超声辅助车削技术与普通车削技术的对比分析

2010-02-13杨海强

装备制造技术 2010年4期

杨海强

(罗姆半导体(中国)有限公司，天津300385)

碳/碳复合材料是以碳为基体、碳纤维增强的复合材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和膨胀系数小等一系列优异性能，既可作为结构材料承载重荷，又可作为功能材料发挥作用。随着我国高科技事业的发展，越来越多的大型构件需要进行机械加工，甚至精密加工，但由于碳/碳复合材料存在以上特点，属于典型的难加工材料，在传统的碳纤维复合材料加工过程中，易产生分层、撕裂、毛刺、拉丝等缺陷，导致工件加工表面粗糙度较大，尺寸控制比较困难，甚至工件报废。因此如何进行高精密度、高效率、低刀具磨损、高质量、低成本的加工碳/碳复合材料，已经成为一个迫切需要解决的问题。

1 超声辅助车削技术的设计与组成

超声辅助车削设备，一般包括超声波发生器、超声振动系统、机床本体与超声辅助车削系统4个部分。

1.1 超声波发生器

超声波发生器亦称为超声电源或超声频率发生器，其作用是将220V/50Hz的交流电转变为一定功率的超声频电振荡信号，以提供工具往复运动和切削工件所需的能量。它主要由振荡级、电压放大级、功率放大级和电源部分组成。其中，振荡级是超声发生器的核心。振荡级由电子管或者三极晶体管结成电感反馈振荡电路，调节电容量可改变振荡频率，即可调节输出的超声频率。振荡级的输出经耦合至电压放大级进行放大后，利用变压器倒相输送带末级功率放大管(功率放大管有时用多管并联推挽输出)，经输出变压器输至换能器。

1.2 超声振动系统

超声振动系统主要包括换能器、变幅杆和刀具，其作用是将由发生器输出的高频振荡电信号转变为机械振动，并通过变幅杆使刀具作小振幅的高频振动，以进行超声辅助车削加工。其中换能器就是进行能量转换的器件。在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。超声辅助加工中，换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，是超声设备的关键部件之一。超声换能器的种类很多，按照能量转换的机理和利用的换能材料，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器、机械型换能器等。按照换能器的振动模式，可分为纵向振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、一扭复合以及纵一弯复合振动模式换能器等。在众多的超声换能器类型中，使用较多的是压电式和磁致伸缩换能器。

1.3 机床本体

本试验系统利用大连第二机床厂设计制造的CKA6780型数控卧式车床，在该机床的刀架上安装超声振动系统，利用原有的数控系统及工作台来实现超声辅助车削的数字控制。其特点如下：主轴转速高，整机质量稳定；主轴通孔直径大，通过棒料能力强使用范围广；机床操纵箱独立放置，可纵向滑移，便于操作者就近对刀；机床的外观防护采用流线型设计美观，防水，防屑，维护方便。

1.4 超声辅助车削系统

由于超声波通过不同介质时，会在界面发生波速突变，产生波的反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗，介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时能量的反射率愈高。当超声波从液体或固体传入空气或者相反从空气传入液体或固体的情况下，反射率都接近100%，此外空气有可压缩性，更阻碍了超声波的传播，所以安装过程中整个超声振动系统的联接部分应接触紧密，在换能器与变幅杆、变幅杆与刀具的联接处均涂以凡士林油，保证不存在空气间隙，以免超声波传递过程中损失能量。

2 与普通车削技术的对比

2.1 表面质量评定参数

碳/碳复合材料属于非均质材料，具有明显的各向异性，其切削表面在切削热和切削力的作用下，会出现一些特殊的表面形貌特征，而这些又都是分布在表面的一些局部信息，通过二维轮廓是不能表达清楚的，而三维参数取点于整个区域，能比较全面和真实的反应其切削表面质量。针对碳/碳复合材料，选择合适的评定方法及评定参数，可使切削表面粗糙度的评定更加真实可靠，从而可以更好地反映其表面加工质量。目前，国内外学者已开始探寻三维评定参数，尽管三维评定标准尚未建立，但其中一些评定参数如Sa、Sq等对复合材料的表面评价，较传统二维评价参数Ra显得更加先进和实用。采用Sa进行评价时，在采样区域内测量了较多的点，而Ra则只能是取某几条轮廓，或将其转化为二维轮廓包络线后计算，Ra所测量的点较少，因而Sa比Ra反映表面微观形貌的信息更真实、更准确。从表中Sq的计算公式还可以看出，Sq是高度偏差的平方加权，也就是说此参数对偏离平均平面较大的取样点比Sa会更敏感。

2.2 切削力对比试验

我们经不同刀具对碳/碳复合材料加工后工件表面质量的对比试验，选定了PCD刀具，分别在超声辅助车削和普通车削下，对碳/碳复合材料进行切削加工，然后利用压电三向测力平台，分别测量记录各自加工过程中的主切削力Fc、进给力Ff和背向力Fp。同表面质量对比试验类似，进行测力试验时，在切削速度、切削深度和进给量相同的前提下，对工件第一段进行超声辅助车削，到第二段后关闭超声发生器电源进行普通车削，保证加工时材料层次相同。结果分析得到，前半段超声辅助车削时切削力F0，平均约为16 N；关闭超声后普通车削时切削力Fc，平均约为24 N，超声辅助车削相对于普通车削，切削力F0能够减小33.33%。超声辅助车削时进给力Fn平均约为13 N，关闭超声后普通车削时进给力Fn平均约为19 N，故超声辅助车削相对于普通车削进给力Ff减小31.58%。

2.3 切削温度对比试验

用PCD刀具，我们设定车削开始前室温为19℃。相同条件下普通车削时刀尖温度迅速由室温19℃上升到47℃左右，升幅为28℃；超声辅助车削时由于系统自身的谐振会产生一定的热量，故加工前刀尖温度为32℃左右，开始切削后刀尖温度迅速上升到52℃，升幅20℃。对普通车削与超声辅助车削导致的刀尖温升进行对比可发现，振动切削下温升能够减小8℃，相对于普通车削温升28℃能够改善28.57%，这足以说明超声辅助车削，能够有效地减小切削热。之所以会出现附加超声振动后温度高于普通车削的现象，主要是由于本试验加工参数较小，属于精密加工，导致产生的切削热相对较少。

2.4 刀具磨损对比

刀具磨损后，工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。我们同样选定PCD刀具，分别在超声辅助车削和普通车削下对碳/碳复合材料进行切削加工，并且加工长度均约为1 500 m，然后对比同等切削条件下，分别进行超声辅助车削与普通车削后PCD刀具的磨损程度，结果显示PCD刀具经1 500 m普通车削后，后刀面磨损长度为645.24 mm，而经1 500 m超声辅助车削后的后刀面磨损长度仅为470.43 mm，超声辅助车削对于刀具后刀面的磨损量，相对于普通车削可减少27.09%。另外，还可看出，PCD刀具经1 500 m超声辅助车削后，所导致的边界磨损要明显小于经1 500 m普通车削所导致的边界磨损。