高密度芳綸紙蜂窩的磨削試驗*

王毅丹, 康仁科, 白杜娟, 馬義新, 董志剛, 史耀輝

(1. 大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點試驗室, 遼寧 大連 116024) (2. 有研半導(dǎo)體材料有限公司, 北京 100088) (3. 上海復(fù)合材料科技有限公司, 上海 201112)

芳綸紙蜂窩是一種由樹脂和芳綸纖維組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因其優(yōu)異的性能而被用作航空航天領(lǐng)域的減重復(fù)合材料[1-3]。芳綸紙蜂窩根據(jù)密度的不同，分為低、中、高密度蜂窩3種，其中密度48～80 kg/m3的蜂窩被稱為中、高密度蜂窩[4]。芳綸紙蜂窩的公稱密度主要由浸漬樹脂的量決定，蜂窩密度增大，其力學(xué)強(qiáng)度增大。高密度蜂窩由于特殊的固化狀態(tài)以及較大的樹脂量，與中、低密度蜂窩相比具有更高的強(qiáng)度、剛度和更好的力學(xué)性能，可以承受較大的壓縮和沖擊載荷，因此主要用于大型客機(jī)及大型運輸機(jī)的客艙和貨艙地板等對材料的強(qiáng)度及抗沖擊性能要求較高的部位上[5]。

高密度蜂窩需要加工成特定的形狀和尺寸來滿足不同的使用需求，但高密度蜂窩的加工與中、低密度蜂窩先固化后加工的方式不同，它是在蜂窩材料完全固化前，對材料的幾何外形進(jìn)行加工，加工成型后再反復(fù)浸漬樹脂固化。由于蜂窩材料在反復(fù)固化過程中，容易出現(xiàn)材料變形和尺寸偏差等情況，不易保證零件的形狀和尺寸精度。

為了提高高密度蜂窩的加工精度，就需要在蜂窩材料完全固化后進(jìn)行加工。但由于高密度芳綸紙蜂窩浸漬的樹脂量較多，除了具有芳綸紙蜂窩典型的多孔薄壁、各向異性以及芳綸紙的韌性外，還兼有樹脂含量高所帶來的硬脆性。因此，加工高密度的蜂窩材料存在以下難點：一方面，高密度蜂窩由芳綸纖維制作而成，而芳綸纖維韌性好，在切削過程中不易被切斷，容易出現(xiàn)毛刺和撕裂現(xiàn)象，影響加工質(zhì)量[6]；另一方面，高密度蜂窩的樹脂含量較高，大量樹脂浸漬在芳綸紙表面，材料呈現(xiàn)高硬脆特性，切削過程中刀具磨損較快，加工質(zhì)量不易保證。

對中、低密度蜂窩材料的加工主要采用高速銑削和超聲切削2種加工方法。國內(nèi)外研究者分別針對這2種加工方法開展了相關(guān)的研究工作：JAAFAR等[7]對中密度蜂窩開展了高速銑削過程的三維有限元仿真和試驗研究，分析了加工過程中的切削力和表面質(zhì)量的影響因素，指出在低切削速度和高進(jìn)給速度條件下，在被加工表面會分別出現(xiàn)未切斷的芳綸纖維和蜂窩壁的撕裂這2種主要的加工形貌，對蜂窩材料的加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響；張迅等[8]采用直刃尖刀超聲切削方法，對低密度芳綸紙蜂窩開展超聲切削表面形貌的研究，將超聲切削的表面形貌歸納為樹脂層形貌、芳綸紙層形貌和蜂窩壁整體形貌，并在此基礎(chǔ)上研究了超聲切削參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律。

現(xiàn)有研究中，對于固化后的中高密度芳綸蜂窩材料的加工，常采用帶鋸對其進(jìn)行片切，使其成為特定厚度的蜂窩板材[9]。但對于固化后的高密度芳綸蜂窩復(fù)雜形面的加工需求，采用現(xiàn)有的片切、高速銑削和超聲切削加工工藝均難以實現(xiàn)。因此，急需開展固化成形后的高密度蜂窩的加工工藝研究。

