蜂窝复合材料超声切割力建模及工艺参数选择研究

针对Nomex蜂窝复合材料超声切割加工因缺乏系统化的理论指导以及工艺参数选择的盲目性而导致导致工件加工质量差的问题,对蜂窝复合材料直刃刀超声切割力以及工艺参数的选择进行了研究,基于刀具运动学特性分析建立了超声切割力与工艺参数的关系理论模型。基于该模型,研究了施加超声波振动能量后引起切割力变化情况,基于该模型,通过运用Matlab软件仿真分析,研究了工艺参数对超声切割力的影响规律。研究结果表明,与普通加工相比,采用超声复合切割蜂窝复合材料可以有效地降低切割力。刀尖角、刀刃面夹角对切割力的影响较为显著,其次是前倾角,刀具摆角对切割力的影响最小,该结果为工艺合理选择及进一步优化奠定了较好的理论基础。     

Nomex蜂窝夹芯结构超声直刃刀激光对刀研究

Nomex蜂窝夹芯结构超声数控切割对刀不同于传统数控加工对刀,除了需要获取刀具长度信息外,还需要获取直刃刀的零位角度信息。目测试切方法耗时、费力,且精度稳定性差,很难适应超声数控加工中对刀精度和效率的要求。为此提出一种基于平行激光遮挡理论的超声直刃刀激光对刀方法,建立了一维PSD获取超声直刃刀角度的测量计算模型,并研究了刀具截面刃宽不同对角度检测灵敏度的影响规律。在此基础上,开展了超声直刃刀激光对刀仪的总体方案以及软件模块设计,构建激光对刀仪实验系统并开展零位角度性能实验测试和分析。研究可为Nomex蜂窝夹芯结构超声切割对刀装备国产化提供借鉴。     

Nomex蜂窝芯超声加工工艺及编程技术研究

针对Nomex蜂窝芯复合材料特殊的结构及力学性能,从超声系统组成与加工原理出发,介绍了数控超声切割技术,分析了其独特的加工优势,重点对Nomex蜂窝芯蜂窝复合材料超声切割加工工艺展开研究,为Nomex蜂窝复合材料件加工工艺规划提供了参考,研究了超声切割Nomex蜂窝芯结构件数控编程技术的关键问题,通过对采用所制定的超声切割加工工艺对实际生产加工的现场数据进行收集分析,得出结论:与常规的数控机床加工Nomex蜂窝复合材料蜂窝芯相比,加工效率提升32%,产品合格率提升12%,基本无粉尘污染。     

直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯切削力分析

以直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯的简化模型为基础,建立基于脆性断裂力学理论的超声辅助切削动态力模型,并分情况讨论了刀具与材料间的相对运动关系。分析指出在不同振幅条件下,材料的切割破坏存在断续和连续两种形式,进而推导了切割过程中的切削力的理论公式。其中超声振幅、刀具前倾角、进给速度和超声频率等参数对材料切削力大小均有影响。在理论分析的基础上,开展了超声辅助切割Nomex蜂窝芯复合材料实验。试验结果表明,进给方向的超声振幅和刀具前倾角对切削力的影响较大：当进给方向的超声振幅从0到15 μm变化、刀具前倾角从15°到45°变化时,切削力均可降低70%~80%;进给速度和超声频率对于切削力影响较小：当进给速度从500到6000 mm/min变化12倍时,切削力仅变为1.5倍;超声频率35 kHz与15 kHz相比,切削力降低10%~30%。试验结果与理论分析结论一致。     

刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能影响分析

直刃尖刀是一种常用的切削Nomex蜂窝芯的超声切削刀具,其刀具参数直接影响着Nomex蜂窝芯的切削性能.基于ABAQUS有限元分析软件,建立了Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合分析的三维有限元模型.采用单因素法,研究刀具长度、刃角和厚度等参数对进给力和切削温度的影响.分析结果表明:在Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度均随着刀具长度的增大而减小,随着刀具厚度和刀具刃角的增大而增大.同时通过建立Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度的数学模型,分析刀具参数对进给力和切削温度的影响规律,验证了有限元分析结果的正确性.     

