超聲插切Nomex蜂窩芯試驗研究*

孫丁一，康仁科，王毅丹，董志剛

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024）

Nomex 蜂窩芯材料以其優(yōu)異的比強度、比剛度特性而廣泛應用于飛機地板、襟翼、整流罩和天線罩等關鍵部位[1-3]，是實現(xiàn)飛機機體結構減重、降噪、透波等功能的重要材料。針對不同的使用需求，蜂窩芯材料需要進行大量的切削加工，以獲得設計的結構尺寸和形狀。但Nomex 蜂窩芯材料是一種典型的難加工材料，蜂窩芯材料沿孔格的軸向有高的強度和剛度，但其橫向的可伸縮量大、剛度較低[4-5]，切削加工中蜂窩芯孔格易變形，且芳綸纖維強度高、難以切斷，對切削加工提出了更大的挑戰(zhàn)。

Nomex 蜂窩芯構件中，沿孔格軸向的輪廓邊界是常見的典型特征結構，包括蜂窩芯構件邊緣輪廓邊界、沉槽與凸臺結構的直線和曲線輪廓邊界，具有數(shù)量多、加工質量不易控制的特點，常用的超聲切削與高速銑削加工均難以滿足其加工需求。高速銑削存在切削力大[6]、易產生孔格的變形與撕裂、甚至產生壓潰等問題，影響工件的表面質量[7]，且高速銑削過程中刀具磨損嚴重[8]。超聲切削加工Nomex 蜂窩芯技術以其切削力小、加工質量高、生產效率高、環(huán)境友好等特點，越來越廣泛地應用于航空航天制造領域[9]。但是，蜂窩芯構件沿孔格軸向的直線輪廓邊界的超聲切削，受直刃尖刀長度限制過深的直邊難以一次加工成型；沿孔格軸向的曲線輪廓邊界受直刃尖刀結構限制，加工過程中易產生過切或讓刀現(xiàn)象[10-13]，且數(shù)控加工編程復雜。

插切加工是Nomex 蜂窩芯構件輪廓邊界的一種新型加工方式[14]，加工原理與套料加工類似，使用插切刀具沿設定工作軌跡插切出包含所需輪廓邊界的一系列圓弧，將多余材料片除后獲得所需輪廓邊界。插切加工輪廓邊界的方法相比傳統(tǒng)高速銑削，能夠有效減少加工缺陷；使用長的插切刀具可以簡便地實現(xiàn)大深度輪廓邊界的加工。但普通的插切加工方式仍存在切削力大、已加工表面不均勻等問題，同時還存在蜂窩芯切屑排屑困難、易堵塞刀具等情況。

硬脆材料的套料加工與Nomex 蜂窩芯材料的插切加工具有相同的刀具運動形式?，F(xiàn)有研究表明，硬脆材料的超聲套料加工對比非超聲加工能夠提高加工效率、降低切削力、減少出口位置的加工缺陷[15-17]；弱剛度食品的超聲切割中，刀具的超聲振動減小了食品切割的切削力、提高了切割質量[18-20]；但硬脆材料的超聲插切和食品的超聲切割，在切削機理和材料性能方面與Nomex蜂窩芯的插切有較大區(qū)別，其研究結果并不能完全適用于Nomex 蜂窩材料的插切加工。針對Nomex 蜂窩芯構件輪廓邊界常用的加工方法在已加工表面質量、切削力等方面存在的問題，本文在插切加工的基礎上提出了一種超聲插切的加工方法，通過在切削刃處產生大振幅軸向超聲振動，將超聲作用施加于切削過程。搭建了超聲插切試驗臺，試驗研究了超聲插切加工中切削力以及插切切口質量的影響因素，分析了超聲插切中刀具與工件的相對運動關系與切削力。

1 試驗設計與方案

Nomex 蜂窩芯沉槽結構的曲線輪廓邊界是超聲插切加工的典型應用場景，具體加工過程如圖1 所示。超聲插切加工中，插切刀具在超聲振動系統(tǒng)的帶動下于切削刃處產生大振幅的軸向超聲振動，與插切刀具的旋轉運動、進給運動共同完成蜂窩芯材料的一次超聲插切加工。插切刀具沿設定工作軌跡循環(huán)進行多次超聲插切加工后，插切出包含所需曲線輪廓邊界的一系列圓弧，將多余材料片除后獲得沉槽結構的曲線輪廓邊界。在每個插切位置的插切加工中，刀具的進給運動為插切刀具自工件上方沿蜂窩芯材料孔格軸向進給，插切至設定深度后，快速退刀，完成一次插切。

