超聲插切Nomex蜂窩芯試驗研究*

孫丁一，康仁科，王毅丹，董志剛

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024）

Nomex 蜂窩芯材料以其優(yōu)異的比強度、比剛度特性而廣泛應(yīng)用于飛機地板、襟翼、整流罩和天線罩等關(guān)鍵部位[1-3]，是實現(xiàn)飛機機體結(jié)構(gòu)減重、降噪、透波等功能的重要材料。針對不同的使用需求，蜂窩芯材料需要進行大量的切削加工，以獲得設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀。但Nomex 蜂窩芯材料是一種典型的難加工材料，蜂窩芯材料沿孔格的軸向有高的強度和剛度，但其橫向的可伸縮量大、剛度較低[4-5]，切削加工中蜂窩芯孔格易變形，且芳綸纖維強度高、難以切斷，對切削加工提出了更大的挑戰(zhàn)。

Nomex 蜂窩芯構(gòu)件中，沿孔格軸向的輪廓邊界是常見的典型特征結(jié)構(gòu)，包括蜂窩芯構(gòu)件邊緣輪廓邊界、沉槽與凸臺結(jié)構(gòu)的直線和曲線輪廓邊界，具有數(shù)量多、加工質(zhì)量不易控制的特點，常用的超聲切削與高速銑削加工均難以滿足其加工需求。高速銑削存在切削力大[6]、易產(chǎn)生孔格的變形與撕裂、甚至產(chǎn)生壓潰等問題，影響工件的表面質(zhì)量[7]，且高速銑削過程中刀具磨損嚴重[8]。超聲切削加工Nomex 蜂窩芯技術(shù)以其切削力小、加工質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、環(huán)境友好等特點，越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域[9]。但是，蜂窩芯構(gòu)件沿孔格軸向的直線輪廓邊界的超聲切削，受直刃尖刀長度限制過深的直邊難以一次加工成型；沿孔格軸向的曲線輪廓邊界受直刃尖刀結(jié)構(gòu)限制，加工過程中易產(chǎn)生過切或讓刀現(xiàn)象[10-13]，且數(shù)控加工編程復(fù)雜。

插切加工是Nomex 蜂窩芯構(gòu)件輪廓邊界的一種新型加工方式[14]，加工原理與套料加工類似，使用插切刀具沿設(shè)定工作軌跡插切出包含所需輪廓邊界的一系列圓弧，將多余材料片除后獲得所需輪廓邊界。插切加工輪廓邊界的方法相比傳統(tǒng)高速銑削，能夠有效減少加工缺陷；使用長的插切刀具可以簡便地實現(xiàn)大深度輪廓邊界的加工。但普通的插切加工方式仍存在切削力大、已加工表面不均勻等問題，同時還存在蜂窩芯切屑排屑困難、易堵塞刀具等情況。

硬脆材料的套料加工與Nomex 蜂窩芯材料的插切加工具有相同的刀具運動形式。現(xiàn)有研究表明，硬脆材料的超聲套料加工對比非超聲加工能夠提高加工效率、降低切削力、減少出口位置的加工缺陷[15-17]；弱剛度食品的超聲切割中，刀具的超聲振動減小了食品切割的切削力、提高了切割質(zhì)量[18-20]；但硬脆材料的超聲插切和食品的超聲切割，在切削機理和材料性能方面與Nomex蜂窩芯的插切有較大區(qū)別，其研究結(jié)果并不能完全適用于Nomex 蜂窩材料的插切加工。針對Nomex 蜂窩芯構(gòu)件輪廓邊界常用的加工方法在已加工表面質(zhì)量、切削力等方面存在的問題，本文在插切加工的基礎(chǔ)上提出了一種超聲插切的加工方法，通過在切削刃處產(chǎn)生大振幅軸向超聲振動，將超聲作用施加于切削過程。搭建了超聲插切試驗臺，試驗研究了超聲插切加工中切削力以及插切切口質(zhì)量的影響因素，分析了超聲插切中刀具與工件的相對運動關(guān)系與切削力。

