航天大尺寸铝蜂窝芯板切割机床设计和试验_魏彩乔.pdf

1航天大尺寸铝蜂窝芯板切割机床设计和试验魏彩乔1，2康会峰1，2王晓光1，2宣佳林1，2（1.北华航天工业学院，2.河北省跨气水介质飞行器重点实验室；河北 廊坊 065000）摘要：基于铝蜂窝芯板的特点和需求，结合铝蜂窝芯板加工尺寸精度要求，设计了铝蜂窝芯板切割机床。简要介绍了铝蜂窝芯板切割机床结构，分析了铝蜂窝芯板切割机床的各参数影响几何误差。通过切割实验，验证了机床设计的合理性。通过对比实验的方法，分析了铝蜂窝芯板切割机床的刀具转速、进给率、铝蜂窝板层数、切削热对机床加工误差的影响，为进一步提升铝蜂窝板的加工精度提供了方向。高精度铝蜂窝芯板专用切割机床的研制对提高铝蜂窝芯板的综合性能具有重大意义。关键词：航天铝蜂窝板，切割机床，机床精度，机床导轨中图分类号：T P 2 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-7 9 3 8（2 0 2 3）0 1-0 0 0 1-0 4 0 引 言铝蜂窝芯板作为最典型的蜂窝材料，具有比强度高、比刚度大、抗冲击性好等特点，已经广泛应用于航空航天、建筑、高铁等领域1。目前关于铝蜂窝芯板的研究主要集中在铝蜂窝芯板的结构和性能等方面的研究，而关于铝蜂窝芯板加工设备研制的文献还不多见。本文根据铝蜂窝芯板的特点以及铝蜂窝芯板加工尺寸精度要求，完成了2.5 米大尺寸铝蜂窝芯板切割机机构的设计，构建了机床误差的特征矩阵，计算了机床的空间几何误差。通过加工试验证明机床结构合理，分析了关键参数指标对切割工件误差的影响。研制高精度铝蜂窝芯板专用切割机床对于提高铝蜂窝芯板的综合性能具有重大意义。1 铝蜂窝芯板切割机需求分析与设计目标1.1 铝蜂窝芯板切割机需求分析铝蜂窝芯材的供货形式一般为铝蜂窝叠板，使用前需切割为条状，再经过拉伸后使用。通过调研分析，现有的铝蜂窝芯板切割机装备生产效率低，加工精度低，原材料利用率低，粉尘污染严重。随着大尺寸的铝蜂窝板需求量不断扩大，现有的切割技术及工艺不能满足航空航天领域的需求，急需研究大尺寸铝蜂窝板切割工艺及设备。1.2 总体设计目标由于铝热反应，蜂窝铝芯板切割过程中不允许使用切削液，因此，使用高速干式切削技术，完成蜂窝铝切割机床的结构设计。研究适合加工铝蜂窝芯板的刀具，减小刀具磨损和振动，最终能够达到如下要求：（1）能够实现大尺寸铝蜂窝芯板的高速干式切削，获得符合精度要求的铝蜂窝芯板，并保持稳定；（2）减小环境污染，使加工材料废料减少30%以上；（3）在要求精度的情况下，切削速度不低于2000m/min；（4）最大加工尺寸：2500mm（L）450mm（W）50（D）mm；（5）在长度2500mm内的范围内加工的铝蜂窝芯板，其加工尺寸公差小于0.08mm；（6）残余废料宽度小于30mm。2 铝蜂窝芯板切割机设计2.1 刀具选择现有的铝蜂窝芯板切割主要有圆盘锯切割方式与带锯切割方式，采用带锯切割方式切割时切口较窄，节省了材料成本，切割过程中不会出现带刀的问题，切割的铝蜂窝条头部与中间位置一致性较基金项目：北华航天工业学院重点专项项目（Z D 2 0 1 8 0 7），河北省科技厅中央引导地方科技发展专项（1 8 2 4 7 6 1 8 G）收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 1第一作者简介：魏彩乔（1 9 6 8-），女，硕士，教授，主要研究方向为机电一体化系统设计。第 33 卷第 1 期2023 年 02 月北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringVol.33 No.1Feb.20232好，然而切割表面的光整度多有欠缺，结构复杂，高速切削下带锯易损伤，机床成本较高；采用圆盘锯切割方式切割时，叠层的铝蜂窝芯板的头部位置容易带刀，造成头部尺寸较蜂窝板料中间的误差较大，但是圆锯切割速率高，切割断面光整度较好。