CN111151773A - 超声辅助切削力控制方法 - Google Patents

超声辅助切削力控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。

Description

超声辅助切削力控制方法
技术领域
本发明涉及金属与复合材料异质界面加工技术领域，具体地，涉及一种超声辅助切削力控制方法，尤其涉及一种金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工过程中的切削力协调控制方法，其中CFRP是指碳纤维复合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics)。
背景技术
随着先进树脂基复合材料的快速发展，采用以轻量化、高性能为主要特征的复合材料化结构已经成为航空航天领域发展趋势。碳纤维复合材料(Carbon Fiber ReinforcedPolymer,CFRP)已经开始大量替代传统金属材料。某型号卫星的飞轮需要通过某金属材料作为具有一定转动惯量的旋转部件，而结构支撑部分由轻量化复合材料组成。零件毛坯制造过程中通过金属-复合材料共固化一体成形技术实现大力矩、轻量化、高精度、长寿命等设计要求。金属-复合材料异质材料加工仍然存在较多工艺问题，其中最显著的问题体现在对异质界面区域加工应力和缺陷的控制。
超声振动加工技术利用刀具和工件的复合运动对加工表面进行作用，使工件材料逐步去除。国内外诸多研究已经证实了超声加工在复合材料加工中可以有效降低切削力，减少加工变形和加工损伤。
如专利文献CN102049531B公开的一种基于高速状态下的高速连续径向超声振动切削方法及其实现装置，该方法有相应的高速连续径向超声振动切削装置的振动模式与切削工件的作用方向，高速连续径向超声振动切削装置的振动参数与工件加工参数之间的选择方法，相应的装置包括刀座、高速连续径向超声振动切削刀具、刀座前盖、刀具、刀座后盖和航空插头。
同时，由于附加的超声振动作用可显著提高材料的临界切削深度，使材料去除模式更偏向于延性去除。因此，在相同的切削参数下，超声振动加工可减少加工过程中的应力集中并均化残余应力的分布。在加工异质材料界面区域过程中，超声辅助加工可以减小塑性-脆性材料去除方式的差异性以及由此产生的材料去除应力的差异性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超声辅助切削力控制方法。
根据本发明提供的一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。
优选地，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统。
优选地，所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工。
优选地，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统。
优选地，调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm。
优选地，调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r。
优选地，调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm。
优选地，最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm。
优选地，最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。
根据本发明提供的一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统；
所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统；
调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm；
调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r；
调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm；
最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm；
最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明中，采用二维椭圆超声振动辅助加工，用于减小异质材料界面区域切削力差异性，保证了异质界面完整性和加工表面质量。采用此方法加工异质界面材料的过程中能够有效减小切削力幅值和方向上的差异以及加工引起的温度差异性，从而减小了由于热膨胀系数不同而引起的界面脱粘现象。方法通过协调超声振动系统参数和机械加工参数，达到对异质材料加工过程中切削力的最优控制。
