玻璃钢复合材料壳体机加工研究

文章编号：!""#$!#%"（&""’）"%$""#!$"’ 玻璃钢复合材料壳体机加工研究 吴志娟 （上海航天精密机械研究所，上海&"!#""） 摘 要：根据某导弹玻璃钢壳体的结构特点和材料特性，分析了影响工件机加工的主要因素。提出在精细加 工中采用聚晶金刚石刀具，选择合理的刀具几何；专用夹具提高定位精度；通过自然时效释放粗加工应 力，提高零件形位公差精度；采用以磨代钻、代铣等工艺措施，提高材料的机加工精度，并解决了玻璃纤维分层和撕 裂等问题。 关键词：玻璃钢复合材料；导弹壳体；机加工；精度 中图分类号：(&#!)& 文献标识码：* !"#"$%&’()*’"+,$##-*"",.(/0,"12$*"%3$,-’",,2$&’34345 +,-./$0123 （4.235.2/462789:87/;/<3=27./38:>?8;82:7.@3;A/A1A8，4.235.2/&"!#""，B./32） 67#*%$&*：*77<:C/35AG8C)H.8A87.323C :8C178;A.8;A:2/323C:8;8:/3523CA82:/35L2F/CF>) 8"9:(%;#：MF2;;;A88F7 收稿日期：&""%$"!$%"；修回日期：&""%$"O$!P 作者简介：吴志娟（!Q#%—），女，

工程

路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理

师，主要从事导弹舱体机加 工工艺研究。 " 引言 复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性和 减振性好等特点，非常适合作为航天结构件材 料［!］。但材料的这些特点同时也造成机加工刀具 寿命短，加工中易产生分层、撕裂和变形大等问题， 影响工件加工的合格率。 为此，本文对某导弹燃气舵舱玻璃钢壳体的结 构特点和机加工难点进行了研究，并提出了相应的 工艺措施。 ! 零件要求 某型导弹玻璃钢壳体采用的材料为?$!&&环氧 树脂、高强!号4BP玻璃钢纤维和顺丁烯二酸酐固 化剂，用短切玻璃纤维模压成型，再进行机械加工。 玻璃纤维长度大于!REE。其物理和机械性能分 别为：密度!!!)P5／7E%，抗拉强度"I!R"=92，抗 压强度"I7!&"=92，抗剪强度#!!""=92，线烧 蚀率!"")REE／;。 该壳体是弹体的主要承力件，作为控制导弹飞 行时大角度转弯的载体，承受的载荷大。其工作原 理是：燃气舵面的偏转使空气舵的角度（与导弹轴 线）发生变化，实现导弹飞行过程中的转弯。当燃气 舵面上的法向力为"S时，燃气舵不工作；当空气舵偏 转一定角度后，发动机火焰喷射在燃气舵面上，形成 一法向力，从而在导弹的尾部产生一横向力，可保证 导弹飞行的大角度转弯。 <)< 结构和尺寸 壳体的结构如图!所示。 其内孔为一直径&&"EE的通孔；外沿为一直 !#&""’年第%期 上 海 航 天 *T?U49*BT 4V*WMV*@ 万方数据 图! 壳体结构及外形 "#$%! &’()*+,-*,+(./*’()’(00 径!"#$$的圆盘；上端有"个厚""$$对称分布 的凸块，其底部宽度%&$$，总高’(’$$。在"个 凸块上均开有两组台阶孔，一组为燃气舵轴孔，直径 分别是"’)#*#(+# $$，"!)#*#(+# $$，,,)#*#(+# $$；另 一组为拨叉轴孔，直径分别是’-)#*#(’# $$，(’)#*#(’# $$。要求这两组台阶孔相对基准孔!(,.#*(’.#*!+$$ 的垂直度误差不大于#*#+$$，两凸块内平面距离 尺寸（(,(/#*’）$$，内平面与基准孔!(,.#*(’.#*!+$$ 中心轴线的对称度不大于#*’#$$，垂直度不大于 #*#+$$。 !*1 材料特点 与一般的金属材料相比，玻璃钢复合材料的特 点主要有［(］：层间强度低；硬度高，与刀具的硬度相 近；弹性模量小；线膨胀系数大，约为金属的’*+倍； 热导率小，约为钢的’／(%。 ( 工艺难点 1*! 刀具的选择 玻璃钢壳体是由玻璃钢纤维与树脂热压成型 的。因树脂相对玻璃钢较软，机加工过程中，刀具在 软硬相之间进行断续切削，承受较大的冲击载荷，故 极易磨损，对刀具寿命的影响很大；且玻璃钢的硬度 与普通刀具相当，无法用一般的刀具加工。另外，由 于玻璃钢的热导率小，在壳体机加工中不允许使用 冷却液，导致切削产生的热量无法释放，从而加剧了 刀具的磨损。因此，选择合适的刀具成为一个工艺 难点［(］。 