復(fù)合材料超聲輔助螺旋銑削試驗(yàn)研究*

高 航，孫 超，王 焱

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116023；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

碳纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、比模量高、比強(qiáng)度大、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料構(gòu)件需要加工大量的連接孔，由于傳統(tǒng)的鉆削加工中存在切削力大、表面質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)[1-2]，已不能滿足連接孔高質(zhì)、高效的加工要求。作為新興的加工工藝方法，螺旋銑削制孔工藝與超聲振動(dòng)輔助加工方法則彌補(bǔ)了傳統(tǒng)刀具的不足，在難加工材料加工中得到了成功應(yīng)用[3-4]，有效降低了切削加工過(guò)程中的切削力，改善了制孔加工過(guò)程中產(chǎn)生的分層、撕裂、毛刺等加工缺陷[5-6]，在難加工材料加工技術(shù)領(lǐng)域成為重要研究方向。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者分別針對(duì)螺旋銑削與超聲振動(dòng)輔助制孔進(jìn)行了研究。但還沒(méi)有將超聲振動(dòng)輔助加工與螺旋銑削加工過(guò)程相結(jié)合的加工技術(shù)報(bào)道。本文首次結(jié)合螺旋銑削加工與超聲振動(dòng)輔助加工兩種加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)理論與試驗(yàn)研究，分析了超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削加工原理，分析了加工參數(shù)對(duì)切削力、切屑及制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。該方法為碳纖維復(fù)合材料制孔加工提供了一種新的加工途徑。

超聲輔助螺旋銑削原理

超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削過(guò)程為在原有螺旋銑削制孔加工時(shí)，在刀具軸向施加高頻的超聲振動(dòng)，通過(guò)超聲與螺旋銑削的復(fù)合作用改變材料的去除機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。超聲輔助螺旋銑削制孔加工過(guò)程由刀具軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、垂直于軸線的平面內(nèi)切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和高頻超聲振動(dòng)3種切削運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。其材料去除過(guò)程為控制刀具幾何中心偏離加工孔的中心，以一定的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速繞孔軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以一定的進(jìn)給速率沿刀具軸線方向運(yùn)動(dòng)，以銑削加工實(shí)現(xiàn)材料的去除，如圖1所示。超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削制孔過(guò)程中主要加工參數(shù)包括刀具直徑Dm、偏心距離e、刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nz、刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為ng、刀具軸向進(jìn)給螺距為ap、超聲振動(dòng)頻率f和超聲振動(dòng)振幅A。

加工過(guò)程中，材料去除以主切削刃對(duì)孔壁材料去除和副切削刃對(duì)孔底材料去除兩種形式為主。

在沿刀具軸線方向上，軸向進(jìn)給速度主要對(duì)加工效率與切削軸向力有影響。軸向進(jìn)給速度f(wàn)d與刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系為[7]：

刀具每轉(zhuǎn)單齒切削厚度f(wàn)za與刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系為：

當(dāng)對(duì)刀具施加超聲振動(dòng)時(shí)，刀具與工件之間存在分離運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，刀具在單周期內(nèi)的切削過(guò)程中只有一段有效切削時(shí)間。刀具切削刃端部單周期內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)如圖2所示，假設(shè)超聲振動(dòng)符合正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其中λ為切削刃切入工件的最大單齒切削厚度，Δt為單周期內(nèi)切削刃有效切削時(shí)間。圖2中紅色部分為刀具切削刃在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的實(shí)際切削區(qū)域。

圖1 超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削制孔加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling process by ultrasonic vibration assisted helical milling

圖2 刀具切削刃軸向運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of axial movement of tool cutting edge

圖3 刀具每轉(zhuǎn)材料去除量示意圖Fig.3 Schematic diagram of material removal amount per revolution

在垂直于刀具軸線的平面內(nèi)，當(dāng)?shù)毒呙啃D(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，刀具主切削刃的材料去除量如圖3中的綠色區(qū)域面積所示。通過(guò)計(jì)算，刀具每轉(zhuǎn)單齒去除材料量為：

由公式（3）可知，螺旋銑削過(guò)程中刀具在垂直于軸線平面內(nèi)，刀具每轉(zhuǎn)單齒去除材料量與刀具公轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)速度的比值近似成正比。該去除材料的量與加工效率無(wú)關(guān)，而對(duì)加工后孔的質(zhì)量和刀具磨損產(chǎn)生很大的影響，切削量越大，刀具的磨損越嚴(yán)重。因此在加工試驗(yàn)中應(yīng)盡量減少刀具公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度的比值。

