复合材料纸蜂窝加工工艺研究

复合材料纸蜂窝加工工艺研究

摘要：先进复合材料作为战略材料是国防研究的重点项目之一，在雷达领域，其相关零部件的用量也成为衡量武器先进性的重要指标。目前随着相控阵天线电性能指标和重量指标要求的不断提高，其对复合材料零件的精度、平面度等都提出了更高的要求，零件的精度高度将直接影响产品的各项性能。本次对复合材料纸蜂窝的加工工艺进行研究，以达到优化纸蜂窝加工工艺的目标。

Keys：

复合材料；纸蜂窝；加工工艺；研究0引言*近年来纸蜂窝(图1所示)夹层零件为薄壁多孔结构，虽然蜂窝在高度方向(T)具有很高的面强度，但沿纵向(L)与横向(W)

方向强度很低，伸缩性较大，不仅装夹困难，在切削压力作用下很也容易变形、弯曲甚至坍缩，加之纸蜂窝具有一定韧性，容易因过切或切不断而产生撕裂、毛边等缺陷；因此，本项目基于材料结构件进行工艺特征分析，并根据图纸和技术要求，对固持工艺以及切削加工工艺进行工艺摸索，开展复合材料纸蜂窝加工工艺研究。1、材料特点及产品概述本研究选取了某机载相控阵天线中的一种结构不同规格及类型的蜂窝零件进行加工研究(小孔径低密度、中等孔径密度、大孔径高密度、吸波蜂窝)，零件外形尺寸为205mm×23mm×22.5mm，最高尺寸精度±0.1mm，轴向平面度要求0.1mm，角度精度±0.2°，纸蜂窝成型后要求表面平整，蜂窝孔不得产生塌缩、变形。基于此，本项目针对纸蜂窝材料结构件进行工艺特征分析，并根据技术要求(表1所示)，项目组从纸蜂窝的材料去除机理入手，主要对弱刚性纸蜂窝的材料选择、刀具选型、固持装夹、切削参数、切削方等环节进行研究，并通过试切试验端面质量分析出最优方案。表1

纸蜂窝零件性能指标零件名称技术指标要求纸蜂窝轴向尺寸精度≤±0.1mm径向尺寸精度≤±0.3mm轴向平面度0.1mm角度精度≤±2°2、方案设计2.1蜂窝材料选择纸蜂窝孔格大小与密度直接决定蜂窝的工艺性能和物理性能，见表2表3，减小孔格大小，蜂窝质量增加，增加孔格大小，对蜂窝物理性能的提升并不明显，反而会增加纸蜂窝在填充夹层时的胶膜使用量，减少蜂窝与面板的接触面积，降低夹层结构综合强度，项目组优选兼具工艺性与机械性能的中等孔径低密度(AC-NH-2.75-32简称2.75-32)与中等孔径中等密度的(AC-NH-2.75-72简称

2.75-72)纸蜂窝进行加工。表2

不同孔格同密度纸蜂窝物理性能指标蜂窝孔格面压缩强度MPa剪切强模量MPa剪切强模量MPa1.83-721.931.5540.7282.75-721.951.32580.75263.67-722.351.18500.6928表3

同孔格不同密度纸蜂窝物理性能指标蜂窝孔格面压缩强度MPa剪切强模量MPa剪切强模量MPa2.75-321.070.62240.372.75-721.951.32580.75262.75-12811.823.152.0190纸蜂窝刀具为多齿结构，刀齿间的夹角θ=55~65°决定切削齿数与容屑槽容量，其刃)、γn(端刃)与刃后角α0(侧刃)、αn(端刃)常规刀具较为相似，因纸蜂窝为韧性材料，其材料去除过程为粉碎式切削，这就要求刀具结构五要素中的刃前角必须足够锋利，γ0=5~10°，n5°。根据市场调研，项目基于切削齿数多、排屑好、刃口锋利的加工需求，选用主要给波音、空客、成飞等国内外纸蜂窝加工厂商大量供货的美国昂思路(Onsrud)刀具，刀

