芳纶纤维复合材料切削加工研究进展

随着芳纶纤维复合材料的应用日益广泛,不仅需要进行成形加工,还需要二次加工以保证后续精确配合、连接和装配的需要,这就对加工精度、效率和成本提出了相应要求。二次加工多用切削加工,易出现翻边、分层、拉毛、抽丝、烧焦等加工缺陷,限制了该材料的进一步应用。为拓展其用途,迫切需要全面展开芳纶纤维复合材料的二次加工技术研究。阐述了芳纶纤维复合材料的组成、结构、性能特点和应用领域,并以此为依据论证了芳纶纤维复合材料的切削性能,分析了加工缺陷产生的原因。综述了国内外芳纶纤维复合材料的二次加工现状,阐述了其加工机理和实验研究进展,包括芳纶纤维复合材料的典型加工工艺(如切削加工、铣磨、激光、超声、水射流等),以及对于切削力、表面质量、刀具磨损、切削变形、加工缺陷等方面的研究。切削加工是实现芳纶纤维复合材料二次加工的成熟、高效方法,迫切需要开展一系列切削机理和试验研究。     

超声振动辅助铣削研究进展

超声振动辅助铣削是一种将超声振动以不同方式施加到刀具或者工件上从而实现振动切削的加工方式,相比传统铣削,可有效降低切削力和切削温度,改善加工表面质量,提高零件的使用性能。通过系统地介绍超声振动辅助铣削在工艺参数选择、加工材料匹配等方面的研究进展,总结了现有研究和应用中存在的问题及解决方案。综合了近年来对不同振动方式的超声振动辅助铣削的研究进展,并对未来研究和应用的发展趋势进行了展望。     

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

振幅对超声辅助磨削C/SiC复合材料表面形貌的影响

目的 通过超声振动辅助磨削加工技术加工C/SiC复合材料可以改变材料的去除方式,通过改变超声振幅能够提高材料去除率并获得较好的表面质量,从而成为C/SiC复合材料的新型加工方式。方法 采用超声辅助磨削技术对C/SiC复合材料进行加工,通过改变超声振幅,观察C/SiC复合材料在不同切削角度下的纤维去除机理、纤维断裂形式,测量不同切削角度下工件表面粗糙度Sa。结果 磨削过程中C/SiC复合材料的去除方式以脆性去除为主,纤维损伤形式以纤维断裂、纤维破碎为主。增大超声振幅后,纤维断裂形式增大并伴随出现基体破碎现象。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下测得的表面粗糙度Sa显著减小,降低约15%~41%。结论 由于超声振动的作用,C/SiC复合材料在不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的材料去除方式发生改变,相比于常规磨削的纤维断裂形式,施加超声振动后,磨削过程中产生的纤维折断和基体破碎被去除,在提高材料去除率的同时,表面质量明显提高。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的表面粗糙度Sa都减小,且减小程度也不同,减小程度由大到小的顺序为45°>135°>90° >0°。     

超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究

目的 研究切屑形成机理对加工过程的影响。方法 超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态,从而提高了加工表面质量。针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理,探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响,以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。最后,描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式,以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。结果 通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小,常规车削的表面粗糙度为0.805μm,超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404μm,超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。结论 与常规车削相比,超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。超声振动辅助车削得到的切屑更加连续,避免了切屑碎裂,促进了切屑的顺利排出。通过对切屑形态进行研究,选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。     

扭转超声辅助切削CFRP材料微观去除机理研究

目的 研究加工过程中碳纤维增强复合材料(CFRP)的破坏形式,提高CFRP的表面质量。方法 对扭转超声辅助切削CFRP的切削行为进行分解,建立扭转超声辅助切削CFRP理论模型,进行扭转超声辅助切削CFRP圆盘实验。实验后对切削力、表面粗糙度、表面凹坑特征等参数进行分析评定,并用超景深显微镜与SEM扫描电子显微镜对加工表面质量进行观察。结果 纤维切削力与表面粗糙度呈负相关关系,在粗糙度较大的凹坑区域,其径向力和切向力均相对较低。超声的附加使切削力数值高于该时刻平均水平,同时伴随着更大的能量,使纤维几乎来不及发生弯曲变形就被高能量的切削力瞬间剪断,与传统加工相比,纤维的断裂点和脱粘点之间的距离更小。在传统加工方式下,表面凹坑的平均宽度在50°附近达到最大值(652 μm),表面凹坑的平均深度最高超过30 μm,严重影响了装配精度;在超声加工方式下,凹坑的特征宽度和特征深度明显减小且波动幅度较小。结论 树脂-纤维的脱粘深度决定了表面凹坑的深度和宽度,在扭转超声振动加工方式下,纤维弯曲变形较小,可以有效抑制脱粘情况,纤维断裂形式以剪切断裂为主,而且纤维方向性也得到了抑制,有利于提升表面质量。为了避免CFRP加工中的损伤,可以从复合材料结合强度、CFRP铺层布局与加工工艺等方面着手。     

