基于超声波机床的蜂窝芯数控加工技术研究.pdf

基 于超 声 波 机 席 的蜂 窝芯 数控 加 工 技 研 究术 口高涛 口骆金威 口林勇 口李裕 中航工业成飞数控加工厂成都6 1 0 0 9 1 摘要 以蜂 窝芯的结构及 力学性 能为基 础 ， 介绍 了当前芳纶纸蜂窝芯的加工现状 ， 并分析 了其存在的主要 问题 。 阐 述 了超 声波机床加 工蜂 窝芯的基本原理及切 削方式 ．在此基础上对超 声波机床加 工芳纶纸蜂 窝芯的数控加工技术进行 了研 究 ． 取 得 了一 定 的 成 果 。 关键词 蜂窝芯超声 波数控加工固持 中图分类号 T H1 6 2 ； T G 6 6 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 1 0 0 4 1 0 3 随 着 航 空 航 天 技 术 的 发 展 ， 蜂 窝 芯 具 有 比强 度 大 、 比 刚 度 高 、 耐 热 、 抗 冲 击 、 抗 疲 劳 、 绝 缘 等 诸 多 优 良性 能 而 被 广 泛 使 用 其 中使 用 最 广 泛 的 是 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 ． 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 是 由特 殊 的 制 造 工 艺 将 芳 纶 纸 制 成 正 六 边 形 的 蜂 窝 状 结 构 ． 其 轴 向 材 料 组 成 连 续 。 是 刚 度 最 大 的 方 向 ． 可 以 承 受 较 大 的 压 力 ． 而 在 垂 直 于 轴 向 平 面 内 ， 材 料 组 成 不 连 续 ． 刚 度 很 小 ． 故 几 乎 不 能 承 受 垂 直 于 轴 向 的 拉 力 或 者 压 力 。因 此 ． 蜂 窝 芯 通 常 通 过 黏 结 上 下 两 块 蒙 皮 组 成 蜂 窝 结 构 ． 形 成 可 以 承 受 弯 曲 、 剪 切 、 拉 压 力 的 整 体 刚 性 体 1 现状研究 根 蜂 窝 芯 只 能 单 向 受 力 这 一 特 殊 的 力 学 性 能 ． 在 为 航 空 航 天 应 用 上 带 来 诸 多 优 点 的 同 时 ．也 给 其 加 工 带 来 了 新 的 难 题 近 年 来 ． 随 着 蜂 窝 芯 在 航 空 工 业 上 的 使 用 逐 渐 广 泛 ．一 些 学 者 和 工 程 技 术 人 员 都 进 行 了 相 关 的 研 究 工 作 柯 映 林 _ l_ 3 ] 主 要 从 有 限元 数 值 仿 真 和 工 程 实 验 两 方 面 深 入 研 究 了 蜂 窝 芯 加 工 过 程 中 的 固持 技 术 ． 是 研 究 蜂 窝 固 持 技 术 的 代 表 性 人 物 ； 张 菊 霞 4 - 5 ] 基 于 常 规 数 控 机 床 对 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 数 控 加 工 进 行 了 探 讨 ． 对 加 工 刀 具 的 选 择 做 了 初 步 的 研 究 工 作 侯 小 林 [ ] 以 具 体 零 件 为 例 ．介 绍 了基 于 高 速 铣 床 加 工 蜂 窝 芯 的 工 艺 流 程 、 固 持 方 法 、 加 工 参 数 选 择 等 ； 李 焱 、 何 勇 6 l等 对 当 前 基 于 高 速 数 控 铣 床 加 工 蜂 窝 芯 的 工 艺 方 案 的 各 个 环 节 进 行 了 较 为 全 面 的 梳 理 和 总 结 张 永 岩 等 基 于 超 声 波 机 床 ． 研 究 了 在 C AT I A V5环 境 下 蜂 窝 芯 的 数 控 编 程 技 术 笔 者 在 总 结 前 人 研 究 成 果 的 基 础 上 ．对 基 于 常 规 的 数 控 铣 床 加 工 蜂 窝 芯 的 工 艺 方 法 进 行 了 总 结 和 分 析 ． 找 出 传 统 数 控 铣 床 加 工 蜂 窝 芯 存 在 的 主 要 问 题 。 2蜂 窝芯加工现状及存在 问题 国家重 大科技专 项 编号 2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 5 0 1 1 收稿 日期 2 0 1 2年 8月 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 2． 