匕首刀超聲切削Nomex蜂窩芯復(fù)合材料切削力預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

袁信滿 曹文軍 張 桂 王貴鑫 周 進(jìn) 唐正明

(①成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都610092； ②西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500)

相較于傳統(tǒng)材料，Nomex蜂窩芯復(fù)合材料以其質(zhì)輕、密度小以及剛性大等優(yōu)秀的物理性能，成為船舶、航空和航天等領(lǐng)域不可或缺的高性價(jià)比材料[1-2]。傳統(tǒng)切削加工中，蜂窩芯復(fù)合材料的多孔薄壁結(jié)構(gòu)和特殊的各向異性力學(xué)性能使其在加工過(guò)程中出現(xiàn)諸多缺陷，存在蜂窩孔格變形、纖維拔出和刀具急劇磨損等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品構(gòu)件的使用性能，可加工性差成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

近年來(lái)，以“切割”為核心的超聲切削加工技術(shù)被用于蜂窩芯復(fù)合材料的加工中，通過(guò)在刀具上施加超聲振動(dòng)，形成與傳統(tǒng)切削不同的高頻碰撞使刀具更有效的打開(kāi)材料分子結(jié)構(gòu)[3-4]，以實(shí)現(xiàn)切削力小、精度高及無(wú)污染的加工形式，克服了傳統(tǒng)切削中存在的諸多問(wèn)題。

切削力是評(píng)價(jià)產(chǎn)品二次加工過(guò)程的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Nomex蜂窩芯切削過(guò)程中的切削力進(jìn)行了大量的研究。Levent Aktaya[5-6]等人從微觀力學(xué)的角度出發(fā)，針對(duì)蜂窩芯復(fù)合材料橫向剛度低的特點(diǎn)，建立了其橫向擠壓仿真模型，為后續(xù)的蜂窩芯復(fù)合材料的力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。徐龍[7]等通過(guò)分析蜂窩芯切削過(guò)程中的壓潰過(guò)程及破壞機(jī)理，針對(duì)性地提出非常規(guī)的逆向加工薄壁蜂窩型面的方法，能有效地改善傳統(tǒng)方法中蜂窩薄邊易脫膠的問(wèn)題。Karakos A[8]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了蜂窩芯材料拉的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，為蜂窩芯復(fù)合材料的切削模型建立奠定了理論基礎(chǔ)。張生芳[9]通過(guò)建立圓盤(pán)刀超聲切削蜂窩芯的有限元模型，分析刀具切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響，當(dāng)?shù)毒吆蠼窃黾訒r(shí)，刀具受到的摩擦阻力減小，切削溫度降低，產(chǎn)品表面質(zhì)量提高。方亮[10]針對(duì)圓盤(pán)刀的刀具結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立銑削蜂窩芯的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，研究刀具在切削力作用下的變形情況與應(yīng)力分布規(guī)律，完成了圓盤(pán)刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在這種圓盤(pán)刀的蜂窩芯超聲銑削中，加工后的蜂窩材料表面光滑無(wú)毛刺。

馬付建[11]將蜂窩芯的傳統(tǒng)切削與超聲切削對(duì)比，超聲加工有突出的加工優(yōu)勢(shì)，能極大的降低切削力。黃秀秀[12]針對(duì)直刃刀具分析蜂窩芯材料超聲振動(dòng)切削時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了極佳的切削加工參數(shù)，提出合理的刀具擺角、刀具前傾角能有效降低切割力的影響，極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量。王毅丹[13-14]在此基礎(chǔ)上從脆性力學(xué)的角度出發(fā)，分析蜂窩芯與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，得出材料在不同振幅情況下，破壞呈連續(xù)和斷續(xù)2種形式，并以實(shí)驗(yàn)證明降低進(jìn)給方向的刀具振幅能有效降低切削力。Ahmad S[15]等通過(guò)一系列單因素和四因素四水平正交試驗(yàn)，研究了超聲波圓鋸片(UCSB)和超聲波圓刀(UCK)刀具的加工參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)切削力和表面質(zhì)量的影響。袁信滿[16]針對(duì)真空吸附夾持的蜂窩芯材料，建立匕首刀切削力理論模型，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析驗(yàn)證了模型的有效性，利用遺傳算法對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改善了加工質(zhì)量。Jiang J[17]等提出了一個(gè)切削力模型預(yù)測(cè)不同刀具入口角度下的銑削力，對(duì)蜂窩壁的加工進(jìn)行有限元模擬，揭示撕裂缺陷的形成機(jī)理。