超声辅助磨削SiCf/SiC陶瓷基复合材料

针对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)存在加工质量差、刀具磨损严重等问题,开展金刚石砂轮端面超声辅助磨削SiC_f/SiC复合材料试验,对比研究超声辅助磨削和普通磨削SiC_f/SiC过程中的磨削力、表面形貌及表面粗糙度,并分析其材料去除机理。结果表明:超声辅助磨削可有效降低磨削力;超声作用能促使SiC纤维断裂,形成较短纤维而被去除,减少了纤维的折断和剥落,提高了其表面加工质量;在纵向振动端面磨削条件下,超声振幅在一定范围内有助于改善其表面加工质量,振幅过大则会导致表面冲击作用过强而使其表面质量降低。      

碳纤维复合材料铣削与磨削加工对比研究

使用单层钎焊金刚石磨头和金刚石涂层玉米铣刀对T800碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板进行切边加工,研究铣削加工和磨削加工工艺对碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)表面质量的影响。通过对加工表面微观形貌的观察和表面粗糙度的测量对比,讨论2种加工方式下表面质量差异和缺陷形成的原因。结果表明:磨削加工的表面质量优于铣削加工的表面质量,铣削加工后CFRP表面会出现凹坑和树脂涂覆等缺陷,但磨削加工的表面纤维断口清晰可见,无明显缺陷。铣削工艺下的凹坑是纤维集束断裂而形成的,树脂涂覆是由刀具后刀面与工件材料的频繁挤压、摩擦而形成。在表面质量和加工缺陷要求严格的条件下,应优先选用磨削加工工艺。      

碳纤维/树脂基复合材料铣削表面粗糙度及表面形貌研究

目的研究了CFRP材料铣削加工过程中,部分主要工艺对CFRP材料加工表面质量的影响规律,为工艺参数优化,提高此类零件的表面质量提供依据。方法设计了CFRP材料铣削中的切削参数、刀具结构、加工方法与加工表面粗糙度及表面形貌之间的单因素试验。通过单调改变一个切削参数而其余切削参数不变,得到了工件表面粗糙度和表面形貌随切削参数、刀具结构、加工方法的变化规律。结果当铣削速度增大时,工件的表面粗糙度变化不大,表面微坑缺陷的数量却有所增加,但变小、变浅。当进给速度增大时,工件表面粗糙度呈上升趋势,表面缺陷也随之增加。无涂层多齿刀具铣削后的工件表面粗糙度最大,其次是金刚石涂层多齿刀具铣削的工件,最小的是金刚石涂层交错齿刀具铣削的工件。多齿刀具加工后的表面有较多的微坑缺陷,但普遍深度较浅且面积较小。交错齿刀具对分层缺陷的抑制作用最明显,但在左旋和右旋刀齿交错处容易出现较严重的加工缺陷。与普通机械加工方法相比,超声振动加工方法得到的工件表面质量较好,可以有效减少表面微坑缺陷,改善CFRP铣削加工表面质量。结论 CFRP材料铣削加工时,为了获得较好的加工表面质量,切削参数应选用较高的切削速度和较低的进给速度,切削刀具宜选用多齿带涂层刀具。和普通机械加工方法相比,超声振动铣削加工方法更为有利于获得好的表面质量。     

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削（Conventional cutting,CC）与超声振动辅助切削（Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC）两种加工方式,通过有限元仿真软件 Abaqus 对 20%SiCp / Al 复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC 颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及 Al 基体撕裂是影响 SiCp / Al 复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力（主切削力）降低 33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为 531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题, 对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。     

陶瓷基复合材料加工技术及其表面亚表面损伤机制研究进展

综述了陶瓷基复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工、多能场复合加工等加工方式的研究进展,并简述了几种加工方式的优缺点.对陶瓷基复合材料的表面及亚表面损伤机制进行了总结和分析,包括材料表面亚表面损伤形式、材料表面亚表面理论及模型研究.提出了传统的陶瓷基复合材料加工技术需要进一步优化刀具材料、开发新的刀具结构、优化工艺参数等,以减少加工缺陷.研究了复合加工中材料去除率最大条件下的损伤容限条件、材料加工后的性能保持性等,同时探究了高效高质量的多能场复合加工新方法及其应用理论,以及研究探索了在复杂载荷及动载荷(如动态切削力、高温切削及超声动态冲击载荷)耦合作用下陶瓷基复合材料的内在损伤机理及演化问题.     