1蜂 窝 芯 加 工 现 状 金 属 材 料 的 固 持 ． 主 要 采 用 专 用 夹 具 、 真 空 吸 附 等 方 法 蜂 窝 芯 的 结 构 特 点 和 材 料 性 能 决 定 了 其 无 法 采 用 这 两 种 方 式 ． 目前 大 部 分 的 企 业 都 是 通 过 胶 带 黏 结 。 即 在 蜂 窝 芯 零 件 的 非 加 工 面 和 垫 板 或 工 装 之 间通 过 铺 一 层 双 面 胶 带 同理 ．蜂 窝 芯 的结 构 特 点 和 力 学 性 能 也 决 定 了 其 无 法 使 用 普 通 立 铣 刀 ． 当 前 加 工 使 用 的 刀 具 主 要 有 两 种类 型 ① 带有 打碎 部分 的组 合 刀具 见 图 1 ， 该 类 型 刀 具 由 刀 杆 、 刀 盘 、 刀 片 3部 分 组 成 ， 用 于 蜂 窝 零 件 的 粗 加 工 刀 具 在 加 工 过 程 中 通 过 刀 盘 上 锯 齿 状 切 削 刃 将 蜂 窝 芯 材 料 打 碎 ． 从 而 达 到 去 除 材 料 的 作 用 ⑦ 无 打 碎 部 分 的 无 齿 刀 具 见 图 2 ． 这 种 类 型 的 刀 具 由 刀 杆 和 刀 片 组 成 ． 通 过 切 割 的 方 式 去 除 剩 余 的 少 许 材 料 ． 最 终 保 证 型 面 的 表 面 质 量 ． 一 般 多 用 于 精 加 工 2 ． 2存 在 问题 目前 国 内 一 些 企 业 已 经 具 备 了 加 工 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 能 力 ． 通 过 固 持 方 法 的 改 进 和 使 用 特 定 的 刀 具 ． 产 品 质 量 也 日趋 稳 定 。 在 蜂 窝 芯 零 件 量 产 较 小 时 ． 这 种 工 艺 方 案 基 本 能 满 足 生 产 的 需 求 但 是 ． 随 着 蜂 窝 芯 零 件 的 使 用 范 围 逐 渐 扩 大 。 产 量 越 来 越 大 ． 该 工 艺 方 案 的 弊 端 也 日趋 明 显 ， 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 1 加 工 效 率 低 下 现 行 加 工 方 法 为 保 证 产 品 质 量 。 大 幅 度 减 小 了 切 削 参 数 ． 导 致 加 工 效 率 低 下 ． 因 此 ， 提 高 加 工 效 率 是 目前 此 类 零 件 的 首 要 任 务 2质 量 隐 患 严 重 采 用 打 碎 的 方 式 容 易 造 成 蜂 窝 芯 零 件 在 边 缘 被 拉 起 ． 尤 其 是 切 削 量 过 大 时 因 此 ． 如 2 0 1 3 ／ 1圃I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 何 有 效 消 除 这 些 质 量 隐 患 、保 障 产 品 质 量 也 是 当 前 此 类 零 件 加 T 的 难 题 3 加 T 环 境 恶 劣 。打 碎 零 件 会 产 生 大 量 的 粉 尘 ． 给 操 作 者 的 身 心 健 康 带 来 极 大 的 隐 患 ．也 会 造 成 车 间 环 境 的 污 染 以 上 3个 问 题 是 当 前 加 工 过 程 中 主 要 显 现 的 问 题 要 从 根 本 上 解 决 这 些 顽 疾 ． 必 须 从 加 工 模 式 上 进 行 革 新 ． 在 这 种 情 况 下 ． 基 于 超 声 波 加 工 蜂 窝 芯 的 技 术 便 应 运 而 生 。 3 超声 波机床 加工蜂窝芯的关键技术 3． 1超 声 波 机 床 的 主 要 结 构 及 刀 具 1 9 8 0年 奥 地 利 GF M 公 司 在 全 球 首 次 将 超 声 技 术 引 入 机 械 切 割 领 域 ．并 开 发 出 用 于 复 合 材 料 加 工 的 超 声 切 割 设 备 ． 经 过 几 十 年 的 发 展 ． 超 声 波 机 床 已 成 为 加 T 芳 纶 纸 蜂 窝 等 复 合 材 料 最 先 进 的设 备 超 声 波 机 床 是 通 过 超 声 波 发 生 器 产 生 超 声 振 荡 波 ． 经 换 能 器 见 图 3 转 换 成 超 声 机 械 振 动 来 切 削 零 件 的 一 种 机 械 加 工 设 备 其 使 用 的 刀 具 主 要 有 两 种 见 图 4 ． 