1 試驗設(shè)計與方案

Nomex 蜂窩芯沉槽結(jié)構(gòu)的曲線輪廓邊界是超聲插切加工的典型應(yīng)用場景，具體加工過程如圖1 所示。超聲插切加工中，插切刀具在超聲振動系統(tǒng)的帶動下于切削刃處產(chǎn)生大振幅的軸向超聲振動，與插切刀具的旋轉(zhuǎn)運動、進給運動共同完成蜂窩芯材料的一次超聲插切加工。插切刀具沿設(shè)定工作軌跡循環(huán)進行多次超聲插切加工后，插切出包含所需曲線輪廓邊界的一系列圓弧，將多余材料片除后獲得沉槽結(jié)構(gòu)的曲線輪廓邊界。在每個插切位置的插切加工中，刀具的進給運動為插切刀具自工件上方沿蜂窩芯材料孔格軸向進給，插切至設(shè)定深度后，快速退刀，完成一次插切。

圖1 超聲插切加工曲線輪廓邊界示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic trepanning curve edge

試驗用刀具為自行研制的90mm 長超聲插切刀具，有效插切深度75mm，刀具外徑19mm，刀具結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，外形如圖2（b）所示。超聲插切刀具通過螺紋連接于超聲切削專用刀柄；為避免插切刀具與已加工表面劃擦，損傷已加工表面，將刀具前部設(shè)計為喇叭狀開口，其中，γ=70°、α=2°；刀具內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)用于容納插切加工產(chǎn)生的蜂窩芯切屑。

圖2 超聲插切刀具Fig.2 Ultrasonic trepanning tool

試驗樣件為牌號NH-1-1.83-29 的Nomex 蜂窩芯材料，蜂窩芯密度29kg/m3，孔格邊長1.83mm。樣件大小為60mm×50mm×50mm。

Nomex 蜂窩芯超聲插切試驗在凝華NHM800 型數(shù)控雕銑機上進行，試驗現(xiàn)場加工設(shè)備與測力儀如圖3 所示。其中，A為插切刀具超聲振幅；vf為插切刀具進給速度；n為插切刀具轉(zhuǎn)速。試驗使用本團隊自主研制的超聲振動系統(tǒng)，包括插切刀具、超聲切削專用刀柄與大功率超聲電源。超聲切削專用刀柄用于將超聲電源輸出的15～40kHz 高頻功率電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，并對超聲振幅進行放大；插切刀具安裝于超聲切削專用刀柄前端，加工時刀刃輸出大振幅軸向超聲。工件采用雙面膠粘接的方式固持在夾具中央位置，再將夾具安裝于測力儀上，測量切削過程中的切削力。

圖3 Nomex 蜂窩超聲插切試驗現(xiàn)場Fig.3 Ultrasonic trepanning experiment site of Nomex honeycomb core

為研究插切加工中切削力以及切口質(zhì)量的變化規(guī)律，進行了有無超聲振動下，不同刀具轉(zhuǎn)速和進給速度的插切試驗，為了減小干擾因素的影響，每組試驗進行3 次。試驗中超聲振動頻率f為20.06kHz。設(shè)定的插切深度為40mm。超聲插切試驗參數(shù)見表1。

表1 超聲插切Nomex 蜂窩芯試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of ultrasonic trepanning

本試驗使用基恩士LK-H025 型激光位移傳感器測量刀具振幅，采用Kistler-9119AA2 型測力儀對切削力進行測量，使用基恩士VHX-600E 型超景深顯微鏡對Nomex 蜂窩超聲插切已加工表面質(zhì)量進行觀測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 插切切削力結(jié)果與分析

因X與Y方向切削力較小，可以忽略，Z方向力為主要切削力，對蜂窩芯加工質(zhì)量有直接的影響，故本文僅研究Z方向切削力。圖4 為n=1500r/min、vf=1000 mm/min 時，振幅為20μm 的超聲插切加工與無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工切削力曲線。

