超聲輔助車削技術與普通車削技術的對比分析

楊海強

(羅姆半導體(中國)有限公司，天津300385)

碳/碳復合材料是以碳為基體、碳纖維增強的復合材料，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，既可作為結構材料承載重荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。隨著我國高科技事業(yè)的發(fā)展，越來越多的大型構件需要進行機械加工，甚至精密加工，但由于碳/碳復合材料存在以上特點，屬于典型的難加工材料，在傳統(tǒng)的碳纖維復合材料加工過程中，易產生分層、撕裂、毛刺、拉絲等缺陷，導致工件加工表面粗糙度較大，尺寸控制比較困難，甚至工件報廢。因此如何進行高精密度、高效率、低刀具磨損、高質量、低成本的加工碳/碳復合材料，已經成為一個迫切需要解決的問題。

1 超聲輔助車削技術的設計與組成

超聲輔助車削設備，一般包括超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床本體與超聲輔助車削系統(tǒng)4個部分。

1.1 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器亦稱為超聲電源或超聲頻率發(fā)生器，其作用是將220V/50Hz的交流電轉變?yōu)橐欢üβ实某曨l電振蕩信號，以提供工具往復運動和切削工件所需的能量。它主要由振蕩級、電壓放大級、功率放大級和電源部分組成。其中，振蕩級是超聲發(fā)生器的核心。振蕩級由電子管或者三極晶體管結成電感反饋振蕩電路，調節(jié)電容量可改變振蕩頻率，即可調節(jié)輸出的超聲頻率。振蕩級的輸出經耦合至電壓放大級進行放大后，利用變壓器倒相輸送帶末級功率放大管(功率放大管有時用多管并聯(lián)推挽輸出)，經輸出變壓器輸至換能器。

1.2 超聲振動系統(tǒng)

超聲振動系統(tǒng)主要包括換能器、變幅桿和刀具，其作用是將由發(fā)生器輸出的高頻振蕩電信號轉變?yōu)闄C械振動，并通過變幅桿使刀具作小振幅的高頻振動，以進行超聲輔助車削加工。其中換能器就是進行能量轉換的器件。在聲學研究領域，換能器主要是指電聲換能器，它能實現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉換。超聲輔助加工中，換能器的作用是將高頻電振蕩轉換成機械振動，是超聲設備的關鍵部件之一。超聲換能器的種類很多，按照能量轉換的機理和利用的換能材料，可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、靜電換能器、機械型換能器等。按照換能器的振動模式，可分為縱向振動換能器、剪切振動換能器、扭轉振動換能器、彎曲振動換能器、一扭復合以及縱一彎復合振動模式換能器等。在眾多的超聲換能器類型中，使用較多的是壓電式和磁致伸縮換能器。

1.3 機床本體

本試驗系統(tǒng)利用大連第二機床廠設計制造的CKA6780型數(shù)控臥式車床，在該機床的刀架上安裝超聲振動系統(tǒng)，利用原有的數(shù)控系統(tǒng)及工作臺來實現(xiàn)超聲輔助車削的數(shù)字控制。其特點如下：主軸轉速高，整機質量穩(wěn)定；主軸通孔直徑大，通過棒料能力強使用范圍廣；機床操縱箱獨立放置，可縱向滑移，便于操作者就近對刀；機床的外觀防護采用流線型設計美觀，防水，防屑，維護方便。

1.4 超聲輔助車削系統(tǒng)

由于超聲波通過不同介質時，會在界面發(fā)生波速突變，產生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質的波阻抗，介質的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時能量的反射率愈高。當超聲波從液體或固體傳入空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100%，此外空氣有可壓縮性，更阻礙了超聲波的傳播，所以安裝過程中整個超聲振動系統(tǒng)的聯(lián)接部分應接觸緊密，在換能器與變幅桿、變幅桿與刀具的聯(lián)接處均涂以凡士林油，保證不存在空氣間隙，以免超聲波傳遞過程中損失能量。

2 與普通車削技術的對比

2.1 表面質量評定參數(shù)

