超聲輔助車(chē)削技術(shù)與普通車(chē)削技術(shù)的對(duì)比分析

楊海強(qiáng)

(羅姆半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司，天津300385)

碳/碳復(fù)合材料是以碳為基體、碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，既可作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。隨著我國(guó)高科技事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的大型構(gòu)件需要進(jìn)行機(jī)械加工，甚至精密加工，但由于碳/碳復(fù)合材料存在以上特點(diǎn)，屬于典型的難加工材料，在傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料加工過(guò)程中，易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺、拉絲等缺陷，導(dǎo)致工件加工表面粗糙度較大，尺寸控制比較困難，甚至工件報(bào)廢。因此如何進(jìn)行高精密度、高效率、低刀具磨損、高質(zhì)量、低成本的加工碳/碳復(fù)合材料，已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

1 超聲輔助車(chē)削技術(shù)的設(shè)計(jì)與組成

超聲輔助車(chē)削設(shè)備，一般包括超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床本體與超聲輔助車(chē)削系統(tǒng)4個(gè)部分。

1.1 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器亦稱(chēng)為超聲電源或超聲頻率發(fā)生器，其作用是將220V/50Hz的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢üβ实某曨l電振蕩信號(hào)，以提供工具往復(fù)運(yùn)動(dòng)和切削工件所需的能量。它主要由振蕩級(jí)、電壓放大級(jí)、功率放大級(jí)和電源部分組成。其中，振蕩級(jí)是超聲發(fā)生器的核心。振蕩級(jí)由電子管或者三極晶體管結(jié)成電感反饋振蕩電路，調(diào)節(jié)電容量可改變振蕩頻率，即可調(diào)節(jié)輸出的超聲頻率。振蕩級(jí)的輸出經(jīng)耦合至電壓放大級(jí)進(jìn)行放大后，利用變壓器倒相輸送帶末級(jí)功率放大管(功率放大管有時(shí)用多管并聯(lián)推挽輸出)，經(jīng)輸出變壓器輸至換能器。

1.2 超聲振動(dòng)系統(tǒng)

超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要包括換能器、變幅桿和刀具，其作用是將由發(fā)生器輸出的高頻振蕩電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，并通過(guò)變幅桿使刀具作小振幅的高頻振動(dòng)，以進(jìn)行超聲輔助車(chē)削加工。其中換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件。在聲學(xué)研究領(lǐng)域，換能器主要是指電聲換能器，它能實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。超聲輔助加工中，換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，是超聲設(shè)備的關(guān)鍵部件之一。超聲換能器的種類(lèi)很多，按照能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理和利用的換能材料，可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、靜電換能器、機(jī)械型換能器等。按照換能器的振動(dòng)模式，可分為縱向振動(dòng)換能器、剪切振動(dòng)換能器、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)換能器、彎曲振動(dòng)換能器、一扭復(fù)合以及縱一彎復(fù)合振動(dòng)模式換能器等。在眾多的超聲換能器類(lèi)型中，使用較多的是壓電式和磁致伸縮換能器。

1.3 機(jī)床本體

本試驗(yàn)系統(tǒng)利用大連第二機(jī)床廠設(shè)計(jì)制造的CKA6780型數(shù)控臥式車(chē)床，在該機(jī)床的刀架上安裝超聲振動(dòng)系統(tǒng)，利用原有的數(shù)控系統(tǒng)及工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲輔助車(chē)削的數(shù)字控制。其特點(diǎn)如下：主軸轉(zhuǎn)速高，整機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定；主軸通孔直徑大，通過(guò)棒料能力強(qiáng)使用范圍廣；機(jī)床操縱箱獨(dú)立放置，可縱向滑移，便于操作者就近對(duì)刀；機(jī)床的外觀防護(hù)采用流線型設(shè)計(jì)美觀，防水，防屑，維護(hù)方便。

1.4 超聲輔助車(chē)削系統(tǒng)

由于超聲波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)在界面發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。能量反射的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗，介質(zhì)的波阻抗相差愈大，超聲波通過(guò)界面時(shí)能量的反射率愈高。當(dāng)超聲波從液體或固體傳入空氣或者相反從空氣傳入液體或固體的情況下，反射率都接近100%，此外空氣有可壓縮性，更阻礙了超聲波的傳播，所以安裝過(guò)程中整個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)接部分應(yīng)接觸緊密，在換能器與變幅桿、變幅桿與刀具的聯(lián)接處均涂以凡士林油，保證不存在空氣間隙，以免超聲波傳遞過(guò)程中損失能量。

2 與普通車(chē)削技術(shù)的對(duì)比

2.1 表面質(zhì)量評(píng)定參數(shù)