根據(jù)高密度芳綸紙蜂窩的組成成分和結(jié)構(gòu)特點，本研究提出采用金剛石砂輪磨削加工高密度芳綸紙蜂窩的加工方法。在金剛石砂輪磨粒的磨削作用下，實現(xiàn)高韌性芳綸纖維和高硬度樹脂的磨削去除；其尺寸精度由磨削加工精度保證，從而滿足其使用需求。由于高密度蜂窩材料構(gòu)成的復(fù)雜性和多孔薄壁結(jié)構(gòu)的各向異性，其磨削性能和磨削形貌與傳統(tǒng)的實體芳綸材料磨削加工不同，因此開展了高密度芳綸蜂窩材料的磨削試驗，分析了磨削過程中的典型加工形貌，并在此基礎(chǔ)上對不同工藝參數(shù)下的典型加工形貌及其影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗裝置及參數(shù)

1.1 試驗材料及裝置

試驗材料為密度80～100 kg/m3的高密度芳綸紙蜂窩，蜂窩孔格邊長2 mm。磨削工具為直徑φ50 mm的電鍍金剛石杯形砂輪，如圖1所示。杯形砂輪金剛石粒度代號為80/100，砂輪端面徑向均布6個排屑槽，便于磨削過程中磨屑的排除，且由內(nèi)孔定位并通過工具芯軸與刀柄連接。試驗在三軸立式加工機(jī)床上進(jìn)行，機(jī)床主軸最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，試驗裝置示意圖如圖2所示。

圖1 電鍍金剛石杯形砂輪實物圖

圖2 試驗裝置示意圖

1.2 試驗方法和參數(shù)

加工前，高密度芳綸紙蜂窩樣件統(tǒng)一裁切成50 mm×60 mm×18 mm方形板材并粘接固定在機(jī)床夾具上。高密度芳綸紙蜂窩磨削加工過程如圖3所示。圖3中：磨削時杯形砂輪在主軸的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，砂輪對刀后，在磨削樣件外部沿Z向進(jìn)給至指定磨削深度，并沿X負(fù)方向進(jìn)給，直至砂輪整體切離工件，從而實現(xiàn)一個完整的磨削過程。

由于蜂窩材料在其面內(nèi)具有各向異性，為保證試驗的一致性，選取剛度較大的L向進(jìn)行進(jìn)給磨削。當(dāng)砂輪到達(dá)指定的磨削深度后，砂輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)給磨削高密度蜂窩材料。為避免材料切入切出階段對試驗結(jié)果的影響，選取磨削過程中穩(wěn)定加工區(qū)域內(nèi)的蜂窩孔格(圖3的方框區(qū)域)進(jìn)行觀測。

分別以磨削速度、進(jìn)給速度以及磨削深度為自變量，以磨削后的蜂窩表面形貌為因變量，開展單因素試驗，研究不同磨削參數(shù)對高密度芳綸紙蜂窩加工表面形貌的影響規(guī)律。磨削加工試驗工藝參數(shù)如表1所示，表1中的磨削速度5.2、13.1、20.9 m/s分別對應(yīng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速為2 000、5 000、8 000 r/min。

圖3 高密度芳綸紙蜂窩磨削加工過程

編號磨削速度 vc/ (m/s)進(jìn)給速度vf/ (mm/min)磨削深度 ap / mm15.2,13.1,20.9500.1220.950,200,3500.1320.9500.1,0.5,0.9

2 結(jié)果與討論

2.1 高密度蜂窩的典型磨削特征形貌

試驗選用的高密度芳綸紙蜂窩材料的橫截面呈現(xiàn)樹脂層—芳綸紙層—樹脂層的結(jié)構(gòu)，其中雙層蜂窩壁橫截面總寬度范圍為130～380 μm，雙層芳綸紙層的寬度范圍為100～120 μm，樹脂層厚度較厚。高密度芳綸紙蜂窩磨削加工后的特征形貌如圖4所示。從圖4可以看出：高密度蜂窩加工后存在3種典型特征形貌，即雙層蜂窩紙變寬形貌、未分離切屑形貌和纖維拔出形貌。

