碳-碳復合材料多維超聲銑削加工研究.pdf

1、碳/碳復合材料是以碳纖維為增強體，以碳為基體的復合材料。這種材料具有一系列的優(yōu)異性能，已廣泛應用于航空、航天、汽車、體育、娛樂及其他領域。然而碳纖維復合材料的某些特點比如脆性大、強度高、碳纖維硬度大、導熱能力差，而且無法進行液體冷卻等，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象，致使工件表面粗糙度較大，有時甚至使工件報廢。并且在切削加工中由于切削熱很難導出，因此刀具磨損嚴重，

2、需經常刃磨和更換刀具。
　　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，以提高表面加工質量，降低刀具磨損。主要做了以下研究工作：
　　利用波動理論設計了工件一維振動的超聲振動系統(tǒng)。利用有限元對變幅桿、工件托板和固定法蘭盤組合系統(tǒng)進行了分析和修整。設計了刀具一維振動的超聲振動系統(tǒng)，研究了氣隙、軸線偏移、軸線偏轉對耦合系數和傳輸效率的影響規(guī)律；利用模擬刀進行實驗，得出了結構參數對系統(tǒng)振動特性的影響規(guī)律。設計了工件

3、二維振動的超聲振動系統(tǒng)，確定了組合系統(tǒng)的共振頻率方程。最后形成了可進行三維超聲振動銑削的實驗平臺。
　　進行了超聲振動系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，發(fā)現超聲振動銑削系統(tǒng)較普通銑削具有更好的穩(wěn)定性。對三套振動系統(tǒng)進行了振動特性試驗。試驗結果表明：超聲振動系統(tǒng)共振頻率隨超聲波功率增加略有增大；超聲振動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、刀具一維振動、工件二維振動等三種振動情況下振動質點的位移情況出發(fā)，給出了五種振動

4、加工方法刀具和工件的相對運動方程。分別分析了三個方向單獨振動時的運動情況。研究了施加振動時的銑削機理，三方向的超聲振動，都會使切削力減小，表面質量提高，組合后效果更好。
　　建立了超聲振動銑削碳/碳材料銑削力模型，并進行了實驗研究，研究表明：超聲振動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銑削、一維工件振動銑削、刀具+一維工件振動銑削、二維工件振動銑削、刀具+工件二維振動銑削，說明刀具振動與工件振動復合后銑削

5、具有優(yōu)勢。
　　不同銑削方式下切削參數對各切削力的影響規(guī)律為：工件振動銑削時，隨著主軸轉速的提高，切削力呈現先急后緩的減小，銑削速度過大時銑削力還會上升， 表明隨著銑削速度的增加，超聲優(yōu)勢被削弱，工件二維振動時情況稍好；刀具振動銑削時，銑削力降低的比較平穩(wěn)，銑削速度增加對刀具振動銑削的優(yōu)勢影響的不大；刀具振動和工件振動復合銑削時，優(yōu)勢更為明顯，這種復合更有利于高速銑削。隨著每齒進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影響因素：纖維方向、銑削參數和銑削方式。?＜900時形貌較好。確定了5個參數來評定碳纖維復合材料工件表面形貌，隨著銑削速度的提高，表面質量變好。隨著每齒進給量和切削深度的增加，表面質量變差。Str和Ssk的變化不大，Ssk恒為負值，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，表面由各項異性慢慢向各項同性轉化。加入超聲后S ku增加，說明超聲銑削的機理與普