圖1 超聲插切加工曲線輪廓邊界示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic trepanning curve edge

試驗用刀具為自行研制的90mm 長超聲插切刀具，有效插切深度75mm，刀具外徑19mm，刀具結構如圖2（a）所示，外形如圖2（b）所示。超聲插切刀具通過螺紋連接于超聲切削專用刀柄；為避免插切刀具與已加工表面劃擦，損傷已加工表面，將刀具前部設計為喇叭狀開口，其中，γ=70°、α=2°；刀具內部中空結構用于容納插切加工產生的蜂窩芯切屑。

圖2 超聲插切刀具Fig.2 Ultrasonic trepanning tool

試驗樣件為牌號NH-1-1.83-29 的Nomex 蜂窩芯材料，蜂窩芯密度29kg/m3，孔格邊長1.83mm。樣件大小為60mm×50mm×50mm。

Nomex 蜂窩芯超聲插切試驗在凝華NHM800 型數(shù)控雕銑機上進行，試驗現(xiàn)場加工設備與測力儀如圖3 所示。其中，A為插切刀具超聲振幅；vf為插切刀具進給速度；n為插切刀具轉速。試驗使用本團隊自主研制的超聲振動系統(tǒng)，包括插切刀具、超聲切削專用刀柄與大功率超聲電源。超聲切削專用刀柄用于將超聲電源輸出的15～40kHz 高頻功率電信號轉變?yōu)闄C械振動，并對超聲振幅進行放大；插切刀具安裝于超聲切削專用刀柄前端，加工時刀刃輸出大振幅軸向超聲。工件采用雙面膠粘接的方式固持在夾具中央位置，再將夾具安裝于測力儀上，測量切削過程中的切削力。

圖3 Nomex 蜂窩超聲插切試驗現(xiàn)場Fig.3 Ultrasonic trepanning experiment site of Nomex honeycomb core

為研究插切加工中切削力以及切口質量的變化規(guī)律，進行了有無超聲振動下，不同刀具轉速和進給速度的插切試驗，為了減小干擾因素的影響，每組試驗進行3 次。試驗中超聲振動頻率f為20.06kHz。設定的插切深度為40mm。超聲插切試驗參數(shù)見表1。

表1 超聲插切Nomex 蜂窩芯試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of ultrasonic trepanning

本試驗使用基恩士LK-H025 型激光位移傳感器測量刀具振幅，采用Kistler-9119AA2 型測力儀對切削力進行測量，使用基恩士VHX-600E 型超景深顯微鏡對Nomex 蜂窩超聲插切已加工表面質量進行觀測。

2 試驗結果與分析

2.1 插切切削力結果與分析

因X與Y方向切削力較小，可以忽略，Z方向力為主要切削力，對蜂窩芯加工質量有直接的影響，故本文僅研究Z方向切削力。圖4 為n=1500r/min、vf=1000 mm/min 時，振幅為20μm 的超聲插切加工與無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工切削力曲線。

圖4 插切切削力曲線Fig.4 Trepanning force curves

插切加工Nomex 蜂窩芯的切削力曲線可以分為3個階段：切入階段、穩(wěn)定切削階段和退刀階段。切入階段，隨插切深度增加，切削力逐漸增大，超聲插切平均切削力對比傳統(tǒng)插切減小31%；穩(wěn)定切削階段，隨插切深度的進一步增加，切削力總體趨勢保持穩(wěn)定，有小幅波動存在，超聲插切平均切削力對比傳統(tǒng)插切減小29%；退刀階段為插切至設定深度后，快速退刀，切削力迅速減小至0.2N 左右，并保持至退刀完成，此階段切削力較小，有無超聲振動的切削力曲線未觀察到明顯區(qū)別。

進一步選取插切試驗中穩(wěn)定切削階段的平均切削力為研究對象，對不同加工參數(shù)下有無超聲振動的切削力進行對比分析。

不同刀具轉速下有無超聲振動的插切切削力曲線如圖5 所示，在進給速度2000mm/min、刀具轉速500～1500r/min 時，各加工參數(shù)下，超聲振幅為20μm 的插切加工相對傳統(tǒng)插切加工，切削力均有19%左右的降低，超聲作用顯著；隨著插切刀具轉速由500r/min 增加至1500r/min，插切加工的切削速度增加，有無超聲振動的插切加工切削力均減小20%左右。

