CN113172486A - 一种复合材料管状蜂窝曲面的超声辅助磨削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料管状蜂窝曲面的超声辅助磨削加工方法，具有如下步骤：将复合材料管状蜂窝固定在工装上，将杯形砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上；在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行粗加工，获得具有阶梯形状的复合材料管状蜂窝构件；换用球头砂轮，将球头砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上，在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行精加工，去除阶梯和剩余加工余量，获得高质量的复合材料管状蜂窝构件加工曲面。本发明采用超声辅助磨削加工方法，具有加工损伤少、加工质量好、加工精度高、磨屑不容易堵塞砂轮的优点，可以实现复合材料管状蜂窝的低损伤高面形精度加工。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料管状蜂窝加工技术领域，尤其涉及一种复合材料管状蜂窝曲面的超声辅助磨削加工方法。
背景技术
传统天线反射面板多采用碳纤维复合材料蒙皮和铝蜂窝夹芯的夹层结构，但是异质结构反射面板在极端环境下的非均匀热变形会导致面形精度稳定性差。全碳纤维反射面板可以解决异质结构导致的非均匀热变形问题，满足天线反射面板的高精度稳定性要求。根据公开号为CN201810813952.3的专利文献所述，全碳纤维反射面板根据夹芯结构可以分为格栅结构反射面板、碳蜂窝夹层结构反射面板和复合材料管状蜂窝结构反射面板。其中，格栅结构稳定性和刚性较好，成型精度高，但其成型和设计难度较高；碳蜂窝夹层结构兼具格栅结构的优点，但由于国外的技术封锁，碳蜂窝价格极高，无法在国内实现大规模使用；复合材料管状蜂窝结构由碳纤维复合材料薄壁圆管经周期阵列排布后粘接成型而成，力学性能与前两种结构相似，在国内的理论研究和制造工艺比较成熟，成型难度较低，因此复合材料管状蜂窝结构是目前国内可实现天线反射面板的高精度高稳定性要求的一种较易实现的结构。
天线反射面板具有复杂型面，为实现蒙皮与夹芯的可靠胶接装配，需要对复合材料管状蜂窝夹芯进行二次加工。根据公开号为CN201710808999.6和CN201810157494.2的专利文献所述，针对复合材料和蜂窝结构，采用高速铣削的加工方法，由于复合材料管状蜂窝的面内刚度较弱，在切削力作用下极易出现蜂窝让刀变形、复合材料管脱粘、复合材料管压溃、管壁撕裂的现象，影响复合材料管状蜂窝的结构完整性和面形精度；同时高速铣削复合材料蜂窝加工出的表面会产生毛刺、分层等加工损伤，会影响阵列复材管与蒙皮胶接装配面的胶接可靠性。若采用传统磨削方式代替铣削，磨削产生的磨削又容易堵塞砂轮，导致滑擦产生的热量大幅增加，烧伤加工表面。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法。本发明采用的技术手段如下：
一种复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，包括如下步骤：
S1、将复合材料管状蜂窝固定在工装上，将杯形砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上，测量杯形砂轮的端面跳动，使杯形砂轮的端面跳动满足要求；
S2、根据所需的复合材料管状蜂窝曲面面形、砂轮尺寸、阶梯高度和精加工曲面的加工余量确定刀轨，在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行粗加工，获得具有阶梯形状的复合材料管状蜂窝构件；
S3、换用球头砂轮，将球头砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上，测量球头砂轮的端面跳动，使球头砂轮的端面跳动满足要求，根据所需的复合材料管状蜂窝曲面面形和砂轮尺寸确定刀轨，在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行精加工，去除阶梯和剩余加工余量，获得高质量的复合材料管状蜂窝构件加工曲面。
进一步地，所述杯形砂轮和所述球头砂轮均为电镀砂轮。
进一步地，所述步骤S1中，所述杯形砂轮的端面跳动满足要求指的是所述杯形砂轮的端面跳动范围小于等于3μm。
