超声振动在碳纤维复合材料中的应用

超声振动在碳纤维复合材料中的应用

0超声振动切削加工c红p的研究进展

碳碳复合材料(rcrc)是一种以碳为增强材料，以树脂为基本材料的材料。

超声振动切削加工技术是近几年新兴的先进制造技术之一，国内外有关研究机构已经展开

了超声振动切削加工CFRF的技术研究，超声振动切削加工具有切削力小、刀具磨损个、

加工质量好等优点，尤其适用于加工硬脆性难加工材料。本文针对CFRP切削加工中存在

分层、撕裂、翻边、毛刺等加工缺陷，以及加工精度低、加工难度大的特点，进行超声振

动加工CFRP的试验研究，通过系统的超声振动试验，提高加工精度和效率。

1材料及表面分析

超声加工工艺系统如图1所示，其中超声振动系统由超声波发生器、变频电源、超声头、

滑环及电刷组成，超声振动频率＞20kHz,刀头振幅5~20um;工件材料为T300碳

纤维复合材料。

碳纤维加工表面粗糙度和表面轮廓的分析采用TaylorHobson表面轮廓仪；表面形貌及加

工缺陷的检测分析采用超景深三维显微系统。试验针对航天产品中复合材料常用的表面铳

削、轮廓铳削及钻孔加工等工艺特点进行设计，采用单因素试验及正交试验，分析影响碳

纤维超声振动加工的主要影响因素。

2纤维材料的超声波振动加工试验

2.1超声振动表面粗糙度试验

采用单因素试验法进行试验，研究铳削三要素对表面粗糙度的影响规律。单因素试验中通

过分别改变切削速度V、切削进给速度f、切削深度a

2.1.1超声加工表面粗糙度随切削速度的变化

如图2所示为切削速度对碳纤维超声加工表面粗糙度的影响规律，根据前期基础工艺试验

数据，n为800~2600r/min,对应v为20.1~65.3m/min,此时f=100mm/min,

a

从图2可以看出，超声加工表面粗糙度值随切削速度的增大总体呈下降趋势，当切削速度

为50.3m/min时达到最优值Ra=0.948um。因正交切削的参数是通过单因素试验中

的参数进行优选得到的，表面粗糙度Ra值基本上稳定在0.9~2.0um。超声振动切削

加工可以在较低的切削速费下取得较好的表面加工质量，常规切削加工碳纤维的切削速度

在100m/min以上才能达到超声加工的质量效果，这与超声振动加工的切削机理有关，

超声振动通过高频振动不断冲击、挤压被加工材料，具有切削行程短、切削量均匀、散热

条件好、切屑容易排出、刀具磨损小等优点，可在较低切削速度下取得较好的表面粗糙度。

2.1.2超声加工表面粗糙度单因素试验

如图3所示为切削进给速度对碳纤维超声加工表面粗糙度的影响规律，切削进给速度f=

60~240mm/min,取主轴转速n=2000r/min,对应切削速度v=50.3m/min,

切削深度a

从图中可以看出，在试验参数范围内，超声加工表面粗糙度值先随切削进给速度的增大而

减小，当切削进给速度为140mm/min时达到最优值Ra=0.825Um,但此后随着进给速

度的增大，表面粗糙度值逐渐增大。常规铳削加工中，进给速度是铳削创成表面粗糙度过

程的最重要影响因素，进洽速度、铳削方式和刀尖圆弧半径是影响理论表面粗糙度的主要

因素。超声切削加工则完全不同，因超声频率较高，且超声为断续切削加工，宏观上仍然

像常规铳削加工一样遵循刀具运行的轨迹，这个轨迹是形成常规铳削加工理论表面粗糙度

的几何依据，但在微观上，则是由超声的振动切削加工，高频进退刀以及机床、刀具、材

料等其他因素最终形成了试验加工的表面粗糙度。

如图4所示为切削深度对碳纤维超声加工表面粗糙度的影响规律，a

从图4可以看出，超声加工表面粗糙度值大体上随切削深度的增大而增加。这是因为切削

深度的增加使切削力增加羽显，切削能急剧增加，超声变幅杆受压电换能器的影响，额定

功率较低，当切削力较大时，会影响超声变幅杆的刚性和振动特性，使超声加工的切削状

态发生变化，导致切削过程失稳，从而引起表面粗糙度值增大。

通过上述单因素试验，选我超声加工正交切削试验的切削参数，确定试验因素和水平，可