碳/碳復合材料屬于非均質材料，具有明顯的各向異性，其切削表面在切削熱和切削力的作用下，會出現(xiàn)一些特殊的表面形貌特征，而這些又都是分布在表面的一些局部信息，通過二維輪廓是不能表達清楚的，而三維參數(shù)取點于整個區(qū)域，能比較全面和真實的反應其切削表面質量。針對碳/碳復合材料，選擇合適的評定方法及評定參數(shù)，可使切削表面粗糙度的評定更加真實可靠，從而可以更好地反映其表面加工質量。目前，國內外學者已開始探尋三維評定參數(shù)，盡管三維評定標準尚未建立，但其中一些評定參數(shù)如Sa、Sq等對復合材料的表面評價，較傳統(tǒng)二維評價參數(shù)Ra顯得更加先進和實用。采用Sa進行評價時，在采樣區(qū)域內測量了較多的點，而Ra則只能是取某幾條輪廓，或將其轉化為二維輪廓包絡線后計算，Ra所測量的點較少，因而Sa比Ra反映表面微觀形貌的信息更真實、更準確。從表中Sq的計算公式還可以看出，Sq是高度偏差的平方加權，也就是說此參數(shù)對偏離平均平面較大的取樣點比Sa會更敏感。

2.2 切削力對比試驗

我們經不同刀具對碳/碳復合材料加工后工件表面質量的對比試驗，選定了PCD刀具，分別在超聲輔助車削和普通車削下，對碳/碳復合材料進行切削加工，然后利用壓電三向測力平臺，分別測量記錄各自加工過程中的主切削力Fc、進給力Ff和背向力Fp。同表面質量對比試驗類似，進行測力試驗時，在切削速度、切削深度和進給量相同的前提下，對工件第一段進行超聲輔助車削，到第二段后關閉超聲發(fā)生器電源進行普通車削，保證加工時材料層次相同。結果分析得到，前半段超聲輔助車削時切削力F0，平均約為16 N；關閉超聲后普通車削時切削力Fc，平均約為24 N，超聲輔助車削相對于普通車削，切削力F0能夠減小33.33%。超聲輔助車削時進給力Fn平均約為13 N，關閉超聲后普通車削時進給力Fn平均約為19 N，故超聲輔助車削相對于普通車削進給力Ff減小31.58%。

2.3 切削溫度對比試驗

用PCD刀具，我們設定車削開始前室溫為19℃。相同條件下普通車削時刀尖溫度迅速由室溫19℃上升到47℃左右，升幅為28℃；超聲輔助車削時由于系統(tǒng)自身的諧振會產生一定的熱量，故加工前刀尖溫度為32℃左右，開始切削后刀尖溫度迅速上升到52℃，升幅20℃。對普通車削與超聲輔助車削導致的刀尖溫升進行對比可發(fā)現(xiàn)，振動切削下溫升能夠減小8℃，相對于普通車削溫升28℃能夠改善28.57%，這足以說明超聲輔助車削，能夠有效地減小切削熱。之所以會出現(xiàn)附加超聲振動后溫度高于普通車削的現(xiàn)象，主要是由于本試驗加工參數(shù)較小，屬于精密加工，導致產生的切削熱相對較少。

2.4 刀具磨損對比

刀具磨損后，工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導致切削力加大、切削溫度升高，甚至產生振動，不能繼續(xù)正常切削。因此，刀具磨損直接影響加工效率、質量和成本。我們同樣選定PCD刀具，分別在超聲輔助車削和普通車削下對碳/碳復合材料進行切削加工，并且加工長度均約為1 500 m，然后對比同等切削條件下，分別進行超聲輔助車削與普通車削后PCD刀具的磨損程度，結果顯示PCD刀具經1 500 m普通車削后，后刀面磨損長度為645.24 mm，而經1 500 m超聲輔助車削后的后刀面磨損長度僅為470.43 mm，超聲輔助車削對于刀具后刀面的磨損量，相對于普通車削可減少27.09%。另外，還可看出，PCD刀具經1 500 m超聲輔助車削后，所導致的邊界磨損要明顯小于經1 500 m普通車削所導致的邊界磨損。

3 結束語

總之，超聲輔助車削相對于普通車削，能夠有效減小刀具磨損量、延長刀具使用壽命，從而提高加工效率和加工質量，減小成本。

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