超聲振動在碳纖維復合材料中的應用

0超聲振動切削加工c紅p的研究進展

碳碳復合材料(rcrc)是一種以碳為增強材料，以樹脂為基本材料的材料。

超聲振動切削加工技術是近幾年新興的先進制造技術之一，國內外有關研究機構已經展開

了超聲振動切削加工CFRF的技術研究，超聲振動切削加工具有切削力小、刀具磨損個、

加工質量好等優(yōu)點，尤其適用于加工硬脆性難加工材料。本文針對CFRP切削加工中存在

分層、撕裂、翻邊、毛刺等加工缺陷，以及加工精度低、加工難度大的特點，進行超聲振

動加工CFRP的試驗研究，通過系統(tǒng)的超聲振動試驗，提高加工精度和效率。

1材料及表面分析

超聲加工工藝系統(tǒng)如圖1所示，其中超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、變頻電源、超聲頭、

滑環(huán)及電刷組成，超聲振動頻率＞20kHz,刀頭振幅5~20um;工件材料為T300碳

纖維復合材料。

碳纖維加工表面粗糙度和表面輪廓的分析采用TaylorHobson表面輪廓儀；表面形貌及加

工缺陷的檢測分析采用超景深三維顯微系統(tǒng)。試驗針對航天產品中復合材料常用的表面銃

削、輪廓銃削及鉆孔加工等工藝特點進行設計，采用單因素試驗及正交試驗，分析影響碳

纖維超聲振動加工的主要影響因素。

2纖維材料的超聲波振動加工試驗

2.1超聲振動表面粗糙度試驗

采用單因素試驗法進行試驗，研究銃削三要素對表面粗糙度的影響規(guī)律。單因素試驗中通

過分別改變切削速度V、切削進給速度f、切削深度a

2.1.1超聲加工表面粗糙度隨切削速度的變化

如圖2所示為切削速度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律，根據(jù)前期基礎工藝試驗

數(shù)據(jù)，n為800~2600r/min,對應v為20.1~65.3m/min,此時f=100mm/min,

a

從圖2可以看出，超聲加工表面粗糙度值隨切削速度的增大總體呈下降趨勢，當切削速度

為50.3m/min時達到最優(yōu)值Ra=0.948um。因正交切削的參數(shù)是通過單因素試驗中

的參數(shù)進行優(yōu)選得到的，表面粗糙度Ra值基本上穩(wěn)定在0.9~2.0um。超聲振動切削

加工可以在較低的切削速費下取得較好的表面加工質量，常規(guī)切削加工碳纖維的切削速度

在100m/min以上才能達到超聲加工的質量效果，這與超聲振動加工的切削機理有關，

超聲振動通過高頻振動不斷沖擊、擠壓被加工材料，具有切削行程短、切削量均勻、散熱

條件好、切屑容易排出、刀具磨損小等優(yōu)點，可在較低切削速度下取得較好的表面粗糙度。

2.1.2超聲加工表面粗糙度單因素試驗

如圖3所示為切削進給速度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律，切削進給速度f=

60~240mm/min,取主軸轉速n=2000r/min,對應切削速度v=50.3m/min,

切削深度a

從圖中可以看出，在試驗參數(shù)范圍內，超聲加工表面粗糙度值先隨切削進給速度的增大而

減小，當切削進給速度為140mm/min時達到最優(yōu)值Ra=0.825Um,但此后隨著進給速

度的增大，表面粗糙度值逐漸增大。常規(guī)銃削加工中，進給速度是銃削創(chuàng)成表面粗糙度過

程的最重要影響因素，進洽速度、銃削方式和刀尖圓弧半徑是影響理論表面粗糙度的主要

因素。超聲切削加工則完全不同，因超聲頻率較高，且超聲為斷續(xù)切削加工，宏觀上仍然

像常規(guī)銃削加工一樣遵循刀具運行的軌跡，這個軌跡是形成常規(guī)銃削加工理論表面粗糙度

的幾何依據(jù)，但在微觀上，則是由超聲的振動切削加工，高頻進退刀以及機床、刀具、材

料等其他因素最終形成了試驗加工的表面粗糙度。

如圖4所示為切削深度對碳纖維超聲加工表面粗糙度的影響規(guī)律，a

從圖4可以看出，超聲加工表面粗糙度值大體上隨切削深度的增大而增加。這是因為切削

深度的增加使切削力增加羽顯，切削能急劇增加，超聲變幅桿受壓電換能器的影響，額定

功率較低，當切削力較大時，會影響超聲變幅桿的剛性和振動特性，使超聲加工的切削狀

態(tài)發(fā)生變化，導致切削過程失穩(wěn)，從而引起表面粗糙度值增大。

