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       [ 摘要] 根據(jù)超聲波機(jī)床加工蜂窩芯的基本原理及切削方式，在雙面膠帶固持技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種高效、經(jīng)濟(jì)的芳綸紙蜂窩固持方法，極大地提高了固持效率，降低了成本。建立了機(jī)床功率、真空壓力、切削參數(shù)以及刀具參數(shù)與最小薄膜面積之間的解析表達(dá)式，根據(jù)機(jī)床參數(shù)求解可選用新型固持方案的最小薄膜面積。

       芳綸紙（Nomex）蜂窩芯（圖1）材料因其比強(qiáng)度高、比剛度大、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、吸能強(qiáng)、絕緣性能好和能透電磁波等一系列特性而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。由于蜂窩芯的橫向結(jié)構(gòu)不連續(xù)，剛度極小，而軸向則有很強(qiáng)的剛度，故其主要承受軸向載荷。蜂窩芯在帶給航空航天產(chǎn)品諸多優(yōu)良性能的同時(shí)也因其加工的特殊性帶來了新的難題，尤其是加工過程中的固持技術(shù)，一直是制約其高效加工的瓶頸之一。

        圖1 蜂窩芯結(jié)構(gòu)
 

       近年來，隨著蜂窩芯材料在航空航天領(lǐng)域的大量使用，其固持技術(shù)已成為相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的蜂窩芯加工的固持方法主要有以下幾種[1-3] 。

        圖2 雙面膠帶固持示意圖

       雙面膠帶固持法：通過一面粘在夾具上，另一面粘在工件上的雙面粘結(jié)帶實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的固定，如圖2 所示。這是目前芳綸紙蜂窩固持的主要方法，在國(guó)內(nèi)主要航空企業(yè)中廣泛使用，這種方法固持力小，不適合切削深度大及切削力大的零件，但基本能滿足芳綸紙蜂窩的加工要求。

       該固持方法的主要缺點(diǎn)是加工準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)槟z帶都是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的，在零件較大時(shí)需要粘貼多塊膠帶，膠帶與膠帶之間既不能重疊，也不能留縫隙，否則會(huì)導(dǎo)致加工誤差或者固持不牢；另外，粘貼膠帶前需要用酒精等有機(jī)溶劑清洗零件，加工完以后還需要用酒精等有機(jī)溶劑去除膠帶，這樣零件加工的準(zhǔn)備時(shí)間往往是加工時(shí)間的數(shù)倍，大大降低了零件的加工效率。同時(shí)，清洗用的酒精等有機(jī)溶劑易揮發(fā)，造成車間的環(huán)境污染；再次，膠帶是一次性使用的消耗品，增加了零件的制造費(fèi)用。

       隔膜固持法：用塑料膠片或用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成的隔膜粘在切削面的對(duì)稱面上，再利用抽真空和雙面粘結(jié)帶加以固定，加工完成之后將隔膜去掉。這種方法固定很牢靠，可進(jìn)行大力切削，適合各類蜂窩芯的加工固持，缺點(diǎn)和雙面膠帶固持方法基本相同，且加工前的準(zhǔn)備時(shí)間更長(zhǎng)。相變固持法：這種方法是利用聚乙二醇加熱（70~90℃）熔化后冷卻固化的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的固定。這種固持方法相對(duì)前兩種加工準(zhǔn)備時(shí)間稍短，但對(duì)于金屬蜂窩芯而言，加工過程中產(chǎn)生的切削熱會(huì)使聚乙二醇熔化而導(dǎo)致工件脫落。同樣，零件加工完以后需要用有機(jī)溶劑清洗零件。

