[ 摘要] 根據超聲波機床加工蜂窩芯的基本原理及切削方（fāng）式，在雙麵膠帶固持技術的基礎上，提出了一種高效、經濟的芳綸紙蜂窩固持方法，極大地提（tí）高（gāo）了固持效率，降低了成本。建（jiàn）立了機床功率、真空壓力、切削參數以及刀具（jù）參數與最小薄膜麵積之間的解析表達（dá）式，根據機床參（cān）數求解可（kě）選用新型固持方案的（de）最小薄膜麵積。

       芳綸紙（Nomex）蜂（fēng）窩芯（圖1）材料（liào）因其比強度高（gāo）、比剛度大（dà）、抗衝擊、抗疲勞、耐腐蝕、吸（xī）能強、絕緣性能好和能透電磁（cí）波等一係列（liè）特性而廣泛應用於航空航（háng）天領域。由於蜂窩芯（xīn）的橫向結構不（bú）連續，剛度極小，而軸向（xiàng）則有很強的剛（gāng）度，故其（qí）主要承受軸向載荷。蜂窩芯在帶（dài）給航（háng）空航天產品諸多（duō）優良性能的（de）同時也因其加工的（de）特殊性帶來了新的難題（tí），尤其是加工過程（chéng）中的固持技術，一（yī）直是製約其高效加工的瓶頸之一。

        圖1 蜂窩芯結構
 

       近年來，隨著蜂窩芯材料在航空航天領域的大量使用，其固持技術已成（chéng）為相關學者和工程技術（shù）人員研（yán）究的熱點（diǎn），傳統的（de）蜂窩（wō）芯加工的固持（chí）方法主要有以（yǐ）下幾種[1-3] 。

        圖2 雙麵膠帶固持示意圖

       雙麵膠（jiāo）帶固持法：通（tōng）過一麵粘（zhān）在夾具（jù）上，另一麵粘（zhān）在工件上的雙麵粘結帶實現對工件的固定，如圖2 所示。這是目前（qián）芳綸紙蜂窩固持（chí）的主要方法，在國（guó）內主要航空企（qǐ）業中廣泛使用，這種方法固持力小，不適合切削深度大及切削（xuē）力（lì）大的零件，但基本能滿足芳綸紙蜂窩的加工要求。

       該固（gù）持方法的主要缺（quē）點是加工準備時間較長，因為膠（jiāo）帶都（dōu）是標準尺寸的，在零件較大時需要粘貼多塊（kuài）膠（jiāo）帶，膠帶與膠帶之間既不能重疊，也不能留縫隙，否（fǒu）則（zé）會導致加工誤差（chà）或者（zhě）固持不牢；另外，粘貼膠帶（dài）前（qián）需（xū）要用酒精等有機（jī）溶劑清洗零件，加（jiā）工完以後還需要用酒精等有機溶劑去除膠帶，這樣零件加工的準備時間往往是加工時間的數倍，大大降低（dī）了（le）零件的加工效率。同時，清洗用的（de）酒精等有機溶（róng）劑易揮發，造成車間的環境（jìng）汙染；再次，膠（jiāo）帶是一次性使用的消耗品，增加（jiā）了（le）零（líng）件的製造費用。

       隔膜固持法：用塑料膠片或用玻璃纖維增強塑料製成（chéng）的隔膜粘在切削麵的對稱麵上，再利用抽真空（kōng）和雙麵粘結帶加以固定，加工完成之後將隔膜去掉。這種（zhǒng）方法固定很牢靠，可進行大力切削，適（shì）合各（gè）類（lèi）蜂窩芯的加工固持，缺點和雙麵（miàn）膠帶固持方法基本相同，且加工前的準備時間更長。相變固持法：這種（zhǒng）方法是利用聚乙二醇加熱（70~90℃）熔化後冷卻（què）固化的特性（xìng）來實現對工件的固定。這種固持方（fāng）法相對前兩種加工準備時間稍短，但對於（yú）金屬蜂窩芯而言，加（jiā）工過程中產生的（de）切削熱會使聚乙二醇（chún）熔化而導致工（gōng）件脫落。同樣，零件加工完以後（hòu）需要（yào）用有機（jī）溶劑清洗零件（jiàn）。