圖5 不同轉速下的插切切削力Fig.5 Comparison of trepanning forces at different spindle speeds

圖6 為不同進給速度下有無超聲振動的插切切削力曲線，超聲振幅為20μm 的插切加工相對傳統(tǒng)插切加工，在刀具轉速1500r/min、進給速度1000～3000mm/min時切削力均有21%左右的減小，超聲振動顯著降低了切削力；隨進給速度由1000mm/min 增加至3000mm/min，單位時間內插切加工的切削量增大，超聲振幅為20μm 插切加工切削力增大14%，無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工切削力增大19%。

圖6 不同進給速度下插切切削力Fig.6 Comparison of trepanning forces at different feed speeds

2.2 插切質量分析

切削力的變化必然會對加工質量產生影響，為研究超聲振動對Nomex 蜂窩芯插切質量影響，將切屑去除后，使用超景深顯微鏡對插切位置工件一側切口進行觀測。

2.2.1 典型插切特征

圖7 為n=1500 r/min、vf=1000 mm/min 時有無超聲振動的插切切口顯微照片，圖7（a）為無超聲振動的傳統(tǒng)插切切口，圖7（b）為A=20μm 的超聲插切切口。傳統(tǒng)插切切口有明顯波浪狀起伏，與理想的直邊偏差較大，放大觀測切口邊緣存在毛刺；超聲插切切口邊緣整齊，接近理想的直邊，放大觀測無毛刺存在。對比發(fā)現(xiàn)，在同一加工參數(shù)下超聲振動的引入顯著改善了插切加工切口質量、使切口更加平直，無毛刺等加工缺陷。

圖7 傳統(tǒng)插切與超聲插切切口質量對比Fig.7 Comparison of incisions after ultrasonic trepanning and traditional trepanning

2.2.2 插切質量對比

為進一步研究不同加工參數(shù)下超聲振動對于插切質量影響，選取穩(wěn)定切削階段的中部區(qū)域做進一步觀測、對比。圖8 為插切刀具轉速1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 的傳統(tǒng)插切與超聲插切Nomex 蜂窩芯切口對比。隨著進給速度增加，傳統(tǒng)插切切口邊緣波浪狀起伏更加明顯，毛刺等加工缺陷出現(xiàn)次數(shù)更多；相比傳統(tǒng)插切，振幅為20μm 的超聲插切加工在不同進給速度下，切口邊緣均更加貼近理想直邊，無明顯波浪狀起伏，無明顯毛刺存在，超聲的插切切口受進給速度變化影響較小。

圖8 不同進給速度下插切切口對比Fig.8 Comparison of trepanning incisions at different feed speeds

圖9 為進給速度2000mm/min、插切刀具轉速500～ 1500r/min 下傳統(tǒng)插切與超聲插切Nomex 蜂窩芯插切質量對比。隨刀具轉速增加，無超聲振動的傳統(tǒng)插切切口質量未得到顯著改善；在不同轉速下，振幅為20μm超聲插切切口邊緣均更加平直、整齊，無毛刺等加工缺陷，超聲插切切口隨轉速增加質量無明顯變化。

Nomex 蜂窩芯材料的超聲插切加工中，刀刃與蜂窩芯材料發(fā)生周期性的接觸和分離，每次短暫的接觸刀刃都會對蜂窩芯材料施加高速的沖擊，在接觸位置產生微裂紋并沿插切方向在蜂窩材料內部擴展，改變了蜂窩芯材料的切削機理[21]，提高了加工質量。

研究表明，超聲振動能夠有效改善Nomex 蜂窩芯插切切口質量，為Nomex 蜂窩芯構件輪廓邊界的高質量加工提供了一種有效的解決方案。

2.3 超聲插切切削過程分析

2.3.1 運動學分析

為研究超聲插切Nomex 蜂窩芯中超聲振動對于切削過程的影響，以切削刃上選定點為研究對象，在超聲作用下切削刃上該點的位移與速度如式（1）和（2）所示。

圖9 不同轉速下插切切口對比Fig.9 Comparison of trepanning incisions at different spindle speeds

其中，R為插切刀具半徑，mm；ω為刀具角速度，rad/s；t為時間，s；f為超聲振動頻率，Hz。

圖10 為加工參數(shù)R=9.5mm、n=1500r/min、vf=1000 mm/min、f=20060Hz 時切削刃上任意一點在超聲振幅A=20μm 與無超聲振動的插切加工中刀具旋轉一周的運動軌跡，超聲振動顯著改變了刀具與工件間的接觸規(guī)律，將無超聲插切中的連續(xù)切削轉換為超聲頻率的斷續(xù)切削。傳統(tǒng)插切加工中，Nomex 蜂窩芯材料的切削速度為1492mm/s；超聲插切加工中，在單個振動周期內，刀刃切入蜂窩芯材料時，切削蜂窩芯材料的速度為1492～2942mm/s，超聲振動顯著提高了插切加工中的切削速度。對比無超聲插切中進給速度為16.6mm/s 的連續(xù)切削，超聲插切加工中刀具在進給方向對工件施加有高頻沖擊作用，使切削刃能夠順利地切斷Nomex 蜂窩芯材料并避免毛刺等加工缺陷的產生。