碳/碳復(fù)合材料屬于非均質(zhì)材料，具有明顯的各向異性，其切削表面在切削熱和切削力的作用下，會(huì)出現(xiàn)一些特殊的表面形貌特征，而這些又都是分布在表面的一些局部信息，通過(guò)二維輪廓是不能表達(dá)清楚的，而三維參數(shù)取點(diǎn)于整個(gè)區(qū)域，能比較全面和真實(shí)的反應(yīng)其切削表面質(zhì)量。針對(duì)碳/碳復(fù)合材料，選擇合適的評(píng)定方法及評(píng)定參數(shù)，可使切削表面粗糙度的評(píng)定更加真實(shí)可靠，從而可以更好地反映其表面加工質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)始探尋三維評(píng)定參數(shù)，盡管三維評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，但其中一些評(píng)定參數(shù)如Sa、Sq等對(duì)復(fù)合材料的表面評(píng)價(jià)，較傳統(tǒng)二維評(píng)價(jià)參數(shù)Ra顯得更加先進(jìn)和實(shí)用。采用Sa進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，在采樣區(qū)域內(nèi)測(cè)量了較多的點(diǎn)，而Ra則只能是取某幾條輪廓，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為二維輪廓包絡(luò)線后計(jì)算，Ra所測(cè)量的點(diǎn)較少，因而Sa比Ra反映表面微觀形貌的信息更真實(shí)、更準(zhǔn)確。從表中Sq的計(jì)算公式還可以看出，Sq是高度偏差的平方加權(quán)，也就是說(shuō)此參數(shù)對(duì)偏離平均平面較大的取樣點(diǎn)比Sa會(huì)更敏感。

2.2 切削力對(duì)比試驗(yàn)

我們經(jīng)不同刀具對(duì)碳/碳復(fù)合材料加工后工件表面質(zhì)量的對(duì)比試驗(yàn)，選定了PCD刀具，分別在超聲輔助車(chē)削和普通車(chē)削下，對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行切削加工，然后利用壓電三向測(cè)力平臺(tái)，分別測(cè)量記錄各自加工過(guò)程中的主切削力Fc、進(jìn)給力Ff和背向力Fp。同表面質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)類(lèi)似，進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)時(shí)，在切削速度、切削深度和進(jìn)給量相同的前提下，對(duì)工件第一段進(jìn)行超聲輔助車(chē)削，到第二段后關(guān)閉超聲發(fā)生器電源進(jìn)行普通車(chē)削，保證加工時(shí)材料層次相同。結(jié)果分析得到，前半段超聲輔助車(chē)削時(shí)切削力F0，平均約為16 N；關(guān)閉超聲后普通車(chē)削時(shí)切削力Fc，平均約為24 N，超聲輔助車(chē)削相對(duì)于普通車(chē)削，切削力F0能夠減小33.33%。超聲輔助車(chē)削時(shí)進(jìn)給力Fn平均約為13 N，關(guān)閉超聲后普通車(chē)削時(shí)進(jìn)給力Fn平均約為19 N，故超聲輔助車(chē)削相對(duì)于普通車(chē)削進(jìn)給力Ff減小31.58%。

2.3 切削溫度對(duì)比試驗(yàn)

用PCD刀具，我們?cè)O(shè)定車(chē)削開(kāi)始前室溫為19℃。相同條件下普通車(chē)削時(shí)刀尖溫度迅速由室溫19℃上升到47℃左右，升幅為28℃；超聲輔助車(chē)削時(shí)由于系統(tǒng)自身的諧振會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，故加工前刀尖溫度為32℃左右，開(kāi)始切削后刀尖溫度迅速上升到52℃，升幅20℃。對(duì)普通車(chē)削與超聲輔助車(chē)削導(dǎo)致的刀尖溫升進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)切削下溫升能夠減小8℃，相對(duì)于普通車(chē)削溫升28℃能夠改善28.57%，這足以說(shuō)明超聲輔助車(chē)削，能夠有效地減小切削熱。之所以會(huì)出現(xiàn)附加超聲振動(dòng)后溫度高于普通車(chē)削的現(xiàn)象，主要是由于本試驗(yàn)加工參數(shù)較小，屬于精密加工，導(dǎo)致產(chǎn)生的切削熱相對(duì)較少。

2.4 刀具磨損對(duì)比

刀具磨損后，工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導(dǎo)致切削力加大、切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，不能繼續(xù)正常切削。因此，刀具磨損直接影響加工效率、質(zhì)量和成本。我們同樣選定PCD刀具，分別在超聲輔助車(chē)削和普通車(chē)削下對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行切削加工，并且加工長(zhǎng)度均約為1 500 m，然后對(duì)比同等切削條件下，分別進(jìn)行超聲輔助車(chē)削與普通車(chē)削后PCD刀具的磨損程度，結(jié)果顯示PCD刀具經(jīng)1 500 m普通車(chē)削后，后刀面磨損長(zhǎng)度為645.24 mm，而經(jīng)1 500 m超聲輔助車(chē)削后的后刀面磨損長(zhǎng)度僅為470.43 mm，超聲輔助車(chē)削對(duì)于刀具后刀面的磨損量，相對(duì)于普通車(chē)削可減少27.09%。另外，還可看出，PCD刀具經(jīng)1 500 m超聲輔助車(chē)削后，所導(dǎo)致的邊界磨損要明顯小于經(jīng)1 500 m普通車(chē)削所導(dǎo)致的邊界磨損。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，超聲輔助車(chē)削相對(duì)于普通車(chē)削，能夠有效減小刀具磨損量、延長(zhǎng)刀具使用壽命，從而提高加工效率和加工質(zhì)量，減小成本。

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