匕首刀超声切削Nomex蜂窝芯复合材料切削力预测模型构建

蜂窝芯复合材料是广泛应用于航空、航天等领域的高性价比材料,但其加工过程中常因加工参数等原因造成芯格撕裂、破损等缺陷。切削力是衡量匕首刀超声振动切削Nomex蜂窝芯材料加工质量的重要物理量,为进一步优化加工参数,通过排除芯带粘接及切削位置对切削力的影响,建立匕首刀切削力预测模型,分析了在不同切削深度、进给速度、刀具前倾角及刀具侧倾角下匕首刀切削力的变化规律。实验结果及分析表明,修正及优化后建立的预测模型拟合情况良好,可用于预测对应变量对切削力的影响。随着刀具倾角的减小,切削力减小,且相较于前倾角,侧倾角影响更大。     

蜂窝芯超声切削技术研究进展

蜂窝夹层构件因其密度低、比强度和比刚度高等特性，广泛应用于航空航天等领域。Nomex蜂窝和铝蜂窝是广泛采用的蜂窝材料，但由于其薄壁、多孔等结构特征，在加工中容易出现撕裂和毛刺等问题。超声切削技术具有减小切削力、改善加工表面质量和提高加工效率等特点，作为解决蜂窝材料难加工问题的关键方法，近年来受到了国内外广泛关注。围绕刀具运动学和切削力模型、切削仿真、加工表面形貌与面形精度分析、加工轨迹规划方法和超声加工系统研制等方面，总结了蜂窝材料超声切削机理与工艺、超声切削系统与装备的研究现状，并对蜂窝材料超声切削技术的发展趋势与未来研究重点进行展望。     

超声切割铝蜂窝试验研究

超声切割技术作为快速发展的加工工艺,越来越广泛地应用于复合材料的加工,尤其是以纸蜂窝材料为代表的弱刚度复合材料。开展了超声切割铝蜂窝试验研究,通过分析不同振幅、不同进给速度下的切割力、超声切割后蜂窝工件的宏观和微观形貌,验证了超声切割铝蜂窝的可行性和优势。试验结果显示,超声切割后蜂窝宏观结构无明显破坏,无明显毛刺毛边产生,提高超声振幅和进给速度可以改善蜂窝切割后微观表面形貌;刀具的超声振动可以显著减小切割力,且在相同进给速度下随着超声振幅的提高,切割力变小;在相同超声振幅下随着进给速度的提高,切割力变大,但变化幅度较小。通过对超声切割铝蜂窝过程的受力分析,讨论了超声振幅、进给速度的变化对切割力的影响规律,并与试验结果进行对比,从理论上分析了造成超声切割力规律性变化的内在原因。     

基于蜂窝芯圆盘刀切削齿的系统稳定性研究

从圆盘刀超声振动切削Nomex蜂窝芯加工原理出发,将圆盘刀超声加工系统简化成双自由度弹簧-质量-阻尼系统并建立了圆盘刀超声振动动力学模型,推导了圆盘刀加工系统临界稳定成立的条件式。在理论分析的基础上,基于MATLAB/SIMULINK搭建了圆盘刀系统动力学仿真模型,并开展了颤振仿真试验,研究得出了切削齿数对系统稳定性的影响规律:在低转速范围内,随着刀具切削齿数量逐渐增大时,加工系统稳定性逐渐降低;在高转速范围内,加工系统的稳定性随着刀具切削齿数量的增大反而逐渐增强。采用控制变量法在转速为1 500 r/min等加工条件下通过使用所设计的3种不同齿数的圆盘刀现场加工Nomex蜂窝芯得到的零件表面质量对比分析表明,大齿数Z=36的圆盘刀加工得出的零件表面质量更高,系统稳定性更好,与仿真结果一致,从而很好地验证了已建立的超声振动动力学模型与稳定性条件式。     

硬脆材料孔加工出口破损形成机理

为研究BK7玻璃孔加工过程中出口破损的形成机理,本文在对破损形貌进行显微观测的基础上,基于断裂力学理论,分析了工件加工面所受载荷随裂纹扩展过程的演变规律及其对出口破损形成过程的影响;采用光滑质点流体动力学法对出口破损的形成过程进行了数值模拟,研究了出口破损的形成机理。结果表明:出口破损可分为初始裂纹区及扩展裂纹区,挤压载荷和弯矩的耦合作用驱使初始裂纹沿圆周方向扩展,显著增加了裂纹的倾斜角度和破损宽度,导致破损表面产生大量散射状条纹;借助光滑质点流体动力学法实现了对出口破损形成及脱落过程的数值模拟,发现初始裂纹贯穿整个未穿透厚度,刀具的瞬时切削力减小了78%;并且随着裂纹间歇性地沿圆周方向扩展,刀具切削力呈现出剧烈的周期性波动特征。     

