超聲輔助銼削加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究*＊

唐 軍 李文星 趙 波

(①新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003;②河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作454000)

超聲速推進(jìn)技術(shù)是世界各國(guó)軍事發(fā)展的重要方向之一，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室作為超聲速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一直是各發(fā)達(dá)國(guó)家研究和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)［1］。C/SiC復(fù)合材料由于其具有優(yōu)異的耐高溫性、抗氧化性及高韌性已經(jīng)成為航空航天器發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)燃燒室的首選材料。然而C/SiC復(fù)合材料強(qiáng)度高、硬度大、導(dǎo)熱性差且結(jié)構(gòu)各向異性，加之燃燒室構(gòu)件具有大長(zhǎng)徑比、非對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使預(yù)制件在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺、拉絲、崩邊等缺陷［2］。

采用金剛石砂輪磨削技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工具有技術(shù)成熟、成本低和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。然而對(duì)于大尺寸、非對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)構(gòu)件的加工，不僅面臨深孔排屑、冷卻及粉塵處理等問(wèn)題，而且加工刀柄過(guò)長(zhǎng)，切削力大時(shí)極易造成砂輪偏心旋轉(zhuǎn)、刀柄剛度不足，從而嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和性能。

超聲輔助加工是在傳統(tǒng)機(jī)械加工基礎(chǔ)上將高頻振動(dòng)附加于刀具或工件，從而改變材料的去除機(jī)理［3］。超聲輔助加工技術(shù)由于具有能量集中、瞬間作用、快速切削的特性，能有效地減小切削力和切削熱、細(xì)化加工表面、消除工件表面變質(zhì)層，并改變刀具的主要磨損形式［4－7］，這對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的加工將帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。

2011年高航、劉國(guó)興等人通過(guò)對(duì)電鍍金剛石刀具鉆削T3000碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn):磨粒的磨損形態(tài)與鉆削產(chǎn)生的軸向力線性相關(guān)［8］。2013年馬付建、康仁科等人利用研制的超聲輔助車(chē)削裝置對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)切削力、切削溫度與刀具磨損均得到了有效降低。2015年王巖、林彬等人提出一種超聲輔助銼削加工工藝，分析了C/SiC復(fù)合材料加工表面的創(chuàng)成機(jī)理［9］。2016年張德遠(yuǎn)、李哲等人利用研制的旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)套料磨與普通套料磨進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者的鉆削力與扭矩不僅降低了25%與30%，而且抑制了碳纖維復(fù)合材料中分層、毛刺等缺陷［10］。2016年梁桂強(qiáng)、周曉勤等人利用超聲輔助磨削的方法對(duì)SiCp/Al進(jìn)行加工試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn):順磨可以降低磨削載荷，減少崩邊缺陷，逆磨可以降低法向載荷，提高工件表面質(zhì)量［11］。

鑒于前述理論研究，本文針對(duì)復(fù)合材料燃燒室的結(jié)構(gòu)特征，提出一種超聲輔助銼削加工系統(tǒng)，研究了多級(jí)變幅桿與銼削刀具的振動(dòng)模式，建立了多級(jí)變幅桿的頻率方程，優(yōu)化了銼削刀具的結(jié)構(gòu)特征，最后，通過(guò)有限元分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)超聲輔助銼削裝置的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析測(cè)試。

1 銼削刀具的結(jié)構(gòu)特征

圖1為超聲速推進(jìn)器燃燒室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。由于矩形凹槽的加工質(zhì)量會(huì)直接影響到推進(jìn)器的性能，所以為了保證矩形凹槽的加工要求，本文設(shè)計(jì)了加工凹槽的超聲銼削刀具。圖2為超聲輔助銼削加工過(guò)程。

根據(jù)圖1與圖2中被加工凹槽的幾何形狀特征及所需切削加工量，確定出銼削刀具的外形結(jié)構(gòu)特征，如圖3所示。

2 復(fù)合變幅桿的振動(dòng)模式及頻率方程

2.1 振動(dòng)模式分析

在超聲輔助加工領(lǐng)域，一般通過(guò)縮小輸出端面面積來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的匯聚和超聲振幅的放大，使得加工過(guò)程中的刀具—工件或刀具—切屑的分離，最終達(dá)到提高加工效率和延長(zhǎng)刀具壽命的目的。而，本文所涉銼削刀具輸出端面為42 mm×20 mm，屬大尺寸工具頭［12］。

為了使大尺寸工具頭更易被驅(qū)動(dòng)，基于多級(jí)放大［13］、半波疊加［14］和模態(tài)轉(zhuǎn)換原理［15］，提出一種基于銼削刀具的超聲輔助加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三大部分組成:第一部分為標(biāo)準(zhǔn)λ/2波長(zhǎng)25 kHz超聲波換能器;第二部分為整波長(zhǎng)多級(jí)放大超聲變幅桿;第三部分為銼削刀具，如圖4所示。

