超声振动铣削碳纤维复合材料铣削力及实验研究

郑春龙

（意大利倍珞蒂机床上海分公司，上海 201906）

超声波具有极高的能量，超声振动就是由超声波发生器定向发送特定频率的超声波，在换能器的作用下，将蕴含能量的高频电振荡信号转化为超声频机械振动，进而达到加工目的。现阶段，超声振动加工已经在工业、制造业等领域有着较为成熟度运用。碳纤维复合材料的加工一直是限制该材料推广应用的重要因素，将超声振动铣削技术应用到碳纤维复合材料的加工中，将有助于实现加工效率、加工质量的同步提升。在这一背景下，探究影响超声振动铣削力的因素，进而优化铣削加工方案成为一项热门研究课题。

1.超声振动铣削碳纤维复合材料铣削力的力学模型

基于超声振动原理的碳纤维复合材料铣削，刀具和工件在一个切削周期内完成一次切、离动作，周而复始。在时切时离的过程中，将切削力转化为脉冲波形。刀具与工件接触、摩擦时产生的热量，随着脉冲连续放出，整个切削长度被均匀分割成若干小段，每一个小段即为一次瞬时高速切削。相比于传统的机械切削，超声振动切削不仅效力更高，而且工件不容易出现分层、裂缝，刀具不容易发生磨损[1]。

2.超声振动铣削碳纤维复合材料铣削力的实验分析

2.1 实验准备

选择一台立式数控铣床进行实验，工作台尺寸600mm×400mm，自带直径为12mm的PCD铣刀，铣削方式为顺铣。另外还配备了超声波发生器、三向测试仪等仪器。工件材料选择厚度为5mm的碳纤维复合材料。

2.2 实验方案

现场组装实验装置，在工作台上水平放置三向测力仪。将该仪器与电荷放大器连接，测得数据仅放大后收集到数据采集装置中，最后由计算机进行数据分析。在三向测力仪上方，分别放置三维超声工装和碳纤维复合材料工件。调节变幅杆，使铣刀下压，正好对准工件的铣削点。实验装置准备完毕后，分别使用普通铣削，二维、三维超声振动铣削等方式，对工件进行铣削加工，探究不同加工方式对同一类工件铣削力的影响，以及同一类工件选择不同铣削参数下铣削力的变化。实验操作中，将超声波发生器电源全部关闭，即可进行普通铣削；关闭一个电源，可进行二维超声振动铣削；电源全部打开，则进行三维超声振动铣削[2]。

2.3 结果分析

2.3.1 铣削速度对铣削力的影响

铣削速度即刀具的转动速度，是影响铣削力的一个关键指标。普通铣削、二维及三维超声振动铣削方式下，不同切削速度与铣削力的关系如表1所示。

表1 3种铣削方式下不同铣削速度对铣削力的影响

根据表1可知，同一切削速度下，3种加工方式铣削力的值从大到小依次是普通铣削、二维超声振动铣削、三维超声振动铣削。以切削速度为100m/min为例，普通铣削X轴的铣削力为30.3N，二维超声振动铣削X轴的铣削力为19.3N，三维超声振动铣削X轴的铣削力为15.1N。另外可以发现，超声振动铣削的铣削力，要明显低于普通铣削；而二维和三维模式下的超声振动铣削，铣削力虽然有差距，但是并不明显。

在同一铣削模式下，随着切削速度的增加，铣削力呈现出降低的趋势。以三维超声振动铣削为例，在X轴上，当切削速度为75m/min时，铣削力为16.7N；增加切削速度，当达到100m/min时，X轴铣削力降低为15.8N；继续增加至150m/min，X轴铣削力降低为15.1N。分析认为，随着刀具转速的增加，工件表面破碎率也随之上升。这种情况下刀具与工件之间摩擦面积有一定程度的减少，摩擦力降低后，导致切削力降低。

2.3.2 进给量对铣削力的影响

每齿进给量也是决定铣削力的一个关键指标。通过调整进给量，测得3种铣削方式下铣削力的变化情况，其结果如表2所示。

表2 没齿进给量对铣削力的影响

结合表2可知，同一种加工方式下，随着进给量的增加，铣削力也随之变大。以二维超声振动铣削为例，在进给量为0.004mm/z时，X轴上的铣削力为22.4N；随着进给量的增加，达到0.006mm/z时，X轴上的铣削力增加至25.1N；进给量为0.008mm/z时，铣削力为27.7N。普通铣削和三维超声振动铣削也遵循这一规律。另外对比可以发现，在进给量相同的情况下，三维超声振动铣削的铣削力要明显低于另外2种加工模式。以进给量为0.008mm/z为例，三维超声振动的X轴铣削力仅为13.5N，而普通铣削为36.1N，二维超声振动铣削为27.7N[3]。

3.结语

通过上述实验数据，在碳纤维复合材料加工中，选择超声振动铣削，刀具所受铣削力要明显低于普通铣削。在超声振动铣削中，三维铣削的铣削力低于二维铣削。另外，切削速度和进给量是影响铣削力的两项关键指标，切削速度与铣削力呈反比，进给量与切削力呈正比。因此，在碳纤维复合材料的加工中，优先考虑使用三维超声振动铣削，并适当增大切削速度，严格控制进给量，可以使铣削力保持在较小状态，有利于避免工件出现缺陷，达到减弱刀具磨损的效果。