1*1 分层和撕裂 复合材料的层间剪切强度低，机加工时容易导 致玻璃钢纤维的分层和撕裂，零件的尺寸不易保证。 所谓分层就是层合板中的相邻层发生分离的现象， 尤其在层合板的边缘或孔口自由边缘处，更容易因 层间应力过大而产生剥离。分层会使结构刚度大大 降低，静强度和疲劳强度也会随之降低［!］。 1*2 变形 玻璃钢材料的弹性模量小，且壳体的壁厚尺寸 相差较大，机械加工时容易产生变形。 ! 工艺措施和结果 2*! 刀具 !*’*’ 材料 用常用的高速钢和硬质合金刀具对高硅氧层压 玻璃钢钢棒进行了切削试验，结果见表’［(］。由表 可知，硬质合金刀具的寿命极低；01,较适于切削 玻璃钢。试验中，当切削速度!2(&$$／$34时， 01,刀具寿命为%$34。而含硼人造金刚石聚晶 （其硬度和耐磨性极高、导热性较好）刀具的寿命，较 01,硬质合金高’##倍以上，且切削速度!!’## $$／$34，因此是较理想的玻璃钢切削刀具。 !*’*( 几何参数 5）刀具前角! 是指刀具前刀面与基面的夹 (, 上 海 航 天 16789:1;6 9<1=><1? (##"年第!期 万方数据 表! 车削玻璃钢时不同刀具的磨损 "#$%! "&’(’#)*+,-++’)’./0#1&-.-.2/**34 刀具材料 !"#$%&’$ ()"* (!" (+, (-. (-./ (-, (-,/ (-# 焊接车刀后 面磨损／00 123* 1244 12"4 121&* 121&* 121.* 121** 121*4 121,* 机夹车刀后 面磨损／00 123* 12." 1245 121& 121, 121** 1213 121,* 12"1 角。增大!可减小刀具与工件间的磨擦，利于玻璃 钢纤维材料切断。但!过大会削弱刀尖强度，减少 散热能力，加剧刀具的磨损并降低其寿命；且聚晶金 刚石刀具材料性脆不耐冲击，!也不能过大。因此， 经综合考虑取!6,7!"47。 8）刀具后角" 是指刀具后刀面与切削平面的 夹角。增大"不仅能减少后刀面与切削面间的磨 擦和刀具磨损，且可减小刃口圆弧半径，使刃口锋 利。但"过大会降低刀刃强度和散热能力。因此，一 般粗加工时，取"6,7!#7；精加工时，"6"17!"47。 9）刀具主偏角!% 是指刀具的切削平面与假 定进给平面的夹角。!%直接影响切削力和刀具耐 用度。改变!%可改变刀屑的宽度和厚度。当!% 减小时，切屑宽度增大，厚度减小变薄，刀具散热面 积和刀尖角增大，可提高刀尖强度，改善散热情况， 利于提高刀具的寿命；但!%又会影响切削力的分 配，!%的减小易使零件发生振动或弯曲变形。因 此，根据零件外形和工艺系统的刚性，粗车时取!% 6.17!,17；精车时切削量小，为降低径向切削力， 提高加工精度，取!%6517。 采用上述刀具工艺参数，对"1个燃气舵舱壳体 进行了车削加工，效果较为理想，刀具寿命提高明 显。原来加工"只玻璃钢壳体至少需换"*把车刀， 且车削的精度差；改进后"把车刀就能加工完整个 壳体。另外，刀具角度的改变，保证了与基准孔 .4,:1"4":1".*00;*00的垂直度误差不大于1"1* 00，同时提高了底平面的平面度，为在后道的铣削 中保证&个凸块平面（尺寸.4,00和44100< 1""00）处的对称度1""00，垂直度1"1*00创造 了条件，表面粗糙度也达到了设计要求。 5"6 防分层 ."4"" 钻套外表涂覆金钢石砂 对舵轴孔和拨叉轴孔，先进行粗钻孔、扩孔，再 用特制的钻套进行磨削。磨削加工可选较高的转 速，其工作效率远远高于普通钻头。设计的特制钻 套，基体采用经调质的&*钢，其切削部分均匀地镀 上一层厚约1"400的薄层人造金刚石砂，四周开 有四条纵向排屑槽，以利排屑和散热，并在钻头内径 开一个偏心的通孔，用于排屑和断屑。 ."4"4 孔出口处加工艺垫块 当孔将要被钻穿时，刀具的切削阻力会突然大 幅减小，导致切削深度加大，在玻璃纤维还未及切断 的情况下，容易引起纤维撕裂。因此在孔的出口处 垫一块工艺用硬塑料或铝板，增加孔口的切削阻力， 这样可有效防止孔出口处的分层和撕裂。 525 防撕裂 舱体的&个凸块深度"4"00，直径.4,00与 尺寸（441<12"）00相交处只有"100圆弧。原 选用直径4100、刃长"4100的立铣刀，这种细长 铣刀的刚性差，在铣削&个凸块时会产生漂移，导致 凸块与底平面不垂直，尤其是在出刀和进刀处易发 生崩裂和掉角。后用&*钢棒料，在它的外圆切削部 分均匀地镀上一薄层（厚约12400）人造金刚石 砂，代替原来的铣刀，使原来只用几个齿刃的铣削改 为用无数个细小砂粒同时加工，既增加了刀具的刚 性，减少了冲击，又可使受力均匀，有效地克服了玻 璃钢纤维撕裂。