通過上述單因素試驗，選我超聲加工正交切削試驗的切削參數(shù)，確定試驗因素和水平，可

得3個因素即切削速度（XI）、切削進給速度（X2）、切削深度（X3）的因素水平編

碼表如表1所示。

根據(jù)對正交試驗結果進行極差分析，得到超聲銃削加工表面粗糙度的三個影響因素切削速

度、進給速度、切削深度對粗糙度大小影響程度依次為：切削深度》進給速度〉切削速度,

同時得到本次試驗中最優(yōu)解的組合為A3B3c3,即切削速度為60.3m/min;進給速度為

180mm/min;切深為0.4nmu

2.2超聲切削加工工藝缺陷的分析

試驗對碳纖維超聲加工中存在的加工缺陷進行了分類整理，并結合切削工藝參數(shù)進行了對

比分析，論述了缺陷產生的機理，提出了改進的工藝方法。試驗選用參數(shù)范圍如表3所示。

碳纖維的已加工表面的形成過程與均質金屬材料有很大的不同。此外，基體和增強纖維的

物理、化學性能差別很大：加工過程中表面加工質量不但受兩種材料的特性影響，而且與

增強纖維的取向有很大關系。增強纖維的取向和切削加工方向的關系即纖維方向角是影響

加工質量的重要因素。試驗結果表明，超聲切削加工后并不能避免常規(guī)切削加工中經常出

現(xiàn)的抽絲拉毛、纖維束開裂、交接裂紋、分層塌邊等工藝缺陷，但能大大減少缺陷出現(xiàn)的

概率。如圖5為試驗中檢測到的纖維束抽絲、拉毛、開裂等工藝缺陷。

試驗所用材料為T300纖維束鋪層的復合材料，從圖5可以清晰地看出纖維束單層鋪層以

后再疊加基體材料最終形成平行的鋪層結構，在這種單層鋪層的碳纖維復合材料結構中，

纖維束出現(xiàn)的加工缺陷幾乎不可避免，加工中可以盡量控制切削深度，讓切削層位于基體

厚度范圍內，避免處于纖維束厚度范圍內，能顯著避免上述加工缺陷。圖6為調整切削深

度，使其位于基體厚度范圍內的樣件無缺陷和有缺陷的加工質量對比。

2.3發(fā)展優(yōu)勢加工用刀具

通過碳纖維復合材料的超聲振動鉆削試驗，針對不同厚度的編織碳纖維復合材料板，鉆削

了中4mm、（D6mm、68mm、①10mm四種規(guī)格的孔，采用三維超景深顯微系統(tǒng)進行孔加

工質量的檢測，定性研究了碳纖維超聲振動鉆削的有關工藝現(xiàn)象。

鉆削中經常出現(xiàn)復合材料加工中的抽絲拉毛等缺陷，如圖7所示.。

由圖7可見，嚴重影響了孔的表面質量和幾何尺寸精度，抽絲拉毛現(xiàn)象的產生主要是因為

切削刀具在切削加工中不能迅速剪斷纖維，導致纖維束抽出，在切削刀刃不斷刮擦和剪切

作用下變?yōu)樾鯛?，解決此玦陷的首要方法應采用切削刃鋒利、高硬高韌的切削刀具，其次

宜適當提高鉆削速度，使切削刃迅速剪斷纖維。鉆削中出入口的加工質量對比明顯，入口

處比較光滑，出口則容易造成翻邊、纖維撕裂、分層等加工缺陷，如圖8所示。對于多層

編織的碳纖維復合材料，在鉆削中不容易出現(xiàn)纖維束和基體脫粘的缺陷，但由于鉆削切出

時，刀具刀刃處的切削速度較小，對纖維的剪切強度較低，出口方向的正壓力較大，使出

口極易出現(xiàn)翻邊、纖維撕裂，尤其對于薄板復合材料，其鋪層層數(shù)少，整體強度低，當鉆

削加工至切出口時，未鉆透材料的層間結合強度較低，還容易出現(xiàn)切削力大于層間強度而

造成的分層缺陷?？梢圆捎醚娱L切削穩(wěn)態(tài)過程的工藝方法，如出口涂覆其他材料的方法以

及采用特殊刃形設計的刀具減少鉆削正壓力來避免上述缺陷的產生。

因鉆削加工切出切入口缺餡的存在，切入口與切出口相比尺寸較大，切出口因毛刺、分層、

翻邊等缺陷的影響，在檢測中尺寸較小。此外，鉆削加工的尺寸精度還受到刀具制造精度、

機床動態(tài)旋轉精度、機床剛性、幾何檢測精度等方面的影響，是一個復雜的系統(tǒng)工藝鏈。

適當提高鉆削速度用以迅速剪斷纖維可減少毛刺缺陷發(fā)生的概率，降低鉆削進給速度使切

削過程更加平穩(wěn)，有利于喊少切出口撕裂、翻邊的加工缺陷。

當采用較鋒利的切削刀具，并提高超聲加工機床主軸轉速即提高切削速度時;減少鉆削進

給量時取得了良好的鉆削加工工藝效果。如圖9即為改進前后加工效果對比。

3加工表面粗糙度

(1)超聲振動切削加工質量較好，試驗中表面粗糙度Ra值穩(wěn)定在0.9~2.5um,相

比常規(guī)切削有效提高了表面質量。

(2)超聲銃削加工表面粗糙度的三個影響因素對粗糙度大小影響程度依次為：切削深度》

進給速度＞切削速度。

(3