圖4 插切切削力曲線Fig.4 Trepanning force curves

插切加工Nomex 蜂窩芯的切削力曲線可以分為3個階段：切入階段、穩(wěn)定切削階段和退刀階段。切入階段，隨插切深度增加，切削力逐漸增大，超聲插切平均切削力對比傳統(tǒng)插切減小31%；穩(wěn)定切削階段，隨插切深度的進一步增加，切削力總體趨勢保持穩(wěn)定，有小幅波動存在，超聲插切平均切削力對比傳統(tǒng)插切減小29%；退刀階段為插切至設(shè)定深度后，快速退刀，切削力迅速減小至0.2N 左右，并保持至退刀完成，此階段切削力較小，有無超聲振動的切削力曲線未觀察到明顯區(qū)別。

進一步選取插切試驗中穩(wěn)定切削階段的平均切削力為研究對象，對不同加工參數(shù)下有無超聲振動的切削力進行對比分析。

不同刀具轉(zhuǎn)速下有無超聲振動的插切切削力曲線如圖5 所示，在進給速度2000mm/min、刀具轉(zhuǎn)速500～1500r/min 時，各加工參數(shù)下，超聲振幅為20μm 的插切加工相對傳統(tǒng)插切加工，切削力均有19%左右的降低，超聲作用顯著；隨著插切刀具轉(zhuǎn)速由500r/min 增加至1500r/min，插切加工的切削速度增加，有無超聲振動的插切加工切削力均減小20%左右。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的插切切削力Fig.5 Comparison of trepanning forces at different spindle speeds

圖6 為不同進給速度下有無超聲振動的插切切削力曲線，超聲振幅為20μm 的插切加工相對傳統(tǒng)插切加工，在刀具轉(zhuǎn)速1500r/min、進給速度1000～3000mm/min時切削力均有21%左右的減小，超聲振動顯著降低了切削力；隨進給速度由1000mm/min 增加至3000mm/min，單位時間內(nèi)插切加工的切削量增大，超聲振幅為20μm 插切加工切削力增大14%，無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工切削力增大19%。

圖6 不同進給速度下插切切削力Fig.6 Comparison of trepanning forces at different feed speeds

2.2 插切質(zhì)量分析

切削力的變化必然會對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，為研究超聲振動對Nomex 蜂窩芯插切質(zhì)量影響，將切屑去除后，使用超景深顯微鏡對插切位置工件一側(cè)切口進行觀測。

2.2.1 典型插切特征

圖7 為n=1500 r/min、vf=1000 mm/min 時有無超聲振動的插切切口顯微照片，圖7（a）為無超聲振動的傳統(tǒng)插切切口，圖7（b）為A=20μm 的超聲插切切口。傳統(tǒng)插切切口有明顯波浪狀起伏，與理想的直邊偏差較大，放大觀測切口邊緣存在毛刺；超聲插切切口邊緣整齊，接近理想的直邊，放大觀測無毛刺存在。對比發(fā)現(xiàn)，在同一加工參數(shù)下超聲振動的引入顯著改善了插切加工切口質(zhì)量、使切口更加平直，無毛刺等加工缺陷。

圖7 傳統(tǒng)插切與超聲插切切口質(zhì)量對比Fig.7 Comparison of incisions after ultrasonic trepanning and traditional trepanning

2.2.2 插切質(zhì)量對比

為進一步研究不同加工參數(shù)下超聲振動對于插切質(zhì)量影響，選取穩(wěn)定切削階段的中部區(qū)域做進一步觀測、對比。圖8 為插切刀具轉(zhuǎn)速1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 的傳統(tǒng)插切與超聲插切Nomex 蜂窩芯切口對比。隨著進給速度增加，傳統(tǒng)插切切口邊緣波浪狀起伏更加明顯，毛刺等加工缺陷出現(xiàn)次數(shù)更多；相比傳統(tǒng)插切，振幅為20μm 的超聲插切加工在不同進給速度下，切口邊緣均更加貼近理想直邊，無明顯波浪狀起伏，無明顯毛刺存在，超聲的插切切口受進給速度變化影響較小。