进一步地，所述步骤S2中，所述刀轨应保证所述杯形砂轮切削深度为2.5mm～5mm；所述刀轨应保证所述杯形砂轮在所述复合材料管状蜂窝边缘的复材管处的径向切深不大于15mm，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再提高至不大于30mm的径向切深。
进一步地，所述步骤S2中，所述杯形砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。
进一步地，所述步骤S2中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述杯形砂轮转速为3000r/min～5000r/min；所述杯形砂轮在加工过程中应先以不高于500mm/min的进给速度进给，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至1000mm/min；所述杯形砂轮的刀轴处于垂直状态；所述阶梯根部与所述复合材料管状蜂窝曲面的垂直距离应等于精加工正面的加工余量；所述杯形砂轮在封闭区域进刀时的斜坡角度应小于某一最小角度α，α的正切值等于所述杯形砂轮内壁的磨粒高度除以所述杯形砂轮外径D与壁厚t之差。
进一步地，所述步骤S3中，所述复合材料管状蜂窝待加工曲面若为凹面，则所述球头砂轮的曲面的曲率半径应小于该面最小的曲率半径；所述球头砂轮的端面跳动满足要求指的是所述球头砂轮的端面跳动范围小于等于3μm；所述刀轨应保证所述球头砂轮切削深度不大于2mm；所述刀轨应保证使球头砂轮磨料层边缘始终高于待加工表面，避免不具有切削能力的表面参与切削。
进一步地，所述步骤S3中，所述球头砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。
进一步地，所述步骤S3中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述球头砂轮转速为3000r/min～5000r/min；所述球头砂轮在加工过程中应先以不高于300mm/min的进给速度进给，待所述球头砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至800mm/min；所述球头砂轮的刀轴垂直于所述复合材料管状蜂窝曲面。
超声辅助磨削作为一种新型加工方法，相比于传统磨削，将超声振动施加于砂轮上，改变了砂轮与工件的接触状态和作用机理，通过机械切削作用、高频微撞击作用以及超声空化作用等进行材料去除，砂轮与工件之间的摩擦力减小，砂轮对工件的切削去除作用增强，从而可有效提高材料去除率，减小切削力，有效抑制磨削过程中弱刚性多孔薄壁结构的让刀现象和边缘复材管的脱粘现象；砂轮与工件的作用时间缩短，从而降低切削热，减少刀具磨损，改善加工精度和质量，使加工后表面毛刺等加工损伤减少、加工质量更好，从而实现复合材料管状蜂窝的低损伤高面形精度加工。
与现有复合材料管状蜂窝加工方法相比，本发明具有以下优势之处：
1.加工损伤少，加工质量好。本发明采用超声辅助磨削加工方法，在传统磨削的基础上进一步有效减少复合材料管状蜂窝加工面的毛刺长度和数量，提高复合材料管状蜂窝表面的加工质量。
2.加工精度高。相比于高速铣削、传统磨削等其他加工方法，超声辅助磨削加工方法可以降低切削力，有效抑制弱刚性多孔薄壁结构切削过程中的加工变形，有利于提高复合材料管状蜂窝的面形精度。
3.磨屑不容易堵塞砂轮。在超声辅助磨削加工过程中，由于砂轮端面始终做高频振动，切屑很难依附或粘接在砂轮表面，从而可以有效地改善砂轮的堵塞状况，延长砂轮的使用寿命。
基于上述理由本发明可在加工技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法中步骤S1示意图。
图2为本发明具体实施方式中复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法中步骤S2示意图。
图3为本发明具体实施方式中复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法中步骤S3示意图。
图4是本发明的具体实施方式中加工复合材料管状蜂窝时砂轮的路径示意图。
图5是本发明的具体实施方式中杯形砂轮在封闭区域进刀时的斜坡角度示意图。
图6是图5的放大图。
图7是本发明的具体实施方式中在加工复合材料管状蜂窝构件时球头砂轮磨料层边缘与待加工表面示意图。
其中，1、超声刀柄，2、杯形砂轮，3、复合材料管状蜂窝，4、工装，5、球头砂轮，A为超声振动，6、刀轨，7、磨料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例公开了一种复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，包括如下步骤：
