CN100586641C - 四棱锥金属点阵材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四棱锥金属点阵材料的制备方法，该方法通过确定点阵材料夹芯梁的几何尺寸；建立四棱锥点阵材料夹芯梁的三维几何模型；编写数控加工程序，并将其程序文件传输到数控机床的数控单元；最后通过数控机床对四棱锥点阵材料夹芯梁进行加工。本发明的制备方法具有自动化程度高、生产周期短的优点，而且应用该方法制备出的四棱锥金属点阵材料强度高，面板平整，四棱锥胞元的周期性好，应用广泛。

Description

四棱锥金属点阵材料的制备方法

技术领域

本发明涉及四棱锥金属点阵材料夹芯结构的制备技术，用于航空航天领域的轻质多功能结构中。

背景技术

随着航空航天领域的发展，各国对超轻质、高性能、多功能材料的开发和研制要求越来越高。常见的轻质多功能材料为蜂窝材料、泡沫材料等，因这些材料拓扑构型的可设计性和高比刚度、高比强度等特点，广泛用于航空结构中。近几年来，以哈佛大学、剑桥大学和麻省理工大学为首的材料与力学界提出了一种新型的轻质材料，即空间点阵材料。点阵材料类似于现有的空间网架，但在尺寸上小很多。点阵材料是通过模拟分子点阵构型而设计的多孔有序微结构，当承载时点阵材料的每根杆元以轴向拉伸或压缩变形为主，具有很高的承载能力和能量吸收能力。点阵材料常见的拓扑构型包括Kagomé结构、八面体结构、四面体桁架结构、四棱锥桁架结构和全三角形构架等。已有的研究表明点阵材料的等效强度和刚度与相对密度近似为线性关系。泡沫材料为弯曲主导型的材料，其模量、强度与相对密度为非线性关系。相同重量条件下，点阵材料的面内和面外杨氏模量比蜂窝等轻质材料分别高两个和一个数量级以上，点阵材料的力学性能优于常规的蜂窝、泡沫等轻质材料。点阵材料不仅具备很高的承载效率和优良的碰撞能量吸收特性，而且具备多功能特点，如利用材料的多孔特点进行对流换热以满足航空飞行器温度控制要求。目前卫星结构中多将热控元件预埋于蜂窝夹芯板中，点阵材料的开口设计方案则无需在结构中开槽挖洞，保证了结构材料的完整性。在点阵材料面板及空穴内分散配置电源可以为飞行器提供能源，利用点阵材料空间网架的伸展性能完成制动、促动等。点阵材料是为了满足航空航天飞行器高承载效率的要求而产生的，是国际公认很有前景的新一代轻质超强韧材料，作为结构已经应用于航天和卫星结构中。目前关于点阵材料的理论研究较多，制备技术还相对匮乏，因此，关于轻质点阵材料的制备技术研究十分重要。