相比于普通车削，结果对比可知，本发明方法的整体切削力幅值超声加工减少约25％。使用超声加工后，在切削复材和金属区域切削力的差异性明显减少。一方面体现在切削力幅值差异减小；另一方面体现在切向力和轴向力的差异减小，可见超声加工能减少由材料方向差异性引起的切削力的差异性。使用超声加工使得切入、切出过程切削力变化过程更为平滑，突变性减少。如图3-6所示，在表面质量方面，工件表面质量和形貌有所改善，主要表面为异质界面Ra减少72％，Rz减少78％，复合材料部分几乎没有纤维拔出和脱离基体现象，且外圆切入边缘清晰，崩边现象大幅度减少。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为普通车削切削力曲线
图2为超声辅助车削切削力曲线
图3为普通车削加工表面光学显微形貌
图4为超声辅助车削加工表面光学显微形貌
图5为普通车削三维显微形貌
图6为超声辅助车削加工表面三维显微形貌
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种超声辅助切削力控制方法，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统；
所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统；
调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm；
调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r；
调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm；
最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm；
最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。
本发明属于金属/CFRP(碳纤维复合材料)共固化成型异质材料机械加工技术，涉及一种超声辅助加工过程中的切削力协调控制方法。本发明中，采用二维椭圆超声振动辅助加工，用于减小异质材料界面区域切削力差异性，保证了异质界面完整性和加工表面质量。采用此方法加工异质界面材料的过程中能够有效减小切削力幅值和方向上的差异以及加工引起的温度差异性，从而减小了由于热膨胀系数不同而引起的界面脱粘现象。方法通过协调超声振动系统参数和机械加工参数，达到对异质材料加工过程中切削力的最优控制。
本发明优选例提供的一种金属/CFRP共固化材料的超声辅助加工切削力协调控制方法：
1)搭建二维椭圆超声辅助车削系统
为达到通过控制超声系统参数来协调界面切削力的目的，发展了可调节变幅杆和刀尖轨迹系统。二维椭圆超声振动系统相比现有一维系统，一方面在系统刚性上得到提高，使得切削过程中颤振现象大幅减少；相对一维系统，变幅杆采用钛合金材料及可调式结构，刀尖振幅轨迹为前刀面方向和变幅杆轴向组成的可控二维椭圆。
2)基于超声振动参数的低应力切削过程控制
在超声加工系统开展CFRP/金属共固化结构材料的车削实验，研究椭圆振型、振幅及频率等超声参数对切削力大小、材料去除模式、延/脆性域切削参数范围的影响规律，提出共固化界面材料切削力控制方法。
超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用如表1所示功率和振幅。切削过程中采用铝合金专用车刀，选取固定切削参数：转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到共固化界面材料去除最优参数为系统谐振频率为21300Hz,轴向振幅为4.5μm,前刀面方向振幅为10.6μm，电流系数80％。
表1超声车削系统振幅和功率参数表
Figure BDA0002329371880000061
3)超声振动参数和加工参数匹配调控切削力
改变超声振动参数、加工工艺参数，根据表面质量和切削力变化情况综合考虑，探索各个参数最佳匹配值。
通过固定超声振动参数，如2)中所述，采用不同的切削参数，其变化范围为切削速度：40-100m/min,进给量0.08-0.18mm/r,切削深度0.5-1.5mm,通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14,Ff＝33.26,Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm。在保证效率和表面质量的前提下，实现了使界面异质材料切削机理趋于相似，降低了切削力幅值和方向的差异性，减少了加工应力集中。
超声振动加工系统由夹心式锆钛酸铅陶瓷(Pb(ZrTi)O3,简称PZT)换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪及车床加工系统等组成。
系统谐振频率为21300Hz,轴向振幅为0.9-4.9μm,前刀面方向振幅为1.3-10.8μm。
最优加工参数为转速1200rpm,切深1.5mm,进给0.1mm/r，电流系数为80％。
Figure BDA0002329371880000071
1)搭建二维度椭圆超声车削系统
为研究谐振频率在一定差异性条件下的超声车削系统，发展了可调变幅杆及刀尖形态为椭圆的二维超声振动系统。超声系统使用夹心式换能器，钛合金材质变幅杆(PZT材质)。刀尖振动方向为前刀面及变幅杆方向，是较为纯净的二维椭圆超声振动。超声系统串联谐振频率为20960.8Hz,等效电阻12.3Ω，静态电容4.86nF。刀具加工过程中的轴向和前刀面方向振幅分别为4.5μm和1.9μm。