圖10 超聲插切刀具運動軌跡Fig.10 Motion trajectories of ultrasonic trepanning tool

2.3.2 切削力分析

Nomex 蜂窩芯插切加工中，刀具與蜂窩芯材料間的受力關系可簡化為如圖11 所示。為簡化分析過程，選取插切某瞬時，蜂窩芯材料與插切刀具一側的受力情況為代表，分析超聲插切過程中的切削力。

圖11 插切加工Nomex 蜂窩芯受力關系Fig.11 Schematic diagram of force model on trepanning of Nomex honeycomb core

插切加工Nomex 蜂窩芯時，蜂窩芯材料受刀刃的切割力為FC，切屑受前刀面的壓力為FN1，切屑受插切刀內壁的壓力為FN2；因刀具的旋轉運動，蜂窩芯材料與刀刃處存在摩擦力fC-n，切屑與前刀面的摩擦力為fN1-n，切屑與插切刀內壁的摩擦力為fN2-n；因刀具的進給運動，切屑與前刀面有摩擦力fN1-vf，切屑與插切刀內壁有摩擦力fN2-vf。

因蜂窩芯材料在X與Y方向所受切削力，理論分析受力平衡，實際加工中表現(xiàn)為X與Y方向切削力較小，可以忽略。故本文僅研究Z方向切削力FZ。

蜂窩芯材料所受切削力FZ可以表示為：

式中，F(xiàn)CZ、FN1Z與FN2Z分別為蜂窩芯材料在切削刃、前刀面與刀具內壁處所受Z向力。

蜂窩芯材料所受沿Z方向的摩擦力fN1-vf與fN2-vf可以表示為：

式中，μF為插切刀具與蜂窩芯材料間摩擦系數(shù)。

蜂窩芯材料在切削刃、前刀面與刀具內壁處所受Z向力FCZ、FN1Z與FN2Z可以表示為：

由式（3）和式（5）得知，插切加工Nomex 蜂窩的切削力FZ為：

超聲插切Nomex 蜂窩的切削力FZU和傳統(tǒng)插切的切削力FZN可以表示為：

式中，F(xiàn)CU為超聲插切中蜂窩芯材料受刀刃的切割力；FCN為普通插切中蜂窩芯材料受刀刃的切割力；μFU為超聲插切中蜂窩芯材料與插切刀具間的摩擦系數(shù)；μFN為普通插切加工系數(shù)。

超聲插切加工中，由于刀具在進給方向的超聲振動，切削刃對蜂窩芯材料產生高頻沖擊作用，蜂窩芯材料更易于被切斷[21]，體現(xiàn)為FCU＜FCN。被切斷的切屑受到前刀面與刀具內壁的擠壓，分別在插切刀具前刀面和刀具內壁處受到壓力FN1與FN2，此壓力的產生主要受刀具結構與加工參數(shù)的影響，超聲振動的引入不改變FN1與FN2大小。由于超聲振動的減摩作用，μFU＜μFN[22]，進而使蜂窩芯材料所受摩擦力fN1-vf與fN2-vf減小。綜合表現(xiàn)為超聲插切切削力FZU小于無超聲振動的傳統(tǒng)插切切削力FZN，更有利于獲得高質量的加工表面。

3 結論

本文提出了超聲插切的加工方法，研究了超聲插切加工中切削力和插切切口質量的影響因素，并得到以下結論：

（1）插切加工Nomex 蜂窩芯切削力，在刀具轉速500～1500r/min 時隨刀具轉速增加而減小，在進給速度1000～3000mm/min 下隨進給速度增加而增大。

（2）相對無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工，超聲振幅為20μm 的插切加工在插切刀具轉速500～1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 下均能夠有效降低切削力，平均降幅20%左右。

（3）Nomex 蜂窩芯超聲插切切口，在插切刀具轉速500～1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 下對比傳統(tǒng)插切切口均更加平順、整齊、無毛刺，插切加工質量更好。

（4）超聲振動的引入將無超聲插切加工中的連續(xù)切削變?yōu)榈毒邔Ψ涓C芯材料有高頻沖擊作用的斷續(xù)切削，減小了切削力，提高了插切質量。