蜂窝夹层玻璃钢复合材料的铣削加工

蜂窝夹层玻璃钢复合材料的铣削加工

徐 琳，杨尚杰，刘建养

(西安导航技术研究所，陕西 西安 710068)

摘 要：开展了蜂窝夹层玻璃钢复合材料的铣削加工工艺试验，对比了不同装夹方式和工艺参数的加工效果，得出了表面质量良好的蜂窝夹层玻璃钢复合材料铣削加工方案。试验表明，采用硬质合金刀具，较小的转速和进给量，较大的切削深度，干式切削，就能铣削出表面质量良好的蜂窝板工件。

关键词：玻璃钢；蜂窝夹层复合材料；分层；脱粘；工艺试验

蜂窝夹层玻璃钢复合材料(以下简称“蜂窝板”)由蒙皮和蜂窝芯材组成。蒙皮通常是玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维增强热固性或热塑性树脂，蜂窝芯材通常是玻璃布蜂窝、Nomex芳纶蜂窝和铝蜂窝等，蒙皮和蜂窝芯材由胶膜粘接、通过真空袋工艺或热压工艺复合成型出蜂窝板，其具有密度低、比强度高和比刚度大等优点。其中，玻璃布蜂窝和Nomex芳纶蜂窝板由于具有优良的透波性能和电性能，可设计性而普遍应用于雷达天线的天线罩；然而，天线罩的成型工艺决定了蒙皮与蜂窝夹层接合处强度较弱，在机械加工过程中，极易产生分层、脱粘等加工缺陷。雷达天线罩的稳定性被破坏是一个从缺陷到接头失效再到局部失稳，直到整体破坏的过程[1]，所以在雷达天线罩的成型和机械加工中应尽量避免缺陷的产生，保证雷达产品的整机稳定性。

为了避免在机械加工中产生分层、脱粘等加工缺陷，本文进行了蜂窝板的铣削加工工艺试验研究。工艺试验用的蜂窝板为热压罐固化成型的夹层结构平板，蒙皮原材料为Y3218/SW110预浸料，蜂窝芯材是Nomex芳纶蜂窝，蒙皮和蜂窝间由J32—1000结构胶膜粘接；试验设备为立式龙门铣床PM202H；试验刀具为硬质合金铣刀和金刚石涂层硬质合金铣刀[2]。采用多组对比试验的方法对外形和孔进行切削加工，特别是对切削参数、走刀路径和装夹方式进行了重点研究和试验，找到了加工蜂窝板的合理工艺参数。

1 外形铣削加工试验

在外形尺寸为15.6 mm×2 780 mm×1 420 mm的试验件上，采用外形铣削的方式加工缺口。缺口尺寸为100 mm×40 mm，采用φ16 mm硬质合金铣刀。试验采用干式切削，装夹方式为四周压紧，走刀方式为顺铣。试验分为4组，工艺参数和加工情况见表1。

表1 工艺参数和加工情况

序号n/r·min-1f/mm·min-1ap加工现象加工质量1-11-21-3200010005001000500500 不分层,切削深度为15.4mm 小幅度振动,发出轰隆隆的噪声,完工后刀具为常温分层 大幅度振动,材料在加工中弓起变形严重,发出轰隆隆的噪声,完工后刀具为常温分层 材料对刀具阻力大,无法完成加工,完工后刀具为常温切削失败、严重分层2-12-22-31000750500250250250 不分层,切削深度为15.4mm 无振动,发出嗒嗒嗒的噪声分层 平稳,发出低沉的嗒嗒声部分分层 振动,发出柴油机工作声严重分层3-13-23-37507501000150100200 不分层,切削深度为15.4mm 无振动,加工平稳,无噪声无分层 无振动,加工平稳,无噪声无分层 无振动,平稳,发出低沉的嗒嗒声轻微分层4-14-24-37507507501501501507.553 无振动,加工平稳,无噪声部分分层分层严重分层

第1组试验对蜂窝板开展缺口铣削加工工艺试验。第1组试验效果如图1所示。

图1 外形铣削第1组试验效果图

通过考察第1组试验加工过程中工艺参数对分层缺陷的影响，研究和分析蜂窝板的切削加工性能，可以得到如下结论：在干切削的条件下，采用硬质合金刀具对蜂窝板进行铣削加工，不会产生大的切削热；进给量相同时，转速越大，分层的倾向越小；蒙皮材料玻璃钢硬度较大，应降低进给量进行加工。

第2组试验在第1组试验的基础上降低了进给量和转速，为了防止工件在加工中振动，增加了压块。第2组试验效果图如图2所示。

图2 外形铣削第2组试验效果图

通过考察第2组试验加工过程中工艺参数对分层缺陷的影响，可以得到如下结论：当转速一定时，降低进给量，能适当缓解分层缺陷；当进给量一定，转速与进给量的比值是3∶1时，加工质量有所改善；当进给量降低至250 mm/min时，仍然存在分层缺陷，应进一步降低进给量。

第3组试验进一步降低进给量，用第2组试验中加工质量稍好的2种转速进行试验。第3组试验效果如图3所示。

图3 外形铣削第3组试验效果图

通过考察第3组试验加工过程中工艺参数对分层缺陷的影响，可以得到如下结论：当转速<750>

第4组试验采用了第3组试验中3-1的转速和进给量，但减小了切削深度，对试验件进行了分层铣削。第4组试验效果如图4所示。

图4 外形铣削第4组试验效果图

通过考察第4组试验加工过程中工艺参数对分层缺陷的影响，可以得到如下结论：当切削深度未超过刀具刃长时，不需要进行分层铣削也能获得较好的加工质量；当转速与进给量一定时，减小切削深度，进行分层铣削，加工质量会随着切削深度的减小而逐渐下降。