一 种 是 用 于 粗 加 工 大 余 量 去 除 材 料 所 用 的 匕首 式 刀 具 另 一 种 是 用 于 精 加 T 的 盘 片 式 刀 具 。 显 然 ．超 声 波 机 床 使 用 的 刀 具 完 全 不 同 于 常 规 数 控 机 床 使 用 的 刀 具 ． 因 此 ． 机 床 的结 构 不 同 于 常 规 的 数 控 铣 床 常 规 的 数 控 机 床 最 多 是 5坐 标 的 ． 而 超 声 波 机 床 除 了 拥 有 、 l ， 、 A、 G 5个 坐 标 外 ， 还 有 1个 用 于 控 制 匕首 式 刀 具 刃 口方 向 或 者 盘 片 式 刀 具 主 轴 转 速 的 轴 ． 其 切 削 原 理 及 加 T 方 式 也 因此 而 异 于 常 规 数 控 机 床 因 此 ． 要 实 现 基 于 超 声 波 机 床 的芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 高 性 能 加 1 二 ． 必 须 先 研 究 超 声 波 机 床 的 切 削 原 理 、 切 削 方 式 及 加 T 技 术 3 ． 2超 声 波 机 床 的 切 削原 理 、 方 式 及 加 工 技 术 研 究 3． 2． 1 匕首 式 刀 具 1 切 削 原 理 及 切 削 方 式 。 这 种 方 式 是 机 床 的 主 轴 不 旋 转 ． 轴 用 来 控 制 刀 具 的 刃 口方 向 ． 通 过 刀 具 沿 主 轴 方 向 的 振 动 来 切 割 零 件 主 要 在 粗 加 工 型 面 或 大 余 量 去 除 材 料 的 时 候 使 用 ． 因 其 切 割 后 零 件 表 面 呈 “ V” 型 见 图 5 ． 故 而 得 名 ． 其 切 削 原 理 是 通 过 超 声 发 生 器 产 生 超 声 波 ．经 换 能 器 转 换 成 沿 刀 具 轴 向 的 超 声 机 械 振 动 来 切 削 零 件 很 明 显 ． 匕首 式 刀 具 的 切 削 原 I圈 2 0 1 3 ／ 1 理 、 方 式 与 常 规 的 金 属 切 削 完 全 不 同 ， 因 此 在 数 控 加 工 过 程 中 有 很 多 需 要 解 决 的 关 键 技 术 。为 了 便 于 说 明 ， 建 立 相 应 的 加 工 坐 标 系 见 图 6 ， 其 中 直 线 A曰表 示 匕首 式 刀 具 的 实 际 切 削 刃 长 ， 点 为 刀 尖 点 。 2 加 工 技 术 研 究 。 刀 具 的 等 效 半 径 处 理 到 目前 为 止 ．绝 大 部 分 的 数 控 编 程 软 件 都 不 支 持 匕首 式 刀 具 编 程 ． 只 能 当作 圆 柱 形 刀 具 来 处 理 ． 因 此 必 须 对 匕首 式 刀 具 进 行 等 效 半 径 处 理 。 当 刀 位 轨 迹 为 直 线 时 ． 可 以 保 证 刀 具 的 刃 口方 向 始 终 沿 着 轮 廓 方 向 ． 此 时 日 轴 不 转 动 ． 刀 具 的 等 效 半 径 越 小 ． 刀 位 轨 迹 就 越 接 近 零 件 的 轮 廓 线 ． 当 刀 具 半 径 为 零 时 ． 刀 位 轨 迹 与 零 件 的 轮 廓 线 重 合 当 刀 位 轨 迹 为 曲 线 时 ． 等 效 半 径 处 理 过 大 或 过 小 都 会 造 成 零 件 的过 切 或 者 残 留 ．其 中 加 工 内轮 廓 时 会 造 成 过 切 ． 加 工 外 轮 廓 时 会 造 成 残 留 。 刀 具 、 摆 角 、 步 长 等 参 数 之 间 的 关 系 v 型 切 割 时 ， 假 设 “ V” 型 角 度 为 图 6中 DAG ． 则 刀 具 切 割 时 的 摆 角 为 o ．／ 2 图 6 中 O AC ， 步 长 为 每 两 个 同 向 “ V” 之 间 的距 离 ．图 6中 的 C D ， 刀 具 的 实 际 切 削 长 度 为 ． ，切 削 深 度 为 d 图 6中 A0 ， 一 般 而 言 ，匕首 式 刀 具 在 进 行 切 削 时 ． 为 保 证 零 件 在 加 工 过 程 中 的 稳 定 性 ． 通 常 使 刀 具 保 持 一 个 前 倾 角 图 6中 B AC ， 根 据 图 6 的 几 何 关 系 有 d t a n 1 ● ‘ 。 。 。 ‘ 。 ’ 。 ’’’ 一 L lC O S T ＼ ／ g S 2 联 立 式 1 和 式 2 L lc o s T 、 ／ ta n 手 d s e c 手 3 L1 d s e e ／ c o s 4 在 编 程 及 加 工 过 程 中 ．