超聲振動(dòng)銑削碳纖維復(fù)合材料銑削力及實(shí)驗(yàn)研究

鄭春龍

（意大利倍珞蒂機(jī)床上海分公司，上海 201906）

超聲波具有極高的能量，超聲振動(dòng)就是由超聲波發(fā)生器定向發(fā)送特定頻率的超聲波，在換能器的作用下，將蘊(yùn)含能量的高頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到加工目的?，F(xiàn)階段，超聲振動(dòng)加工已經(jīng)在工業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域有著較為成熟度運(yùn)用。碳纖維復(fù)合材料的加工一直是限制該材料推廣應(yīng)用的重要因素，將超聲振動(dòng)銑削技術(shù)應(yīng)用到碳纖維復(fù)合材料的加工中，將有助于實(shí)現(xiàn)加工效率、加工質(zhì)量的同步提升。在這一背景下，探究影響超聲振動(dòng)銑削力的因素，進(jìn)而優(yōu)化銑削加工方案成為一項(xiàng)熱門(mén)研究課題。

1.超聲振動(dòng)銑削碳纖維復(fù)合材料銑削力的力學(xué)模型

基于超聲振動(dòng)原理的碳纖維復(fù)合材料銑削，刀具和工件在一個(gè)切削周期內(nèi)完成一次切、離動(dòng)作，周而復(fù)始。在時(shí)切時(shí)離的過(guò)程中，將切削力轉(zhuǎn)化為脈沖波形。刀具與工件接觸、摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，隨著脈沖連續(xù)放出，整個(gè)切削長(zhǎng)度被均勻分割成若干小段，每一個(gè)小段即為一次瞬時(shí)高速切削。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械切削，超聲振動(dòng)切削不僅效力更高，而且工件不容易出現(xiàn)分層、裂縫，刀具不容易發(fā)生磨損[1]。

2.超聲振動(dòng)銑削碳纖維復(fù)合材料銑削力的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇一臺(tái)立式數(shù)控銑床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工作臺(tái)尺寸600mm×400mm，自帶直徑為12mm的PCD銑刀，銑削方式為順銑。另外還配備了超聲波發(fā)生器、三向測(cè)試儀等儀器。工件材料選擇厚度為5mm的碳纖維復(fù)合材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)組裝實(shí)驗(yàn)裝置，在工作臺(tái)上水平放置三向測(cè)力儀。將該儀器與電荷放大器連接，測(cè)得數(shù)據(jù)僅放大后收集到數(shù)據(jù)采集裝置中，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在三向測(cè)力儀上方，分別放置三維超聲工裝和碳纖維復(fù)合材料工件。調(diào)節(jié)變幅桿，使銑刀下壓，正好對(duì)準(zhǔn)工件的銑削點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)備完畢后，分別使用普通銑削，二維、三維超聲振動(dòng)銑削等方式，對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，探究不同加工方式對(duì)同一類(lèi)工件銑削力的影響，以及同一類(lèi)工件選擇不同銑削參數(shù)下銑削力的變化。實(shí)驗(yàn)操作中，將超聲波發(fā)生器電源全部關(guān)閉，即可進(jìn)行普通銑削；關(guān)閉一個(gè)電源，可進(jìn)行二維超聲振動(dòng)銑削；電源全部打開(kāi)，則進(jìn)行三維超聲振動(dòng)銑削[2]。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 銑削速度對(duì)銑削力的影響

銑削速度即刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，是影響銑削力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。普通銑削、二維及三維超聲振動(dòng)銑削方式下，不同切削速度與銑削力的關(guān)系如表1所示。

表1 3種銑削方式下不同銑削速度對(duì)銑削力的影響

根據(jù)表1可知，同一切削速度下，3種加工方式銑削力的值從大到小依次是普通銑削、二維超聲振動(dòng)銑削、三維超聲振動(dòng)銑削。以切削速度為100m/min為例，普通銑削X軸的銑削力為30.3N，二維超聲振動(dòng)銑削X軸的銑削力為19.3N，三維超聲振動(dòng)銑削X軸的銑削力為15.1N。另外可以發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)銑削的銑削力，要明顯低于普通銑削；而二維和三維模式下的超聲振動(dòng)銑削，銑削力雖然有差距，但是并不明顯。

在同一銑削模式下，隨著切削速度的增加，銑削力呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。以三維超聲振動(dòng)銑削為例，在X軸上，當(dāng)切削速度為75m/min時(shí)，銑削力為16.7N；增加切削速度，當(dāng)達(dá)到100m/min時(shí)，X軸銑削力降低為15.8N；繼續(xù)增加至150m/min，X軸銑削力降低為15.1N。分析認(rèn)為，隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加，工件表面破碎率也隨之上升。這種情況下刀具與工件之間摩擦面積有一定程度的減少，摩擦力降低后，導(dǎo)致切削力降低。

2.3.2 進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響

每齒進(jìn)給量也是決定銑削力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)調(diào)整進(jìn)給量，測(cè)得3種銑削方式下銑削力的變化情況，其結(jié)果如表2所示。

表2 沒(méi)齒進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響

結(jié)合表2可知，同一種加工方式下，隨著進(jìn)給量的增加，銑削力也隨之變大。以二維超聲振動(dòng)銑削為例，在進(jìn)給量為0.004mm/z時(shí)，X軸上的銑削力為22.4N；隨著進(jìn)給量的增加，達(dá)到0.006mm/z時(shí)，X軸上的銑削力增加至25.1N；進(jìn)給量為0.008mm/z時(shí)，銑削力為27.7N。普通銑削和三維超聲振動(dòng)銑削也遵循這一規(guī)律。另外對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)給量相同的情況下，三維超聲振動(dòng)銑削的銑削力要明顯低于另外2種加工模式。以進(jìn)給量為0.008mm/z為例，三維超聲振動(dòng)的X軸銑削力僅為13.5N，而普通銑削為36.1N，二維超聲振動(dòng)銑削為27.7N[3]。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在碳纖維復(fù)合材料加工中，選擇超聲振動(dòng)銑削，刀具所受銑削力要明顯低于普通銑削。在超聲振動(dòng)銑削中，三維銑削的銑削力低于二維銑削。另外，切削速度和進(jìn)給量是影響銑削力的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，切削速度與銑削力呈反比，進(jìn)給量與切削力呈正比。因此，在碳纖維復(fù)合材料的加工中，優(yōu)先考慮使用三維超聲振動(dòng)銑削，并適當(dāng)增大切削速度，嚴(yán)格控制進(jìn)給量，可以使銑削力保持在較小狀態(tài)，有利于避免工件出現(xiàn)缺陷，達(dá)到減弱刀具磨損的效果。