航空蜂窝芯零件数控加工工艺.pdf

航空蜂窝芯零件数控加工工艺 NC M a c h i ni ng Pr o c e s s o f Ho n e yc o mb Cor e Par t f o r Ae r o s pa c e 绍兴文理学院工学院 吴福忠 连晋毅 摘要 通过分析航 空航天领域蜂窝芯零件的加 工制造工艺 指 出加工过程 中的固持方法以及数 学模 型的建立方法是保证蜂 窝芯零件制造精度和提 高蜂窝 芯零件加工效率的关键环节 在研 究 目前纸基蜂 窝芯 零件 固持方法 以及数 学模型建立方法的基础上 提 出 了一种基于蜂 窝夹层结构件铺层表面数据测量的数学 模 型 建 立方 法 关键 词 蜂 窝芯数控 加 工固持 方法 AB S T R AC T T h e ma c h i n i n g p r o c e s s o f h o n e y c o mb c o r e p a r t f o r a e r o s p a c e i s a n a l y z e d An d i t i s p o i n t e d o u t t h a t t he fi x t u r e me t h o d a n d ma t h e ma t i c s mo d e l i n g me t h o d a r e k e y l i n k s f o r ma n u f a c t u r i n g p r e c i s i o n a n d ma c h i ni ng e f f i c i e n c y On t he ba s i s o f a na l y z i n g t h e p r e s e n t fix t u r e me t h o d a n d mo d e l i n g me t h o d a no v e l ma the ma t i c s mo de l i n g me t ho d b a s e d o n d a t a me a s ur e me n t o f p a v i n g l a y e r s u r f a c e i s p r o p o s e d Ke y wo r ds Hon e y c o m b c o r e Nume r i c a l c o n t r o l m a c h i ni ng Fi x t ur e m e t ho d 蜂窝结构主要由面板 蜂窝芯和胶结剂组成 其典 型结构是上下两层面板之间夹蜂窝芯 由胶粘剂粘接 并经过压 拉 热合等加工方法复合而成 面板材料 主 要有玻璃纤维 K e v l a r 纤维 碳纤维等复合材料和各种 金属f 1 铝合金及大幅宽铝箔 的轧制 使蜂窝芯材的质 量提高到了一个新 的水平 铝蜂窝芯 的拉伸 压缩 剪 切强度等方面性能都得到了大幅提高f 2 蜂窝芯与增强纤维面板构成的夹层结构具有比强 度 比刚度高 约为钢 的 9 倍 密度低并可根据需要在 较大范围内进行选择与调整 且具有耐腐蚀 抗 冲击 吸振 抗疲劳性和热稳定性好 以及优 良的绝缘性能和 透电磁波等一系列优 良特性f3 因此 在航空 航天等高 科技尖端工业 中得到了广泛应用 然而 在蜂窝芯零件 的制造过程中 与零件加工效率和制造精度密切相关 的许多关键技术和数控加工工艺还需要进行进一步 的 研究 本文将就航空蜂窝芯零件制造过程 中的固持技术 9 2 航 空制 造技术 2 0 0 7年第 7期 及其数学模型的建立方法作一介绍 1 加工 固持方法 蜂窝芯零件加工过程中的固持方法对其加工效率 及加工精度都有很大的影响 而且蜂窝芯材料的横 向 刚度很小 不能应用传统的零件装夹方法进行 固持 因 此 国内外专家学者对此进行了大量的研究 主要有 以 下几种方法 1 1 粘 结 固持 法 4 1 粘结 固持是 目前航空蜂窝芯零件制造领域应用最 广的一种 固持方法 主要包括 1 双面粘结带固持法 双面粘结带固持法原理如图 1 a 所示 通过一面 粘在夹具上 另一面粘在工件上 的双面粘结带实现对 工件 的固定 但这种方法固定力小 不适合于切削深度 大及切削力大 的零件 通 常用于 N o me x纸蜂窝芯 的加 工 2 隔膜 固持法 隔膜 固持法原理如 图 1 b 所示 用塑料胶片或用 玻璃纤维增强塑料制成的隔膜粘在切 