航天用铝蜂窝芯板要求拉伸后切割的铝蜂窝芯板的厚度误差小。因此，所设计的机床采用的是圆盘锯切割方式。2.2 总体结构设计根据设计目标设计了如图1 所示的铝蜂窝芯板切割机床。主要包括工作台架，工作台面，纵向进给装置，重型直线模组，切割装置，排屑系统和布袋除尘装置。工作台架为整个机床的主框架，通过型材焊接而成。工作台面通过螺栓连接固定在工作台架上，上表面镶嵌有滚动钢珠。纵向进给装置包含执行机构和动力机构，伺服电机通过同步带轮带动滚珠丝杠转动，滑块与执行机构通过螺栓固定连接共同做直线运动，实现工件的进给。执行机构位于工作台面上，主要包含推板和压块。气缸压紧机构用气压辅助压板进行辅助夹紧，可防止加工过程中工件移动和切割变形。切割装置安装在重型直线模组的滑块上，通过主轴电机带动圆盘锯转动进行切削加工。排屑系统为独立系统，通过链板式输送机将铝屑传送到机床外，并用收集箱收集。小部分铝屑和加工好的铝蜂窝芯板掉落到加工件收集区。布袋除尘装置可有效降低铝屑对加工环境的污染，可延长了设备的使用寿命，防止铝屑对切割工件精度产生影响，更保证了工作人员的身体健康，机床的结构如图2 所示。图 1 铝蜂窝切割机床外观图重型直线模组切割装置工作台架纵向进给装置工作台面排屑系统图 2 机床结构图3 铝蜂窝切割机空间几何误差分析机床几何误差可分为静态误差和运动误差两部分。静态误差是机床自身结构造成的，并不受机床参数影响。主要有平动轴间的垂直度误差和旋转轴实际 轴线在理论轴线上的角度偏差和位置偏差。运动误差是运动单元实际运动轨迹与理想运动轨迹的偏差，误差产生的主要原因是导轨的加工误差。通常情况下，运动单元在沿某一轴线进给时会在该方向上产生空间3 个直线运动误差和3 个角运动误差2-4。铝蜂窝芯板切割机主要运动有Z轴推板在Z方向的进给运动、圆盘锯的切割蜂窝铝板的旋转运动，X轴滑板在机床工作时沿X方向的进给运动，实现刀具进给完成铝板的整切。通过分析铝蜂窝芯板切割机床的运动，绘制了如表1 所示的几何误差项汇总表。表 1 铝蜂窝芯板切割机床几何误差项汇总表几何意义表达式序号X轴平动定位误差xx1Y方向的直线误差yx2Z方向的直线误差zx3滚转误差xx4偏转误差yx5俯仰误差zx6Z轴平动X方向的直线误差xz7Y方向的直线误差yz8定位误差zz9滚转误差zz10偏转误差yz11俯仰误差xz124 铝蜂窝芯板切割机试验研究4.1 设备参数铝蜂窝芯板切割机用于不同层数的铝蜂窝芯板，切割刀具选用上海KEREA金刚石圆刀，规格为A级12 寸3053.025.4120，动力头调速系统选用变频调速系统，纵向进给装置选用3KW绝对值伺服电机GYH302C6-HC2，3 重型直线模组选用3KW增量伺服电机GYH302C6-TC2，切割装置为XT40-1-NT40 镗铣主轴头，可通过触摸屏更改主要切削用量，主要测量工具为游标卡尺。4.2 试验过程试验过程中分别对试件A、试件B进行了多次北华航天工业学院学报第 1 期2023 年 02 月3试验，测量了切割件的各段厚度。试验材料主要参数如表2 所示：表 2 试验材料主要参数材料层数长度宽度试件A6001500mm450mm试件B12001500mm450mm试验主要获得10mm厚度的试验件，通过控制变量的方法，分别改变刀具转速、进给速率、加工工件等重要参数指标进行试验，拉伸后对切割试验件的各段宽度进行测量。测量结果如表3 所示。表 3 试验数据汇总序号10300600900120014101上10.002 10.017 10.029 10.031 10.022 10.013下9.99410.009 10.022 10.023 10.012 10.0052上10.00610.0210.032 10.036 10.027 10.023下9.99810.011 10.024 10.02910.0210.0163上10.001 10.012 10.022 10.021 10.011 10.007下9.99810.009 10.017 10.016 10.006 