[ 摘（zhāi）要] 根據超聲波機床加工蜂窩芯的基本原理及切削方式，在雙麵膠帶固持技術的基礎上，提出了一種（zhǒng）高效、經濟的芳綸紙蜂（fēng）窩固持方法，極大（dà）地提高了（le）固持效率，降低了成本。建立（lì）了機床功率、真空壓力、切削參數以及刀具參數與最小薄膜麵積之間的（de）解析表達式，根據機床參數求解可選用新型固持方案的最小薄膜麵積。
   
     關（guān）鍵詞（cí）：蜂窩芯 超（chāo）聲波 雙麵膠帶 固持
 
     芳綸紙（Nomex）蜂（fēng）窩芯（圖（tú）1）材料因其比強度高、比剛度大、抗衝擊、抗疲勞（láo）、耐腐蝕、吸能強、絕緣性能好和能透電磁波等一係列特性而廣泛應用於航空航天領域。由於蜂窩芯的橫向結構不連續，剛度極小，而軸向則有很強的剛度，故其主要承受（shòu）軸向載荷。蜂窩芯在帶給航（háng）空航天產品諸（zhū）多（duō）優（yōu）良性能的同時也因其加工的特殊（shū）性帶來了新的難題（tí），尤其是加工過程中的固持技術，一直是製約其（qí）高效加工的瓶頸之一。

     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（yǐ）成為相關學者和（hé）工程技術人（rén）員研究的熱點，傳統的蜂窩芯加工（gōng）的固（gù）持（chí）方法主要（yào）有以下幾種（zhǒng）[1-3] 。

    
     圖1 蜂窩芯結構
 

    雙麵膠帶固持法：通過一麵粘在夾具上，另一麵粘在工件上的雙麵粘結帶實現對工件（jiàn）的固定（dìng），如（rú）圖2 所示。這是（shì）目（mù）前芳綸紙蜂窩（wō）固持的主要方法（fǎ），在（zài）國內主要航空（kōng）企（qǐ）業中廣泛使用，這種方法固（gù）持力小，不適合切削深度大（dà）及切（qiē）削力大的零件，但基本能滿足（zú）芳綸紙蜂窩的加工要（yào）求。

      圖2 雙麵膠帶固持示意圖

     該固持方（fāng）法的主要缺（quē）點是加工（gōng）準備時（shí）間較長，因（yīn）為膠帶（dài）都是標（biāo）準（zhǔn）尺寸的，在零件較大時需要粘貼多塊膠帶，膠帶與膠帶之間既不能重疊，也不能留縫隙，否則會導致加工誤（wù）差（chà）或者固持（chí）不牢；另外（wài），粘貼膠帶前需要用酒精等有機溶劑清洗零件，加工完以後還需要用（yòng）酒精等有機溶劑去除膠帶，這樣零（líng）件加工的準備時間往往是加工時間的數倍，大（dà）大（dà）降低（dī）了零件的加（jiā）工（gōng）效率。同時，清洗用的酒精等有機溶劑（jì）易揮發，造成車間的環境（jìng）汙染；再次，膠帶是一次性使用的消耗品，增加了零件的製造費用。

     隔膜（mó）固持法：用塑料膠片或用玻璃纖維增強塑料製成的隔膜粘在切削麵（miàn）的對稱麵上，再利用抽真空和雙麵粘結帶加以固定，加工完成之後將隔膜去掉。這（zhè）種方法固定很牢靠，可進行大（dà）力切削，適合各類蜂窩芯（xīn）的加工固持，缺點和雙麵膠帶固持方法基本相同，且加工前的準（zhǔn）備時間更長。相變固持法（fǎ）：這種方（fāng）法是（shì）利用聚乙二醇加（jiā）熱（70~90℃）熔（róng）化後冷卻固化的特性來（lái）實現對工（gōng）件（jiàn）的固（gù）定（dìng）。這種固持方法相對前兩種加工準備時（shí）間稍短（duǎn），但對於金屬（shǔ）蜂窩芯（xīn）而言，加工過程中產生（shēng）的切削熱會使聚乙二（èr）醇熔（róng）化而導致工（gōng）件脫落。同樣（yàng），零件加工完以後需要用有機溶劑清洗零件。