.1固持方法纸蜂窝纵向与横向强度低，采用传统虎钳装夹容易发生夹持变形，通过对纸蜂窝加工厂家及原材料生产厂家的技术调研，发现目前业内主要采用粘接法对纸蜂窝进行端面固持，粘接法分为聚乙二醇固定法、尼龙搭扣固定法和双面胶带固定法，依据工艺操作的便捷性，项目组选双面胶带固定法进行粘接试加工，即利用双面胶带将蜂窝结构粘接到加工平台上实现固定，项目组选择在纸蜂窝加工行业运用较为成熟的德莎

(Tesa-4964)胶带(幅宽80mm)，粘接实物图如下：图1纸蜂窝粘接实物图.2粘接面积粘接面积越大，粘接效果越好，但粘接面积大，其切削余量也较多，为了保证切削效率与固持效果，项目组对纸蜂窝粘接面积S(S=L×W)进行优化设置并试切验证，为保证蜂窝不被拉起，项目组基于刀具厂商推荐的纸蜂窝加工常规切削参数(n=14000r/mm，v=300mm/min)，摸索粘接面积的边界条件。试验结果及分析：经试切对比得出，双面胶带对纸蜂窝的粘接效果与纸蜂窝材料密度和粘接面积有关：低密度蜂窝的固持效果比中等密度蜂窝的固持效果稍差；粘接效果受粘接短边影响较大。基于此，为保证纸蜂窝粘接强度，其与双面胶带的粘接面积S应至少大于2000mm2

(其中短边W＞10mm)。2.3.3双面胶带铺贴方向蜂窝在铣削加工时持续切削载荷的会产生垂直与蜂窝表面向外的等效“拉应力”，当拉应力大于粘接胶带的抗剪强度时会导致纸蜂窝发生剥离，轻微的剥离仅产生切削震动，若剥离不断扩展，整个蜂窝均被拉起甚至打飞，基于此项目组对双面胶带的铺贴方向进

行试切，摸索摸索不同走刀轨迹下胶带的失效情况。试验结果及分析：经试切对比得出，双面胶带对纸蜂窝的粘接效果与纸蜂窝密度和双面胶带铺贴方向有关：当纸蜂窝密度较高时，L方向与W方向较高的模量可以保证纸蜂窝与双面胶带间有足够的粘接抗剪强度，在切削时保持稳固，而当纸蜂窝密度较低时，

其粘接稳定性会受双面胶带铺贴方向所影

响，特别是当双面胶铺贴方向与铣削走刀轨迹平行时，纸蜂窝被带起，其原因是胶带在粘接失效时，容易沿铺贴方向扩展，而垂直于走刀轨迹的胶带铺贴方式，可通过分段间保持粘接力，在一定程度上阻隔蜂窝与胶带间连续的剥离，因此，为了保持粘接的稳定性，双面胶带的铺贴方向需与走刀轨迹垂直。除了使用具有锋利刃口的刀具以外，切削参数的选用也直接影响蜂窝的切削质量，切削参数主要考虑主轴转速、进给速度、切削宽度/深度和切削方法。由于主轴转速、进给速度和吃刀量没有实际加工经验可借鉴值，只能参考相关技术资料，并在加工过程中观测加工具体现象，以找出适用于工厂设备的合理的设置范围，首轮试制针对纸蜂窝零件的切削宽度与切削深度进行摸底，以确定不同纸蜂窝加工刀具的切削用量，根据刀具厂商的切削推荐参数(n=14000r/mm，v=300mm/min)，项目组对不同切削量的进行加工试切，加工参数见表4。利用蜂窝铣刀和蜂窝组合铣刀分别加工相同的零件，加工效表4