超聲輔助螺旋銑削加工時(shí)，材料的去除是刀具切削刃的銑削和超聲振動(dòng)的復(fù)合疊加，主要是加工刀具切削刃由主軸轉(zhuǎn)速、刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和刀具軸向進(jìn)給產(chǎn)生的直接機(jī)械切削與超聲高頻振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊作用。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中所使用的材料是編織結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料。尺寸為60mm×60mm×2mm。試驗(yàn)機(jī)床為自行研制生產(chǎn)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床（DG-100，主軸轉(zhuǎn)速為 0～12000r/min），采用SZ12智能超聲波發(fā)生器，具有頻率自動(dòng)跟蹤功能，換能器振幅輸出穩(wěn)定。采用Kistler 9257B 三向測(cè)力儀對(duì)加工時(shí)的切削力進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得的信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后，利用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of experiment system

2 試驗(yàn)參數(shù)的選擇

試驗(yàn)采用直徑為φ10mm的雙刃直柄硬質(zhì)合金PCD銑刀，PCD銑刀參數(shù)如表1所示。加工的孔徑為φ12mm。加工過(guò)程中fza在2～12μm間變化，加工過(guò)程螺距ap取為0.6mm，刀具轉(zhuǎn)速為1500r/min，加工過(guò)程中超聲振動(dòng)單側(cè)幅值為3.2μm，超聲振動(dòng)頻率為33kHz。加工過(guò)程采用無(wú)冷卻加工，通過(guò)吸塵器對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的粉末型切屑進(jìn)行收集。

表1 PCD銑刀參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果與討論

1 切削力

切削力對(duì)加工過(guò)程中材料的去除以及加工缺陷的產(chǎn)生都具有很大的影響，因此分析切削力的變化規(guī)律對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程具有重要意義[8]。

本試驗(yàn)中取刀具軸向進(jìn)給方向?yàn)閦軸方向，工件表面為oxy平面，符合右手法則。本試驗(yàn)主要分析切削過(guò)程中軸向最大切削力隨軸向單齒切削厚度f(wàn)za的變化規(guī)律。超聲輔助螺旋銑削過(guò)程中軸向最大切削力隨軸向單齒切削厚度的變化如圖5所示。

對(duì)切削力的變化規(guī)律觀察不難發(fā)現(xiàn)，切削力隨fza的增大而增大。但當(dāng)單齒切削厚度為3～4μm時(shí)，切削力產(chǎn)生了較大幅度的增加，之后切削力的增加又趨于平緩。當(dāng)軸向單齒切削厚度f(wàn)za＜A時(shí)，刀具副切削刃對(duì)材料的切削時(shí)，刀具切削刃與加工區(qū)域材料表面存在接觸脫離，降低了軸向的切削力。同時(shí)產(chǎn)生的切屑短小，易于排出，減少了刀具切削刃與材料表面的磨擦作用，從而使切削力進(jìn)一步降低；當(dāng)軸向單齒切削厚度f(wàn)za＞A時(shí)，刀具的副切削刃與材料加工區(qū)域表面持續(xù)接觸，切削時(shí)間增加，產(chǎn)生的切屑多為長(zhǎng)切屑，且并未完全斷裂的切屑對(duì)刀具產(chǎn)生粘附和拉扯作用，使切削力增加。

圖5 切削力隨軸向單齒切削厚度的變化Fig.5 Variation of cutting forces with per tooth cutting depth

2 切屑形狀分析

在超聲輔助螺旋銑削加工過(guò)程中，對(duì)刀具副切削刃切削材料去除形式研究分析表明，超聲振動(dòng)幅值A(chǔ)與每轉(zhuǎn)單齒切削厚度f(wàn)za的大小，將會(huì)對(duì)加工過(guò)程中的切屑形態(tài)產(chǎn)生較大的影響。

試驗(yàn)過(guò)程分別在軸向每轉(zhuǎn)單齒切削厚度為2μm和6μm的兩種試驗(yàn)條件下，對(duì)碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削鉆孔試驗(yàn)，對(duì)加工后產(chǎn)生的切屑進(jìn)行收集，在VHX-600E型超景深顯微鏡下進(jìn)行觀察，其切屑形狀如圖6所示。