圖8 不同進給速度下插切切口對比Fig.8 Comparison of trepanning incisions at different feed speeds

圖9 為進給速度2000mm/min、插切刀具轉(zhuǎn)速500～ 1500r/min 下傳統(tǒng)插切與超聲插切Nomex 蜂窩芯插切質(zhì)量對比。隨刀具轉(zhuǎn)速增加，無超聲振動的傳統(tǒng)插切切口質(zhì)量未得到顯著改善；在不同轉(zhuǎn)速下，振幅為20μm超聲插切切口邊緣均更加平直、整齊，無毛刺等加工缺陷，超聲插切切口隨轉(zhuǎn)速增加質(zhì)量無明顯變化。

Nomex 蜂窩芯材料的超聲插切加工中，刀刃與蜂窩芯材料發(fā)生周期性的接觸和分離，每次短暫的接觸刀刃都會對蜂窩芯材料施加高速的沖擊，在接觸位置產(chǎn)生微裂紋并沿插切方向在蜂窩材料內(nèi)部擴展，改變了蜂窩芯材料的切削機理[21]，提高了加工質(zhì)量。

研究表明，超聲振動能夠有效改善Nomex 蜂窩芯插切切口質(zhì)量，為Nomex 蜂窩芯構(gòu)件輪廓邊界的高質(zhì)量加工提供了一種有效的解決方案。

2.3 超聲插切切削過程分析

2.3.1 運動學(xué)分析

為研究超聲插切Nomex 蜂窩芯中超聲振動對于切削過程的影響，以切削刃上選定點為研究對象，在超聲作用下切削刃上該點的位移與速度如式（1）和（2）所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下插切切口對比Fig.9 Comparison of trepanning incisions at different spindle speeds

其中，R為插切刀具半徑，mm；ω為刀具角速度，rad/s；t為時間，s；f為超聲振動頻率，Hz。

圖10 為加工參數(shù)R=9.5mm、n=1500r/min、vf=1000 mm/min、f=20060Hz 時切削刃上任意一點在超聲振幅A=20μm 與無超聲振動的插切加工中刀具旋轉(zhuǎn)一周的運動軌跡，超聲振動顯著改變了刀具與工件間的接觸規(guī)律，將無超聲插切中的連續(xù)切削轉(zhuǎn)換為超聲頻率的斷續(xù)切削。傳統(tǒng)插切加工中，Nomex 蜂窩芯材料的切削速度為1492mm/s；超聲插切加工中，在單個振動周期內(nèi)，刀刃切入蜂窩芯材料時，切削蜂窩芯材料的速度為1492～2942mm/s，超聲振動顯著提高了插切加工中的切削速度。對比無超聲插切中進給速度為16.6mm/s 的連續(xù)切削，超聲插切加工中刀具在進給方向?qū)ぜ┘佑懈哳l沖擊作用，使切削刃能夠順利地切斷Nomex 蜂窩芯材料并避免毛刺等加工缺陷的產(chǎn)生。

圖10 超聲插切刀具運動軌跡Fig.10 Motion trajectories of ultrasonic trepanning tool

2.3.2 切削力分析

Nomex 蜂窩芯插切加工中，刀具與蜂窩芯材料間的受力關(guān)系可簡化為如圖11 所示。為簡化分析過程，選取插切某瞬時，蜂窩芯材料與插切刀具一側(cè)的受力情況為代表，分析超聲插切過程中的切削力。

圖11 插切加工Nomex 蜂窩芯受力關(guān)系Fig.11 Schematic diagram of force model on trepanning of Nomex honeycomb core