目前關(guān)于Nomex蜂窩芯切削的研究大多集中于加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響和刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上，加工參數(shù)對(duì)切削力影響規(guī)律方面的研究甚少，缺少切削力預(yù)測(cè)模型。為進(jìn)一步改善蜂窩芯復(fù)合材料加工質(zhì)量，本文以不同切削深度、進(jìn)給速度、刀具前傾角和刀具側(cè)傾角設(shè)計(jì)匕首刀蜂窩芯超聲切削加工實(shí)驗(yàn)，以考察不同切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，從而建立切削力預(yù)測(cè)模型。

1 匕首刀超聲切削蜂窩芯試驗(yàn)特征及分析

匕首刀超聲振動(dòng)切削蜂窩芯零件的過(guò)程中，匕首刀相對(duì)于零件的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)組成：一個(gè)是刀具沿其切削軌跡的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是刀具沿其軸向的超聲振動(dòng)[15]。切削力作為反映切削基本特征的重要參數(shù)，往往與切削深度ap、進(jìn)給速度vf、刀具前傾角α及刀具側(cè)傾角β存在一定非線性關(guān)系。并且在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，切削方向與芯格方向的一致性也在一定程度上影響匕首刀切削力。蜂窩芯復(fù)合材料的成型過(guò)程中存在如圖1所示的兩種粘接方式，當(dāng)切削方向與芯帶方向不一致時(shí)，切削力也會(huì)不同，原因在于蜂窩芯復(fù)合材料制造過(guò)程中的粘接方式會(huì)在一定程度上影響切削力。

蜂窩芯為非均質(zhì)(連續(xù))材料，僅當(dāng)?shù)毒咔邢鞯叫靖癖跁r(shí)才產(chǎn)生切削力，連續(xù)采集切削力時(shí)，以前傾方式切削的匕首刀會(huì)同時(shí)與多個(gè)蜂窩芯芯格產(chǎn)生接觸，某一時(shí)刻采集到的切削力為各芯格所受切削力的合力。

因此，刀具切削時(shí)同時(shí)接觸的芯格壁個(gè)數(shù)會(huì)影響平均切削力的大小。如圖3所示，在不同的切削位置下，單位距離內(nèi)的芯格壁數(shù)量不同，導(dǎo)致切削過(guò)程中匕首刀與芯格壁接觸數(shù)量不同。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需考慮切削位置對(duì)切削力的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用中心復(fù)合響應(yīng)曲面法，以切削深度ap、進(jìn)給速度vf、刀具前傾角α，刀具側(cè)傾角β為自變量，x向、y向、z向的切削力為響應(yīng)值。中心復(fù)合設(shè)計(jì)及響應(yīng)曲面參數(shù)如表1～2所示。

表1 響應(yīng)曲面水平設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

匕首刀超聲切削蜂窩芯實(shí)驗(yàn)在RMT-50機(jī)床上進(jìn)行，超聲振動(dòng)頻率為20 kHz，無(wú)冷卻液切削，實(shí)驗(yàn)材料為某無(wú)人機(jī)所用蜂窩芯復(fù)合材料，相關(guān)信息見(jiàn)表3。

表3 蜂窩芯試驗(yàn)件材料信息

實(shí)驗(yàn)所用刀具為雙刃匕首刀具，刀具結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)圖4。

表2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表

將KISLTER測(cè)力儀吸附于機(jī)床真空平臺(tái)上，用雙面膠帶將蜂窩芯試驗(yàn)件粘貼于測(cè)力儀平臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)前，為保證切削力準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)件修面至50 mm的理論高度，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)件裝夾如圖5所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

每組實(shí)驗(yàn)從左至右(圖6所示)進(jìn)行一次切削，且均沿芯帶方向進(jìn)行，以此規(guī)避不同切削位置對(duì)切削力的影響。每塊試驗(yàn)件進(jìn)行7組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要考察切削深度ap、進(jìn)給速度vf、刀具前傾角α，刀具側(cè)傾角β四因子對(duì)匕首刀切削力Fx、Fy和Fz的影響。切削力的方向定義如圖7所示。每個(gè)試驗(yàn)件采集一份切削力數(shù)據(jù)。

3 切削參數(shù)對(duì)三向切削力影響規(guī)律分析

3.1 切削力的濾波處理

匕首刀在加工過(guò)程中，附加了20 kHz的高頻振動(dòng)，為了消除此影響并排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的其余噪聲干擾，需對(duì)采集的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。考慮到單組實(shí)驗(yàn)中，切割芯格壁時(shí)，將引起沖擊，此時(shí)將引起切削力振動(dòng)，為保留此沖擊振動(dòng)信息，濾波頻率由下式確定：

(1)