通過(guò)對(duì)加工后產(chǎn)生的切屑進(jìn)行觀察，當(dāng)每轉(zhuǎn)單齒切削厚度為2μm＜A時(shí)，產(chǎn)生的切屑以細(xì)小的短切屑為主，切屑纖維長(zhǎng)短較均勻；當(dāng)單齒切削厚度為6μm＞A時(shí)，產(chǎn)生的切屑多為長(zhǎng)絮狀切屑，纖維與基體粘連，表現(xiàn)出的切屑形狀長(zhǎng)短不一，且以長(zhǎng)切屑為主。

當(dāng)fza＞A時(shí)，即超聲振動(dòng)加工振幅值小于刀具每轉(zhuǎn)單齒切削厚度，刀具副切削刃單次切削材料時(shí)，產(chǎn)生的切屑以長(zhǎng)切屑為主，刀具振動(dòng)在材料內(nèi)部，切削刃不脫離加工區(qū)域表面。當(dāng)fza＜A時(shí)，即超聲振動(dòng)加工振幅值大于刀具每轉(zhuǎn)單齒切削厚度，超聲波振動(dòng)使刀具軸向上切削刃運(yùn)動(dòng)至峰值點(diǎn)時(shí)，存在接觸脫離區(qū)，此時(shí)加工產(chǎn)生的切屑發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的切屑則以較短的切屑為主。

圖6 不同軸向單齒切削厚度時(shí)產(chǎn)生的切屑Fig.6 Generated chips under different axial feed per tooth

3 制孔質(zhì)量

在超聲輔助螺旋銑削制孔加工過(guò)程中，材料去除主要為刀具主切削刃的切削作用，因此主切削刃每轉(zhuǎn)材料去除量對(duì)加工孔的質(zhì)量將產(chǎn)生很大影響。為驗(yàn)證刀具每轉(zhuǎn)單齒材料去除量對(duì)制孔質(zhì)量的影響，試驗(yàn)中Sz在0.21～0.63mm2/r之間變化，對(duì)加工后的孔的質(zhì)量進(jìn)行觀察分析，如表2所示。

圖7 單齒材料去除量對(duì)孔壁粗糙度的影響Fig.7 Influence of the material removal amount per tooth on hole surface roughness

表2 刀具每轉(zhuǎn)單齒材料去除量對(duì)制孔質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)制孔質(zhì)量的觀察，入口處邊緣較為整齊，沒(méi)有毛刺、撕裂等加工缺陷產(chǎn)生，多為刀具切削材料表面涂覆的一層襯底膠形成的絮狀物。隨著加工深度的增加，材料去除以主切削刃切削為主。在出口處，制孔質(zhì)量明顯降低。隨著刀具每轉(zhuǎn)單齒材料去除量Sz的增加，孔出口毛刺增多，并且毛刺由短小變?yōu)榇执?，并且?dāng)材料去除量增大到0.42mm2/r時(shí)，出口處毛刺變?yōu)樗毫褷睢?/p>

利用ZYGO公司生產(chǎn)的Newview 5022對(duì)制孔表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)。超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削加工后的孔壁粗糙度如圖7所示。

由測(cè)量結(jié)果可以看出，加工后的孔壁表面粗糙度值隨著單齒材料去除量的增大而增大，這是由于在超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削制孔過(guò)程中切削區(qū)域溫度較低[9],樹(shù)脂基體在纖維的拉扯作用下，以脆性斷裂為主，產(chǎn)生微小的凹坑，同時(shí)隨著單齒材料去除量的增加，加工中產(chǎn)生的切削力也隨之增加，孔壁產(chǎn)生的凹坑增多，造成測(cè)量的孔壁粗糙度值增大。

結(jié)論

本文采用超聲輔助螺旋銑削加工工藝進(jìn)行制孔試驗(yàn)，分析了超聲輔助螺旋銑削加工原理，研究了加工過(guò)程中加工參數(shù)對(duì)切削力、產(chǎn)生切屑形式以及制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）超聲輔助螺旋銑削加工工藝可作為一種新工藝加工碳纖維復(fù)合材料。

（2）加工過(guò)程中切削力隨每轉(zhuǎn)單齒切削量的增加而增加，并且在每轉(zhuǎn)單齒切削量大于超聲振動(dòng)幅值時(shí)，切削力增加明顯。

（3）當(dāng)加工過(guò)程中超聲振動(dòng)幅值大于刀具每轉(zhuǎn)單齒切削厚度時(shí)，刀具與工件表面存在接觸脫離，產(chǎn)生的切屑細(xì)小，加工中易于排出。

（4）隨著刀具單齒材料去除量的增加，加工的孔的出口質(zhì)量變差，孔壁加工粗糙度增大，毛刺、撕裂等缺陷增多。

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