      磁性鐵粉固持法：針對(duì)上述固持方法存在的不足，浙江大學(xué)柯映林等提出了一種基于磁場(chǎng)和摩擦吸附原理的新夾持方法。該方法利用灌入蜂窩芯中鐵粉的自重以及外加磁場(chǎng)對(duì)鐵粉的吸引力，在鐵粉與蜂窩側(cè)壁之間以及蜂窩芯與夾具平臺(tái)之間產(chǎn)生可以控制的摩擦力，利用摩擦力的作用達(dá)到在高速加工過程中對(duì)紙基蜂窩零件的夾持。柯映林等于2007 年還利用有限元模擬試驗(yàn)建立了加工誤差、銑削力、固持工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型，并對(duì)固持工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，提高了加工精度。截至目前，柯映林提出的固持方法具有較高的理論水平，同時(shí)大大縮短了加工準(zhǔn)備時(shí)間，提高了加工精度，并且加工后鐵粉易清除，減少了操作者的勞動(dòng)，在批量生產(chǎn)中具有較好的推廣前景。但是該固持方法需要制造一套專用的磁性設(shè)備，且其設(shè)備中諸如電流強(qiáng)度、鐵粉用量等也需要一定的專業(yè)知識(shí)，尤其是針對(duì)不同尺寸的零件，這些參數(shù)的合理使用需要專業(yè)人士才能確定，不利于在普通操作者之間大力推廣。

       1 、基于超聲波機(jī)床加工蜂窩芯的固持技術(shù)

      超聲波機(jī)床是通過超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)來切削零件的一種機(jī)械加工設(shè)備。其切削方式與傳統(tǒng)的機(jī)床有較大的差異，固持技術(shù)也因此而有所不同。

      1.1 超聲波機(jī)床的切削方式

      目前，基于超聲波機(jī)床加工芳綸紙蜂窩的切削方式及對(duì)應(yīng)的刀具主要有兩種[4-5] ：V 型切削方式和盤片式切削方式。

      圖3 V型切削

      V 型切削方式如圖3 所示，是機(jī)床的主軸不旋轉(zhuǎn)，通過刀具沿主軸方向的振動(dòng)來切割零件，對(duì)應(yīng)的刀具為匕首式刀具，如圖4 所示。

      圖4 不同刀具

      盤片式旋轉(zhuǎn)切削方式如圖5 所示，是刀具沿法向振動(dòng)的同時(shí)B 軸旋轉(zhuǎn)，通過很小的振幅（約0.02~0.04mm）去除余量。

      圖5 盤片式切削

      1.2 高效、經(jīng)濟(jì)的芳綸紙蜂窩芯固持方法

       本文通過對(duì)蜂窩加工工藝方法及固持方法的仔細(xì)分析和研究，結(jié)合超聲波機(jī)床的特點(diǎn)，提出了一種高效、經(jīng)濟(jì)的芳綸紙蜂窩芯的固持方法。該方法在雙面膠固持方法的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)。
 
       當(dāng)蜂窩零件總體面積較小時(shí)，仍使用雙面膠帶，為增大固持力，加工的同時(shí)開啟真空吸附便可實(shí)現(xiàn)蜂窩零件的穩(wěn)定固持。
 
       當(dāng)蜂窩芯總體面積相對(duì)較大時(shí)，加工區(qū)域仍然采用雙面膠連接零件與工作臺(tái)，零件非加工區(qū)域則在零件的上表面鋪一層薄膜，通過真空的吸附力來完成對(duì)零件的固持，如圖6、圖7 所示。

      圖6 新的固持方法示意圖

       圖7 新的固持方法實(shí)物圖

      因此，蜂窩芯零件的固持方法主要取決于蜂窩芯零件的面積大小。當(dāng)蜂窩芯面積較大時(shí)，由于加工部分所占的比例相對(duì)較小，零件主要依靠真空吸附薄膜的壓力形成的摩擦力來固持。下面計(jì)算可采用新型固持方案的蜂窩芯臨界面積，為保證固持的可靠性，忽略雙面膠帶的固持作用。

      假設(shè)超聲波機(jī)床的功率為P，真空平臺(tái)的壓強(qiáng)為p，所鋪薄膜的面積為A，當(dāng)采用匕首刀具加工時(shí)，其進(jìn)給速度為f1，當(dāng)采用盤片刀具加工時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速為n，盤片刀具的半徑為R，蜂窩芯材料與真空平臺(tái)間的靜摩擦因數(shù)為μ。當(dāng)采用匕首刀具切削時(shí)，主軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，則機(jī)床功率P、切削力F1、進(jìn)給速度f1 之間滿足以下關(guān)系：