S1、如图1所示，将复合材料管状蜂窝3固定在工装4上，将杯形砂轮2安装到超声刀柄上1，将超声刀柄1安装到机床主轴上，通过施加一定频率和振幅的的超声振动A，同时通过测量砂轮端面跳动确定刀具振幅，通过调节超声电源电压使振幅满足要求。；
S2、如图2所示，根据所需的复合材料管状蜂窝3曲面面形、砂轮尺寸、阶梯高度和精加工曲面的加工余量确定刀轨6，在超声振动作用下沿刀轨6对复合材料管状蜂窝曲面3进行粗加工，获得具有阶梯形状的复合材料管状蜂窝构件；
S3、如图3所示，换用球头砂轮5，将球头砂轮5安装到超声刀柄1上，将超声刀柄1安装到机床主轴上，对球头砂轮施加一定频率和振幅的超声振动，根据所需的复合材料管状蜂窝3曲面面形和砂轮尺寸确定刀轨，在超声振动作用下沿刀轨6对复合材料管状蜂窝3曲面进行精加工，去除阶梯和剩余加工余量，加工过程如图7所示，获得高质量的复合材料管状蜂窝构件加工曲面。
作为优选的实施方式，所述杯形砂轮和所述球头砂轮均为电镀砂轮。
所述步骤S1中，所述杯形砂轮的端面跳动满足要求指的是所述杯形砂轮的端面跳动范围小于等于3μm，若在端面跳动超出3μm时进行加工，则无法保证加工质量。
如图4所示，所述步骤S2中，所述刀轨应保证所述杯形砂轮切削深度为2.5mm～5mm；当切削深度小于2.5mm时，加工效率过低；当切削深度大于5mm时，磨削力增大，会导致复合材料管状蜂窝脱粘和让刀现象，不利于复合材料管状蜂窝构件的加工质量和面形精度。所述刀轨应保证所述杯形砂轮在所述复合材料管状蜂窝边缘的复材管处的径向切深不大于d1＝15mm，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再提高至不大于d2＝30mm的径向切深。所述复合材料管状蜂窝边缘复材管与相邻复材管粘接面积小，是所述复合材料管状蜂窝最容易发生脱粘现象的位置，磨削力随径向切深的增大而增大，当该处径向切深大于15mm时，易发生边缘复材管脱粘的现象。
所述步骤S2中，所述杯形砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。若振幅小于3μm，则产生的超声振动无法有效磨削复合材料管状蜂窝，且对复材管壁的冲击作用不明显；若振幅超过5μm，冲击与磨削复合作用反而会降低表面质量。本实施例中，优选为振动频率为20KHz，振幅为3μm。
所述步骤S2中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述杯形砂轮转速为3000r/min～5000r/min；若转速小于3000r/min，低转速下的磨削力较大，易引起让刀现象；若转速大于5000r/min，高转速下的磨削温度较高，易引起粘刀现象。所述杯形砂轮在加工过程中应先以不高于500mm/min的进给速度进给，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至1000mm/min；所述复合材料管状蜂窝边缘复材管与相邻复材管粘接面积小，是所述复合材料管状蜂窝最容易发生脱粘现象的位置，磨削力随进给速度的增大而增大，当该处进给速度大于500mm/min时，易发生边缘复材管脱粘的现象。所述杯形砂轮的刀轴处于垂直状态；所述阶梯根部与所述复合材料管状蜂窝曲面的垂直距离应等于精加工正面的加工余量；如图5、图6所示，所述杯形砂轮在封闭区域进刀时的斜坡角度应小于某一最小角度α，α的正切值等于所述杯形砂轮内壁的磨粒高度除以所述杯形砂轮外径D与壁厚t之差。本实施例中，选用5000r/min。
所述步骤S3中，所述复合材料管状蜂窝待加工曲面若为凹面，则所述球头砂轮的曲面的曲率半径应小于该面最小的曲率半径；所述球头砂轮的端面跳动满足要求指的是所述球头砂轮的端面跳动范围小于等于3μm，若在端面跳动超出3μm时进行加工，则无法保证加工质量；所述刀轨应保证所述球头砂轮切削深度不大于2mm；所述刀轨应保证使球头砂轮磨料7层边缘始终高于待加工表面，避免不具有切削能力的表面参与切削。
所述步骤S3中，所述球头砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。若振幅小于3μm，则产生的超声振动无法有效磨削复合材料管状蜂窝，且对复材管壁的冲击作用不明显；若振幅超过5μm，冲击与磨削复合作用反而会降低表面质量。
