蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法与流程

本发明涉及蜂窝复合材料加工制造领域，尤其涉及一种蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法。

背景技术：

蜂窝复合材料是一种航空航天领域广泛使用的先进材料，具有轻质高强、绝缘阻燃、隔热吸振等特点，是各类运载火箭整流罩、飞机内饰、襟翼以及无人机机翼等航空航天关键部件的重要原材料之一。蜂窝复合材料的优异性能在为其带来广阔应用前景的同时，也为相关高性能零部件的制造带来了极大的挑战。蜂窝结构是典型的弱刚性结构，孔壁的主要成分复合材料具有高韧性、高强度、多相性以及明显的各向异性等特点，导致其加工时极易产生纤维残余、毛刺、撕裂以及塌边等加工损伤和缺陷，为蜂窝复合材料的高质量加工带来巨大的困难和挑战。随着蜂窝复合材料的应用推广，一些功能性的加工需求被提出，如消音孔、曲线型盲槽、盲窗等复杂结构，这些结构往往尺寸较小，加工轨迹复杂，此类工况下由于尺寸、盲槽平底要求及狭小空间限制，现有工艺方法和刀具难以实现曲线型盲槽的精准加工，尤其是槽宽小于单一孔格边长的s形窄盲槽加工(通常槽宽在4mm以下)，是这类功能性加工特征中最具代表性的加工难题。

在现有文献资料及专利检索中，西安航空职业技术学院开发了一种蜂窝芯深槽加工方法(cn108177032a)，其本质是一种刚性补偿方法，通过加强层实现对孔格上下表面的额外固定；浙江日发航空数字装备有限责任公司开发了一种复合材料蜂窝芯型面加工方法及刀具(cn104874846a)，涉及了一种多种刀具在多个工序下加工凹槽的方法，其凹槽底部利用刀片楔入孔壁完成加工；大连理工大学开发了一种蜂窝芯沉槽结构的超声切削方法(cn108161381a)，其本质是采用多种刀具细分多个工序的加工方法，主要是通过多种超声加工刀具配合实现凹槽结构加工的方法，还开发了一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具(cn108356299a)，其本质是针对材料外轮廓采用匕首式超声刀具进行加工；广州荷力胜蜂窝材料股份有限公司开发了一种蜂窝板双刀铣槽机构(cn207606326u)，其本质是一种用于家具蜂窝板尺寸及边角控制的装置，无法完成蜂窝复合材料面板的窄盲槽加工；成都飞机工业(集团)有限责任公司开发了一种加工蜂窝芯材料的铣刀(cn108927562a)，其本质采用一种微刃刀具更好地切断蜂窝复合材料孔壁。目前，尚未发现针对蜂窝复合材料曲线型窄盲槽高质量加工方法的研究，盲窗类的相关研究主要集中在刚性补偿和特种加工方面，加工方法成本高、效率低，相应刀具也缺乏针对低损伤去除机理的考虑。

由于空间受限，现有技术主要采用立铣刀沿w-l平面路径进行铣削。由于蜂窝复合材料在w-l平面内呈现较强的弱刚性，立铣刀与蜂窝复合材料孔壁接触后极易出现孔壁变形、退让；其次，立铣刀经历全宽切削，切入角变化是连续且不可避免的，角度变化范围极大，随着立铣刀切削对孔壁的减薄，蜂窝复合材料孔壁不会被平稳切除，而是先形成一个窄于立铣刀直径的矩形切口，再逐步扩大至刀具直径的宽度。这个矩形切口通常处于顺铣区，在立铣刀刮擦作用下，逆铣区的初始塌边会发生扩展，而不会被切断，塌边缺陷更明显。因此，蜂窝复合材料孔壁侧壁切口处形成严重的塌边缺陷，甚至能超过立铣刀半径。

综上，如何实现蜂窝复合材料面板曲线型窄盲槽的高质高效加工是航空航天领域关键产品研制的瓶颈问题。

技术实现要素：

针对现有加工技术与刀具无法实现蜂窝复合材料窄盲槽结构加工，特别是曲线型窄盲槽结构加工的现状，本发明要提出一种服务于蜂窝复合材料面板曲线型窄盲槽高质量加工的方法。本发明采用的技术手段如下：