第二部分多級(jí)變幅桿有四段組成，如圖5所示。各段的長(zhǎng)度分別為:L1、L2、L3和 L4，半徑為:R1、R2、R3和 R4，截面積為:s1、s2、s3和 s4。其中，第二段為指數(shù)段，截面蜿蜒指數(shù)為:β=lnN/L2，面積系數(shù)為:N=R1/R3;第三段為圓錐段，截面傾斜系數(shù)為:α=(N'－1)/(N'L4)，面積系數(shù)為:N'=R3/R5;

第三部分銼削刀具主要有兩段組成:第一段為直圓柱體，其長(zhǎng)度和半徑為:L5、R5;第二段為銼削刀頭，刀具外形尺寸見(jiàn)圖3，刀具中部直槽的長(zhǎng)度、寬度以及相對(duì)小端面距離分別為:L8、L7和L6。

由圖4、圖5與圖6可知:縱波由λ/2波長(zhǎng)換能器產(chǎn)生，經(jīng)多級(jí)變幅桿的連續(xù)放大將其傳遞到銼削刀具;縱波在銼削刀具的第一段直圓柱體內(nèi)以縱向振動(dòng)的形式進(jìn)行傳播，而當(dāng)其傳播到銼削刀頭時(shí)，由于刀具中部直槽的存在，使得銼削刀頭輸出端面形成薄板，振動(dòng)形式也由縱向振動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為橫向彎曲振動(dòng)形式。

2.2 多級(jí)變幅桿的頻率方程

為了簡(jiǎn)化變幅桿法蘭的設(shè)計(jì)過(guò)程(即:法蘭設(shè)置在λ/4波長(zhǎng)處)。基于半波疊加原理，將多級(jí)變幅桿L4則一起按照λ/2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

由文獻(xiàn)［16］可知，變幅桿的傳輸矩陣為:

式(1)中，D1、D2、D3、D4分別表示各段傳輸矩陣參數(shù):

3 復(fù)合變幅桿的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析

3.1 多級(jí)變幅桿的設(shè)計(jì)研究

多級(jí)變幅桿的材質(zhì)選為40Cr，設(shè)計(jì)頻率 f=25 kHz，材料的特征參數(shù)為:密度ρ=7 850 kg/m3，楊氏彈性模量E=2.09×1011Pa;泊松比μ=0.269;縱振聲速c=5 184 mm/s。

多級(jí)變幅桿的第一段半徑R1=22.5 mm，第三段半徑R3=10 mm，輸出端面半徑R5=6 mm;為了簡(jiǎn)化計(jì)算設(shè)定長(zhǎng)度尺寸L3=L4且L'1=L3+L4;接下來(lái)，基于MATLAB軟件，應(yīng)用不動(dòng)點(diǎn)迭代法(即:牛頓迭代)對(duì)頻率方程式(2)進(jìn)行求解，獲得L2與誤差ΔL'1之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

由此可得:指數(shù)過(guò)渡段長(zhǎng)度為:L2=130.4 mm，蜿蜒指數(shù)為:β=0.006 2;其余各段長(zhǎng)度分別為:L'1=L3+L4=45 mm，L3=L4=22.5 mm。

接下來(lái)，應(yīng)用Pro/E 3.0軟件對(duì)多級(jí)變幅桿進(jìn)行建模，并利用無(wú)縫傳輸技術(shù)將其導(dǎo)入Ansys12.0進(jìn)行模態(tài)分析，仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，多級(jí)變幅桿的固有頻率為25 079 Hz，相對(duì)誤差為3.16‰。

3.2 銼削刀具的設(shè)計(jì)研究

接下來(lái)，應(yīng)用Pro/E將設(shè)計(jì)變量傳遞到ANSYS Workbench軟件中，并在DesignXplorer/VT下設(shè)定約束條件及設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)銼削刀具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［17］。

由文獻(xiàn)［10］可知:當(dāng)長(zhǎng)徑比大于1.5時(shí)，一維振動(dòng)理論對(duì)固有頻率的誤差百分比在個(gè)位數(shù)以?xún)?nèi)。結(jié)合本文工程實(shí)際應(yīng)用(如圖3所示)，銼削刀具的第一段圓柱段的直徑為R5=12 mm，長(zhǎng)度L5≥65 mm，屬典型的細(xì)長(zhǎng)桿。由一維振動(dòng)理論可知，當(dāng)工件為細(xì)長(zhǎng)桿并且其材質(zhì)被確定后(即:40Cr)，其縱向振動(dòng)的模態(tài)主要由其長(zhǎng)度確定。因此，為了保證銼削刀具在整體優(yōu)化過(guò)程中能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)變量FREQ∈ [24 kHz，25 kHz]，選擇長(zhǎng)度尺寸L5作為其中一個(gè)優(yōu)化變量，其中L5∈ [6 5，3λ/2]。

為了使銼削刀具的刀頭更易被激勵(lì)，本文銼削刀頭的材質(zhì)選擇為L(zhǎng)Y12，并同時(shí)在刀頭上開(kāi)設(shè)直槽。因此，結(jié)合刀頭的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇直槽的相關(guān)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。即:直槽的長(zhǎng)度 L8∈ [ 2 4，33]、寬度 L7∈[4 ，8]以及相對(duì)小端面距離L6∈ [1 5，25]。