      磁性鐵粉固（gù）持（chí）法：針對上述固持方法存在的不足，浙江大學柯映林等提出了一種基於磁場和摩擦吸附（fù）原理的新夾持方法。該（gāi）方法利用灌入蜂窩芯中（zhōng）鐵粉的（de）自重以及外加磁場對鐵粉的吸引力（lì），在鐵粉（fěn）與蜂窩側壁之間以及蜂（fēng）窩芯與夾具平台之間產生可以（yǐ）控製的摩擦力，利用（yòng）摩擦力的作用達到在（zài）高速加工過程中對紙基蜂窩零件的夾（jiá）持。柯映林等於（yú）2007 年還利用（yòng）有（yǒu）限元模擬試驗建立了加工誤差、銑削力、固持工藝參（cān）數之（zhī）間的關係模型，並對固持工藝參數（shù）進行優化分析，提高（gāo）了加工精度。截至目前，柯映林提出的固持方法（fǎ）具有（yǒu）較高的理論水平，同時大大（dà）縮（suō）短了加工準備時間，提（tí）高了加工精度，並且加工後鐵粉易清除，減少（shǎo）了操作者的勞動，在（zài）批量生產中具有較好的推（tuī）廣前景。但是該固持方法需要製造一（yī）套專（zhuān）用的磁性設備，且其設備中諸如電流強（qiáng）度、鐵粉用量等也需要一定的專業（yè）知（zhī）識，尤其是針對不同尺寸的零件，這些參數的合理使用需要專業人士才能（néng）確定，不（bú）利於在普通（tōng）操（cāo）作（zuò）者（zhě）之間大力推廣。

       1 、基（jī）於超聲波機床加工蜂窩芯的固持技術

      超聲波機床（chuáng）是通過超聲波（bō）發生器產生超聲振蕩波，經換能器轉換成超聲機械振動來（lái）切削零件的（de）一種機械加工設備。其切削方式與傳統的機床有較大（dà）的差異，固持技術也因此而有所不同。

      1.1 超聲波機（jī）床的（de）切（qiē）削方式

      目前，基於超聲波（bō）機床加工芳綸紙蜂窩的切削方式及對應的刀具主要有兩種[4-5] ：V 型切削方式和盤片式切削（xuē）方式。

      圖3 V型切削

      V 型切削方式如圖3 所示，是機床的主軸不旋轉，通過刀（dāo）具沿主軸方向的振動來切（qiē）割零件，對應的刀具為匕首式刀具，如圖4 所示。

      圖4 不同刀具（jù）

      盤片（piàn）式旋轉切削方式如圖5 所示，是刀具沿法向振動的同時B 軸旋轉，通過很小的振幅（fú）（約0.02~0.04mm）去除餘量。

      圖5 盤（pán）片式切（qiē）削

      1.2 高效、經濟的芳綸紙蜂窩芯固持（chí）方法

       本文通過對蜂窩（wō）加工工（gōng）藝方法及（jí）固持方法（fǎ）的仔（zǎi）細分析和研究，結合超聲波（bō）機床的特點，提出了一種高效、經（jīng）濟的芳綸紙蜂窩芯的固持方法。該方法在雙（shuāng）麵膠固持（chí）方法（fǎ）的基礎上做了一些（xiē）改進。
 
       當蜂（fēng）窩零件總體麵積較小時，仍使（shǐ）用雙麵膠帶，為（wéi）增大（dà）固（gù）持力，加工的同時開啟真空吸附便可實現蜂窩零（líng）件的穩定固持。
 
       當蜂窩芯總體麵積相對較大時，加工區域仍然采（cǎi）用雙麵（miàn）膠連（lián）接零件與工作台，零件非加工區域則在零件的上（shàng）表麵鋪一層薄（báo）膜，通過真空的吸附力來完成對零件的（de）固持，如圖6、圖7 所示。

      圖6 新的固持方法示意圖

       圖7 新的固持方（fāng）法實物圖

      因此，蜂窩芯零件的（de）固持方法主要取決於蜂窩芯零件的（de）麵積大小。當（dāng）蜂窩芯麵積較大時，由（yóu）於加工部（bù）分所占的比例相對較小，零件主要（yào）依靠真（zhēn）空吸附薄膜的壓力形（xíng）成的摩擦力（lì）來固持。下麵（miàn）計算可采用新型固持方案的蜂窩芯臨界麵積，為（wéi）保證固持的可靠性，忽略雙（shuāng）麵膠帶的固持作用（yòng）。

      假設超聲波機床的功率為P，真空平台的壓強為p，所鋪薄（báo）膜的麵積為A，當采（cǎi）用匕首（shǒu）刀具加工時，其進給速度為（wéi）f1，當采用盤片刀具加工時（shí），主軸的轉速為n，盤片刀具的半徑為R，蜂窩芯材料（liào）與真空平（píng）台間的靜（jìng）摩擦因數為μ。當采用匕（bǐ）首刀具切削時（shí），主軸（zhóu）不轉動，則機床功率P、切削力F1、進給速度（dù）f1 之間滿足以下關係（xì）：

