超聲振動(dòng)輔助加工
/ 2021/7/3 12:12:07
次
對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料和一些高體積分?jǐn)?shù)的高硬度顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，由于其具有超高的硬度和耐磨性，改變刀具的材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法解決材料的加工問(wèn)題，這就需要尋找新的加工技術(shù)和方法。 作為特種加工方式之一，超聲振動(dòng)輔助加工在加工硬脆型復(fù)合材料方面取得了很好的效果。超聲振動(dòng)輔助加工將傳統(tǒng)切削與超聲振動(dòng)結(jié)合起來(lái)，在刀具或工件上施加一個(gè)微振幅的高頻振動(dòng)。在加工過(guò)程中，振動(dòng)的存在使刀具和工件產(chǎn)生間歇性的分離，這樣破壞了纖維與基體之間的界面力，降低了材料的加工難度。對(duì)于基體為塑性的復(fù)合材料，微振幅、高頻率的振動(dòng)增加了刀具的切削路徑，進(jìn)而提高了材料的去除率；對(duì)于基體為脆性的復(fù)合材料，超聲振動(dòng)改變了材料的去除機(jī)理，材料去除方式由切削刃或磨?；寥コ?yōu)榇嘈员浪槿コ?，大大降低了切削力。研究顯示，在鉆削某CMC材料時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)鉆削加工，超聲振動(dòng)鉆削能夠降低切削力達(dá)50%，提高材料去除率達(dá)10%。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用超聲振動(dòng)加工方法對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的加工做了大量的試驗(yàn)研究。Kai Ding等人使用燒結(jié)金剛石套料鉆對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)加工，超聲振動(dòng)鉆削加工的鉆削軸向力減小了7.4%~23%，鉆削扭矩減小了8.5%~47.6%，切削力的減小也使得鉆孔的出口撕裂現(xiàn)象得到了改善。H.Hocheng等人使用釬焊金剛石套料鉆對(duì)不同工藝下制作而成的C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆孔加工，結(jié)果表明，超聲振動(dòng)加工均提高了材料去除率，具有良好的適應(yīng)性，可以有效地鉆削C/SiC復(fù)合材料。 北京航空航天大學(xué)復(fù)合材料高效加工課題組采用傳統(tǒng)和超聲振動(dòng)加工的方法針對(duì)C/C、C/SiC等難加工復(fù)合材料做了大量的銑削試驗(yàn)研究。在傳統(tǒng)加工方面，主要探究了不同材質(zhì)（硬質(zhì)合金刀具、CVD金剛石涂層刀具、PCD刀具）和不同結(jié)構(gòu)（蜂窩結(jié)構(gòu)、人字形結(jié)構(gòu)、小螺旋角等）的刀具加工陶瓷基復(fù)合材料的性能。傳統(tǒng)方法銑削C/SiC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCD刀具的壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CVD金剛石涂層以及硬質(zhì)合金刀具的壽命，雖然PCD刀具價(jià)格昂貴，但是從加工總量方面來(lái)說(shuō)，PCD刀具具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 針對(duì)復(fù)合材料鉆孔等需求，在縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工方面開(kāi)展了一系列研究，研制了相應(yīng)的機(jī)床附件化的超聲振動(dòng)加工裝置，該裝置具有扭轉(zhuǎn)分量大、加工效果好等優(yōu)點(diǎn)，相比于普通一維縱向振動(dòng)，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)在復(fù)合材料鉆孔中可保證孔的良好完整性；同時(shí)，在銑削加工中可提供沿進(jìn)給方向的錘擊作用，使得材料更容易去除，有效降低了切削力并提高了材料去除率。 課題組研究C/SiC復(fù)合材料在超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)下的材料去除機(jī)理，建立了材料去除模型及切削力模型，并設(shè)計(jì)一組針對(duì)該類復(fù)合材料的錐形銑磨刀具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性，為實(shí)際加工提供了有效的理論指導(dǎo)。與傳統(tǒng)切削加工方式對(duì)比，超聲振動(dòng)加工可有效降低刀具成本，提升加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)材料的高效低損傷加工。 復(fù)合材料的加工與金屬加工有很大的不同，其非均一性、各向異性的特性導(dǎo)致加工中容易出現(xiàn)分層、纖維拔出等缺陷。目前，對(duì)于復(fù)合材料加工，尤其是陶瓷基復(fù)合材料的加工，還沒(méi)有很好的解決方案。解決復(fù)材加工問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高效低損傷加工，要從刀具選材、刀具結(jié)構(gòu)改良、工具創(chuàng)新、機(jī)理研究、工藝優(yōu)化等方面入手，不斷嘗試新的加工方法和技術(shù)，以尋找更適合的加工手段。超聲振動(dòng)加工在復(fù)合材料加工方面表現(xiàn)出良好的加工性能，能顯著降低切削力，減少加工缺陷，提高表面質(zhì)量，但還存在著許多亟待解決的機(jī)理及技術(shù)方面問(wèn)題。隨著復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，應(yīng)用研究越來(lái)越多，更多新工具和新方法將應(yīng)用在復(fù)合材料加工上。