得3个因素即切削速度（XI）、切削进给速度（X2）、切削深度（X3）的因素水平编

码表如表1所示。

根据对正交试验结果进行极差分析，得到超声铳削加工表面粗糙度的三个影响因素切削速

度、进给速度、切削深度对粗糙度大小影响程度依次为：切削深度》进给速度〉切削速度,

同时得到本次试验中最优解的组合为A3B3c3,即切削速度为60.3m/min;进给速度为

180mm/min;切深为0.4nmu

2.2超声切削加工工艺缺陷的分析

试验对碳纤维超声加工中存在的加工缺陷进行了分类整理，并结合切削工艺参数进行了对

比分析，论述了缺陷产生的机理，提出了改进的工艺方法。试验选用参数范围如表3所示。

碳纤维的已加工表面的形成过程与均质金属材料有很大的不同。此外，基体和增强纤维的

物理、化学性能差别很大：加工过程中表面加工质量不但受两种材料的特性影响，而且与

增强纤维的取向有很大关系。增强纤维的取向和切削加工方向的关系即纤维方向角是影响

加工质量的重要因素。试验结果表明，超声切削加工后并不能避免常规切削加工中经常出

现的抽丝拉毛、纤维束开裂、交接裂纹、分层塌边等工艺缺陷，但能大大减少缺陷出现的

概率。如图5为试验中检测到的纤维束抽丝、拉毛、开裂等工艺缺陷。

试验所用材料为T300纤维束铺层的复合材料，从图5可以清晰地看出纤维束单层铺层以

后再叠加基体材料最终形成平行的铺层结构，在这种单层铺层的碳纤维复合材料结构中，

纤维束出现的加工缺陷几乎不可避免，加工中可以尽量控制切削深度，让切削层位于基体

厚度范围内，避免处于纤维束厚度范围内，能显著避免上述加工缺陷。图6为调整切削深

度，使其位于基体厚度范围内的样件无缺陷和有缺陷的加工质量对比。

2.3发展优势加工用刀具

通过碳纤维复合材料的超声振动钻削试验，针对不同厚度的编织碳纤维复合材料板，钻削

了中4mm、（D6mm、68mm、①10mm四种规格的孔，采用三维超景深显微系统进行孔加

工质量的检测，定性研究了碳纤维超声振动钻削的有关工艺现象。

钻削中经常出现复合材料加工中的抽丝拉毛等缺陷，如图7所示.。

由图7可见，严重影响了孔的表面质量和几何尺寸精度，抽丝拉毛现象的产生主要是因为

切削刀具在切削加工中不能迅速剪断纤维，导致纤维束抽出，在切削刀刃不断刮擦和剪切

作用下变为絮状，解决此玦陷的首要方法应采用切削刃锋利、高硬高韧的切削刀具，其次

宜适当提高钻削速度，使切削刃迅速剪断纤维。钻削中出入口的加工质量对比明显，入口

处比较光滑，出口则容易造成翻边、纤维撕裂、分层等加工缺陷，如图8所示。对于多层

编织的碳纤维复合材料，在钻削中不容易出现纤维束和基体脱粘的缺陷，但由于钻削切出

时，刀具刀刃处的切削速度较小，对纤维的剪切强度较低，出口方向的正压力较大，使出

口极易出现翻边、纤维撕裂，尤其对于薄板复合材料，其铺层层数少，整体强度低，当钻

削加工至切出口时，未钻透材料的层间结合强度较低，还容易出现切削力大于层间强度而

造成的分层缺陷。可以采用延长切削稳态过程的工艺方法，如出口涂覆其他材料的方法以

及采用特殊刃形设计的刀具减少钻削正压力来避免上述缺陷的产生。

因钻削加工切出切入口缺馅的存在，切入口与切出口相比尺寸较大，切出口因毛刺、分层、

翻边等缺陷的影响，在检测中尺寸较小。此外，钻削加工的尺寸精度还受到刀具制造精度、

机床动态旋转精度、机床刚性、几何检测精度等方面的影响，是一个复杂的系统工艺链。

适当提高钻削速度用以迅速剪断纤维可减少毛刺缺陷发生的概率，降低钻削进给速度使切

削过程更加平稳，有利于喊少切出口撕裂、翻边的加工缺陷。

当采用较锋利的切削刀具，并提高超声加工机床主轴转速即提高切削速度时;减少钻削进

给量时取得了良好的钻削加工工艺效果。如图9即为改进前后加工效果对比。

3加工表面粗糙度

(1)超声振动切削加工质量较好，试验中表面粗糙度Ra值稳定在0.9~2.5um,相

比常规切削有效提高了表面质量。

(2)超声铳削加工表面粗糙度的三个影响因素对粗糙度大小影响程度依次为：切削深度》

进给速度＞切削速度。

(3