縱扭復(fù)合超聲振動切割鋁蜂窩芯表面質(zhì)量研究

張杰，徐英帥，陳肖陽，左揚遠(yuǎn)，李想，寧馨怡

(東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

0 前言

由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有低密度、高比強度、高比模量、低膨脹系數(shù)以及變形吸收沖擊和能量等優(yōu)良特性，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用尤為突出[1]。如圖1所示，鋁蜂窩芯通常與鋁板或復(fù)合材料面板結(jié)合形成夾層結(jié)構(gòu)，但由于其胞狀薄壁結(jié)構(gòu)的特點，使得其在加工過程中往往伴隨著變形、毛刺等缺陷[2]。為此，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究。QIU等[3]提出預(yù)測切削力模型模擬蜂窩機加工切削力的時變過程，發(fā)現(xiàn)切削寬度對蜂窩壁的切削力和加工質(zhì)量影響顯著，且切削力隨切削寬度的增大呈線性增加，切削毛刺和過切缺陷也隨之增多。王路平等[4]利用冰固持鋁蜂窩，發(fā)現(xiàn)隨著冰固持高度的上升，蜂窩壁反而變得不易變形。SUN等[5]通過研究得出當(dāng)?shù)毒叩那芯€與細(xì)胞壁近似平行的時候，切割力會突然增大，而使用超聲加工，會使得蜂窩壁變形小，減少毛刺的產(chǎn)生。

圖1 鋁蜂窩復(fù)合材料

超聲振動加工作為近年來一種發(fā)展較為迅速的先進加工方法，在很多工業(yè)領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用[6]。在鋁蜂窩的加工中，超聲切削加工相對于傳統(tǒng)切削加工，有著切削力小、加工精度高、減少材料浪費等優(yōu)點，同時在一定程度上可以改善鋁蜂窩在加工過程中產(chǎn)生的變形、毛刺等缺陷問題。

本文作者針對鋁蜂窩加工時產(chǎn)生的缺陷問題，設(shè)計一套縱扭復(fù)合超聲振動切削系統(tǒng)，將其作用在鉆銑機床上，并用材料型號為鋁合金3003(Al3003)的鋁蜂窩作為實驗對象，探究鋁蜂窩在不同主軸轉(zhuǎn)速、不同超聲振幅下的表面形貌和切削缺陷數(shù)目變化，同時對不同振幅下刀具的磨損程度進行了對比。

1 理論分析

1.1 縱扭復(fù)合超聲振動原理

縱扭復(fù)合超聲振動作為超聲振動的一種振動方式，其工作原理是通過外加超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲頻的電振蕩信號，通過振子轉(zhuǎn)化成周期性的高頻簡諧振動作用于刀具上[7]。本文作者通過在超聲變幅桿上加斜槽的方式實現(xiàn)縱扭復(fù)合超聲振動。超聲波換能器產(chǎn)生的縱向振動經(jīng)過超聲變幅桿上的斜槽時會產(chǎn)生一個切向的分量，并作用在刀具上，使得刀具在繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時存在著軸向振動和圍繞刀具旋轉(zhuǎn)方向的切向振動。刀具上與進給方向垂直線段上點的振動形式如圖2所示，可以看出在此位置上的點同時存在沿著刀桿方向的軸向振動和沿著工件進給方向的徑向振動。由于縱向振動和切向振動是由相同的激勵產(chǎn)生的，因此它們具有相同的超聲振動頻率[8]?？紤]到縱向與切向振動之間的相位差，刀具上任意一點的運動軌跡是空間上的橢圓曲線，如圖3所示。

圖2 縱扭復(fù)合超聲振動示意

圖3 刀具上任意一點運動軌跡

和刀具與工件不間斷接觸的傳統(tǒng)加工方式相比，縱扭復(fù)合超聲振動加工方式產(chǎn)生的高頻振動使得刀具與工件不斷進行周期性的分離-接觸，這種加工方式能夠有效抑制鋁蜂窩芯加工中產(chǎn)生毛刺的進一步擴大，減輕工件與刀具間的摩擦，減少刀具磨損。同時，被加工材料經(jīng)刀具不斷沖擊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，強度得到降低，也有效降低了切削力。

