超聲振動銑削碳纖維復合材料銑削力及實驗研究

鄭春龍

（意大利倍珞蒂機床上海分公司，上海 201906）

超聲波具有極高的能量，超聲振動就是由超聲波發生器定向發送特定頻率的超聲波，在換能器的作用下，將蘊含能量的高頻電振蕩信號轉化為超聲頻機械振動，進而達到加工目的。現階段，超聲振動加工已經在工業、制造業等領域有著較為成熟度運用。碳纖維復合材料的加工一直是限制該材料推廣應用的重要因素，將超聲振動銑削技術應用到碳纖維復合材料的加工中，將有助于實現加工效率、加工質量的同步提升。在這一背景下，探究影響超聲振動銑削力的因素，進而優化銑削加工方案成為一項熱門研究課題。

1.超聲振動銑削碳纖維復合材料銑削力的力學模型

基于超聲振動原理的碳纖維復合材料銑削，刀具和工件在一個切削周期內完成一次切、離動作，周而復始。在時切時離的過程中，將切削力轉化為脈沖波形。刀具與工件接觸、摩擦時產生的熱量，隨著脈沖連續放出，整個切削長度被均勻分割成若干小段，每一個小段即為一次瞬時高速切削。相比于傳統的機械切削，超聲振動切削不僅效力更高，而且工件不容易出現分層、裂縫，刀具不容易發生磨損[1]。

2.超聲振動銑削碳纖維復合材料銑削力的實驗分析

2.1 實驗準備

選擇一臺立式數控銑床進行實驗，工作臺尺寸600mm×400mm，自帶直徑為12mm的PCD銑刀，銑削方式為順銑。另外還配備了超聲波發生器、三向測試儀等儀器。工件材料選擇厚度為5mm的碳纖維復合材料。

2.2 實驗方案

現場組裝實驗裝置，在工作臺上水平放置三向測力儀。將該儀器與電荷放大器連接，測得數據僅放大后收集到數據采集裝置中，最后由計算機進行數據分析。在三向測力儀上方，分別放置三維超聲工裝和碳纖維復合材料工件。調節變幅桿，使銑刀下壓，正好對準工件的銑削點。實驗裝置準備完畢后，分別使用普通銑削，二維、三維超聲振動銑削等方式，對工件進行銑削加工，探究不同加工方式對同一類工件銑削力的影響，以及同一類工件選擇不同銑削參數下銑削力的變化。實驗操作中，將超聲波發生器電源全部關閉，即可進行普通銑削；關閉一個電源，可進行二維超聲振動銑削；電源全部打開，則進行三維超聲振動銑削[2]。

2.3 結果分析

2.3.1 銑削速度對銑削力的影響

銑削速度即刀具的轉動速度，是影響銑削力的一個關鍵指標。普通銑削、二維及三維超聲振動銑削方式下，不同切削速度與銑削力的關系如表1所示。

表1 3種銑削方式下不同銑削速度對銑削力的影響

根據表1可知，同一切削速度下，3種加工方式銑削力的值從大到小依次是普通銑削、二維超聲振動銑削、三維超聲振動銑削。以切削速度為100m/min為例，普通銑削X軸的銑削力為30.3N，二維超聲振動銑削X軸的銑削力為19.3N，三維超聲振動銑削X軸的銑削力為15.1N。另外可以發現，超聲振動銑削的銑削力，要明顯低于普通銑削；而二維和三維模式下的超聲振動銑削，銑削力雖然有差距，但是并不明顯。

在同一銑削模式下，隨著切削速度的增加，銑削力呈現出降低的趨勢。以三維超聲振動銑削為例，在X軸上，當切削速度為75m/min時，銑削力為16.7N；增加切削速度，當達到100m/min時，X軸銑削力降低為15.8N；繼續增加至150m/min，X軸銑削力降低為15.1N。分析認為，隨著刀具轉速的增加，工件表面破碎率也隨之上升。這種情況下刀具與工件之間摩擦面積有一定程度的減少，摩擦力降低后，導致切削力降低。

2.3.2 進給量對銑削力的影響

每齒進給量也是決定銑削力的一個關鍵指標。通過調整進給量，測得3種銑削方式下銑削力的變化情況，其結果如表2所示。

表2 沒齒進給量對銑削力的影響

結合表2可知，同一種加工方式下，隨著進給量的增加，銑削力也隨之變大。以二維超聲振動銑削為例，在進給量為0.004mm/z時，X軸上的銑削力為22.4N；隨著進給量的增加，達到0.006mm/z時，X軸上的銑削力增加至25.1N；進給量為0.008mm/z時，銑削力為27.7N。普通銑削和三維超聲振動銑削也遵循這一規律。另外對比可以發現，在進給量相同的情況下，三維超聲振動銑削的銑削力要明顯低于另外2種加工模式。以進給量為0.008mm/z為例，三維超聲振動的X軸銑削力僅為13.5N，而普通銑削為36.1N，二維超聲振動銑削為27.7N[3]。

3.結語

通過上述實驗數據，在碳纖維復合材料加工中，選擇超聲振動銑削，刀具所受銑削力要明顯低于普通銑削。在超聲振動銑削中，三維銑削的銑削力低于二維銑削。另外，切削速度和進給量是影響銑削力的兩項關鍵指標，切削速度與銑削力呈反比，進給量與切削力呈正比。因此，在碳纖維復合材料的加工中，優先考慮使用三維超聲振動銑削，并適當增大切削速度，嚴格控制進給量，可以使銑削力保持在較小狀態，有利于避免工件出現缺陷，達到減弱刀具磨損的效果。