超聲振動輔助加工
/ 2021/7/3 12:12:07
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對于陶瓷基復(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)無法解決材料的加工問題，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。超聲振動輔助加工將傳統(tǒng)切削與超聲振動結(jié)合起來，在刀具或工件上施加一個微振幅的高頻振動。在加工過程中，振動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。對于基體為塑性的復(fù)合材料，微振幅、高頻率的振動增加了刀具的切削路徑，進(jìn)而提高了材料的去除率；對于基體為脆性的復(fù)合材料，超聲振動改變了材料的去除機理，材料去除方式由切削刃或磨粒滑擦去除變?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，相對于傳統(tǒng)鉆削加工，超聲振動鉆削能夠降低切削力達(dá)50%，提高材料去除率達(dá)10%。 國內(nèi)外學(xué)者采用超聲振動加工方法對陶瓷基復(fù)合材料的加工做了大量的試驗研究。Kai Ding等人使用燒結(jié)金剛石套料鉆對C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行鉆削試驗，結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)加工，超聲振動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不同工藝下制作而成的C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動鉆孔加工，結(jié)果表明，超聲振動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)和超聲振動加工的方法針對C/C、C/SiC等難加工復(fù)合材料做了大量的銑削試驗研究。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的實驗結(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刀具價格昂貴，但是從加工總量方面來說，PCD刀具具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。 針對復(fù)合材料鉆孔等需求，在縱扭復(fù)合超聲振動加工方面開展了一系列研究，研制了相應(yīng)的機床附件化的超聲振動加工裝置，該裝置具有扭轉(zhuǎn)分量大、加工效果好等優(yōu)點，相比于普通一維縱向振動，縱扭復(fù)合超聲振動在復(fù)合材料鉆孔中可保證孔的良好完整性；同時，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)合材料在超聲振動加工系統(tǒng)下的材料去除機理，建立了材料去除模型及切削力模型，并設(shè)計一組針對該類復(fù)合材料的錐形銑磨刀具，通過實驗驗證了模型的正確性，為實際加工提供了有效的理論指導(dǎo)。與傳統(tǒng)切削加工方式對比，超聲振動加工可有效降低刀具成本，提升加工質(zhì)量，實現(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，對于復(fù)合材料加工，尤其是陶瓷基復(fù)合材料的加工，還沒有很好的解決方案。解決復(fù)材加工問題，實現(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理及技術(shù)方面問題。隨著復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用研究越來越多，更多新工具和新方法將應(yīng)用在復(fù)合材料加工上。