削面的对 称面 上 再利用抽真空和双面粘结带加 以固定 加工完成之 后将 隔膜去掉 这种方法固定牢靠 可进行大力切削 但是由于隔膜粘结困难 所以在加工过程 中很容易造 成脱胶现象 而且抽真空工艺也 比较复杂 3 聚乙二醇固持法 这种方法利用聚乙二醇加热 7 0 9 0 熔化后冷 却 固化的特性来实现对工件 的固定 固定原理如图 I c 所示 其缺点是 在加工金属蜂窝芯时 加工过程中 产生 的切削热会使聚乙二醇熔化而导致工件脱落 在 加工纸蜂窝芯时 加工完成后残 留在零件上的聚乙二 醇很难清除 以上介绍的固持方法具有所用工装设备简单以及 工艺过程较成熟等优点 但也存在 以下缺点 1 都是靠工人手工操作 人为因素对 固持的可靠 性影响较大 稍有疏忽便可能造成整个零件报废 而且 工人劳动强度大 加工准备时间长 因此工作效率较 维普资讯 一带 a 双面粘结带 固持法 粘结带 空 b 隔膜固定法 c 聚乙二醇 固定法 图 1 粘结固持法 F i g 1 B o n d i n g fi x t u r e me t h o d 低 2 不论用双面粘结带还是用聚乙二醇固定 都会 给后续 的清理工作带来很大困难 必须使用有机溶剂 才能完全清除 长时间使用这些溶剂会对工人的身体 造成伤害 3 以上 3种方法都是在零件切削面的对称面上 使用粘结剂对蜂窝芯进行固定 由于蜂窝壁厚通 常只 有 0 0 3 0 1 m m 粘结接触面积很小 所 以很容 易在加 工过程中产生局部剥离现象 此外 加工过程中的切削 力会使蜂窝芯局部单元产生较大的弹性变形 导致加 工位置发生偏移 造成较大的加工误差 1 2磁场吸附固持法 柯映林 教授 于 2 0 0 1 年在发明专利 蜂窝类柔性 结构材料的加工方法 中提出了基于磁场与摩擦 学原 理的纸基蜂窝零件固持方法 这种方法 的固持原理如 图 2所示 其装夹定位 的操作过程为 首先 通过定位 块将蜂窝芯零件在磁性平台上定位 然后 启动 自动填 料装置将铁粉灌人蜂窝孔 中 最后 使磁性平台激发磁 场 加工完成后 关闭磁场 利用物料回收装置将铁粉 与切屑分离 以备重复使用嘲 定 磁性平 台 图 2 磁性固持 系统原理 F i g 2 P r i n c i p l e o f ma g n e t i c fi x t u r e s y s t e m 整个系统利用灌入蜂窝孔 中的铁粉和磁场对铁粉 的吸附力来实现对蜂窝材料的固持 铁粉和磁场的作 用主要体现在以下几个方面 二 醇 夹具 1 蜂窝孔中灌入铁粉 大大增加了蜂窝表面与 固 持平 台的接触面积 当蜂窝与 固持平台间有相对运动 趋势时 在铁粉 自重的作用下产生 了阻止其运动的摩 擦力 2 当磁性平 台激发磁场的时候 铁粉在电磁吸力 的作用下会对蜂窝壁产生一定 的正压力 使铁粉与蜂 窝壁之间产生一定的摩擦力 当磁性平台激发适当强 度 的磁场的时候 可使产生的摩擦力稳定地固持蜂窝 零件 3 在蜂窝孔中灌入适 当高度 的铁粉 可减小其悬 空长度 因而能有效地减小蜂窝芯零件在加工过程中 因弹性变形而引起的加工误差 与粘结 固持方法相比 基于磁场与摩擦学原理的 固持方法有以下优点网 1 固持安全可靠 可大大降低因固持不稳 固而造 成的零件报废率 2 自动化程度高 减小了人为因素对 固持可靠性 的影响 操作简单 工人 的劳动强度低 后续清理工作 简单 可大大缩短加工准备时间 3 与 目前使用 的粘结方法相 比 不需要使用有机 溶剂来去除残留在蜂窝表面的粘结剂 只需使用振动 的方法去除残留在蜂窝表面的铁粉 因此 不会对操作 工人的身体造成伤害 但这种方法也存在以下不足 1 固持装备较复杂 对于不同的零件必须配备专 用的磁性平台 还必须配备铁粉填充设备 以及物料回 收设备 2 固持所使用 的铁粉会对刀具产生一定的磨损 作用 降低刀具 的使用寿命 3 在加工完成后 如果铁粉不能彻底清除 可能 会对蜂窝芯零件的使用性能造成影响 以上方法各有优缺点 为了进一步提高其加工效 率及加工精度 还需对此作进一步的研究 2 0 0 7年第 7期 航空制造技术 9 3 维普资讯 2 数 学模 型建立方法 航空蜂窝芯零件表面一般呈曲面特征 在其数控 加工过程 中建立数学模型主要有 以下 2方面 的作 用 计算切削过程中的刀位数据和检验零件的加工精度 2 1 常 用的建模 方 法 航空蜂窝夹层结构件通常由蒙皮 铺层和蜂窝芯 组成 