        
      圖3 V型切削
   

      圖（tú）4 不（bú）同刀具
    

     磁性鐵粉固持法：針對上述（shù）固持方法存在的不足，浙江大學柯映林等提出了（le）一種基（jī）於磁場（chǎng）和摩擦（cā）吸附原理的新夾（jiá）持方法。該方法利用灌入蜂窩芯中鐵粉的（de）自重以及外加磁場對鐵粉的吸引力，在鐵粉與蜂（fēng）窩側壁之間以及（jí）蜂窩芯與夾具平台之間（jiān）產生可以控製的摩擦力，利用摩擦力（lì）的作用達到在高速加工過程（chéng）中對紙基蜂窩零件的夾持。柯映（yìng）林等於2007 年還利用有限元模擬試驗建立了加工（gōng）誤差、銑（xǐ）削力、固持工（gōng）藝（yì）參數之間的關係模型，並對固持工藝參數進行優化分析，提高了加工精度。截至目前，柯映林提出的固持方法具有較高的理論（lùn）水平，同時大大縮短（duǎn）了加工準備時（shí）間，提高（gāo）了（le）加工精度，並且加工後鐵粉易清除，減少了操作（zuò）者的勞動，在批量生產中具有較好的推廣前景。但是該固持方法需要製造一套專（zhuān）用的磁（cí）性設備，且其設備中（zhōng）諸如電流強度、鐵粉用量等也需要（yào）一定的專（zhuān）業知識，尤其是針對不同尺（chǐ）寸的零件，這些參（cān）數的合理使用需要專業人士（shì）才（cái）能確定，不利於在普通（tōng）操作者之間大力推廣。

        
      圖5 盤片式切削

     1 、基於（yú）超聲波機床（chuáng）加工蜂窩芯的固持技（jì）術

     超聲波機床是通過超聲波發生器產生超聲振蕩波，經換能器轉換成超聲機械振動來切削零件（jiàn）的一種機械（xiè）加工設備（bèi）。其（qí）切削方式與傳統的機床有較大（dà）的差異，固持（chí）技術也因此而有所不（bú）同（tóng）。

     1.1 超聲波（bō）機床的切削方式

      目前，基於超聲波機床加工芳綸紙蜂（fēng）窩的切（qiē）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方式。

     V 型切削方式如圖3 所示（shì），是機（jī）床的主軸不旋轉（zhuǎn），通過刀具（jù）沿主軸方（fāng）向的振動來切割零件（jiàn），對應的（de）刀具為匕首式刀具，如圖4 所示。盤片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（約0.02~0.04mm）去除餘（yú）量。

     1.2 高效、經濟的（de）芳綸紙蜂窩芯固持（chí）方法本文通過對蜂窩加工工藝方法及固持方法的仔細分析和研（yán）究，結合超聲波機床的特（tè）點（diǎn），提出了一種高效、經濟的芳（fāng）綸紙蜂窩芯（xīn）的固持方法。該方法在雙麵膠（jiāo）固持方法的（de）基礎上做了一些（xiē）改進。

     當蜂窩零件總體麵積較（jiào）小時，仍使用雙麵膠帶，為增大固持力，加工的同（tóng）時開啟真空吸附便可實現蜂窩零件的穩定（dìng）固（gù）持。

     當蜂窩芯總體麵積相對較大時，加工（gōng）區域仍然采用（yòng）雙麵膠連接零件與（yǔ）工（gōng）作台，零件非加工區（qū）域則在零件的上表麵鋪一層薄膜，通過真空的吸附力來完成對零件（jiàn）的（de）固（gù）持（chí），如圖6、圖（tú）7 所示。

     因此，蜂窩芯零件的固持方法主要取決於蜂窩芯零件的麵積大小。當蜂窩芯麵積較大時，由（yóu）於加工部分所占的比例相對較小，零件主要依靠真空吸附薄膜的壓（yā）力形成的摩擦力來固持。下（xià）麵計算可采用新型固持方案的蜂窩芯臨界麵積，為保證固持的（de）可靠性，忽略雙麵膠帶的（de）固（gù）持作用。

