟蹤儀對(duì)工件形面進(jìn)行自由擬合檢測(cè)，并對(duì)比檢測(cè)結(jié)果得出結(jié)論。

3.1.1 切削角速度工藝試驗(yàn)

蜂窩材料加工一般采用高速銑削，為減少試驗(yàn)次數(shù)，首先選取5000 rpm、10000 rpm、15000 rpm、20000 rpm進(jìn)行加工試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)角速度所在區(qū)間，再重復(fù)進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.1.2 進(jìn)給速度工藝試驗(yàn)

首先選取500 mm/min、1000 mm/min、1500 mm/min、2000 mm/min進(jìn)行加工試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定進(jìn)給速度所在區(qū)間，再重復(fù)進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.1.3 前傾角工藝試驗(yàn)

首先選取1°、3°、5°進(jìn)行加工試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定進(jìn)給速度所在區(qū)間，再重復(fù)進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

3.2 工藝試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 切削角速度對(duì)加工質(zhì)量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.1選取的參數(shù)進(jìn)行第一次試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(gè)參數(shù)值進(jìn)行第二次試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)第二次試驗(yàn)結(jié)果可得到結(jié)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(jìn)給速度對(duì)加工質(zhì)量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.2選取的參數(shù)進(jìn)行第一次試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可知進(jìn)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(gè)參數(shù)值進(jìn)行第二次試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)第二次試驗(yàn)結(jié)果可得到結(jié)論，蜂窩加工進(jìn)給速度vf最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質(zhì)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(duì)加工質(zhì)量與加工成本的影響

根據(jù)3.1.3選取的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得到結(jié)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(zhì)量差距細(xì)微。

3.3 產(chǎn)品試制與驗(yàn)證

結(jié)合3.2工藝試驗(yàn)結(jié)果，選取工藝參數(shù)切削角速度為12000 rpm、進(jìn)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(jìn)行蜂窩零件的試制，檢驗(yàn)結(jié)果如下：

第一面檢測(cè)結(jié)果：

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

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

（3）工件表面質(zhì)量較好，無(wú)孔格撕裂，表面無(wú)毛刺。

第二面檢測(cè)結(jié)果：

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

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

（3）工件表面質(zhì)量較好，無(wú)孔格撕裂，表面無(wú)毛刺。

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

4 結(jié)語(yǔ)

（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(jìn)給速度最優(yōu)參數(shù)為1000 mm/min，為保證加工質(zhì)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(guò)產(chǎn)品試制驗(yàn)證，結(jié)論合理可靠；

（5）在機(jī)械加工過(guò)程中，由于不同容重的蜂窩自身強(qiáng)度不同，需要不同的加工參數(shù)，對(duì)于具體的每一種蜂窩，都需要進(jìn)行相應(yīng)的試加工，以確定該類(lèi)蜂窩的最終加工參數(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］

魏賀冉，閆聯(lián)生，孫建濤.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制備與應(yīng)用進(jìn)展［J］.航天制造技術(shù)，2022，（4）：43-49.

［2］應(yīng)杰，殷振，張鵬，等.芳綸紙蜂窩材料超聲波振動(dòng)切割刀的設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2024，41（4）：117-122.

［3］李紅強(qiáng).高速銑削技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造，2015，（10）：18-19.

［4］劉剛，柯映林.紙基蜂窩芯材料磁場(chǎng)和摩擦吸附固持加工中鐵粉填充優(yōu)化方法的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，（1）：74-76+80.

［5］柯映林，金成柱，劉剛.NOMEX蜂窩芯高速銑削加工工藝的優(yōu)化［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，（12）：1299-1302.

［6］張勝文.紙蜂窩件數(shù)控加工方法［J］.金屬加工（冷加工），2009，（16）：25-28.

［7］張?jiān)?，吉增?芳綸紙蜂窩制造與應(yīng)用［J］.玻璃纖維，2024，（3）：33-36.

［8］郝威，李明，王玨，等.復(fù)合材料芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件特殊缺陷檢測(cè)［J］.航空學(xué)報(bào)，2022，43（7）：438-446.

［9］馬義新.高密度芳綸紙蜂窩磨削加工試驗(yàn)研究［D］.大連理工大學(xué)，2019.DOI：10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000806.

［10］李進(jìn)，應(yīng)斌，鄭秀楠.復(fù)材超級(jí)壁板數(shù)字化測(cè)量技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（5）：48-49.DOI：10.16107/j.cnki.mmte.2019.0453.