必 须 保 证 刀 具 的 实 际 切 削 刃 长 小 于 最 大 刃 长 。 ， 即 Ll ds e c ／ c o s y≤ 0 5 ① 刀 位轨迹 突 变处 的抬 刀 问题 。当 匕首式 刀具 的 刀 位 轨 迹 存 在 方 向 突 变 时 ． 控 制 方 向 变 化 的 B 轴 会 突 然 转 动 较 大 角 度 ． 此 时 若 刀 具 的切 削 深 度 过 大 。 在 刀 具 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 方 向 突 然 改 变 时 会 挤 压 零 件 ． 此 时 应 考 虑 抬 刀 ． 抬 刀 考 虑 的 因 素 包 括 转 角 的 大 小 及 切 削 深 度 ． 一 般 ． 加 工 内轮 廓 都 要 抬 刀 ． 否 者 会 对 零 件 造 成 较 大 损 伤 ② 轴 向过 切 问题 的处 理 。 轴 向过 切 问题 的处 理 ． 如 图 7所 示 ， 匕首 刀 具 在 端 头 处 为 平 口 ． 其 宽 度 为 1 ～ 2 mm． 由 于 程 序 轨 迹 是 以 刀 具 中 心 生 成 ． 加 工 中 在 带 有 前 倾 角 的 情 况 下 其 刀 尖 部 位 将 低 于 程 序 轨 迹 ． 造 成 零 件 过 切 。 因 此 ． 编 程 时 可 根 据 实 际 情 况 对 刀 具 轨 迹 进 行 适 当 的 偏 移 ． 避 免 加 工 中 产 生 过 切 现 象 3 ． 2 - 2 盘 片 式 刀 具 1 切 削 原 理 及 切 削 方 式 。 切 削 原 理 仍 然 是 超 声 波 经 换 能 器 转 化 为 沿 刀 具 轴 向 的 机 械 振 动 波 ． 同 时 曰 轴 旋 转 ．带 动 盘 片 式 刀 具 旋 转 ．类 似 于 常 规 的 数 控 机 床 蜂 窝 芯 垂 直 于 轴 向 可 承 受 的 力 非 常 小 ． 若 采 用 常 规 的 切 削 方 式 。 必 然 会 导 致 蜂 窝 芯 收 缩 或 扩 张 。 超 声 波 机 床 通 过 高 频 和 微 小 振 幅 的 切 削 方 式 ． 既 保 证 了 零 件 的 正 常 切 削 加 工 ． 又 因 为 其 接 触 时 间 极 短 ． 不 会 使 蜂 窝 芯 出 现 收 缩 或 者 扩 张 等 变 形 情 况 发 生 盘 片 式 旋 转 切 削 方 式 是 刀 具 沿 法 向 振 动 的 同 时 B 轴 旋 转 ． 通 过 很 小 的 振 幅 约 0 ． 0 2 ～ 0 ． 0 4 mm 去 除 余 量 见 图 8 。 2 加 工 技 术 研 究 。 盘 片 式 刀 具 切 削 运 动 方 式 与 常 规 的 数 控 机 床 类 似 ．表 现 为 刀 具 的旋 转 运 动 以及 刀 具 与 工 件 之 间 的 相 对 运 动 ． 主 要 区 别 在 于 盘 片 式 刀 具 无 底 齿 ． 因 此 编 程 和 加 工 时 应 注 意 以 下 几 个 方 面 。 ① 进 退 刀 问 题 。 由 于 该 刀 具 不 具 备 底 面 切 削 能 力 ， 加 工 中 进 退 刀 应 控 制 在 零 件 毛 坯 以 外 ，特 别 要 避 免 刀 具 在 零 件 内部 直 接 抬 刀 。 ⑦ 切 削 前 倾 角 。 根 据 超 声 波 轴 向 切 削 原 理 ， 为 避 免 刀 具 在 加 工 过 程 中 由 于 振 动 ．使 刀 具 底 面 与 零 件 上 表 面 发 生 摩 擦 ． 影 响 表 面 质 量 ． 加 工 过 程 中针 对 不 同 直 径 的 刀 具 应 保 持 适 当 的 前 倾 角 ．通 常 情 况 下 前 倾 角 的 范 围 在 0． 1 ～ 0． 3。 之 间 ③ 振 幅 经 验 公 式 。假 设 机 床 的 转 速 为 n， 刀 具 的 半 径 为 r ． 超 声 波 机 床 的 超 声 振 动 频 率 为 厂 ， 刀 具 的 轴 向 振 幅 为 A． 则 切 削 线 速 度 可 以 表 示 为 U c 2r n ／ 60 6 振 幅 A 与 线 速 度 之 间 有 以 下 经 验 公 式 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 A v J 2 4应 用效 果 7 通 过 对 超 声 波 机 床 的 深 入 研 究 和 分 析 ． 