同时，大部分砂粒可对工件表面产 生磨光作用，加工后工件表面粗糙度较小，而且磨削 深度小、散热条件好，使切削力小、切削温度低，可获 得较高的加工精度。由此保证了外档.4,00与内 档44100<12"00之间垂直度121*00、对称度 12"00的要求，表面粗糙度也达到了设计要求。 527 保证精度 壳体&个凸块舵轴孔和拨叉轴孔尺寸、位置精 度的要求较高，且玻璃钢纤维材料质点硬度与树脂 不同，加工时产生断续切削，冲击频率大，导致钻孔 时孔轴心线发生偏斜。如果采用一般方法加工，就 无法满足要求。为此，先用硬质合金钻头粗钻孔（每 孔留.!&00余量），再进行扩孔，最终用如图4所 .,411&年第.期 吴志娟：玻璃钢复合材料壳体机加工研究 万方数据 示的特制钻套进行磨孔。在采用了类似粗加工、半 精加工和精加工的加工模式后，孔的加工尺寸和位 置精度均达到了设计要求。 图! 钻套 "#$%! &’#((#)$ *!+ 防变形 复合材料大都经高温固化。因纤维与基体是两 种不同的材料，其热膨胀系数往往有很大的差异，所 以从高温固化到室温，材料因温度应力的作用而在 纤维与基体内部产生残余应力，再加上机加工中因 切削力和切削热而产生的切削应力，两者同时释放 会使复合材料零件变形严重。 为减小玻璃钢壳体的变形，采用粗车!粗铣! 粗镗!自然时效!半精车!自然时效!精车!精铣 !精镗的顺序，逐步释放残余应力和切削应力，减小 零件变形，最终保证了零件的形位公差精度。其中， 粗加工后的玻璃钢壳体进行"#$的自然时效，释放 应力；在精加工前，再进行%&$的自然时效，使其残 余应力和切削应力得到进一步释放；最终再进行精 加工。自然时效的实验结果见表’。 表! 不同时效后壳体底平面的平面度 ,-.%! ,/012’3-40536/0.56657-360’8#330’0)6-$#)$ 时效时间／$ ( & %# "# 壳体底平面的 平面度／)) (!&(!(!*((!+(!(!#((!,(!(!+((!(+!(!%( , 结束语 本文针对某导弹壳体的结构和玻璃钢复合材料 机加工的特点，对其机加工工艺进行了研究。通过 采用聚晶金刚石刀具，选择合理的刀具几何参数、专 用夹具、自然时效和以磨代钻代铣等工艺措施，提高 了材料的机加工精度。有关工艺措施的确定方法， 可为同类零件的加工提供参考。 参考文献 ［%］ 赵渠森!复合材料［-］!北京：国防工业出版社， %*.,! ［’］ 尚育如，李 祯!弹头弹体制造与火箭总装技术［-］! 北京：宇航出版社，%*&*! ［"］ 沃丁柱，李顺林!复合材料大全［-］!北京：化学工业 出版社， """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ’(((! 美空军将试验升级型小牛导弹 美空军计划对/0-1#+小牛空地导弹升级进行评估。升级后导弹射程将增至现在的,倍，并采用023 制导和“发射后锁定目标”（45/4）的方式。 45/4是对小牛导弹现型号所作的重要改进。此项改进将在导弹上安装023接收器和数字式数据链， 并在4/61%%.导弹发射器和超高频无线电网络通信设备上安装配套的数据链。经过这些改进后，导弹将与 美空军和陆军已有的由态势感知数据链组成的战场信息结构融为一体。升级前的小牛导弹须距离目标,! #7)89:才能发射，并且只能在发射前锁定目标。导弹升级后，飞行员能够对导弹进行“人在回路”的控制。 即使在目标因气象或其他原因而被遮蔽的情况下，飞行员也可以在距目标’"7)89:处发射小牛导弹。飞行 员能不断发送更新指令以锁定目标，并在驾驶舱内通过数据链接收视频反馈而修正有关目标信息。一旦飞 行员确定对目标的打击可能对目标周围的无辜者造成伤害或者发现目标有误，即可利用数据链路放弃对目 标的攻击。同时在弹头上加装失能装置，一旦任务放弃不会爆炸误伤。而且，在另一架飞机上的飞行员也可 以通过配套数据链对飞行中的导弹进行制导。 45/4将首先用于安装;，0型红外成像寻的头，并将最终应用于<，=型。最新型小牛导弹将采用升 级型电视制导方式。目前，尚无将其应用于老式/，>型的计划。另外，美还计划研制增程型小牛导弹，该导 弹也将采用45/4装置，并在导弹下部装有助推器，能够在距目标&(!%((7)89:海里的防区外对目标进行 攻击，并将主要用于直升机。美空军同时将为红外制导的小牛导弹研制一种非冷却寻的器。 （张晓岚） ,# 上 海 航 天 /?@532/A? 3