基于断裂力学的Nomex蜂窝复合材料超声切割机理研究

Nomex蜂窝复合材料的超声切割技术克服了传统高速铣削中存在的工件固持困难、加工粉尘大等问题。基于断裂力学研究Nomex蜂窝复合材料的超声切割机理,为超声切割工艺参数优化以及超声波声学主轴的优化设计提供理论依据。根据直刃刀超声切割Nomex蜂窝复合材料加工工艺,建立直刃刀的运动学方程,分析得到超声切割断续加工过程中直刃刀与材料相互作用时间关系;应用断裂力学理论,引入动态应力强度因子建立蜂窝复合材料的断裂韧性模型,研究超声切割作用下蜂窝复合材料的微观断裂过程,根据直刃刀位移和裂纹扩展的关系模型,分析切削力的影响因素,并进行仿真研究。研制了超声切割工艺试验台,对蜂窝复合材料进行了有超声和无超声切割加工的对比试验,试验结果显示超声切割显著地减小了切削力,也证实了冲击产生的微裂纹扩展是蜂窝复合材料在直刃刀超声切割作用下,切割力减小的主要原因。理论分析和试验研究表明基于断裂力学的Nomex蜂窝复合材料超声切割机理研究具有有效性和合理性。

超声振动切割Nomex蜂窝芯材料的研究

为了解决Nomex蜂窝芯材料成形加工过程中加工表面质量差、易产生毛刺、撕裂、脱胶、压溃等问题,研制了一种超声振动切割装置,进行了超声振动切割加工研究。超声振动切割装置的加工性能取决于超声振动系统设计。首先对超声振动切割工作头的结构设计进行了理论探讨,然后采用ABAQUS软件对设计结构进行模态分析、检验及修正。在针对Nomex蜂窝芯材料进行有无超声的初步切割实验中,通过超景深对切割表面进行了放大观察,结果表明:超声振动切割Nomex蜂窝芯材料具有良好的加工性能。

Nomex蜂窝芯直刃尖刀超声切割表面微观形貌特征

Nomex蜂窝芯是典型的难加工材料,具有高比强度,比刚度及各向异性的特点。超声辅助切割是蜂窝芯复合材料的一种高效加工方法,可以得到比高速铣削更好的加工质量。但是在超声切割加工过程中依然会存在不同程度的纤维拔出,酚醛清漆层剥落等加工缺陷特征。为了研究其微观形貌特征,采用纵切,斜切,横切三种方式切割蜂窝芯,并对蜂窝芯的加工形貌进行观测。根据微观形貌在蜂窝芯壁上的位置,分别归纳为酚醛清漆层、热压芳纶纸层和蜂窝壁的形貌。研究超声刀具加工参数对材料破损形貌特征的影响。结果表明在10μm到30μm范围内提高超声刀具振幅,在500 mm/min到3 500 mm/min范围内降低进给时会降低蜂窝芯加工过程中的酚醛清漆层剥落的几率。

Nomex蜂窝材料超声辅助加工圆盘刀的设计和工艺特性研究

通过有限元仿真技术研究了圆盘刀的外径、楔角和厚度3个因素对超声辅助加工系统的模态和谐振频率的影响规律;搭建了Nomex蜂窝材料工艺试验平台,开展了普通加工和超声辅助加工的对比试验,以切削力和表面质量为评价指标,分析了不同加工参数下超声振动作用对Nomex蜂窝材料加工效果的改善程度。结果表明,系统的谐振频率随圆盘刀的外径增大而减小,随厚度增加而增大,随楔角增大而减小,其中刀具外径和厚度的影响程度较大,可通过调整刀具外径和厚度进行系统频率的设计;楔角的大小影响刀具锋利度和刀具强度,应选择合适的楔角。超声辅助加工中的平均切削力比普通加工的平均切削力在刀具切宽方向和进给方向上分别降低了34.9%和50.5%,超声辅助加工的材料表面更加平整,毛刺更少,毛刺长度更短。

芳纶纸蜂窝材料超声波振动切割刀的设计研究

采用传统的铣削方式对芳纶纸蜂窝材料加工时,芳纶纸蜂窝材料会产生蜂窝坍塌、撕裂和纤维拉毛等质量问题,而采用超声波振动切割方式加工蜂窝材料时,可以避免传统铣削加工中出现的问题。文中首先对芳纶纸蜂窝材料超声振动切割刀进行总体结构设计,使用ANSYS有限元软件进行模态分析和谐响应分析,并根据分析结果优化超声波振动切割刀振子结构,确定其谐振频率,并分析其振动特性;然后对超声波振动切割刀样机进行阻抗测试和振幅测试,验证芳纶纸蜂窝材料超声波振动切割刀设计的合理性及可行性;最后观察芳纶纸蜂窝材料切割表面形貌,发现随着振幅的增大,样件切割表面成形更加完好,验证了超声波振动切割加工蜂窝材料能够提高芳纶纸蜂窝材料的加工质量。

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

蜂窝复合材料圆盘刀超声切削研究

Nomex蜂窝复合材料具有非均质、各向异性的特点,是一种典型的难加工材料。为了提高数控超声切削蜂窝复合材料的加工质量和加工效率,对圆盘刀超声切削的运动学及切削力进行研究。针对圆盘刀超声切削的加工工艺,分析超声切削刀具的位移、速度和断续切削条件,推导建立超声切削力模型,为优化刀具结构参数和工艺参数提供理论基础。