超声振动辅助加工表面微结构及其特性研究进展

针对超声振动复合加工方法种类繁多且表面微结构指征复杂等问题,阐述了表面微结构的内容和研究现状,论述了国内外超声切削、磨削、表面强化等方法的加工原理及超声振动加工表面微结构特性的试验研究方法,归纳了超声振动条件下表面粗糙度、表面微观形貌的建模方法及其特点,讨论了实验回归建模、数值解析建模和神经网络建模的研究进展,并预测了国内外超声振动表面加工的新技术领域和发展方向,对改善高性能难加工材料的表面微结构特性具有重要意义。     

旋转超声辅助加工装置及其工艺研究

基于传统超声振动理论,提出了一种新型旋转超声辅助加工装置。该装置将超声振动与负载匹配二者相结合,具备旋转超声辅助加工硬脆材料的能力。利用该装置对微波铁氧体材料进行旋转超声辅助钻削加工试验研究,验证了旋转超声辅助磨削可有效降低加工过程中的切削力。同时,在保证刀具和材料安全的前提下,探索了旋转超声辅助加工装置对加工效率的影响。     

纵扭复合超声振动切割铝蜂窝芯表面质量研究

铝蜂窝芯因具有特殊的薄壁网格状结构，传统加工方式往往伴随着变形和毛刺，这是限制铝蜂窝材料应用的关键因素。超声振动加工在减少加工缺陷方面具有很大的潜力。建立有限元模型并进行切削模拟，同时进行铝蜂窝芯切削实验，对铝蜂窝芯在不同振幅和不同主轴转速下切割的表面形貌进行探究，并对不同振幅下圆刀片的磨损程度进行对比。结果表明：与普通切削相比，纵扭复合超声振动切削能够获得更好的表面形貌，更有效地降低切削缺陷数目；随着振幅的增大，切削缺陷数目得到减少，刀具磨损程度得到降低，切削表面的均匀一致性也变得更好，但施加的超声振幅过高也会导致胞壁产生分离；主轴转速增大能够很好地改善胞壁变形和胞壁分离现象。同时，在1 350～2 700 r/min之内存在一个最佳转速，使得切削缺陷数目可以达到最少。     

激光超声技术在先进复合材料无损检测中的应用研究

为实现航空航天先进复合材料的非接触、高精度检测,研究激光超声技术在复合材料无损检测中的应用。制备预埋人工缺陷的碳纤维树脂基复合材料和陶瓷基复合材料试样,利用自主研制的激光激励、激光探测的全光学激光超声无损检测系统进行试验研究,实现碳纤维复合材料层压结构模拟分层缺陷检测,层压复合材料紧固孔边沿分层检测,以及陶瓷基复合材料分层检测。研究结果表明:激光超声检测技术可以有效检出碳纤维树脂基复合材料内部直径2 mm以上分层型缺陷,可检出碳纤维复合材料紧固孔边沿的小尺寸分层,可表征C/SiC复合材料内部直径5 mm以上分层,在航空航天工程领域应用前景广阔。     

超声椭圆振动切削技术及装置应用研究现状及进展

首先,阐述了超声椭圆振动切削技术、原理及其装置特点,着重论述了装置各构成部分的特点及其主要应用类型与材料。其次,分析了国内外学者在双激励、单激励方式下实现纵弯、纵扭、双弯曲和弯扭等复合超声振动装置结构设计及其优化方面的研究成果与进展,并且比较了超声椭圆振动切削与传统加工在加工性能、工件表面质量和加工精度等方面的加工优势与适用范围,以及不同超声振动装置在各切削加工中所能获得的加工效果。最后,对超声椭圆振动切削装置的发展趋势进行了总结和展望,指出该装置发展将朝着结合能场的方向发展。