      當(dāng)采用匕首式刀具加工時(shí)，薄膜面積為：

     為驗(yàn)證薄膜面積的臨界值，選取了40mm×50mm、40mm×40mm、40mm×30mm、40mm×20mm 4 塊尺寸不同的薄膜進(jìn)行了試驗(yàn)。將薄膜覆蓋后用匕首刀具進(jìn)行切削，發(fā)現(xiàn)40mm×50mm、40mm×40mm 的薄膜覆蓋后均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固持；40mm×30mm 的薄膜覆蓋后在加工過程中發(fā)生了少許移動(dòng)，40mm×20mm 的薄膜在加工過程中持續(xù)移動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了薄膜臨界面積計(jì)算的正確性。

      事實(shí)上，不同材料的摩擦因數(shù)的差異，機(jī)床主軸功率的使用率，以及切削力平面的分量都會(huì)影響薄膜的臨界值，其精確計(jì)算還需更進(jìn)一步的探討和研究。

     相對(duì)于前面介紹的幾種固持方法，該方法具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

     （1）由于只需在加工區(qū)域粘貼雙面膠帶，加工前的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短。使用結(jié)果表明，使用薄膜代替大部分雙面膠帶，加工前的準(zhǔn)備時(shí)間只有全部使用雙面膠帶加工準(zhǔn)備時(shí)間的1/4~1/2。

     （2）由于粘貼區(qū)域面積小，幾乎很少出現(xiàn)一塊雙面膠帶不夠用的情況，這樣就大大減少了膠帶與膠帶之間的對(duì)接部分，減少了零件加工過程中的質(zhì)量隱患。

     （3）零件的加工成本大大降低。芳綸紙蜂窩芯固持所用的雙面膠帶都是進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，采取薄膜代替大部分雙面膠帶以后，極大地節(jié)約了成本。

     （4）由于清洗零件的區(qū)域大大減少，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，同時(shí)由于酒精等有機(jī)溶劑用量的明顯減少，車間的工作環(huán)境得到極大改善。

     （5）操作簡(jiǎn)便，不需要太多專業(yè)知識(shí)，普通操作者可以快捷便利的操作，有利于大力推廣應(yīng)用。

      2 、結(jié)論

     （1）本文介紹了蜂窩芯加工過程中幾種常用的固持方法并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，包括雙面膠帶固持方法、隔膜固持法、相變固持法。
 
 
     （2）根據(jù)超聲波機(jī)床加工蜂窩芯的切削原理和加工方式，在雙面膠帶固持法的基礎(chǔ)上，提出了一種高效、經(jīng)濟(jì)的固持方法，該方法在蜂窩芯加工區(qū)域的非加工面仍然使用雙面膠帶粘結(jié)蜂窩芯與墊板，非加工區(qū)域上表面直接覆蓋一層薄膜，利用真空的吸附力來固持蜂窩芯。較其他固持方法，該方法能極大地提高固持效率，節(jié)約成本。

     （3）建立了機(jī)床功率、真空壓力、切削參數(shù)以及刀具參數(shù)與最小薄膜面積之間的解析表達(dá)式，根據(jù)具體的機(jī)床參數(shù)求解最小薄膜面積，并據(jù)此來判斷蜂窩芯零件是否可選用新型的固持方案。
 

      參 考 文 獻(xiàn):

     [1] 梅德茂. 金屬蜂窩芯的數(shù)控加工. 西飛科技，1997(2)： 38-43.

     [2] 劉剛. 紙基蜂窩芯零件高速銑削加工固持系統(tǒng)[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2004.

     [3] 周原，孫曉，劉明山, 等．新型磁粉探傷設(shè)備控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，33(1)： 73-76.

     [4] 高濤，駱金威，林勇, 等. 基于超聲波機(jī)床的蜂窩芯數(shù)控加工技術(shù)研究. 機(jī)械制造，2013(1): 41-43.

     [5] 張永巖，張超，李微. 超聲波機(jī)床基于CATIA V5 復(fù)合材料蜂窩件數(shù)控程編方法研究. 航空制造技術(shù)，2012(9): 79-82.