一种碳纤维复合材料的超声辅助复合加工方法与流程

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种碳纤维复合材料的超声辅助复合加工方法。

背景技术：

碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的含碳量高于90％的无机高性能纤维，是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。广泛的应用在火箭、宇航及航空等尖端科学技术领域，随着航天航空领域的蓬勃发展，新技术新材料的不断更迭，碳纤维复合材料在航空航天领域的应用越发广泛。

然而，随着碳纤维复合材料用量的不断扩大，机械加工工作越来越多，作为难加工材料之一的碳纤维复合材料，在机械加工过程中由于切屑均为细小粉末，易造成刀具磨损加剧，且由于其材料的特殊性，加工后的表面易出现分层、翻边及脱丝等现象。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料的超声辅助复合加工方法，将传统机械切削与超声振动结合形成的一种新型复合加工方法，该工艺的超声振动通过定制的刀柄实现，可以有效的减小切削力，规避加工缺陷，提高刀具寿命。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料的超声辅助复合加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)安装刀具：将切削刀具安装在超声辅助加工刀柄上，刀具悬长范围为36.5mm～38.5mm，控制刀具的振幅为0.01-0.1mm；

(2)安装超声电源：将超声辅助加工刀柄安装在机床上，并接上超声电源，所述超声电源具备负反馈调节功能；

(3)超声电源扫频：调试超声电源参数，然后打开超声电源，超声电源进入扫频阶段，超声电源输入220v，50hz的工频电流后，通过调压整流、高频逆变后输出20～40khz频率的电流至超声换能器，超声换能器产生相应频率的机械振动，并通过变幅杆将机械振动的幅度放大，机械振动再通过变幅杆传递至刀具和碳纤维复合材料加工表面；

(4)机械切削：超声辅助振动完毕后，刀具进入稳定工作状态，在刀具的进给速度为300-400mm/min，刀具的转速为3000-5000r/min时，进行切削加工；

本发明通过将传统机械切削与超声振动结合在一起对碳纤维复合材料进行切削，有效的减小切削力，提高刀具寿命。

首先，通过设置适当的刀具悬长范围既可以满足本申请需要加工的碳纤维复合材料的工艺需求，又可以满足刀具的固有频率落在可实现的范围。本申请的悬长值范围与单纯机械加工的悬长值范围明显不同，传统机械加工悬长值只出于加工考虑，即只要能满足加工要求即可，对刀具的悬长没有特别要求，但是在超声辅助加工工艺中，刀具的悬长不同，刀具的谐振频率，也就是固有频率会有较大变化，在振动传递的过程中，如果激振频率(即传入的频率)与被激振物体的固有频率相差较大，那么振动的传递效果就会很差，振动能量会大量转变为热能，影响超声辅助加工的正常进行。例如，悬长值过短，就会造成刀具的固有频率过高，难以向刀具输入相应的振动频率，从而造成振动的传递效果变差，影响超声辅助加工的正常进行。如果悬长值过长或过短，就会发热严重，无法正常使用。

其次，本申请所用刀具的振幅控制在0.01mm-0.1mm之间，可以有效降低切削力。本申请可以通过如下方式进行刀具的振幅控制：采用激光测振仪对刀具的振幅进行测试，当刀具按照一定的悬长值安装在超声辅助刀柄上，安装好后，开启超声电源，超声电源通过调压整流、高频逆变后输出超声信号传递至超声换能器，超声换能器产生相应频率的机械振动，并通过变幅杆将机械振动的幅度放大，机械振动再通过变幅杆传递至刀具，当刀具振动稳定后，激光测振仪发射一束激光至刀具，刀具反射激光至激光测振仪，根据反射激光的情况，仪器可以测算出刀具的振幅。当振幅不在控制范围内时，可以通过调节变幅杆调节刀具的振幅。如果振幅过小或者过大，超声辅助无法进行正常工作。

再次，本申请安装的超声电源具备负反馈调节功能，能够进行实时的频率跟踪，保证超声电源的输出频率始终与变幅杆的谐振频率保持一致，避免了由于温度变化或者磨损等原因造成的变幅杆谐振频率漂移，与超声电源输入频率不一致影响能量传递效率。同时，在更换刀具后，能够进行自动扫频，调节电源输出频率至合适的值，确保刀具能够迅速进入稳定工作状态。

最后，由于采用超声辅助加工工艺，因此超声辅助加工工艺的切削机理发生了改变，提高进给速度，可以提高加工效率，但是由于碳纤维复合材料的加工周期普遍较短，提升加工效率节省的绝对加工时间较少，同时进给速度过快易导致分层、撕裂等缺陷，同时还会降低刀具的寿命。此外，刀具的转速越高，发热越严重，高温可能会导致碳纤维复合材料的树脂老化，严重影响碳纤维复合材料的质量，但是高转速可以提高切削表面的光洁度。因此，以传统的切削参数来使用超声辅助加工技术，不能有效的发挥其特性，本申请摸索出了与超声辅助切削技术匹配程度较好的一组参数范围，即刀具的进给速度为300-400mm/min，刀具的转速为3000-5000r/min时，在此切削参数范围下，在保证加工效率的前提下，刀具寿命获得了显著地提升，切削长度明显增长，表面质量获得了明显的改善。

优选的，所述步骤1中的所述刀具选用部分刃型的刀具。

采用上述优选方案，由于碳纤维复合材料的特性，因此刀具要选用适用于较低转速的刃型，一般选用部分刃型的刀具加工。刀具的刃型对刀具的转速有限制，而有的刃型的刀具，要求具有很高的转速，才能对碳纤维复合材料进行加工，而转速太高，影响超声辅助加工的能量传递，过高的转速会导致超声辅助加工失败。