10.0024上10.002 10.015 10.026 10.027 10.01810.01下9.99710.008 10.018 10.019 10.011 10.0065上10.006 10.023 10.034 10.038 10.028 10.017下9.99810.012 10.025 10.028 10.015 10.0076上10.008 10.023 10.037 10.042 10.028 10.019下9.99910.010 10.023 10.029 10.015 10.006序号1 为A号板材，刀具转速2000 转/min，进给速率8mm/s；序号2 为A号板材，切割刀具2000 转/min，进给速率8mm/s；与序号1 不同的是为刀具切割5 刀后的板材，此时刀具已经发热稳定；序号3 为A号板材，刀具转速3500 转/min，进给速率8mm/s；序号4 为A号板材，刀具转速3500 转/min，进给速率15mm/s；序号5 为B号板材，刀具转速2000 转/min，进给速率8mm/s；序号6 为B号板材，刀具转速3500 转/min，进给速率15mm/s。4.3 试验结果分析通过上述试验，分别测量了切割的铝蜂窝条的各个位置的上下面厚度，用origin软件进行数据拟合，拟合曲线如下图3-图6 所示。图 3方案 1、2数据拟合图图 4 方案 1、5数据拟合图图 5 方案 4、6数据拟合图图 6方案 1、3、4数据拟合图综合比较各个实验上下面测量数据，发现上层数据与下层数据相比较大，分析其原因是圆盘锯前后并未设置压板，仅在推板与铝蜂窝芯板接触处设置四块压板，结合铝蜂窝芯板的叠层蜂窝结构，铝蜂窝芯板在切割过程中受热膨胀，上面层数会分开出现较小的倾斜角，表现为切削端面上半部分微撅，这会导致在切割过程中上下面的切割尺寸不一致，具体表现为上表面的切割尺寸会偏大。通过方案1 和方案2 的对比试验，对测量的结果进行拟合，如图3 所示。结果表明有一定温度的魏彩乔等：航天大尺寸铝蜂窝芯板切割机床设计和试验第 1 期2023 年 02 月4刀具切割铝蜂窝芯板时，加工件厚度较正常刀具切割的铝蜂窝芯板厚。原因是切削时产生的切削热，使刀具升温，刀具变形更为容易，造成切割过程中前面的尺寸一致性较后面的差距较大，具体的参数误差在0.015mm左右。通过方案1 和方案5 以及方案4 和方案6 的对比试验，对测量的结果进行拟合，如图4-5 所示。对比发现在以同样的转速、同样的进给速率分别切割不同层数的铝蜂窝芯板时，层数少的板料切割后表面精度更高，层数多的板料切割精度较差，这是因为材料的层数不同，材料的热变形等也不同，从而导致在不同切割加工参数的情况下，加工的质量也不同。对比分析方案1、方案3、方案4、方案6 的切割试验结果，绘制拟合图，如图5-6 所示，发现进给速率和刀具转速对不同层数的铝蜂窝芯板的切割精度的影响较为突出，通常情况下，高转速，小进给的工况下的切削精度更高，但并不是单纯的线性相关，特别是层数较多的铝蜂窝芯板，还需要通过设置不同的进给速率和刀具转速进行铝蜂窝芯板切割试验，探究最佳的进给速率和刀具转速。5 结 语本文介绍了铝蜂窝芯板的特点以及铝蜂窝芯板加工尺寸精度要求，研制了大尺寸铝蜂窝芯板切割机样机。通过加工试验证明机床结构合理，总结以下几点结论：（1）铝蜂窝芯板切削过程中产生的切削热使铝蜂窝芯板的切削端面膨胀，出现上半部分微撅现象，造成切割的铝蜂窝芯板上面比下面厚的梯形结构。（2）在铝蜂窝芯板切削的过程中，刀具温度逐渐升高，使刀具变形更加容易，造成所切割板料的前后一致性较差。（3）同转速、同进给速率工况下，层数少的板料切割后表面精度更高，层数多的板料切割精度较差。（4）进给速率和刀具转速是影响切削精度最为重要的两个关键参数指标。对于层数大于600 的铝蜂窝芯板，需要通过实验建立相应的工艺参数数据库，以获得高精度铝蜂窝芯板。参考文献：1 马金朵，陈潇涵，司莹莹，卫佩行.铝蜂窝夹芯板研究现状与展望J.木工机床，2019（04）：11-