式中:l為單組實(shí)驗(yàn)的切削長(zhǎng)度,mm；score為芯格尺寸,mm;Fmax為最大進(jìn)給速度,mm/min。

經(jīng)綜合考慮，最后設(shè)定濾波頻率為50 Hz(低通濾波)，濾波后，單組實(shí)驗(yàn)經(jīng)濾波后的切削力波形如圖8所示。

3.2 切削力的漂移修正

在測(cè)力儀的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有明顯的線性漂移(如圖9)，隨著漂移的累積，將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不可忽略的影響。由于切削力采集設(shè)備的配套軟件不具有漂移修正功能，因此，需從測(cè)量結(jié)果中手動(dòng)濾除漂移值。

(2)

(3)

分別以式(2)、式(3)式來(lái)手動(dòng)進(jìn)行漂移修正。式中：FmT為切削力修正值,N；FmM為切削力測(cè)量值，N；t1、t2為FmM采集的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，s；T1、T2為漂移值的采集時(shí)間點(diǎn)，s；F1、F2為T(mén)1、T2對(duì)應(yīng)的切削力，N；k為漂移的斜率。

修正后，各實(shí)驗(yàn)組的切削力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 漂移修正后的切削力統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

續(xù)表

3.3 三向切削力回歸分析

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Fx、Fy、Fz的回歸分析，

Fx=0.01469β2+0.00011apvf+0.02935apβ-

0.01548αβ-1.01871ap-0.00959vf+

0.157α-0.46944β+10.7032

Fy=-0.00453α2-0.01534apα-0.01966apβ+

0.02068ap-0.0003vf+0.29039α+

0.00777β+0.39666

Fz=0.00426α2+0.01287β2+0.01729apα+

0.03064apβ-0.49368ap+0.00037vf-

0.28025α-0.60841β+7.32957

其中，ap為切深，mm；vf為進(jìn)給速度，mm/min；α為刀具前傾角，(°)；β為刀具側(cè)傾角，(°)。

同時(shí)，對(duì)所建立的模型進(jìn)行方差分析，由于Fx的絕對(duì)值較小(均值約1 N)，測(cè)力儀的測(cè)量誤差導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)相對(duì)于真實(shí)值有較大的相對(duì)誤差，因此，F(xiàn)x的回歸結(jié)果不理想，F(xiàn)x回歸模型P=0.192>0.05、Fx的回歸模型決定系數(shù)調(diào)整R2=0.21，因此Fx切削力模型對(duì)實(shí)際加工參數(shù)選取的指導(dǎo)意義較弱。

Fy和Fz的回歸模型P<0.001，表明Fy和Fz建立的回歸模型極其顯著；Fy的回歸模型決定系數(shù)調(diào)整R2=0.930 6Fz的回歸模型決定系數(shù)調(diào)整R2=0.912 7,表明Fy和Fz的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合程度良好，可以用此模型對(duì)匕首刀超聲切削Nomex蜂窩材料的切削力的分析和預(yù)測(cè)。

進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作等值線圖以更加直接的觀測(cè)進(jìn)給、切深、前傾角、側(cè)傾角與切削力的相互作用關(guān)系。

由圖10～11，隨著進(jìn)給、切深、前傾角、側(cè)傾角的增大，F(xiàn)y切削力均呈增大趨勢(shì)，且曲面的梯度較大，說(shuō)明切削參數(shù)對(duì)Fy向切削力影響顯著，其中切深的影響大于進(jìn)給速度，側(cè)傾角的影響略大于前傾角。

從圖13～14可以看出，隨著4個(gè)切削參數(shù)的增大，F(xiàn)z切削力同樣呈增大趨勢(shì)，且切深的影響明顯大于進(jìn)給速度，側(cè)傾角與前傾角的影響相當(dāng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文通過(guò)匕首刀超聲切削Nomex蜂窩芯實(shí)驗(yàn)，分析在不同切削深度、進(jìn)給速度、刀具前傾角，刀具側(cè)傾角下Fx、Fy、Fz的變化情況，以濾波及漂移修正后的數(shù)據(jù)建立了三向切削力的多元回歸方程。Fy、Fz擬合模型可信度高，可用于預(yù)測(cè)不同切削參數(shù)下的切削力。

(2)匕首刀超聲切削Nomex蜂窩芯時(shí)y向切削力Fy與z向切削力Fz均隨著切削深度、進(jìn)給速度、刀具前傾角，刀具側(cè)傾角的增大而增大。

(3)實(shí)際加工時(shí)，可盡量減小刀具傾角，特別是側(cè)傾角的大小以降低切削力；減小切深和降低進(jìn)給速度同樣可以降低切削力，若要兼顧加工效率，則應(yīng)優(yōu)先提高進(jìn)給速度。