碳-碳復(fù)合材料多維超聲銑削加工研究.pdf

1、碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。這種材料具有一系列的優(yōu)異性能，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、體育、娛樂及其他領(lǐng)域。然而碳纖維復(fù)合材料的某些特點(diǎn)比如脆性大、強(qiáng)度高、碳纖維硬度大、導(dǎo)熱能力差，而且無法進(jìn)行液體冷卻等，使碳/碳材料成為難切削加工材料。在傳統(tǒng)的切削加工中，存在纖維頭露出，纖維從基體拔出，纖維與基體脫粘等現(xiàn)象，致使工件表面粗糙度較大，有時(shí)甚至使工件報(bào)廢。并且在切削加工中由于切削熱很難導(dǎo)出，因此刀具磨損嚴(yán)重，

2、需經(jīng)常刃磨和更換刀具。
　　基于以上原因，本課題提出以超聲銑削加工方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)切削加工，以提高表面加工質(zhì)量，降低刀具磨損。主要做了以下研究工作：
　　利用波動(dòng)理論設(shè)計(jì)了工件一維振動(dòng)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)。利用有限元對(duì)變幅桿、工件托板和固定法蘭盤組合系統(tǒng)進(jìn)行了分析和修整。設(shè)計(jì)了刀具一維振動(dòng)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，研究了氣隙、軸線偏移、軸線偏轉(zhuǎn)對(duì)耦合系數(shù)和傳輸效率的影響規(guī)律；利用模擬刀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)了工件

3、二維振動(dòng)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，確定了組合系統(tǒng)的共振頻率方程。最后形成了可進(jìn)行三維超聲振動(dòng)銑削的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　進(jìn)行了超聲振動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)銑削系統(tǒng)較普通銑削具有更好的穩(wěn)定性。對(duì)三套振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率隨超聲波功率增加略有增大；超聲振動(dòng)的振幅大小隨著超聲波功率的增大而增大。
　　從分析工件一維振動(dòng)、刀具一維振動(dòng)、工件二維振動(dòng)等三種振動(dòng)情況下振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移情況出發(fā)，給出了五種振動(dòng)

4、加工方法刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程。分別分析了三個(gè)方向單獨(dú)振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。研究了施加振動(dòng)時(shí)的銑削機(jī)理，三方向的超聲振動(dòng)，都會(huì)使切削力減小，表面質(zhì)量提高，組合后效果更好。
　　建立了超聲振動(dòng)銑削碳/碳材料銑削力模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明：超聲振動(dòng)的引入可以降低銑削力，按降低的幅度降序排列，分別是一維刀具振動(dòng)銑削、一維工件振動(dòng)銑削、刀具+一維工件振動(dòng)銑削、二維工件振動(dòng)銑削、刀具+工件二維振動(dòng)銑削，說明刀具振動(dòng)與工件振動(dòng)復(fù)合后銑削

5、具有優(yōu)勢(shì)。
　　不同銑削方式下切削參數(shù)對(duì)各切削力的影響規(guī)律為：工件振動(dòng)銑削時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削力呈現(xiàn)先急后緩的減小，銑削速度過大時(shí)銑削力還會(huì)上升， 表明隨著銑削速度的增加，超聲優(yōu)勢(shì)被削弱，工件二維振動(dòng)時(shí)情況稍好；刀具振動(dòng)銑削時(shí)，銑削力降低的比較平穩(wěn)，銑削速度增加對(duì)刀具振動(dòng)銑削的優(yōu)勢(shì)影響的不大；刀具振動(dòng)和工件振動(dòng)復(fù)合銑削時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯，這種復(fù)合更有利于高速銑削。隨著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，切削力增大，切削深度

6、的影響更大一些。
　　研究了碳/碳材料表面形貌的三個(gè)影響因素：纖維方向、銑削參數(shù)和銑削方式。?＜900時(shí)形貌較好。確定了5個(gè)參數(shù)來評(píng)定碳纖維復(fù)合材料工件表面形貌，隨著銑削速度的提高，表面質(zhì)量變好。隨著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，表面質(zhì)量變差。Str和Ssk的變化不大，Ssk恒為負(fù)值，說明表面形貌偏于谷的一邊，纖維突出較少；S tr在0.3左右緩慢增加，表面由各項(xiàng)異性慢慢向各項(xiàng)同性轉(zhuǎn)化。加入超聲后S ku增加，說明超聲銑削的機(jī)理與普