CSiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究

C/SiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究通过碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种耐高温、耐磨损、抗氧化和力学性能出色的航空级复合材料,采用传统的机械加工工艺对其进行加工,因加工性差,精度不高且加工成本高导致无法满足当今航空航天等领域的需求。利用旋转超声振动辅助加工技术,将旋转超声振动引入到C/SiC复合材料的铣削加工中,可有效地降低铣削力、切削热,减小刀具的损耗,提高加工质量。

本文主要完成了以下工作内容:利用压电陶瓷的逆压电效应,根据夹心式压电换能器的设计理论,设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子;采用PZFlex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真分析,结果表明:超声振子的谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小,随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大;依据仿真结果加工了纵振型超声振子,并对其进行阻抗分析,测得纵振型超声振子在有无刀具及夹头螺母两种状态下的谐振频率分别为17.41 kHz、18.71kHz,与仿真结果中模型的谐振频率18.4762 kHz和19.312 kHz,误差率分别为5.7636%和3.1428%;基于超声振子的谐振频率,对有夹头螺母及刀具状态下的超声振子振幅输出进行测量,结果表明:在100 V、140 V和200 V电压激励下振子输出的振幅与电压成正比,且在200 V电压激励时纵向振幅为2.016 um,可以满足旋转超声振动辅助铣削加工的要求,证实了纵振型超声振子设计的可行性,为纵振型超声振子模型的优化设计提供参考。设计纵振型超声振子的夹持装置、桥接盘和机床主轴连接装置,实现超声振子与机床主轴的连接;设计电能传输装置对纵振型超声振子进行供电;设计保护外壳、安装插销等装置,建立起旋转超声振动辅助铣削加工系统;依据该系统采用单因素实验法和正交试验法,研究了传统铣削下不同切削参数对C/SiC复合材料铣槽和铣

孔过程中切削力及加工后表面质量的影响,并与旋转超声铣削加工结果对比,结果表明:与传统铣削相比,旋转超声铣削加工降低了铣削过程中的切削力,提高了加工表面质量;传统铣削和旋转超声铣削加工中均随主轴转速增大切削力减小表面质量提高,随进给速度和铣削深度的增加则切削力增大表面质量降低。

旋转超声铣槽试验中,铣削深度是切削力和表面粗糙度最重要的影响因素;而在传统铣槽试验中则是进给速度,其次才是铣削深度。铣孔试验中,当进给速度和铣削螺距较大时,旋转超声铣削加工的优势不明显。