1.2 有限元仿真分析

為了研究切削過程中的現(xiàn)象和因切削條件不同產(chǎn)生的影響，首先利用有限元模型進行驗證。建立鋁蜂窩芯的三維模型，并將其導(dǎo)入到有限元仿真軟件中，把鋁蜂窩芯看作由多個邊長為3 mm、高度為40 mm、壁厚為0.04 mm的正六邊形單元整合而成。同時考慮實際的鋁蜂窩芯中存在著單壁和雙壁，因此模型中單壁的厚度為0.04 mm，雙壁的厚度為0.08 mm。文中鋁蜂窩芯的材料是3003鋁合金(Al3003)。3003鋁合金是Al-Mn系合金，應(yīng)用較為廣泛，其化學(xué)成分如表1所示。刀具的材料是高速鋼。刀具的剛度遠(yuǎn)大于鋁蜂窩芯材料，因此可以簡化為剛體。

表1 Al3003化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

仿真后的表面形貌如圖4所示。圖4中A代表超聲振幅，當(dāng)A=0時代表不加超聲振動的切削，當(dāng)A≠0時代表加超聲振動的切削。由圖4中可知：

圖4 仿真結(jié)果

(1)在切割后的表面形貌中，不加超聲振動切削時表面形貌最差，平整度最低。加超聲振動切削后，表面形貌得到了明顯改善。

(2)相比于超聲振動切削，不加超聲振動切削時最大應(yīng)力值達到最大；由圖4(b)(c)可以看出，相同振幅時，主軸轉(zhuǎn)速越高，最大應(yīng)力值越小，即刀具對工件沖擊作用越??；由圖4(c)(d)可以看出，相同主軸轉(zhuǎn)速，振幅越大，最大應(yīng)力值越大，即刀具對工件沖擊作用越大。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗裝置

實驗在鉆銑機床上進行，超聲振動切削系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、振子(包括超聲波換能器、超聲變幅桿)、圓盤刀桿、圓盤刀。超聲波發(fā)生頻率為18 kHz。因鋁蜂窩芯的特殊結(jié)構(gòu)，其采用石蠟固定。實驗裝置如圖5所示。

2.2 實驗條件

根據(jù)實驗需求，選用材料型號為3003鋁合金的鋁蜂窩芯作為實驗對象，其實驗參數(shù)如表2所示。實驗切削深度設(shè)為1.5 mm。實驗完成后，在L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡和XDS-10A高清視頻顯微鏡下觀察切割后的蜂窩芯表面形貌和刀具磨損狀況。

表2 實驗工藝參數(shù)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 表面形貌分析

將切割后的鋁蜂窩芯放到L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡下觀察其表面。以主軸轉(zhuǎn)速n=2 700 r/min為例，在顯微鏡下拍攝不同振幅下的單層壁、雙層壁以及節(jié)點處的表面形貌如圖6所示。

圖6 不同超聲振幅下的表面形貌

從圖6可以看出，經(jīng)過超聲振動切削后的表面形貌和普通切削后的表面形貌有明顯的差異。不加超聲振動切削時，加工后形成的紋路較為雜亂，加工表面容易產(chǎn)生表面剝落現(xiàn)象，且單層壁側(cè)面出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，雙層壁表面產(chǎn)生了縱向裂紋，節(jié)點位置的胞壁發(fā)生了分離現(xiàn)象。而當(dāng)施加了超聲振動后，表面形成的加工紋路比較規(guī)則，加工表面剝落和裂紋現(xiàn)象也得到了明顯改善，前后壁寬也比較均勻一致。當(dāng)施加的超聲振幅達到1.9 μm時，此時加工的單層壁表面呈現(xiàn)間距比較均勻且有一定深度的溝槽。隨著超聲振幅的增大，加工表面的溝槽深度明顯降低。主要是因為超聲振動加載在刀具上，對加工后的表面起到反復(fù)熨壓的作用。同時溝槽之間的距離縮短，表面粗糙度明顯降低，均勻一致性也變得更好。當(dāng)不加超聲振動切削節(jié)點位置時，加工表面易發(fā)生胞壁分離現(xiàn)象。其原因是：鋁蜂窩芯中每個芯格之間是由膠黏劑粘連在一起的，粘連力的主要來源是黏接體系的分子作用力，即范德華力和氫鍵力。當(dāng)切削力大于黏合劑分子之間的作用力時就會發(fā)生粘接破壞，致使雙壁之間產(chǎn)生分離。而當(dāng)施加了超聲振動之后，胞壁分離現(xiàn)象得到明顯改善。但當(dāng)施加的振幅達到7.2 μm時，此時的節(jié)點位置又出現(xiàn)了胞壁分離現(xiàn)象，且多發(fā)生在與進給方向互相垂直的胞壁上。究其原因之一有：施加的超聲振動會產(chǎn)生交變應(yīng)力作用在工件上，當(dāng)超聲振幅增大時，與工件接觸時的沖擊作用增大，瞬時切應(yīng)力增大。接頭上的膠黏劑因交變應(yīng)力而逐漸疲勞，在遠(yuǎn)低于靜應(yīng)力值的條件下破壞。這與前文仿真部分得出的振幅越大、最大應(yīng)力值越大，即刀具對工件沖擊作用越大的結(jié)論相吻合。