插切加工Nomex 蜂窩芯時，蜂窩芯材料受刀刃的切割力為FC，切屑受前刀面的壓力為FN1，切屑受插切刀內(nèi)壁的壓力為FN2；因刀具的旋轉(zhuǎn)運動，蜂窩芯材料與刀刃處存在摩擦力fC-n，切屑與前刀面的摩擦力為fN1-n，切屑與插切刀內(nèi)壁的摩擦力為fN2-n；因刀具的進給運動，切屑與前刀面有摩擦力fN1-vf，切屑與插切刀內(nèi)壁有摩擦力fN2-vf。

因蜂窩芯材料在X與Y方向所受切削力，理論分析受力平衡，實際加工中表現(xiàn)為X與Y方向切削力較小，可以忽略。故本文僅研究Z方向切削力FZ。

蜂窩芯材料所受切削力FZ可以表示為：

式中，F(xiàn)CZ、FN1Z與FN2Z分別為蜂窩芯材料在切削刃、前刀面與刀具內(nèi)壁處所受Z向力。

蜂窩芯材料所受沿Z方向的摩擦力fN1-vf與fN2-vf可以表示為：

式中，μF為插切刀具與蜂窩芯材料間摩擦系數(shù)。

蜂窩芯材料在切削刃、前刀面與刀具內(nèi)壁處所受Z向力FCZ、FN1Z與FN2Z可以表示為：

由式（3）和式（5）得知，插切加工Nomex 蜂窩的切削力FZ為：

超聲插切Nomex 蜂窩的切削力FZU和傳統(tǒng)插切的切削力FZN可以表示為：

式中，F(xiàn)CU為超聲插切中蜂窩芯材料受刀刃的切割力；FCN為普通插切中蜂窩芯材料受刀刃的切割力；μFU為超聲插切中蜂窩芯材料與插切刀具間的摩擦系數(shù)；μFN為普通插切加工系數(shù)。

超聲插切加工中，由于刀具在進給方向的超聲振動，切削刃對蜂窩芯材料產(chǎn)生高頻沖擊作用，蜂窩芯材料更易于被切斷[21]，體現(xiàn)為FCU＜FCN。被切斷的切屑受到前刀面與刀具內(nèi)壁的擠壓，分別在插切刀具前刀面和刀具內(nèi)壁處受到壓力FN1與FN2，此壓力的產(chǎn)生主要受刀具結(jié)構(gòu)與加工參數(shù)的影響，超聲振動的引入不改變FN1與FN2大小。由于超聲振動的減摩作用，μFU＜μFN[22]，進而使蜂窩芯材料所受摩擦力fN1-vf與fN2-vf減小。綜合表現(xiàn)為超聲插切切削力FZU小于無超聲振動的傳統(tǒng)插切切削力FZN，更有利于獲得高質(zhì)量的加工表面。

3 結(jié)論

本文提出了超聲插切的加工方法，研究了超聲插切加工中切削力和插切切口質(zhì)量的影響因素，并得到以下結(jié)論：

（1）插切加工Nomex 蜂窩芯切削力，在刀具轉(zhuǎn)速500～1500r/min 時隨刀具轉(zhuǎn)速增加而減小，在進給速度1000～3000mm/min 下隨進給速度增加而增大。

（2）相對無超聲振動的傳統(tǒng)插切加工，超聲振幅為20μm 的插切加工在插切刀具轉(zhuǎn)速500～1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 下均能夠有效降低切削力，平均降幅20%左右。

（3）Nomex 蜂窩芯超聲插切切口，在插切刀具轉(zhuǎn)速500～1500r/min、進給速度1000～3000mm/min 下對比傳統(tǒng)插切切口均更加平順、整齊、無毛刺，插切加工質(zhì)量更好。

（4）超聲振動的引入將無超聲插切加工中的連續(xù)切削變?yōu)榈毒邔Ψ涓C芯材料有高頻沖擊作用的斷續(xù)切削，減小了切削力，提高了插切質(zhì)量。