蜂窝材料超声波切割声学系统研究

根据超声波加工原理,设计了一种新型Nomex蜂窝材料数控超声波切割主轴。采用四端网格法对变幅杆进行了有限元分析和位移节点修正。建立了超声波切割声学系统有限元模型,并进行了模态分析。从振型图可以看出变幅杆法兰盘处位移变化较小,输出端振幅较大。利用激光位移传感器测量了刀具的振动位移,圆形刀振幅a=22.37μm,满足加工要求。利用超声波切割主轴对Nomex蜂窝材料进行了大量切割实验,取得了加工表面平整光滑、加工精度高、切削过程中没有粉尘污染等显著效果。     

NOMEX蜂窝复合材料超声切削锯齿圆盘铣刀动力学分析

针对圆盘铣刀超声切削过程中出现易碎及抱死等问题展开分析,提出一种用于Nomex蜂窝复合材料超声切削加工的新型锯齿圆盘铣刀。为了保证新型刀具满足生产使用要求,对新型锯齿圆盘铣刀展开分析,推导建立了锯齿圆盘铣刀的动力学模型;应用有限元软件ABAQUS对锯齿圆盘铣刀进行模态分析,验证了锯齿圆盘铣刀结构设计的合理性,为刀具的进一步发展研究提供参数支持。结果表明:锯齿圆盘铣刀第十二阶振型理想,振动稳定,振幅分布有规律,楔角θ=12°为锯齿圆盘铣刀结构的最优选择,符合超声切削加工对刀具的要求。     

金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面 粗糙度预测*

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以SiC单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割SiC是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。     

Effects of inclination angles of disc cutter on machining quality of Nomex honeycomb core in ultrasonic cutting

Frontiers of Mechanical Engineering - Ultrasonic cutting with a disc cutter is an advanced machining method for the high-quality processing of Nomex honeycomb core. The machining quality is...     

Nomex蜂窝芯直刃尖刀超声切割表面微观形貌特征

Nomex蜂窝芯是典型的难加工材料,具有高比强度,比刚度及各向异性的特点。超声辅助切割是蜂窝芯复合材料的一种高效加工方法,可以得到比高速铣削更好的加工质量。但是在超声切割加工过程中依然会存在不同程度的纤维拔出,酚醛清漆层剥落等加工缺陷特征。为了研究其微观形貌特征,采用纵切,斜切,横切三种方式切割蜂窝芯,并对蜂窝芯的加工形貌进行观测。根据微观形貌在蜂窝芯壁上的位置,分别归纳为酚醛清漆层、热压芳纶纸层和蜂窝壁的形貌。研究超声刀具加工参数对材料破损形貌特征的影响。结果表明在10 μm到30 μm范围内提高超声刀具振幅,在500 mm/min到3 500 mm/min范围内降低进给时会降低蜂窝芯加工过程中的酚醛清漆层剥落的几率。     

超声切削过程冲击接触特性的研究

超声切削过程中刀具与工件产生动力冲击,接触过程是非线性的.针对这种非线性冲击接触现象,分析超声振动切削动态冲击接触特征,从理论上推导出这个过程的动态接触力和位移模型.基于该模型提出动态和稳态位移、力的概念,由此分析动态位移、力和稳态位移、力对工件作用的不同效果.根据接触过程不同能量对工件作用的不同,揭示超声切削提高刚度和降低切削力的工艺实质.针对金属材料,利用标准机夹刀具在恒进给状态下,进行切削加工实验.实验结果表明理论模型与实际结果一致,证明超声切削过程存在静态和动态力两种作用.     

基于刀具跳动的环形铣刀切削厚度模型的切削力计算

数控铣削过程中,切削变形引起的瞬时切削厚度是影响铣削加工切削力建模的重要参数之一,针对环形铣刀的切削特点,在考虑刀具跳动的情况下,对真实刀刃轨迹运动进行分析。将微细铣削的加工过程用宏观铣削来表示,从而建立了基于宏观铣削过程中刀具跳动下精密加工的瞬时切削厚度。通过仿真模拟和切削力试验来预测切削力,预测结果和试验结果具有一致性,表明该模型可以更好的预测加工过程中的切削力。     

SiCp/Al复合材料加工边缘断裂特性分析

应用线弹性断裂力学有限元法计算了SiCp/Al复合材料加工边缘的应力强度因子,定量地表征了工件边缘材料的断裂特性。建立了棱边缺陷形成的力学模型和数学模型。根据断口微观结构特征得出:裂纹的萌生扩展是棱边缺陷形成的主要原因。统计分析了棱边缺陷体积与切削力的二次回归数学模型,获得了棱边缺陷体积随切削力的增加呈非线性单调递增的特性。