目前，金属空间点阵材料的制备工艺主要包括：(1)熔模铸造法：以聚合物为牺牲模制备砂模，高温下聚合物熔化分解，在砂模中形成点阵空间，将高温熔融状的金属熔液缓慢注入砂模，冷却凝固后清除砂模，取出得到金属点阵材料。该工艺主要用于制造八面体点阵材料、Kagomé结构和四面体桁架结构。这种工艺制作的点阵材料胞元尺寸可以为几个毫米，杆元直径可以达到一至两个毫米。该方法对熔融状液态金属的流动性要求很高，一般材料难以实现，而且难以制造相对密度较低的点阵材料。在铸造过程中，材料内部往往出现缺陷，通过熔模铸造法制备的点阵材料强度通常较低。(2)冲压折叠成型法：这种工艺主要用于制备四面体和四棱锥夹芯结构。首先对金属平板进行冲切，对于四棱锥夹芯，冲切成具有周期菱形网眼的平板式筛网，对于四面体夹芯，冲切成具有周期六边形网眼的平板式筛网，然后在预制好的V形模具上冲压折叠形成空间夹芯构型，面板与夹芯由焊接或粘结工艺制成夹层结构。如铝合金材料可用铜焊的方法，不锈钢、超合金和铜合金材料可用过渡液相连接工艺。过渡液相工艺是将分散在粘结剂中的合金以浸渍或喷涂的方式涂覆至夹芯和上下面板，将夹芯放置于两个面板之间，放在真空炉中高温加热，加热到一定温度时去除粘结剂，继续加热至过渡液相的熔点，制成夹芯结构。这种方法工艺相对简单，适用的金属材料也比较广泛。但在冲压过程中，面板容易皱褶甚至撕裂。夹芯和面板间的粘接强度不足时，夹芯和面板容易剥离。而且利用该工艺制作四棱锥点阵材料夹芯结构时，若采用焊接技术，由于分布在上下面板的焊点数目不同，当温度降为室温后，上下面板受到不同的温度应力而很难保持完全水平，焊接时夹芯杆元的热变形易导致其受力不均匀。(3)电子束熔融技术：通过三维或CAD方法进行设计，得到相关文件模式后传输到电子束熔融系统里，电子束熔融设备将丝极加热至高温并释放出电子，通过磁场控制电子束的偏转，电子轰击并逐层融化金属粉末，快速得到所设计的金属结构。用该工艺制作的点阵材料整体性好，不足之处是金属粉末与该金属本身的力学性能并不相同，而且电子束熔融设备能够加工的金属粉末种类非常有限。(4)轧制和电镀法：该方法用微接触印刷技术制作平面网格体系，利用模具将平面网格体系压制成空间波浪形构型，将各单层体系堆垛成三维体系，采用电镀的方式将结构焊接为整体。利用该方法得到的点阵结构单元尺寸可达50微米，这种工艺适用于微机电系统。方法(2)和(3)可以用于制作四棱锥点阵夹芯结构，其中方法(2)是目前国际上最常用的方法，但由于采用的是二次成型工艺，夹芯和面板的粘接强度较差时，使得实际制造出的四棱锥点阵材料的强度低于理论值，因此，必需改进和开发新的四棱锥点阵材料的制备技术。

发明内容

本发明为了解决现有关于四棱锥点阵材料加工工艺的不足，提出一种四棱锥金属点阵材料的制备方法，使实际制作出的点阵材料具备整体性好，夹芯胞元周期性好、强度高等特点。

本发明的四棱锥金属点阵材料的制备方法，根据点阵材料独特的细观周期三维网架结构体系，采用线切割技术制备四棱锥点阵材料夹芯梁。具体包括如下步骤：(1)根据四棱锥点阵材料夹芯梁的性能、功能要求合理设计出夹芯梁的长度和宽度，面板的厚度，夹芯杆元的长度和截面尺寸，夹芯杆元与上下面板的夹角等参数。(2)绘制零件加工图，根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案和工艺参数等。(3)利用CAD等软件编写零件的数控加工程序，并将文件传输到数控机床的数控单元。(4)四棱锥点阵材料夹芯梁加工；利用数控铣床设备铣削出夹芯结构的外形，根据预先设计好的四棱锥胞元大小，钻出多个轴向与夹芯梁宽度方向一致的穿丝孔，用高速小孔机电加工出贯穿夹芯梁全长的穿丝孔，穿丝，利用数控线切割机，由根据夹芯结构的几何拓扑构型而预先编制好的数控加工程序自动完成加工。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)该技术为三维金属点阵材料的一体化成型制备方法，由于采用了计算机控制系统和数控机床加工工艺，自动化程度高，生产周期短，制作出的点阵材料强度高，面板平整，克服了冲压折叠成型法易出现面板皱褶或撕裂的不足，避免了夹芯与面板因二次成型的连接强度问题。

(2)利用冲压折叠成型法将点阵材料的平板式筛网在预制的V形模具上逐行冲压折叠后，形成的空间点阵夹芯的胞元周期性相对较差。将非理想周期的芯层胞元与面板焊接或粘接后，受到载荷尤其是强动载荷时，夹芯的局部结点很容易与面板产生剥离。而本发明采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前预先编制好的数控加工程序自动完成加工，每根杆元的形状精度、尺寸精度和位置精度都很高，因此制作的点阵材料胞元周期性好。

(3)数控线切割加工的基本原理是利用移动的细金属丝作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型，可以加工任何导电材料，因此本发明的用线切割技术制备的金属点阵材料非常广泛，克服了用电子束熔融技术制作点阵材料时金属粉末种类少的不足。