其典型结构见图 3 以方向舵为例 从力学角度 看 蒙皮和铺层主要用来承受横 向拉力 而蜂窝芯主要 承受纵 向压力 根据等强度设计原则 蒙皮表面各铺层 区域厚度不同 使得铺层后的表面沿铺层区域轮廓边 缘产生过渡台阶 如图 4所示 蜂 蒙皮 图 3 方向舵 夹层 结构 件 F i g 3 Ru d d e r s a n d wi c h s t r u c t u r e p a r t 铺层 蒙皮 层 区域 2 图4 铺层与蜂 窝芯表面配合关 系 F i g 4 Ma t c h i n g o f p a v i n g l a y e r a n d h o n e y c o mb c o r e s u r f a c e 如 图 3所示 从 曲面构造的角度出发 蜂 窝芯应 根据方 向舵 内表面蒙皮数 据按 铺层厚 度分区域等距 建模 其中等距距离为铺层 的厚度 由分 区域等距 而 生成基 曲面片之后 在基 曲面片间设计出恰 当的过渡 区域 从而建立整体 G 连续 的数学模型 由于 目前蜂窝夹层 结构件大多用于手工方 法完 成铺层工艺 没有专用的铺层 设备 铺层 的位 置以及 厚度都很难保证设计精度 因此 根据上述方 法建立 9 4 航空制造技术 2 0 0 7年第 7期 的数学模型仅是蜂窝芯零件的理论模型 按照这一数 学模型生成数控加工过程 中的刀位文件 加工完成后 的蜂窝芯零件与蒙皮之间的配合精度很难达到其设计 精度 从而将大大降低它们之间的胶结强度 2 2 基于铺层表面测量数据的配对建模方法 针对上述建模方法存在的缺点 本文提出一种基 于铺层表面测量数据的配对建模方法 这种建模方法 包括数据采集 数据处理 以及曲面生成几个步骤 2 2 1 数据 采 集 数据采集通过特定的测量设备和测量方法获取零 件表面离散点的几何坐标数据 随着传感技术 控制技 术 制造技术等相关技术的发展 出现了多种多样的实 物表面数字化方法 主要包括 1 接触式测量 三坐标测量机是广泛采用 的接触 式测量设备 作为一种大型精密测量仪器 它具有测量 精度高 适应性强的优点 但一般接触式测头测量效率 低 而且对一些软质表面无法进行测量 数据需进行测 头半径补偿 2 非接触式测量 非接触式测量根据测量原理 的 不同 有光学测量 超声波测量 电磁波测量等方法 这 些方法具有测量效率高 无需测头半径补偿等优点 但 其测量精度较低 3 层析法 与工业 C T法 的不同之处在于该方法 需要首先将零件固定在铣床工作台上 并用包料将其 包裹填充好 然后用铣刀将其 一层一层铣去 每铣掉一 层对断面进行一次测量 获得 断面轮廓数据 这样一层 层铣完后 就可以获得产 品的完整数据 测量设备一般 可以用 C C D摄像头 配以图像采集卡进行后续处理 从理论上说 蜂窝新零件铺层表面数据的测量既 可采用接触式测量 也可采用非接触式测量 但 由于曲 面模型精度要求较高 所 以采用接触式测量 比较合适 2 2 2数 据 处 理 测量所得到的数据需要进行噪声 异常点过滤 以 及数据点压缩等处理 无论采用何种测量方法 测量数 据总存在噪声 一般在非接触式测量中主要因为镜面 反射 接触式测量主要因为测量过程 的振动而产生 除 噪声外 测量过程还可能带来飞点 即明显不属于模型 表面的测量点 对 于飞点 手工去除是比较有效的方 法 噪声则需进行数据平滑 对具有扫描线结构 的测量 数据 可以按照曲线光顺或者是高斯滤波的方法去除 噪声 数据压缩是减少数据点云中存在的大量冗余数 据 主要针对激光测量产生的点云数据 不同类型的点 维普资讯 图6 蜂 窝芯数学模型 F i g 6 Ho n e y c o mb c o l e ma t h e ma t i c s mo d e l 所以蜂窝芯零件应采用这种建模方法 这样可非常方 便地采用现有成熟的 C A D C A M软件计算刀位数据 以某型号飞机方向舵蜂窝芯零件为例 根据接触 式三坐标测量机测得 的数据 经过数据处理后 的结果 如 图 5所示 采用矩形域 曲面建模方法 中的 N U R B S 曲面表达形式 建立的曲面模型如图 6所示 3结论 1 目前使用的蜂窝芯零件加工 固持方法各有优 缺点 相比较而言 磁场吸附方法优于其他方法 但仍 需进一步研究 2 目前应用 的蜂窝芯零件建模方法无法保证铺 层表面与蜂窝芯表面的配合精度 仅为设计理论模型 3 基于铺层表面测量