复合材料超声辅助螺旋铣削试验研究

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1、试验研究高航1，孙超1，王焱2(1．大连理工大学机械工程学院，大连116023；2．中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024)[摘要】采用螺旋铣削与超声振动复合加工工艺针对碳纤维树脂基复合材料进行制孔加工试验。分析了超声辅助螺旋铣削制孔加工原理；以相同加工效率开展了制孔试验，分析了制孔过程中的切削力及孔的加工质量；阐述了加工参数对切削力、切屑形式和制孔质量的影响。研究结果表明：超声辅助螺旋铣削复合加工方法可以用于碳纤维复合材料加工，且增加超声振动幅值、降低刀具每齿材料去除量可有效减少孔出口处的毛刺、撕裂等加工缺陷。关键词：复合材料；螺旋铣削；超声振动；钻孔DoI：10．16080

2、巧．issnl671-833x．2016．03．016高航大连理工大学机械工程学院教授．博士生导师。现代制造技术研究所副所长、精密与特种加工教育部重点实验室副主任，兼任中国机械工程学会中国生产工程分会常务理事．中国生产工程分会光整技术专业委员会主任委员，国际磨粒加工技术学会常务委员、国际磨粒加工技术期刊(InternationalJournalofAbrasiveTechnology)远东地区主编。+国家技术研究发展计划863课题(2013AA040103)资助。16航空制造技术·2016年第3期碳纤维复合材料以其轻质、比模量高、比强度大、抗疲劳、耐腐蚀等优点，在航空航天材料领域得到广泛

3、应用。复合材料构件需要加工大量的连接孑L，由于传统的钻削加工中存在切削力大、表面质量难以控制等缺点[1-2]已不能满足连接孑L高质、高效的加工要求。作为新兴的加工工艺方法，螺旋铣削制孑L工艺与超声振动辅助加工方法则弥补了传统刀具的不足，在难加工材料加工中得到了成功应用[3--4],有效降低了切削加工过程中的切削力，改善了制孔加工过程中产生的分层、撕裂、毛刺等加工缺陷【5刊，在难加工材料加工技术领域成为重要研究方向。国内外很多学者分别针对螺旋铣削与超声振动辅助制孔进行了研究。但还没有将超声振动辅助加工与螺旋铣削加工过程相结合的加工技术报道。本文首次结合螺旋铣削加工与超声振动辅助加工两种加工

4、工艺的优点，通过理论与试验研究，分析了超声振动辅助螺旋铣削加工原理，分析了加工参数对切削力、切屑及制孔质量的影响规律。该方法为碳纤维复合材料制孔加工提供了一种新的加工途径。超声辅助螺旋铣削原理超声振动辅助螺旋铣削过程为在原有螺旋铣削制孔加工时，在刀具轴向施加高频的超声振动，通过超声与螺旋铣削的复合作用改变材料的去除机理，实现高质、高效加工。超声辅助螺旋铣削制孔加工过程由刀具轴向的进给运动、垂直于轴线的平面内切向进给运动和高频超声振动3种切削运动复合而成。其材料去除过程为控制刀具几何中心偏离加工孔的中心，以一定的公转转速绕孑L轴线作旋转运动，同时以一定的进给速率沿刀具轴线方向运动，以铣削加

5、工实现材料的去除，如图1所示。超声振动辅助螺旋铣削制孔过程中主要加工参数包括刀具直径D卅、偏心距离厶刀具自转转速玎：、刀具公转转速为疗。、刀具轴向进给螺距为口。、超声振动频率，和超声振动振幅A。加工过程中，材料去除以主切削刃对孔壁材料去除和副切削刃对孔底材料去除两种形式为主。在沿刀具轴线方向上，轴向进给速度主要对加工效率与切削轴向力有影响。轴向进给速度五与刀具运动参数的关系为【7】：五=％·吩。(1)刀具每转单齿切削厚度厶与刀具运动参数的关系为：厶=÷。卺。当对刀具施加超声振动时，刀具与工件之间存在分离运动状态，刀具在单周期内的切削过程中只有一段有效切削时间。刀具切削刃端部单周期内轴向运

6、动如图2所示，假设超声振动符合正弦运动规律，其中A为切削刃切入工件的最大单齿切削厚度，△f为单周期内切削刃有效切削时间。图2中红色部分为刀具切削刃在一个振动周期内的实际切削区域。在垂直于刀具轴线的平面内，当刀具每旋转一转时，刀具主切削刃的材料去除量如图3中的绿色区域面积所示。通过计算，刀具每转单齿去除材料量为：，'一ns：=等·珑咿÷。(3)‘--￡由公式(3)可知，螺旋铣削过程中刀具在垂直于轴线平面内，刀具每转单齿去除材料量与刀具公转速度和自转速度的比值近似成正比。该去除材料的量与加工效率无关，而对加工后孔的质量和刀具磨损产生很大的影响，切削量越大，刀具的磨损越严重。因此在加工试验中应

7、尽量减少刀具公转速度与自转速度的比值。超声辅助螺旋铣削加工时，材料的去除是刀具切削刃的铣削和超声图1超声振动辅助螺旋铣削制孔加工示意图Schematicdiagramofdrillingprocessbyultrasonicvibrationassistedhelicalmilling图2刀具切削刃轴向运动示意图Fig．2Schematicdiagramofaxialmovementoftoolcuringedge图3刀具每转材料去