实 现 了基 于 超 声 波 机 床 加 工 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 高 性 能 数 控 加 工 ． 与 常 规 的 数 控 机 床 加 工 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 相 比 ． 无 论 是 在 加 工 效 率 还 是 在 产 品 质 量 上 都 有 了很 大 的 提 高 。 超 声 波 机 床 切 削 的 最 大 特 征 是 切 割 材 料 不 会 产 生 粉 尘 污 染 ， 使 加 工 车 间 的 环 境 得 到 了 极 大 的 改 善 表 1 。 表 1 普通数控机床与超 声波机床 加工对 比 产 品合格率％ 加工时间／ mi n 粉尘 污染 普通数控机床加工 8 5 2 2 0 严重 超声波机床加工 9 7 1 5 0 微量 对 比 提高 1 2 ％ 效率提高 3 2 ％ 改进 明显 5 结束语 本 文 以芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 结 构 及 力 学 性 能 为 基 础 ． 介 绍 了 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 数 控 加 工 技 术 的 发 展 ． 阐 述 了 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 加 工 现 状 及 存 在 的 生 产 效 率 低 下 、 质 量 隐 患 严 重 、 环 境 污 染 严 重 的 主 要 问 题 。 为 实 现 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 高 性 能 数 控 加 工 ．本 文 基 于 超 声 波 机 床 对 芳 纶 纸 蜂 窝 芯 的 切 削 原 理 及 数 控 加 工 技 术 进 行 了 较 为 深 入 的 研 究 ． 并 将 研 究 成 果 付 诸 工 程 应 用 ． 取 得 了 较 好 的 效 果 由 于 目前 基 于 超 声 波 机 床 蜂 窝 芯 的 数 控 加 工 技 术 还 处 于 探 索 与 快 速 发 展 的 阶 段 ．加 工 过 程 中 还 有 很 多 需 要 解 决 的 关 键 技 术 ． 如 误 差 分 析 与 控 制 等 。 这 些 都 是 由 待 于 本 领 域 今 后 急 需 解 决 的 问 题 。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨辉． 蜂窝加工 固持设 备控制系统研 究与开发 [ D] ． 杭州 浙江大学 ． 2 0 1 0 『 2 ] 金城柱 ， 刘刚 ， 柯 映林 ． 基于铣削力模型 的 N O ME X蜂窝 固 持工艺优化 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 7 ， 4 1 4 ． 『 3 ] 刘刚． 纸基蜂窝芯零件 高速铣削加 工固持系统 [ D] ． 杭州 浙 江 大学 ． 2 0 0 4 [ 4 ] 张菊霞 ， 田卫． 浅谈蜂窝芯零件 的数控加工 [ J ] ． 复材制 造 ， 2 01 0 6 ． 『 5 ] 张菊霞 ． 田卫． 碳 纤维 、 芳纶纤维 、 蜂窝芯零件 数控加工刀 具 的选用 [ J ] ． 复合材料切削加工， 2 0 1 0 1 5 ． 『 6 ] 李 焱 ， 何 勇． N o m e x蜂窝 芯零件 的数控加工 [ C ] ． 第 二届 中 国航 空学会青年科技论坛论文集． 北京 航空工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 『 7 ] 侯小林 ， 祝益军 ． 蜂窝结构 件的数控加工 [ J ] ． 航 空制造技 术 ． 2 0 0 9 增刊 ． 『 8 ] 张永岩 ， 张超 ， 李微。 超声波机床基于 C A T I A V 5复合材料 蜂窝件数控编程方法研究 [ J ] ． 航空制造技术 ， 2 0 1 2 9 ． 编 辑 丁 罡 2 0 1 3 ／ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m