纸基蜂窝零件固持系统中填料及填充区域优化方法

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1、万方数据第41卷第5期2005年5月机械工程学报v01．41No．5CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGMay2O05纸基蜂窝零件固持系统中填料及填充区域优化方法水柯映林吴福忠(浙江大学机械与能源工程学院杭州310027)摘要：介绍了基于磁场与摩擦学原理的纸基蜂窝零件固持方法。论述了数控填料装置的组成及工作原理。在给定振动料斗出料口处孔径大小和振动加速度的情况下，通过试验方法研究了铁粉流出体积与时间以及流量与振动频率之间的关系。研究了填料区域规划、加工区域判别以及安全填料高度的计算方法。在保证固

2、持稳定性的前提下，从减少铁粉填充量的角度出发，提出一种基于正四边形区域划分的填充区域位置优化方法。关键词：纸基蜂窝摩擦填料装置填充区域中图分类号：V261．970前言从20世纪40年代起，蜂窝材料就开始在家居和航空工业等领域首先使用⋯。在早期使用的蜂窝材料中，其基体材料包括纸、玻璃纤维以及铝箔等【2】。在20世纪70年代，为了提高飞机性能和降低成本，大量的飞机结构件中开始使用蜂窝复合材料。纸基蜂窝与增强纤维面板构成的夹层复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀和抗冲击等一系列优良特性【3J，因而在飞机结构件的制造中得到广泛应用，其典型

3、结构如图1所示。但是，作为夹层复合材料的重要组成部分，蜂窝材料的横向刚度很小，在加工时不能应用传统的方法进行装夹。图1方向舵夹层结构件示意图目前，这类零件在切削加工中通常采用以下三种固持方法：双面粘结带固定法、隔膜固定法以及乙二醇固定法【4J。这三种方法的共同特点是：被加工零件通过粘结剂固定在夹具平台上。但是，由于蜂窝壁厚仅有O．03～0．10mm，粘结接触面积很小，所以在加工过程中容易产生局部剥离和蜂窝壁弯曲变形现象，从而降低零件的加工精度。而且，由于固持过程都是手工操作，所以工作效率较低，劳动·国家自然科学基金资助项目(5017

4、5102)。20040527收到初稿，20041030收到修改稿强度较大，不利于批量生产。为了克服这些固持方法的缺点，柯映林在发明专利“蜂窝类柔性结构材料的加工方法”中首次提出了基于磁场与摩擦学原理的纸基蜂窝零件固持方法【5J。整个固持系统由三个子系统组成：磁性平台、数控填料装置以及物料回收装置。具体的操作过程为：首先将蜂窝零件在磁性平台上通过三平面定位，然后通过填料装置将铁粉灌入蜂窝孔中，最后磁性平台激发磁场，实现固持。加工完成后，通过物料回收装置，将混有切屑的铁粉进行回收。为了平衡高速加工过程中产生的切削力，依靠磁性平台对铁粉的

5、吸力、铁粉与蜂窝孔壁之间产生的摩擦力、蜂窝与铁粉构成的“实体”与平台之间的摩擦力的共同作用，实现了被加工蜂窝零件的可靠固持，其固持原理如图2所示。图2固持系统原理图在介绍数控填料装置的组成及工作原理的基础上，重点论述铁粉流量定量控制方法、填料区域规划、加工区域识别、安全填料高度计算以及填充区域优化方法等方面的内容。1填料装置的组成及工作原理数控填料装置由硬件系统和软件系统组成。如图3所示，硬件系统由龙门式驱动机构、振动给料万方数据机械工程学报第41卷第5期斗和预压紧装置组成。硬件系统设计的关键技术是预压紧装置和振动给料斗的设计。软件

6、系统用来控制驱动机构的运动和给料斗的振动参数。图3填料系统结构1．1龙门式驱动机构龙门式驱动机构的作用是将给料斗驱动到指定的填料区域。一般而言，蜂窝零件的毛坯是六面体形状，其填料表面(即加工表面)是平面，故安装在横梁上的给料斗不需要沿z轴方向运动。因而为了简化设计，龙门式驱动机构采用两坐标运动形式。为使铁粉均匀地流到蜂窝孔中，给料斗出料口到蜂窝表面之间的距离应保持在0．5～1．0mm。对于不同厚度的蜂窝零件，其间距离可通过手工改变给料斗出料口的高度下所加等高块厚度的方法来调整。1．2振动给料斗振动给料斗用来盛装铁粉，并将铁粉按区域定

7、量地填充到蜂窝孔中。如图4所示，振动给料斗由料斗体、隔振装置、激振器和电磁开关组成。激振器由激振电动机、软轴和偏心轴组成。当激振电动机旋转时，由软轴带动偏心轴来产生振动。激振频率可以通过改变电动机的转速来调整。图4振动给料斗结构在静止状态下，铁粉不仅受到重力的作用，而且还受到铁粉间内摩擦力和附着力以及铁粉与料斗壁之间外摩擦力的作用【6】。然而，当出料口直径约为铁粉直径20倍且铁粉处于流动状态时，铁粉间将相互改变位置，摩擦力将由滑动摩擦变为滚动摩擦。此时，铁粉几乎是在重力作用下作自由落体运动，流量随时间的增加而增大，流量很难控制。在实

8、际应用中，为了保证填料效率，出料口直径通常为铁粉直径的100～300倍。为了便于控制铁粉流量，在料斗出料口处安装了网孔板和电磁开关。其中，网孔板上的孔径约为铁粉直径的10倍。通过这种方法，出料口直径可根据被加工零件的大小而改变。铁粉流