高密度蜂窩材料在磨削過程中樹脂層容易被磨削去除，磨削后的樹脂層邊界清晰，而芳綸紙層由于其韌性較大，在磨削過程中不易被切斷，磨削形貌復(fù)雜，因此芳綸紙層的磨削是高密度蜂窩的磨削難點。由于單層和雙層蜂窩壁結(jié)構(gòu)的差異，使得二者的磨削形貌差別較大。單層蜂窩壁在磨削過程中的剛度較弱，磨削受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)纖維拔出和未分離切屑形貌，進(jìn)而影響加工質(zhì)量；而雙層蜂窩壁在磨削過程中由于雙層芳綸紙層和樹脂層的支撐，其剛度高于單層蜂窩壁，在磨粒對芳綸紙層的磨削和滑擦作用下，磨削形貌主要體現(xiàn)為纖維拔出、未分離切屑和加工表面的雙層芳綸紙延展變寬形貌。磨削過程中，未被有效切除的芳綸纖維和未分離切屑向磨削方向倒伏。

圖4 高密度芳綸紙蜂窩磨削加工后的特征形貌

使用KEYENCE VHX600E超景深顯微鏡對磨削加工后的高密度芳綸紙蜂窩表面形貌進(jìn)行觀測，統(tǒng)計不同加工參數(shù)下觀測區(qū)域內(nèi)的雙層芳綸紙的平均寬度、10個較大未分離切屑的平均寬度以及長度大于300 μm的纖維拔出的個數(shù)，對磨削表面質(zhì)量進(jìn)行量化，并在此基礎(chǔ)上得出磨削參數(shù)對被加工表面的影響規(guī)律。

2.2 磨削速度對表面形貌的影響

在高密度芳綸紙蜂窩典型磨削形貌觀測的基礎(chǔ)上，采用超景深顯微鏡拍攝不同磨削速度下的高密度芳綸紙蜂窩局部磨削形貌(如圖5所示)，并對于不同磨削參數(shù)下的表面形貌進(jìn)行統(tǒng)計，得到不同磨削速度對高密度芳綸蜂窩磨削后典型特征形貌的影響規(guī)律(如圖6所示)。

從圖5、圖6可以看出：當(dāng)磨削速度為5.2 m/s時，磨粒的磨削作用較弱，磨削后的雙層芳綸紙平均寬度為160 μm，未分離切屑平均寬度大和纖維拔出個數(shù)較多，分別為280 μm和19個，砂輪不能有效去除芳綸纖維材料；當(dāng)磨削速度提高至13.1 m/s時，這3個值均下降；當(dāng)磨削速度提高到20.9 m/s時，3個值分別為130 μm、22 μm和5個，雙層芳綸紙平均寬度和未分離切屑平均寬度進(jìn)一步降低，纖維拔出個數(shù)大量減少，磨削后的蜂窩表面質(zhì)量明顯改善。因此，提高磨削速度可以有效提高高密度芳綸紙蜂窩的加工質(zhì)量。

(a)vc=5.2 m/s(b)vc=13.1 m/s(c)vc=20.9 m/s圖5 不同磨削速度下高密度芳綸紙蜂窩磨削后的表面形貌

圖6 不同磨削速度對高密度芳綸紙蜂窩磨削后典型特征形貌的影響

2.3 進(jìn)給速度對表面形貌的影響

圖7所示為50倍超景深顯微鏡下高密度芳綸紙蜂窩在不同進(jìn)給速度下磨削后的表面形貌。圖8為不同進(jìn)給速度對高密度芳綸紙蜂窩磨削后典型特征形貌的影響。從圖7、圖8可以看出：進(jìn)給速度是影響高密度芳綸紙蜂窩磨削加工的關(guān)鍵因素。當(dāng)進(jìn)給速度由50 mm/min提高至350 mm/min時，雙層芳綸紙平均寬度小幅增加，從130 μm增加到160 μm，未分離切屑平均寬度和纖維拔出個數(shù)明顯增加，分別由22 μm變?yōu)?70 μm，由5個變?yōu)?2個，磨削后的蜂窩表面質(zhì)量變差。因此，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)需要降低進(jìn)給速度以改善其加工質(zhì)量。