表1 銼削刀具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。圖9為各設(shè)計(jì)變量對(duì)銼削刀具諧振頻率的影響規(guī)律。依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)銼削刀具重新進(jìn)行三維建模，并將其導(dǎo)入Ansys12.0中進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖10所示。對(duì)比表1與圖10中銼削刀具諧振頻率可知，二者諧振頻率僅偏差311 Hz。

3.3 動(dòng)力學(xué)分析

應(yīng)用Pro/E的裝配功能將多級(jí)變幅桿和銼削刀具應(yīng)用帶定位的雙頭螺柱進(jìn)行裝配連接，然后將其送入Ansys12.0中并設(shè)置面與面的連接形式為GLUE，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

之后，應(yīng)用Ansys12.0對(duì)基于銼削刀具的多級(jí)變幅桿進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并應(yīng)用時(shí)間歷程后處理功能獲得輸出端面上10 872節(jié)點(diǎn)的諧響應(yīng)曲線，如圖12。

由圖11、12可知:基于銼削刀具的多級(jí)變幅桿縱振頻率為24 978 Hz，相對(duì)設(shè)計(jì)頻率25 kHz的誤差率為0.88‰，滿(mǎn)足超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 振動(dòng)特性測(cè)試

依據(jù)前述章節(jié)的計(jì)算結(jié)果，制作了帶有銼削刀具的多級(jí)變幅桿，并將其與無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)相連，如圖13所示。

利用PV70A阻抗測(cè)試儀對(duì)帶有銼削刀具及多級(jí)變幅桿的超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗測(cè)試，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知:振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率24 562.4 Hz，反諧振頻率為:24 830 Hz，其相對(duì)設(shè)計(jì)頻率25 kHz的誤差率為0.68%～1.75%，同時(shí)導(dǎo)納圓不僅較為規(guī)整，而且無(wú)寄生圓存在。這完全滿(mǎn)足本團(tuán)隊(duì)自主研制的具備自動(dòng)掃頻、頻率跟蹤以及鎖頻功能的TUR25系列超聲電源對(duì)振動(dòng)頻率25±0.5 kHz的要求。

應(yīng)用KEYENCE生產(chǎn)的LK－G10型激光位移傳感器對(duì)帶有無(wú)線電能傳輸?shù)某曚S削系統(tǒng)進(jìn)行振幅測(cè)量，結(jié)果如圖15所示。由圖15可知:銼削刀具輸出端面上的振幅為:16 μm，振型穩(wěn)定且呈周期變化。

4.2 加工特性測(cè)試

基于超聲速推進(jìn)器燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，利用本課題組研制的超聲輔助異形磨削、銼削系統(tǒng)分別進(jìn)行加工測(cè)試，并應(yīng)用日本浩視公司研制的SH4000M掃描電鏡和英國(guó)泰勒—霍普森公司研制的Talysurf CCI 6000白光干涉表面輪廓儀對(duì)構(gòu)件加工表面的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，如圖16、17所示。

由圖16可以看出:超聲磨削工件(圖16a)表面與超聲銼削工件(圖16b)表面的纖維束均以直接剪斷為主，但在超聲銼削工件(圖16b)表面上出現(xiàn)了纖維束撕裂現(xiàn)象。

由圖17可以看出:超聲銼削工件(圖17b)表面的粗糙度為70 μm;而超聲磨削工件(圖17a)表面的粗糙度為80 μm;超聲銼削工件表面形貌的平整性?xún)?yōu)于超聲磨削。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)分析超聲速推進(jìn)器燃燒室構(gòu)件中矩形凹槽的結(jié)構(gòu)特征及加工要求，并獲得了適應(yīng)于銼削加工的刀具的外形結(jié)構(gòu)特征。基于該刀具的外形結(jié)構(gòu)特征，提出一種新型的超聲輔助銼削加工系統(tǒng)。

(2)基于傳輸矩陣法，推導(dǎo)了超聲輔助銼削加工系統(tǒng)中多級(jí)變幅桿的頻率方程，并利用MATLAB軟件對(duì)該頻率方程進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)變幅桿的超聲振動(dòng)。

(3)基于薄板彎曲振動(dòng)原理，提出了帶有直槽的銼削刀具結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了銼削刀具的超聲振動(dòng)。

(4)通過(guò)對(duì)研制的超聲輔助銼削系統(tǒng)分別進(jìn)行有限元分析與振動(dòng)特性測(cè)試(即:阻抗測(cè)試、振幅測(cè)試)，結(jié)果顯示二者與理論分析結(jié)果較好的一致性，諧振頻率誤差在0.68%～1.75%。

(5)通過(guò)對(duì)燃燒室構(gòu)件分別進(jìn)行超聲磨削和超聲銼削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):超聲銼削可以提高工件表面平整性，但會(huì)使碳纖維束出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。