采用复材-金属共固化加工材料，内芯为Φ20某合金材料，外部为碳纤维复材，厚度为10mm,纤维铺设方向与棒料轴向呈45°。车削加工在CA6140车床上实施，采用Kistler测力仪对加工过程中切削力信号进行采集。
2)加工参数对切削力差异性调控
在不同的加工参数下，对比加载超声信号和不加载信号下的测力仪所采集的切削力信号。在异质界面表面质量达到要求的前提下，在不同加工参数及有无超声信号条件下，研究切削力信号形态和幅值，以达到寻找最佳加工参数，能够有效的减少异质材料加工中切削力的差异性(方向和幅值)。
3)基于超声振动参数的低应力切削控制
在特定切削参数、刀具条件下，通过改变超声振动装置功率、刀具振幅等参数，根据表面质量、切削力信号特征，探索超声振动加工的最佳参数，结合粗、精加工参数，实现对异质材料加工过程中的切削力控制。
二、切削力控制水平测试与分析
1)测试实验
实验在相同切削参数及其它条件下，使用普通车削和超声辅助车削进行对CFRP/金属共固化材料进行加工。实验过程中使用Kistler测力仪记录切削力，并测试加工表面平均粗糙度Ra和峰值粗糙度Rz。
2)结果与分析
附图1和图2为普通车削和超声辅助车削切削力。加工参数为转速1200rpm,切深0.2mm,进给0.1mm/r。结果对比可知，整体切削力幅值超声加工减少约25％。使用超声加工后，在切削复材和金属区域切削力的差异性明显减少。一方面体现在切削力幅值差异减小；另一方面体现在切向力和轴向力的差异减小，可见超声加工能减少由材料方向差异性引起的切削力的差异性。使用超声加工使得切入、切出过程切削力变化过程更为平滑，突变性减少。如图3-6所示，在表面质量方面，工件表面质量和形貌有所改善，主要表面为异质界面Ra减少72％，Rz减少78％，复合材料部分几乎没有纤维拔出和脱离基体现象，且外圆切入边缘清晰，崩边现象大幅度减少。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超声辅助切削力控制方法，其特征在于，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力。
2.根据权利要求1所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统。
3.根据权利要求1所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工。
4.根据权利要求2所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统。
5.根据权利要求3所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm。
6.根据权利要求5所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r。
7.根据权利要求3所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm。
8.根据权利要求7所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm。
9.根据权利要求5所述的超声辅助切削力控制方法，其特征在于，最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。
10.一种超声辅助切削力控制方法，其特征在于，包括超声辅助系统搭建步骤、调控超声振动参数步骤以及调控切削力步骤；
超声辅助系统搭建步骤：搭建二维椭圆超声辅助车削系统；
调控超声振动参数步骤：在设定的超声振动辅助系统电源频率下，以不同的超声振动参数，配合固定的切削参数进行超声端面车削，通过测量切削力大小及观察材料去除模式、延/脆性域切削参数范围，得到材料去除最优参数；
调控切削力步骤：固定超声振动参数，采用不同的切削参数，通过切削力和加工后工件表面粗糙度数值对比，得到最优切削参数下的最大切削力；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括可调节变幅杆和刀尖轨迹系统；
所述超声辅助切削力控制方法能够应用在金属、CFRP共固化材料的超声辅助加工；
所述二维椭圆超声辅助车削系统包括超声振动加工系统，所述超声振动加工系统包括夹心式锆钛酸铅陶瓷换能器、钛合金变幅杆、激光测振仪、测力仪以及车床加工系统；
调控超声振动参数步骤中，超声振动辅助系统采用固定电源频率21.3khz，并采用满足下列范围的超声振动参数：
功率范围为30％-90％、轴向振幅范围为0.9μm-4.9μm、前刀面方向振幅范围为1.3μm-10.9μm；
调控超声振动参数步骤中，采用下列固定切削参数：
转速1200rpm,切深0.2mm,进给量0.1mm/r；
调控切削力步骤中，采用满足下列范围的切削参数：
切削速度范围为40-100m/min,进给量范围为0.08-0.18mm/r,切削深度范围为0.5-1.5mm；
最优切削参数下的最大切削力Fp＝46.14，Ff＝33.26，Fv＝79.77；粗糙度金属区域Ra为1.39μm，复材区域Ra为8.31μm；
最优加工参数为转速1200rpm，切深1.5mm，进给0.1mm/r，电流系数为80％。
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