超聲振動(dòng)輔助加工
/ 2021/7/3 12:12:07
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對于陶瓷基復合材料和一些高體積分數的高硬度顆粒增強型金屬基復合材料，由于其具有超高的硬度和耐磨性，改變刀具的材料和結構已經(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)輔助加工將傳統切削與超聲振動(dòng)結合起來(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。對于基體為塑性的復合材料，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；對于基體為脆性的復合材料，超聲振動(dòng)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)榇嘈员浪槿コ蟠蠼档土饲邢髁ΑＱ芯匡@示，在鉆削某CMC材料時(shí)，相對于傳統鉆削加工，超聲振動(dòng)鉆削能夠降低切削力達50%，提高材料去除率達10%。 國內外學(xué)者采用超聲振動(dòng)加工方法對陶瓷基復合材料的加工做了大量的試驗研究。Kai Ding等人使用燒結金剛石套料鉆對C/SiC陶瓷基復合材料進(jìn)行鉆削試驗，結果表明，相對于傳統加工，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復合材料進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆孔加工，結果表明，超聲振動(dòng)加工均提高了材料去除率，具有良好的適應性，可以有效地鉆削C/SiC復合材料。 北京航空航天大學(xué)復合材料高效加工課題組采用傳統和超聲振動(dòng)加工的方法針對C/C、C/SiC等難加工復合材料做了大量的銑削試驗研究。在傳統加工方面，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）和不同結構（蜂窩結構、人字形結構、小螺旋角等）的刀具加工陶瓷基復合材料的性能。傳統方法銑削C/SiC的實(shí)驗結果表明，PCD刀具的壽命要遠遠高于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)濟價(jià)值。 針對復合材料鉆孔等需求，在縱扭復合超聲振動(dòng)加工方面開(kāi)展了一系列研究，研制了相應的機床附件化的超聲振動(dòng)加工裝置，該裝置具有扭轉分量大、加工效果好等優(yōu)點(diǎn)，相比于普通一維縱向振動(dòng)，縱扭復合超聲振動(dòng)在復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復合材料在超聲振動(dòng)加工系統下的材料去除機理，建立了材料去除模型及切削力模型，并設計一組針對該類(lèi)復合材料的錐形銑磨刀具，通過(guò)實(shí)驗驗證了模型的正確性，為實(shí)際加工提供了有效的理論指導。與傳統切削加工方式對比，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)現材料的高效低損傷加工。 復合材料的加工與金屬加工有很大的不同，其非均一性、各向異性的特性導致加工中容易出現分層、纖維拔出等缺陷。目前，對于復合材料加工，尤其是陶瓷基復合材料的加工，還沒(méi)有很好的解決方案。解決復材加工問(wèn)題，實(shí)現復合材料的高效低損傷加工，要從刀具選材、刀具結構改良、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(dòng)加工在復合材料加工方面表現出良好的加工性能，能顯著(zhù)降低切削力，減少加工缺陷，提高表面質(zhì)量，但還存在著(zhù)許多亟待解決的機理及技術(shù)方面問(wèn)題。隨著(zhù)復合材料的應用越來(lái)越廣泛，應用研究越來(lái)越多，更多新工具和新方法將應用在復合材料加工上。