一种蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法，包括如下步骤：

s1、刀具底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置，进给至第一预设位置，根据所开设窄盲槽的深度hs确定h向进给，沿h向运动至刀具的底面处于目标切深位置；

s2、刀具正向进给至第二预设位置，形成窄盲槽底面切口，沿h向自下而上进行垂直逆向切削，形成窄盲槽侧壁切口，之后刀具继续上升至刀具的底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置；

s3、刀具正向进给至该切口对称侧的第三预设位置，刀具与该切口所在孔壁在w-l平面的投影相离；

s4、刀具沿h向运动至刀具的底面处于目标切深位置，自该切口对称侧反向进给至第四预设位置，反向修整底面切口，并进行侧壁逆向修整，之后刀具继续上升至刀具的底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置；

s5、通过数控机床与刀具的配合，对蜂窝复合材料预设曲线路径涉及孔壁依次进行s1～s4操作，直至完成整个曲线型窄盲槽的加工。

进一步地，所述步骤s1之前还包括如下步骤：

s01、将蜂窝复合材料面板真空吸附在载物板上，再将载物板固定在数控机床上；

s02、利用激光扫描仪提取蜂窝复合材料面板的三维形貌，将其投影得到w-l平面内的二维形貌，并通过缺陷识别去除相应干扰特征，得到蜂窝复合材料面板在w-l平面内的孔格几何特征，并记录孔格几何参数，所述孔格几何参数包括双层孔壁长a、单层孔壁长b、单层孔壁厚t和孔壁升角

s03、利用分析软件将得到的二维孔格几何特征与窄盲槽轨迹重叠，提取几何相交点作为刀具的初始空间位置信息qn＝(xn,yn)，并提取蜂窝复合材料孔壁的孔壁切向角作为w-l平面进给的空间运动依据；

s04、选取刀具，将该刀具安装于数控机床的主轴上，启动数控机床，主轴转动，刀具沿h向运动到底面环形平面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置。

进一步地，所述步骤s1～s4中，数控机床根据当前所加工蜂窝复合材料孔壁的空间信息参数、孔格几何参数和刀具结构参数，将刀具在w-l面内移到不同位置，具体地，

刀具的初始空间位置信息qn＝(xn,yn)；

步骤s1中，刀具的第一预设位置o1n＝(x1n,y1n)，其中：

其中，r为刀具半径；

步骤s2中，刀具的第二预设位置o2n＝(x2n,y2n)，其中：

步骤s3中，刀具的第三预设位置o3n＝(x3n,y3n)，其中：

步骤s4中，刀具的第四预设位置o4n＝(x2n,y2n)，其中：

进一步地，所述刀具半径r满足：

其中，ws表示待切窄盲槽宽。

本发明具有以下优点：

1.本发明提出的蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法将蜂窝复合材料孔壁的窄盲槽加工区域进行了有效划分，利用轨迹控制将窄盲槽底面及侧壁分开加工，避免底面切入时孔壁结构破坏带来的刚性消减，且有效减小侧壁切断时刀具w-l进给带来的干扰，保证了窄盲槽的底面尺寸精度和侧壁质量。

2.本发明提出的蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法中侧壁切断时采用沿h向自下而上的垂直逆向切削工艺，使蜂窝复合材料孔壁在侧壁切断时沿h向受拉，避免了h向插切时出现的孔壁h向屈曲，窄盲槽底面切口更平整，切深尺寸更准确。

3.本发明提出的蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法靠调整刀具在w-l平面内的位置实现槽宽控制，所用刀具宽度与窄盲槽宽度不用相等，能够在一个尺寸规格内适应一定范围的槽宽尺寸变动，具备更好的经济性，还能加工变槽宽的曲线型窄盲槽。

4.本发明提出的蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法加工的窄盲槽底面及侧壁采用同一把刀具进行，不经历刀具的更换，不存在多种刀具多工序加工导致的对刀难题，不会引入额外的误差，使曲线型窄盲槽质量稳定性好、形位精度高，极大地提高了生产效率，降低了成本。