研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動切削可以明顯改善加工表面的形貌。隨著超聲振幅的增大，加工表面的粗糙度明顯降低，且均勻一致性也更好，但當(dāng)振幅增大到一定程度時，由于振幅增大導(dǎo)致的瞬時沖擊作用增大會破壞膠黏劑之間的分子作用力，致使胞壁產(chǎn)生分離現(xiàn)象，會破壞鋁蜂窩芯的穩(wěn)定性。綜上所述，在實驗的幾種超聲振幅中，當(dāng)施加的超聲振幅為3.2 μm時，不僅可以獲得較好的加工表面，而且不影響鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。后續(xù)實驗將優(yōu)選超聲振幅為3.2 μm進行實驗。

圖7所示為超聲振幅為3.2 μm時，鋁蜂窩芯在不同主軸轉(zhuǎn)速下切削后的表面形貌?？梢钥闯?，當(dāng)施加的主軸轉(zhuǎn)速較低時，切削后的單層壁和雙層壁的表面均存在剝落現(xiàn)象，節(jié)點處的胞壁容易發(fā)生分離現(xiàn)象，且胞壁易產(chǎn)生變形。而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，胞壁分離現(xiàn)象和胞壁撕裂現(xiàn)象得到明顯的改善，胞壁也不易產(chǎn)生變形。這主要是因為主軸轉(zhuǎn)速越大，刀具對胞壁的沖擊作用越小，瞬時切應(yīng)力也變得越小。這一解釋也在前文仿真部分得到驗證。

圖7 不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌

值得注意的是，經(jīng)過切削后的蜂窩壁表面寬度與原寬度相比，明顯增大。根據(jù)這一現(xiàn)象，作者對不同工藝參數(shù)下切割后的表面進行多次測量并取平均值，得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 胞壁寬度隨超聲振幅(a)和主軸轉(zhuǎn)速(b)的變化規(guī)律

由圖8(a)可以看出：隨著超聲振幅的增大，單層壁和雙層壁胞壁的表面寬度上都是先上升，再輕微下降，最后再上升，整體來說呈上升趨勢。而圖8(b)中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化，胞壁的表面寬度變化并不明顯。這是因為縱扭復(fù)合超聲振動對加工表面存在往復(fù)的熨壓作用[9]，振幅越大切削面受到的擠壓程度越大，而與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系影響不大。SUN等[10]也指出胞壁加寬現(xiàn)象有利于提高夾層結(jié)構(gòu)的強度。所以，在合理的范圍內(nèi)，適當(dāng)增大超聲振幅有利于提升蜂窩結(jié)構(gòu)強度。

3.2 切削缺陷分析

在鋁蜂窩芯的傳統(tǒng)切削中，常見的切削缺陷有撕裂毛刺、胞體變形、節(jié)點缺陷、胞壁凹陷、胞壁分離和胞壁裂紋等。撕裂毛刺是最常見的缺陷形式，一般多發(fā)生在蜂窩壁的單層上，值得注意的是，在加工后的蜂窩材料中也可以發(fā)現(xiàn)類似未切割材料部分沿加工表面的加工缺陷和壁的撕裂。未切削材料部分的外觀也是一種加工缺陷[11]。胞體變形程度一般與切削力大小有關(guān)，是由于切削過程中一個方向的力超過了附近節(jié)點處塑性鉸的臨界力，導(dǎo)致節(jié)點的變形。胞壁裂紋缺陷多產(chǎn)生于立體銑刀的切削中，由刀頭在切削過程中產(chǎn)生，是比較常見的加工缺陷，而文中采用的是圓盤刀切削，胞壁裂紋產(chǎn)生次數(shù)較少，不是常見缺陷。胞壁凹陷是由于刀尖引起蜂窩芯胞壁塑性變形后，由于大部分切削能量被吸收，因此沒有產(chǎn)生毛刺或裂紋，而是導(dǎo)致細(xì)胞壁的凹陷。胞壁分離一般與切削力大小和振幅大小有關(guān)。圖9中列舉了此次試驗中常見的4種缺陷，主要包括撕裂毛刺、胞壁凹陷、胞體變形和節(jié)點缺陷。另外，統(tǒng)計了不同工藝參數(shù)下相同面積、不同缺陷的數(shù)量如圖10所示。