附图说明

图1四棱锥点阵材料夹芯梁示意图；

图2一个四棱锥胞元的示意图；

图3本发明的四棱锥点阵材料的制备方法流程图；

图4a铣加工后的结构示意图；

图4b电加工后的结构示意图；

图4c线切割三棱柱的加工过程示意图；

图4d线切割三棱柱后的夹芯梁结构示意图；

图4e线切割另一侧三棱柱的示意图；

图4f一体化成型的夹芯梁示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的制备方法进行详细说明。

图1为四棱锥点阵材料夹芯梁的示意图，所述的夹芯梁由上面板1、下面板3和夹芯2组成，其中的夹芯2是由很多四棱锥胞元组成的，如图2所示，每一个四棱锥胞元中包含四根相同的杆元4，四棱锥胞元的底部为下面板3。

最常见的四棱锥点阵材料是304#钢和6061铝合金，下面以304#钢四棱锥点阵材料夹芯梁为例，说明利用本发明的制备方法的制备过程，具体实施过程如图3给出的流程图所示：

(1)确定点阵材料夹芯梁的几何尺寸。所述夹芯梁的几何尺寸包括夹芯杆元尺寸、杆元与面板夹角、面板厚度，在保证强度、刚度、稳定性、等效密度的结构性能和功能要求的前提下，将本发明中四棱锥点阵材料的实际加工样品的几何参数设计为：上面板1和下面板3的厚度均为2mm，夹芯2的高度为12mm。每根杆元4均为1.5mm×1.5mm的菱形截面杆，每根杆元4与上面板1、下面板3的夹角均为45°，沿夹芯梁轴线方向和宽度方向分别为15个和2个四棱锥胞元，该样品主要用于考察子弹高速撞击时点阵材料夹芯梁的塑性动力特性。

(2)建立四棱锥点阵材料夹芯梁的三维几何模型，由步骤(1)中设计的参数制成零件加工图，计算夹芯梁的加工尺寸，确定加工方案和工艺参数等。

(3)编写数控加工程序，并将其程序文件传输到数控机床的数控单元。

(4)四棱锥点阵材料夹芯梁加工。具体的加工步骤为：

a.铣加工：用数控铣床铣削出306.9mm×40.92mm×16mm的夹芯梁外形，在夹芯梁高度的中心位置沿夹芯梁长度方向等距钻出如图4a所示的29个φ5的穿丝孔5，穿丝孔的轴向沿夹芯梁的宽度方向；

b.电加工：使用高速小孔机在夹芯梁高度的中心位置电加工出如图4b所示的3个φ1的贯穿夹芯梁全长的穿丝孔6，此工序比较复杂，电加工孔时需仔细检查电极的磨损情况；

c.线切割：沿夹芯梁长度方向依次切割出如图4c所示的29个三棱柱7及夹芯梁两侧的三棱柱后，得到图4d所示的夹芯梁。将零件垂直装夹，依次切割出如图4e所示的另一方向的3个三棱柱8及夹芯梁两侧的三棱柱，最终得到图4f所示的一体化成型的夹芯梁上面板1、下面板3和夹芯2。

Claims (1)

1、四棱锥金属点阵材料的制备方法，其特征在于如下步骤：

步骤一、确定点阵材料夹芯梁的几何尺寸；

步骤二、建立四棱锥点阵材料夹芯梁的三维几何模型；

步骤三、编写数控加工程序，并将其程序文件传输到数控机床的数控单元；

步骤四、四棱锥点阵材料夹芯梁加工；具体的加工步骤为：

a.铣加工：用数控铣床铣削出夹芯梁外形，在夹芯梁高度的中心位置沿长度方向等距钻出多个穿丝孔，穿丝孔的轴向与夹芯梁的宽度方向一致，所述的铣加工穿丝孔贯穿夹芯梁的宽度；

b.电加工：在夹芯梁高度的中心位置沿宽度方向电加工出多个穿丝孔，所述的电加工穿丝孔贯穿夹芯梁的全长；

c.线切割：沿夹芯梁长度方向依次切割出三棱柱，将零件垂直夹装，依次切割出另一方向的三棱柱，最终得到一体化成型的夹芯梁上面板、下面板和夹芯。

Images