(a)vf=50 mm/min(b)vf=200 mm/min(c)vf=350 mm/min圖7 不同進(jìn)給速度下高密度芳綸紙蜂窩磨削后的表面形貌

圖8 不同進(jìn)給速度對高密度芳綸紙蜂窩磨削后典型特征形貌的影響

2.4 磨削深度對表面形貌的影響

圖9為不同磨削深度下高密度芳綸紙蜂窩磨削后的表面形貌。圖10為不同磨削深度對高密度芳綸紙蜂窩磨削后典型特征形貌的影響。

從圖9、圖10可以看出：磨削深度直接影響高密度蜂窩的加工質(zhì)量。當(dāng)磨削深度從0.1 mm增至0.9 mm時，磨削后的雙層芳綸紙平均寬度有所下降，從130 μm降為116 μm，芳綸紙層和樹脂層的輪廓界限清晰，磨削平面平整；但未分離切屑平均寬度從22 μm明顯升為662 μm；纖維拔出個數(shù)明顯增加，從5個增加到25個。未分離切屑平均寬度和纖維拔出個數(shù)受磨削深度的影響較大。

(a)ap=0.1 mm(b)ap=0.5 mm(c)ap=0.9 mm圖9 不同磨削深度下高密度芳綸紙蜂窩磨削后的表面形貌

圖10 磨削深度對高密度芳綸紙蜂窩磨削后典型特征形貌的影響

3 結(jié)論

提出了金剛石砂輪磨削高密度芳綸紙蜂窩的新思路，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的材料固化后再加工的難題，使高密度蜂窩固化后的加工成為可能；用單因素試驗法研究了磨削速度、進(jìn)給速度以及磨削深度對材料表面形貌的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)材料的磨削加工形貌不同，高密度芳綸紙蜂窩的磨削過程存在雙層蜂窩紙變寬形貌、未分離切屑形貌和纖維拔出3種典型的特征形貌。

(2)磨削速度、進(jìn)給速度和磨削深度對高密度芳綸紙蜂窩的3種特征形貌均有較大影響，參數(shù)不同，對特征形貌的影響程度不同。主要體現(xiàn)在以下方面——

①磨削速度是影響高密度芳綸紙蜂窩磨削質(zhì)量的主要因素。當(dāng)磨削速度由5.2 m/s提高至20.9 m/s時，3種典型特征形貌均得到改善，即提高磨削速度是提升高密度蜂窩加工質(zhì)量的有效手段。

②進(jìn)給速度主要影響高密度芳綸紙蜂窩磨削表面的未分離切屑平均寬度和纖維拔出數(shù)量。當(dāng)進(jìn)給速度從50 mm/min提升為350 mm/min時，未分離切屑的平均寬度由22 μm變?yōu)?70 μm，纖維拔出數(shù)量由5個增加至32個；而雙層芳綸紙平均寬度僅有小幅增加，從130 μm變?yōu)?60 μm。降低進(jìn)給速度有助于獲得好的加工質(zhì)量。

③磨削深度也主要影響高密度芳綸紙蜂窩磨削后的未分離切削平均寬度和纖維拔出數(shù)量。當(dāng)磨削深度從0.1 mm增加為0.9 mm時，未分離切屑平均寬度由22 μm提高至662 μm，纖維拔出數(shù)量由5個增加至25個。隨著磨削深度增加，未分離切屑平均寬度和纖維拔出數(shù)量也增加；但大切深條件下雙層蜂窩紙平均寬度從130 μm下降至116 μm，芳綸紙和樹脂的邊界清晰，可以獲得較為平整的加工表面。