刀具试切效果刀具刀具转速(r/mm)进给速度

(mm/min)吃刀量铣端面铣四周铣内腔蜂窝铣刀14000300a=5a=5较好差差a=10a=10一般较好较好a=15a=22一般较好较差蜂窝组合铣刀14000300a=10a=5较好差差a=20a=10较好较好较好a=20a=22.5较好较好较好试验结果及分析：1)当蜂窝铣刀与组合铣刀切宽过小时，蜂窝存在让刀现象且断屑较差，当切宽过大时，多余切屑在刀具路径上产生堆积导致断屑不畅、挤压变形等缺陷，切削效果及切削实物图见图3。2)铣高度时，采用盘状锯片铣刀将零件从毛坯上切断时，因毛坯底部搭接余量不足≤6mm，切割片刀盘较厚，蜂窝发生焦化，并且因切削振动而发生变形。

2.5工艺优化改进：针对首轮试制情况，项目组对纸蜂窝零件在摸底试制过程中存在的问题进行了原因分析，并制定了后续相应的优化措施：1)针对低密度纸蜂窝(AC-NH-2.75-32)固持不稳，一是优化初粘工艺，为了加大粘接剪切强度：将粘接表面清洁干燥，用布沾取异丙醇与水的混合液(1:1)，擦试加工平台基面，待表面完全干燥；将胶带贴合于平台面，对粘接胶面施以约1Kg/cm2的压力，使双面胶一面粘接至平台面，粘接胶带时，应以一端先贴合后，再缓慢压至另一端，减少空隙产生的几率；撕除离型纸，将蜂窝放置于胶带上，同样施以约1Kg/cm2的压力；二是借鉴纸蜂窝加工厂商的加工经验，在加工过程中及时观察蜂窝的粘接受力情况，当蜂窝产生明显的切削振动时，停止进刀，对纸蜂窝进行二次拍平处理后在继续进刀。2)蜂窝断面拉毛是一是因为切削参数不合理，刀具挤压毛坯，断屑效果差，因此，基于首轮试刀优化得到的切宽与切深参数结果(ae=10~15mm，ap=10~22.5mm)，继续对主轴转速n=12000~16000r/min与切削速度

v=100~300mm/min的进加工参数范围进行调节优化。3)针对蜂窝单元的切断：蜂窝在分割时发生焦化甚至被带起是因为蜂窝蝶形铣刀切削时刃口磨损变钝、切削热堆积，基于此优化刀具及工艺方法，将蝶形铣刀改为组合铣刀，同时将原一次粘接加工调整为二次粘接/装夹，即待零件单元长、宽加工到位后，翻面进行二次粘接铣削加工高度，切削参数根据不同材料从主轴转速、进给速度、切削宽度、切削深度四要素进行优化，最终加工实物如图3所示。图3

单件铣削加工实物图3、结论与分析项目组通过对纸蜂窝材料结构件进行工对纸蜂窝成型固定方式、刀具以及切削加工工艺进行工艺摸索，结论如下：1)纸蜂窝固持所选双面胶带要求持粘力需至少大于7N/cm，粘接面积S应至少大于2000mm2

(其中短边W＞10mm)，铺贴方向应与走刀轨迹间相垂直；2)蜂窝切削应选用多齿交错刃口的蜂窝铣刀，其中刃前角的结构参数直接影响蜂窝的加工断面表面质量，其推荐刀具参数为γ0

3)为减小刀具的切削载荷，纸蜂窝加工必须采取高转速进行切削加工，并根据粘接稳固效果与加工效率调节进给速度v，其中蜂窝密度越小，其等效刚度越低，为避免产生切削振动、脱粘等现象，应在参数段内的下限值附近选取进给速度，随着蜂窝密度的增大，在保证粘接稳固的前提下需增大进给，避免切削热与切屑的堆积；4)切削断面的表面质量与切削用量有关，其切削用量的影响重要性依次是切削宽度ae/切削深度ap＞进给速度v＞主轴转速n：切宽ae至少应大于蜂窝孔格直径，当切宽余