NOMEX 蜂窝具有轻质高强、密度低等优点,作为复合材料结构件选用的高频材料,其成型后的复合材料蜂窝芯夹层结构件具有刚性大、强度高、隔音和隔热性好、质轻、抗冲击、抗疲劳、热稳定性好等优点,广泛应用于航空飞机领域,特别是飞机机身结构件,如整流罩、襟翼、副翼、方向舵等主承力结构件和次承力结构件。整流罩和襟翼均为曲率较大的复合材料结构蜂窝件,在成型的过程中,提高 NOMEX 蜂窝芯的成型精度,对于提高复合材料夹芯构件成型质量至关重要,对我国航空领域内的大曲率、双曲率复合材料蜂窝结构件研制和生产具有重要的意义。
西方发达国家的飞机制造业经过长期的技术发展和积累,在复合材料成型方面具有较多的经验,其中针对大型客机中的主承力和次承力结构件已形成可靠成熟的技术体系和质量体系,在复合材料NOMEX 双曲面蜂窝零件的数控加工方面,其技术较成熟,如采用先进的数控加工专用超声机床、根据零件结构特点优化装夹方式等,较好地解决了蜂窝零件加工弱刚性的问题,然而该类技术一直是西方工业发达国家的核心秘密,并对中国实施技术封锁。国内对于双曲面蜂窝零件的数控加工技术相对落后,由于缺乏系统的数控加工工艺方案,导致切削参数相对保守、加工效率低、加工质量不易保证。虽然国内各加工中心和各大航空企业在蜂窝等复合材料零件的数控加工技术方面积累了一定经验,但应用于大尺寸的双曲面薄壁蜂窝零件有其自身显著特点,如壁厚更薄、刚度更弱、轮廓精度要求更高,从而对数控加工技术要求更高。因此,大幅双曲面薄壁板类零件的高效、高质量数控加工技术对我国航空制造领域特别是大飞机制造领域的技术水平提升和行业发展至关重要。
目前高速铣削和蜂窝超声加工成了国内外学者研究的热点,重点研究和分析高速铣削加工中不同刀具对蜂窝零件加工的影响,建立蜂窝加工模型。对比超声加工,主要介绍超声加工原理,并对其进行有限元模态分析,研究圆形刀主振型与固有频率的关系及变化规律,分析了圆形刀楔角大小的改变对圆锯片的固有频率及其振型的影响;建立切削力下圆形刀应力场数学模型,结合圆形刀静力学和模态分析的结果,并未对实际生产的零件进行检测,尤其是双曲面蜂窝芯零件。
例如,Choon 等研究蜂窝材料及蜂窝构件的机械性能,重点研究材料性能与机械加工间的关系,研究出最佳的加工模式,并未提出合理的检测方法。由于 NOMEX 蜂窝为弱刚性材料,具有切削性能差的特性,与传统金属结构件相比,NOMEX 蜂窝结构件不同,可通过控制加工参数,来提高加工精度。但加工过程中容易造成芯材纤维拔出、变形,产生毛刺,且通过传统组合铣刀加工后,NOMEX 蜂窝芯材料工件表面往往留有大量的纤维毛刺,本论文创新提出了弱刚度大型双曲面蜂窝数控切削及检测一体化技术,不仅解决了 NOMEX 蜂窝零件弱刚性难于固持的问题,同时运用一套完整用组合铣刀加工NOMEX 蜂窝材料的方法,采用高速铣削加工工艺,通过优化加工编程策略,有效地解决双曲面蜂窝芯零件成型后精度问题,加工后利用校验膜技术,对蜂窝零件预装配,检验与上下蒙皮的配合精度是否满足要求。
1、试验材料与方法
本文以大型复合材料尾缘结构双曲面 NOMEX 蜂窝为研究对象,零件结构形式为双曲面变厚度 NOMEX 蜂窝,零件双面整体分别为凹、凸曲面,四周轮廓亦多为曲面,设计要求保证上、下型面轮廓度在 ±0.3mm 范围内,零件厚度为 17~84mm 的变量,零件最大长度尺寸约为8000mm,蜂窝宽度约 170~340mm,数模见图 1。NOMEX蜂窝材料分为低、中、高密度,密度小于 48kg/m3 的蜂窝属于低密度蜂窝,密度大于 48kg/m3 的蜂窝属于中、高密度蜂窝。本文选用 48kg/m3 蜂窝作为研究加工对象。
图1 蜂窝零件数模
Fig.1 Mold of honeycomb part
采用自主设计和研制的双曲面蜂窝数控铣削及检测一体化工装进行加工,其数模如图 2 所示。选取 90mm 厚的蜂窝作为加工原材料。对蜂窝型面铣削采用高速铣削工艺,蜂窝加工常用的铣削刀具有圆盘刀,不同材质的圆形刀在相同的切削参数下,铣削后的加工性能差异较大,其效果也明显不同。常用的加工圆盘刀材料有硬质合金和高速钢材料,其材料性能对比见表 1。
表1 刀片材料性能对比
Table 1 Performance comparison of cutting tool material
因蜂窝为芳纶纸,对刀的硬度要求不高,蜂窝结构中空洞所占面积远大于切削面积,所以盘刀的耐磨性和导热性要求不高,硬质合金刀头修磨较高速钢更为困难,综合性价比及其他因素考虑,本文采用组合铣刀进行加工,蜂窝组合铣刀由刀柄、钢齿切削部分、圆片铣刀组成。圆片铣刀与蜂窝芯壁相接处作用效果明显,切削时,圆盘刀将按照编程中要求进行型面铣削,将多余的蜂窝材料与工件分离,紧接着锯齿部分将分离部分切断,因在进给和切削方向上被分离的蜂窝材料大小不一,型面的即时距离与刀具之间的距离也不一致,形成了刀片分离 -锯齿切断的循环切削形式。本文选取 Φ38.1mm 的高速钢材质圆盘刀对蜂窝进行铣削加工。加工环境温度:18~32℃ ;相对湿度:≤ 65%,与超声加工相比较,刀具成本较低,经济适用性较强。
NOMEX 蜂窝芯固持困难也是高速铣削中的一大难题,本文采用自主设计制造的加工检测一体化工装,将蜂窝芯通过真空吸附的方式固定在成型工装上,将加工与检测基准统一为同一基准,且工装型面误差不会累积,有效地改善固持问题,同时避免了零件加工到检测的拆装,不仅提供了检测的准确性,而且提高了检测效率。对加工后的蜂窝在线检测完毕后,针对双曲面蜂窝芯装配精度问题,采用校验膜对蜂窝芯拼接阶差及双曲面变厚度蜂窝芯与上下蒙皮预装配的间隙进行检查,在成型工装上,对蜂窝零件与已固化次级零件胶接进行预装配,采用校验膜的方式对其进行装配间隙检测,将胶膜夹在两层无孔隔离膜或 PVC 薄膜之间,无孔隔离膜或 PVC 薄膜的厚度应为 0.1mm ;通过在固化后的胶膜上产生清楚的压痕来检验蜂窝芯与零件的预装配情况。
2、结果与分析
零件为双曲面蜂窝,首先通过真空吸盘吸附在加工平台上对其单面加工,能有效改善弱刚度蜂窝芯原材料翘曲变形,真空吸附的固持方式能有效解决双面胶带、磁粉固持或其他固持方式带来的缺陷,如加工过程中极易出现带起和撕裂,导致零件厚度不均或局部变薄,加工后零件表面平整,断面整齐。在蜂窝材料高速铣削过程中,铣削力主要受到表 2 中主轴转速、进给量、切宽和切深的影响