      當采（cǎi）用匕首式刀具（jù）加工時，薄膜麵積（jī）為（wéi）：

     為驗證薄膜麵積的臨界值，選取了（le）40mm×50mm、40mm×40mm、40mm×30mm、40mm×20mm 4 塊尺（chǐ）寸不同的（de）薄膜進行了試驗。將薄膜覆蓋後用匕（bǐ）首（shǒu）刀具進行切削，發現40mm×50mm、40mm×40mm 的薄膜覆蓋後均能實現穩（wěn）定的固持（chí）；40mm×30mm 的薄膜覆蓋後在（zài）加工過（guò）程中發生了少許移動，40mm×20mm 的薄膜在加工（gōng）過程（chéng）中持續移動，試（shì）驗結果（guǒ）驗證了薄膜臨界麵積計算的正確性（xìng）。

      事實上，不同材（cái）料的（de）摩擦因數的差異，機床主軸功率的使用率，以及切削力平麵的分量都會影響薄膜的臨界（jiè）值，其精確計算還需更進一步的探討和研（yán）究。

     相對於前麵介紹的幾（jǐ）種固持方法，該方（fāng）法具有以下幾個方麵的優勢：

     （1）由於（yú）隻需在加工區域粘貼雙麵膠帶，加工前的準備時間大大（dà）縮短。使用結（jié）果表明（míng），使用薄膜代替大部分雙麵膠帶，加工前的準備時間隻有全部使用雙麵膠帶加工準備時間的1/4~1/2。

     （2）由於粘貼區域（yù）麵積小，幾乎很少出現一塊（kuài）雙麵膠帶不夠用的情況，這樣就大大減少了膠帶與膠帶之間的對接部分，減少了零件加工過程中的質量隱患。

     （3）零件的加工成（chéng）本大大降（jiàng）低。芳綸紙蜂窩芯固持所用的雙麵膠帶都是進口（kǒu）的，價格昂貴，采取薄膜代替大部分雙麵膠帶以後，極大地節約了成本（běn）。

     （4）由於清洗零件的區域大大減少，操作者（zhě）的勞動強度降低，同時由於酒精等有機溶劑用量的明顯減少，車間的工作環境得到極大改善。

     （5）操作簡便，不（bú）需要太多專業知識，普通操作者可以快捷（jié）便利的操作，有利於（yú）大（dà）力推廣應用。

      2 、結論

     （1）本文介紹了蜂窩芯加工過程中幾種常用的固持方法並分析（xī）了其優缺點，包括雙麵膠帶固持方法、隔膜（mó）固持法、相變固持（chí）法。
 
 
     （2）根據超（chāo）聲波機床加（jiā）工蜂窩芯的切削（xuē）原（yuán）理和加工方式，在雙麵（miàn）膠帶固持法的基（jī）礎（chǔ）上，提出了一種高效（xiào）、經濟的（de）固持方（fāng）法，該方法在蜂窩芯加工區域的非加工麵（miàn）仍然使用雙麵膠（jiāo）帶粘結蜂（fēng）窩（wō）芯與（yǔ）墊板，非加（jiā）工區域上表麵直接覆蓋一層薄膜，利用真空的吸附力來固持蜂窩芯。較其他固持方法，該方法能極大地提高固持效（xiào）率（lǜ），節約成本。

     （3）建立了機床功率、真空壓力（lì）、切削參數以及刀具參數與最小薄膜麵積之間的解析（xī）表達式，根據具體的機床參數求解最小（xiǎo）薄膜麵積，並據此來判斷蜂窩芯零件是否可選（xuǎn）用新型的固持方案。
 

      參 考 文 獻:

     [1] 梅德茂. 金屬蜂窩芯的數控加工. 西飛科技，1997(2)： 38-43.

     [2] 劉剛. 紙基蜂窩芯零件高速銑削加（jiā）工（gōng）固持係（xì）統[D]. 杭州：浙江大學，2004.

     [3] 周原，孫曉，劉明山, 等．新型磁粉探傷設（shè）備控製係統的研究與開發．吉林大學學報，2003，33(1)： 73-76.

     [4] 高濤，駱金威，林勇, 等（děng）. 基於超聲波機床的蜂窩芯數控加工技術研究. 機械製造，2013(1): 41-43.

     [5] 張永岩，張超，李微. 超聲（shēng）波機床基於CATIA V5 複合材料蜂窩件數控（kòng）程編（biān）方（fāng）法研究. 航空（kōng）製造技術，2012(9): 79-82.