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为本发明蜂窝复合材料单一孔壁窄盲槽逆向切削流程俯视图；

图2为本发明蜂窝复合材料单一孔壁窄盲槽逆向切削流程侧视图；

图3为本发明蜂窝复合材料单一孔壁窄盲槽局部轴测图；

图4为本发明实施例中s形窄盲槽逆向切削加工方法示意图；

图5为本发明刀具切除蜂窝复合材料孔壁的过程示意图；

图中：1、刀具；2、蜂窝复合材料面板，3、窄盲槽轨迹，4、窄盲槽，11、周刃；12、分布式磨粒群；21、双层孔壁，22、单层孔壁，41、侧壁切口，42、底面切口。

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。

蜂窝复合材料属于一种周期性薄壁多孔材料，其曲线型窄盲槽(槽宽小于单一孔格边长)实由单一孔壁切槽的叠加组成，如何精确、快速、有效地一次性切除蜂窝复合材料孔壁并形成盲槽平底是本发明的技术要点。

为此，本发明实施例公开了一种蜂窝复合材料曲线型窄盲槽逆向切削加工方法，包括如下步骤：

s01、将蜂窝复合材料面板2真空吸附在载物板上，再将载物板固定在数控机床上；

s02、利用激光扫描仪提取蜂窝复合材料面板的三维形貌，将其投影得到w-l平面内的二维形貌，并通过缺陷识别去除相应干扰特征，得到蜂窝复合材料面板在w-l平面内的孔格几何特征，并记录孔格几何参数，所述孔格几何参数包括双层孔壁21长a、单层孔壁22长b、单层孔壁厚t和孔壁升角

s03、利用分析软件将得到的二维孔格几何特征与窄盲槽轨迹3重叠，提取几何相交点作为刀具的初始空间位置信息qn＝(xn,yn)，并提取蜂窝复合材料孔壁的孔壁切向角作为w-l平面进给的空间运动依据；

s04、选取刀具，将该刀具1安装于数控机床的主轴上，启动数控机床，主轴转动，刀具沿h向运动到底面环形平面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置，本实施例中，刀具沿h向运动到底面环形平面高于蜂窝复合材料面板上表面3mm处。

s1、刀具底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置，进给至第一预设位置，根据所开设窄盲槽的深度hs确定h向进给，沿h向运动至刀具的底面处于目标切深位置；

刀具的第一预设位置o1n＝(x1n,y1n)，其中：

其中，r为刀具半径；

s2、刀具正向进给至第二预设位置，形成窄盲槽底面切口，沿h向自下而上进行垂直逆向切削，形成窄盲槽侧壁切口41，之后刀具继续上升至刀具的底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置；

刀具的第二预设位置o2n＝(x2n,y2n)，其中：

s3、刀具正向进给至该切口对称侧的第三预设位置，刀具与该切口所在孔壁在w-l平面的投影相离；

刀具的第三预设位置o3n＝(x3n,y3n)，其中：

s4、刀具沿h向运动至刀具的底面处于目标切深位置，自该切口对称侧反向进给至第四预设位置，反向修整底面切口42，并进行侧壁逆向修整，之后刀具继续上升至刀具的底面高于蜂窝复合材料面板上表面预设位置；

刀具的第四预设位置o4n＝(x2n,y2n)，其中：

如图5所示，选取的刀具包括底面切断用周刃11和侧壁切断用分布式磨粒群12，上述单一蜂窝复合材料孔壁处的切削过程如图1、图2所示，通过刀具1的轨迹控制，利用周刃和磨粒群的协同加工作用，先后形成窄盲槽的侧壁切口和底面切口，最终成品如图3所示。

s5、通过数控机床与刀具的配合，对蜂窝复合材料预设曲线路径涉及孔壁依次进行s1～s4操作，直至完成如图4所示的整个曲线型窄盲槽的加工。

所述周刃半径r满足：

其中，ws表示待切窄盲槽宽。

本实施例中，加工s形窄盲槽4，在其他可选的实施方式中，可根据实际生产要求加工任意路线的窄盲槽，窄盲槽的槽宽根据周刃进给量而定，为此，可以加工变槽宽的曲线型窄盲槽。

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。