所述步骤S3中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述球头砂轮转速为3000r/min～5000r/min；若转速小于3000r/min，低转速下的磨削力较大，易引起让刀现象；若转速大于5000r/min，高转速下的磨削温度较高，易引起粘刀现象。所述球头砂轮在加工过程中应先以不高于300mm/min的进给速度进给，待所述球头砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至800mm/min；所述复合材料管状蜂窝边缘复材管与相邻复材管粘接面积小，是所述复合材料管状蜂窝最容易发生脱粘现象的位置，磨削力随进给速度的增大而增大，当该处进给速度大于300mm/min时，易发生边缘复材管脱粘的现象。所述球头砂轮的刀轴垂直于所述复合材料管状蜂窝曲面。本实施例中，选用5000r/min。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将复合材料管状蜂窝固定在工装上，将杯形砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上，测量杯形砂轮的端面跳动，使杯形砂轮的端面跳动满足要求；
S2、根据所需的复合材料管状蜂窝曲面面形、砂轮尺寸、阶梯高度和精加工曲面的加工余量确定刀轨，在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行粗加工，获得具有阶梯形状的复合材料管状蜂窝构件；
S3、换用球头砂轮，将球头砂轮安装到超声刀柄上，将超声刀柄安装到机床主轴上，测量球头砂轮的端面跳动，使球头砂轮的端面跳动满足要求，根据所需的复合材料管状蜂窝曲面面形和砂轮尺寸确定刀轨，在超声振动作用下沿刀轨对复合材料管状蜂窝曲面进行精加工，去除阶梯和剩余加工余量，获得高质量的复合材料管状蜂窝构件加工曲面。
2.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述杯形砂轮和所述球头砂轮均为电镀砂轮。
3.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述杯形砂轮的端面跳动满足要求指的是所述杯形砂轮的端面跳动范围小于等于3μm。
4.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述刀轨应保证所述杯形砂轮切削深度为2.5mm～5mm；所述刀轨应保证所述杯形砂轮在所述复合材料管状蜂窝边缘的复材管处的径向切深不大于15mm，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再提高至不大于30mm的径向切深。
5.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述杯形砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。
6.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述杯形砂轮转速为3000r/min～5000r/min；所述杯形砂轮在加工过程中应先以不高于500mm/min的进给速度进给，待所述杯形砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至1000mm/min；所述杯形砂轮的刀轴处于垂直状态；所述阶梯根部与所述复合材料管状蜂窝曲面的垂直距离应等于精加工正面的加工余量；所述杯形砂轮在封闭区域进刀时的斜坡角度应小于某一最小角度α，α的正切值等于所述杯形砂轮内壁的磨粒高度除以所述杯形砂轮外径D与壁厚t之差。
7.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述复合材料管状蜂窝待加工曲面若为凹面，则所述球头砂轮的曲面的曲率半径应小于该面最小的曲率半径；所述球头砂轮的端面跳动满足要求指的是所述球头砂轮的端面跳动范围小于等于3μm；所述刀轨应保证所述球头砂轮切削深度不大于2mm；所述刀轨应保证使球头砂轮磨料层边缘始终高于待加工表面，避免不具有切削能力的表面参与切削。
8.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述球头砂轮在所述超声振动作用下沿其轴线方向振动，振动频率为16KHz～30KHz，振幅为3μm～5μm。
9.根据权利要求1所述的复合材料管状蜂窝构件的超声辅助磨削加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，按所述刀轨对复合材料管状蜂窝进行加工时，所述球头砂轮转速为3000r/min～5000r/min；所述球头砂轮在加工过程中应先以不高于300mm/min的进给速度进给，待所述球头砂轮全部切入所述复合材料管状蜂窝后再逐渐提高进给速度至800mm/min；所述球头砂轮的刀轴垂直于所述复合材料管状蜂窝曲面。
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