1.5 外形铣削试验总结

通过4组缺口铣削加工试验可以得出如下结论：1)进行蜂窝板的外形铣削时，转速和进给量都不能过大，当转速<750>

2 孔加工试验

在外形尺寸为15.6 mm×2 780 mm×1 420 mm的试验件上，分别采用钻削和铣削的方式加工孔，刀具为φ6 mm硬质合金铣刀。试验采用干式切削，装夹方式为四周压紧，并增加压块(见图5)。切削方式为干切削，走刀方式为顺铣。试验分为3组，工艺参数和加工情况见表2。

图5 试验件装夹方式

表2 工艺参数和加工情况

序号转速n/r·min-1进给量f/mm·min-1啄钻参数切削深度ap/mm斜坡角度/(°)加工现象背面加工质量1-11-21-3750600500756050 首次钻孔深度为2mm,以后各次钻孔深度为2mm,啄钻安全间隙为2mm 无振动,加工平稳,无噪声,正面加工质量良好严重脱粘轻微脱粘脱粘2-12-27501505.5——3 无振动,加工平稳,无噪声,正面加工质量良好脱粘无脱粘3-13-23-320004003915 慢速加工,加工耗时37.5s;无振动,加工平稳,无噪声,正面加工质量良好 中速加工,加工耗时15s;无振动,加工平稳,无噪声,正面加工质量良好 快速加工,加工耗时10s;无振动,加工平稳,无噪声,正面加工质量良好 无缺陷,金刚石涂层铣刀比硬质合金铣刀加工的工件外轮廓更清晰(见图8)

第1组试验方案为孔的钻削加工，孔尺寸为φ6 mm，钻孔方式为啄钻。上述试验采用了啄钻的方式加工孔，留余量0.2 mm，未完全钻透，试验效果图如图6所示。

图6 孔加工第1组试验效果图

通过考察孔加工第1组试验加工过程中工艺参数对脱粘缺陷的影响，可以得到如下结论：采用啄钻的方式加工速度很快，但工件所受刀具垂直向下的切削力作用大，导致工件背面产生脱粘缺陷；即使采用低转速和更小的进给量，依然不能改善工件背面的加工质量。

第2组试验方案为孔的铣削加工，孔尺寸为φ7 mm。铣削方式为外形铣削，其中，2-1为采用二维外形铣削加工，2-2为斜坡加工。试验效果图如图7所示。

图7 孔加工第2组试验效果图

通过考察孔加工第2组试验加工过程中工艺参数对脱粘缺陷的影响，可以得到如下结论：采用二维外形铣削加工，加工效率高，但工件背面产生脱粘缺陷；采用斜坡加工，斜坡角度为3°，加工效率较低，加工表面质量良好。

第3组试验方案为孔的铣削加工，采用斜坡加工方式，孔尺寸为φ6 mm。对2种刀具做对比试验，分别为φ4 mm的硬质合金铣刀和φ4 mm的金刚石涂层硬质合金铣刀。孔加工第3组试验效果图如图8所示。图8中，上层孔为硬质合金铣刀加工，下层孔为金刚石涂层硬质合金铣刀加工。

图8 孔加工第3组试验效果图

通过考察第3组试验加工过程中工艺参数对脱粘缺陷的影响，可以得到如下结论：采用斜坡加工方式，加工效率随斜坡角度的增加逐渐提高，当斜坡角度增加到15°时，仍然没有产生缺陷；用金刚石涂层硬质合金铣刀加工能得到加工边缘毛刺少且清晰的外轮廓，尤其是斜坡角度增加时，加工质量明显优于硬质合金铣刀。

通过3组孔加工试验可以得出如下结论：1)用硬质合金铣刀对孔进行钻削加工，工件所受刀具垂直向下的切削力作用大，会产生脱粘缺陷；2)采用斜坡加工方式铣削孔时，当斜坡角度增加到15°时，工件不会产生脱粘缺陷；3)同等条件加工时，金刚石涂层硬质合金铣刀加工质量明显优于硬质合金铣刀。

3 结语

通过对蜂窝板的铣削加工工艺试验，可以得出如下结论：采用硬质合金刀具，较小的转速、进给量，大的切削深度，干式切削，就能铣削出表面质量良好的蜂窝板工件。该结论对加工条件要求不高，尤其适合科研单位的单件、小批量生产，如果批量较大，应采用更加耐磨的刀具，如本文提到的金刚石涂层硬质合金铣刀，以便于提高加工效率。

参考文献：

[1] 周祝林，等.关于蜂窝夹层结构雷达罩稳定性问题研究[J].玻璃钢,2007(4)：2-6.

[2] 杨保生，高昆.干式加工技术切削刀具的研究[J].机电产品开发与创新,2006(5)：160-161.

责任编辑 郑练

Milling Process of Honeycomb Sandwich Glass Fiber Reinforced Plastic Composite Material

XU Lin, YANG Shangjie, LIU Jianyang

(Xi’an Research Institute of Navigation Technology, Xi’an 710068, China)

Abstract：Experimental studies on milling of honeycomb sandwich composite are carried out. Through experiments the processing results of different clamping methods and process parameters are compared. Milling process of honeycomb sandwich fiberglass composites with good surface quality is obtained. The use of carbide cutting tools with smaller speed and feed, and large cutting depth and dry cutting could be useful for milling the surface of a good quality honeycomb board workpiece.

Key words：FRP, honeycomb sandwich composite, delamination, debond, process test

中图分类号：TN 96

文献标志码：A

作者简介：徐琳(1983-)，女，高级工程师，大学本科，主要从事导航、雷达和通信领域电子设备的机械加工工艺等方面的研究。

收稿日期：2016-12-07