圖9 常見切削缺陷

圖10(a)所示的是在相同主軸轉(zhuǎn)速、不同超聲振幅下的幾種切削缺陷數(shù)量，可以看出：與普通切削相比，超聲振動切削能夠明顯減少撕裂毛刺、胞體變形、胞壁凹陷和節(jié)點缺陷的數(shù)目，其中撕裂毛刺受超聲振動加工影響改變最為明顯。隨著超聲振幅的增大，撕裂毛刺、胞體變形、胞壁凹陷缺陷數(shù)也逐漸減少。而節(jié)點缺陷數(shù)目隨著超聲振幅的增大表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，在超聲振幅為3.1 μm時數(shù)量最少?？傮w來說，超聲振幅越大，越有利于切削缺陷數(shù)量的減少。圖10(b)所示的是在相同超聲振幅、不同主軸轉(zhuǎn)速下的幾種切削缺陷數(shù)量?？梢钥闯觯喊w變形缺陷數(shù)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增大呈降低的趨勢；撕裂毛刺缺陷的數(shù)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增大，先逐漸減少，在主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時達到最少，然后又有增大的趨勢；而節(jié)點缺陷和胞壁凹陷數(shù)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增大，缺陷數(shù)量起伏不定，說明節(jié)點缺陷和胞壁凹陷受主軸轉(zhuǎn)速影響不大。但值得注意的是，在主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，缺陷總數(shù)目達到了最低。說明存在一個最佳主軸轉(zhuǎn)速在1 350～2 700 r/min之間，可以使缺陷的總數(shù)目達到最少。

3.3 刀具磨損

為了探究縱扭復(fù)合超聲振動對刀具磨損產(chǎn)生的影響，將不同超聲振幅加工切削條件下采用的不同圓盤刀片放到L100/100BD工業(yè)檢測顯微鏡下并觀察其磨損狀況，如圖11所示。

可以看出，刀具在不加超聲振動切削時，其表面磨損情況最為嚴(yán)重，表面坑洼現(xiàn)象也比較嚴(yán)重，而且在刀尖部位出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象，這對于工件表面加工是不利的，容易產(chǎn)生各種加工缺陷，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量的惡化。而施加了超聲振動之后，刀具的表面形貌得到了明顯改善。隨著超聲振幅的增加，表面坑洼現(xiàn)象明顯減少，表面也更加光滑，平整度更高。這主要是由于在超聲振動切削過程中，刀具與工件接觸-分離更加頻繁，減輕了刀具與工件之間的摩擦，也有利于刀具的散熱，進一步影響了產(chǎn)生刀具磨損的因素[12]，降低了刀具磨損程度。

4 結(jié)論

通過對鋁蜂窩芯分別進行普通切削和縱扭復(fù)合超聲振動切削實驗，探究了材料切割后的表面形貌，分析了切削缺陷以及刀具磨損狀況，得出結(jié)論如下：

(1)相比于普通切削，縱扭復(fù)合超聲振動切削能獲得更好的表面形貌，且在相同主軸轉(zhuǎn)速下，超聲振幅增大，表面的粗糙度明顯降低，均勻一致性也變得更好。但過高的超聲振幅會出現(xiàn)胞壁分離現(xiàn)象；在相同超聲振幅下，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大時，胞壁分離現(xiàn)象和胞壁撕裂現(xiàn)象得到了明顯的改善，胞壁也不易發(fā)生變形。

(2)縱扭復(fù)合超聲振動能夠有效抑制切削缺陷的形成。研究發(fā)現(xiàn)，在相同主軸轉(zhuǎn)速下，隨著超聲振幅的增加，撕裂毛刺、胞體變形、胞壁凹陷缺陷數(shù)也逐漸減少，而節(jié)點缺陷受超聲振幅影響不明顯?？傮w來說，超聲振幅越大，越有利于毛刺數(shù)量的減少；在相同超聲振幅下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，胞體變形缺陷數(shù)隨之減少，而撕裂毛刺、節(jié)點缺陷、胞壁凹陷數(shù)受主軸轉(zhuǎn)速影響不明顯，但存在最佳主軸轉(zhuǎn)速在1 350～2 700 r/min之間，使得缺陷總數(shù)目達到最少。

(3)對比普通切削和不同超聲振幅振動切削下的刀具表面形貌，發(fā)現(xiàn)普通切削的刀具磨損更為嚴(yán)重。在超聲振動切削中，隨著超聲振幅增大，刀具表面磨損狀況減少，平整度更好，有利于增加刀具的工作壽命，減少成本。