优选的，所述步骤1中的所述刀具选用鱼鳞刃型刀具。

采用上述优选方案，鱼鳞刃型刀具能更好的发挥超声振动的辅助加工特性。

优选的，所述步骤1中的所述刀具选用不带锥度增强的刀具。

采用上述优选方案，由于刀具质量过大，功率要求就高，同时产生的振幅小，超声辅助加工效果很低。因此选用不带锥度增强的刀具。

优选的，所述步骤1中的所述刀具选用金刚石涂层的刀具。

采用上述优选方案，采用金刚石涂层，刀具比较耐磨。

优选的，所述步骤1中的所述悬长值为37.5mm。

采用上述优选方案，当悬长值为37.5mm时，刀具的固有频率与向刀具输入的振动频率一致，从而使得振动的传递效果最优，加工效果最佳。

优选的，所述步骤1中的所述振幅为0.022mm。

采用上述优选方案，当刀具的振幅为0.022mm时，在加工碳纤维复合材料时能取得较优的加工效果。

优选的，所述步骤3中所述的机械振动方向为垂直于加工表面的轴向振动。

采用上述优选方案，采用垂直于加工表面的轴向振动，避免超声振动对机械加工精度产生影响。

优选的，所述步骤4中所述刀具的进给速度为300mm/mim，所述刀具的转速为5000r/min。

采用上述优选方案，在刀具的进给速度为300mm/mim，所述刀具的转速为5000r/min。同种刀具铣削长度可由常规铣削的8m提升到超声辅助加工的12m。

附图说明

图1常规加工的切削力测试图

图2超声波辅助加工的切削力测试图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

(1)安装刀具：将鱼鳞刃型切削刀具安装在超声辅助加工刀柄上，将鱼鳞刃型刀具悬长36.5mm，控制刀具的振幅为0.01mm；

(2)安装超声电源：将超声辅助加工刀柄安装在机床上，并接上超声电源，所述超声电源具备负反馈调节功能；

(3)超声电源扫频：调试超声电源参数，然后打开超声电源，超声电源进入扫频阶段，超声电源输入220v，50hz的工频电流后，通过调压整流、高频逆变后输出20khz频率的电流至超声换能器，超声换能器产生相应频率的机械振动，并通过变幅杆将机械振动的幅度放大，机械振动再通过变幅杆传递至鱼鳞刃型刀具和碳纤维复合材料加工表面；

(4)机械切削：超声辅助振动完毕后，在鱼鳞刃型刀具的进给速度300mm/min，鱼鳞刃型刀具转速为3000r/min时，进行切削加工。

实施例2

(1)安装刀具：将不带锥度增强的切削刀具安装在超声辅助加工刀柄上，将不带锥度增强的刀具悬长38.5mm，控制刀具的振幅为0.1mm；

(2)安装超声电源：将超声辅助加工刀柄安装在机床上，并接上超声电源，所述超声电源具备负反馈调节功能；

(3)超声电源扫频：调试超声电源参数，然后打开超声电源，超声电源进入扫频阶段，超声电源输入220v，50hz的工频电流后，通过调压整流、高频逆变后输出40khz频率的电流至超声换能器，超声换能器产生相应频率的机械振动，并通过变幅杆将机械振动的幅度放大，机械振动再通过变幅杆传递至刀具和碳纤维复合材料加工表面；

(4)机械切削：超声辅助振动完毕后，在不带锥度增强的刀具的进给速度400mm/min，不带锥度增强的刀具转速为5000r/min时，进行切削加工。

实施例3

(1)安装刀具：将金刚石涂层的刀具安装在超声辅助加工刀柄上，将金刚石涂层的刀具悬长37.5mm，控制刀具的振幅为0.022mm；

(2)安装超声电源：将超声辅助加工刀柄安装在机床上，并接上超声电源，所述超声电源具有具备负反馈调节功能；

(3)超声电源扫频：调试超声电源参数，然后打开超声电源，超声电源进入扫频阶段，超声电源输入220v，50hz的工频电流后，通过调压整流、高频逆变后输出20khz频率的电流至超声换能器，超声换能器产生相应频率的机械振动，并通过变幅杆将机械振动的幅度放大，机械振动再通过变幅杆传递至刀具和碳纤维复合材料加工表面；

(4)机械切削：超声辅助振动完毕后，在金刚石涂层的刀具进给速度300mm/min，金刚石涂层的刀具转速为5000r/min时，进行切削加工。

二、切削力控制水平的测试与分析

1.切削力的测试

1.1测试仪器：kistler测力仪

1.2测试实验：首先，将kistler测力仪与电脑连接后，打开测试软件，调试；其次，将碳纤维复合材料零件置于kistler测力仪的工作平台上；再次，分别采用常规加工和超声波辅助加工对碳纤维复合材料零件进行切削；最后，通过kistler测力仪工作台上的传感器获得的力数据传递至kistler测力仪转变成电信号传递至电脑中与kistler测力仪配套的软件将传感器测得的数据进行处理，得切削力的测试图。

2.结果与分析

切削力的测试图如图1，图2所示，由于本发明的走刀方式为y向直线进给，切削力构成主要为灰色部分的轴向力fz和黑色部分的径向力fy，从图1，图2中可以看出常规加工和超声波辅助加工在灰色部分的轴向力fz变化不大，而在黑色部分的径向力fy变化比较明显，如图1所示，常规加工的黑色部分的径向力fy峰值部分可以达到1500n以上，而图2中，超声波辅助加工的黑色部分的径向力fy的峰值部分在y+方向为1000n以内，在y-方向有仅有一小部分达到了1000n以上，1500n以下。因此，采用超声波辅助加工的切削力明显小于采用常规加工的切削力，本发明采用超声辅助加工的切削力降低了近30％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。