1.课题来源与背景 由于蜂窝材料独特的力学与几何特性，成为二十世纪末期以来最受航空、航天等领域青睐和关注的轻质夹层材料，飞机上的绝大多数操纵舵面（活动翼面）都由金属蒙皮和蜂窝芯复合构成，火箭筒体也多数采用蜂窝夹层材料。因此，蜂窝零件的加工成型技术和应用水平间接反映了一个国家航空、航天产品的可操控特性和品质。正是由于蜂窝材料的独特几何力学特性和应用价值，加之加工成型过程十分困难，是困惑航空、航天制造领域的重要难题之一。 双面粘结带法、真空吸附法和聚乙二醇法是目前能够凑合着解决蜂窝材料高速铣削加工固持的方法。但这些方法存在的问题是： （1）固持力小，可靠性差，容易造成过切； （2）尼龙搭扣的绒毛层在受到切削力的作用时极易产生变形，导致局部加工振动，影响加工质量； （3）辅助后处理工序十分繁琐，清除粘接剂时采用了丙酮类致癌物质，工作环境恶劣。 本项目在国家自然基金和某飞机公司经费的支持下，开展了蜂窝固持与高效加工新技术研究。 2.研究目的与意义 为了解决蜂窝芯零件高速铣削过程中固持可靠性差、固持成本高及环境污染等问题，提出了一种基于磁场和摩擦学原理的蜂窝材料固持方法。这种新型的固持方法创造性地利用磁化与摩擦这一纯物理作用原理，以高纯度铁粉作为磁场和力的传递介质，借助于巧妙的工装设计，解决了蜂窝材料的可靠加工固持问题，实现了蜂窝零件的高精度、高效率、无污染、低成本加工。 3.主要论点与依据 磁场和摩擦固持原理是利用外加磁场，对灌入蜂窝芯材料孔格中细小的铁粉颗粒产生磁化作用，使得铁粉颗粒在自重和相互之间磁场吸引力的共同作用下对蜂窝孔格的侧壁以及固持平台产生挤压力作用。当蜂窝芯材料在加工过程中有相对运动趋势时，在铁粉与蜂窝侧壁之间以及铁粉与工作平台之间会产生摩擦力的作用，这种摩擦力将阻碍蜂窝材料的运动。当两种摩擦力的合力作用可以平衡蜂窝材料所受到的铣削力时，蜂窝材料就可以保持稳定、可靠的固定状态，从而达到对蜂窝材料固持的目的。 4.创见与创新 （1）系统研究施加外部磁场条件下“铁粉颗粒、蜂窝材料、工装型面之间的摩擦固持机理”，包括：通过蜂窝孔格中的纯铁粉颗粒有规律地引出磁场和实现工装内磁场自闭合的原理及控制方法，工装台面上经过磁化和夯实的蜂窝孔格中“铁粉柱”与蜂窝侧壁以及蜂窝和“铁粉柱”与机床平台表面产生的摩擦力模型； （2）面向工程应用，研究平面或型面工装内永久强磁场的磁路结构及封装方法，基于分布式弹簧预压紧的铁粉颗粒均匀填充方法，铁粉颗粒分离、回收及再利用的新技术。 基于以上研究，获得了如下研究成果： （1）建立了一套基于纯铁粉磁化产生摩擦力而实现蜂窝固持的新理论； （2）成功研制了一整套用于飞机活动翼面蜂窝芯加工固持的工艺装备系统，包括： a）通用固持平台； b）模块式曲面固持平台； c）预压紧及自动填充铁粉装置； d）铁粉回收装置； e）集成控制系统。 （3）获国家发明专利6项，在国内外著名杂志上发表论文10余篇； （4）在多个国家重点型号上取得成功应用。 5.社会经济效益 与国内外的传统固持方法相比，本项发明成果所采用的方法工艺过程简单、固持可靠、绿色环保，加工精度提高一个数量级，大幅度提高了蜂窝零件加工固持的可靠性和质量稳定性，解决了我国多个重点型号研制中复杂蜂窝零件加工的“卡脖子”问题，为歼-10、JH-7、L-15和歼-20等型号工程做出了重要贡献。蜂窝零件加工精度从±0.35mm提高到±0.08mm的国际领先水平，零件加工效率提高3倍以上，零件加工报废率则降为零（人为因素除外）。成功实现了厚度仅为1.0mm的双曲度蜂窝零件的加工，这对于传统的固持方法而言，不可想象也绝对做不到。特别地，采用本项发明技术，突破了新一代难加工高能吸波合金蜂窝材料的加工难题，为保障我国下一代空天飞机的复合材料成型制造质量提供了重要战略储备和技术支撑。 经济效益方面，以一架次J-10飞机为例，在每一架飞机蜂窝零件加工固持上所消耗的粘结带费用为3.75万元，采用本项发明技术加工同样的蜂窝零件，每一架飞机所需的纯铁粉颗粒材料费用为200元左右，按每年生产30架飞机计算，不计由于双面粘结带法固持不可靠造成的加工报废等损失，在粘结材料消耗费用一项上，由原来112.5万元降为0.6万元，显著降低了加工成本。