     假設超聲（shēng）波機床的功率為P，真空平台的壓強為p，所鋪薄膜的麵積為A，當采用匕首（shǒu）刀（dāo）具加工時，其進給速度為f1，當（dāng）采用盤片刀具加工時，主軸的轉速（sù）為n，盤片刀（dāo）具的半徑為R，蜂窩芯材料與真空平台（tái）間的靜摩擦因（yīn）數為μ。

      
        圖6 新的固持方法（fǎ）示意圖
 

         圖7 新（xīn）的固（gù）持方法實物圖

     當采用匕首式刀具（jù）加工時，薄膜麵積為：

      為驗證薄（báo）膜麵積的臨界值，選取了40mm×50mm、40mm×40mm、40mm×30mm、40mm×20mm 4 塊尺寸不同的（de）薄膜進行（háng）了（le）試驗。將薄膜覆蓋後用匕首刀（dāo）具進行切削，發現40mm×50mm、40mm×40mm 的薄膜（mó）覆（fù）蓋後（hòu）均能（néng）實現穩定的固持；40mm×30mm 的薄膜覆蓋後在加工（gōng）過程中發生了少許移動，40mm×20mm 的薄膜在加工過程中持續（xù）移動，試驗結果驗證了薄膜臨界麵積計算的正確性。

     事實上，不同材料的（de）摩擦因數（shù）的差異，機（jī）床主軸功率的使用率，以（yǐ）及切削力平麵的分（fèn）量都會影響（xiǎng）薄膜的臨（lín）界值，其精確計算還需更進一步的探討和（hé）研究。

     相對於前麵介紹的幾種固持方法，該方法具有以下幾個方麵的優勢：

    （1）由於隻需在（zài）加工區域粘貼雙麵膠帶，加工前（qián）的準備時間大大縮短。使用結果表明，使用薄膜（mó）代替大部分（fèn）雙麵膠帶，加工前的準備時間隻有全部使用雙麵（miàn）膠帶加工準備時間的（de）1/4~1/2。

    （2）由於粘（zhān）貼（tiē）區域麵積小，幾乎很少出現一塊雙麵膠帶不夠用的情況，這（zhè）樣就大大減少了膠（jiāo）帶與膠帶（dài）之間的對接部分，減（jiǎn）少了零件（jiàn）加工過程中的質量隱患.

    （3）零件的加工成本大大降低。芳綸紙蜂窩芯固持所用的雙麵（miàn）膠帶（dài）都是進口的，價格昂貴，采取薄膜（mó）代替大（dà）部分雙麵膠帶以後，極大地節約了成本。

    （4）由於（yú）清洗零件的區域大大減少，操作者的勞動強度降（jiàng）低，同時由於酒精等有機（jī）溶（róng）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，不需要太多專業知（zhī）識，普通（tōng）操作（zuò）者可以快捷便利的操作，有利於大力推廣應用。

  
     2、 結論

    （1）本文（wén）介紹了蜂窩芯加工過（guò）程中幾種常用的固持方法並分析了其優缺點（diǎn），包括雙麵膠帶（dài）固持方法、隔膜固持法、相變固持法。
 
    （2）根據超聲波機床加工（gōng）蜂窩芯的切削原理和加工方式，在（zài）雙麵膠帶（dài）固持法的基礎上，提出了一種（zhǒng）高效、經濟的固持方法（fǎ），該方法在蜂窩芯加工區（qū）域的非加工麵仍然使用雙麵膠帶粘結蜂窩芯與墊板，非加工區域上表麵直接（jiē）覆蓋一層薄（báo）膜，利用真（zhēn）空（kōng）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率，節約成（chéng）本。
 
     （3）建立了機床功率、真空壓力、切削參數以及刀具參數與最小薄膜麵積之間的解析表達式，根（gēn）據具體（tǐ）的機床參數求解最小薄膜麵積，並據（jù）此來判斷蜂窩芯零件是否可選用新型的固持方案。