1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近幾十年來，復(fù)合材料在航天、航空、汽車、造船、化工及土建等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。其中，C/C復(fù)合材料憑借其比強(qiáng)度高，比模量高，高溫性能好，抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上滿足了現(xiàn)今高性能航空航天器對材料性能的苛刻要求，因而廣泛應(yīng)用于新概念飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等航空航天領(lǐng)域。</p><p>　　本論文針對C

2、/C復(fù)合材料加工中存在的問題，主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究：</p><p>　?。?） 構(gòu)建了C/C復(fù)合材料鉆削加工切削力檢測系統(tǒng)及鉆削加工實驗裝置，對C/C復(fù)合材料鉆削時的鉆削力進(jìn)行了實驗研究，探討了鉆削參數(shù)變化對鉆削力的影響，為C/C復(fù)合材料鉆削加工時鉆削參數(shù)的優(yōu)選提供了一定的參考。</p><p>　?。?） C/C復(fù)合材料孔出口缺陷主要包括撕裂和毛邊兩部分，本文對兩者的典型形式進(jìn)

3、行了模型總結(jié)，認(rèn)為撕裂的形成過程包括橫刃作用和主切削刃作用兩個階段，并根據(jù)照相機(jī)和顯微鏡拍攝的圖片探討了鉆削參數(shù)變化對撕裂大小的影響。</p><p>　?。?） 超聲振動鉆削是振動切削的一個分支，與普通鉆削相比具有較好的加工工藝效果，它能全面提高孔的加工質(zhì)量，是現(xiàn)代鉆削技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。文章評述了提高孔的加工質(zhì)量的必要性，超聲振動鉆削技術(shù)的概念、基本原理及其特點(diǎn)，介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出該項技術(shù)存在

4、的問題，并對其今后的研究方向作了展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：C/C復(fù)合材料；孔加工缺陷；超聲振動鉆削</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In recent decades,composite materials are increasingly in demand for various indu

5、stries,such as aerospace，vehicle，shipbuilding,chemical,civil and et al. Which, by virtue of its advantages of high specific strength,specific modulus,high temperature performance and good fatigue performance,C/C composit

6、es meet the demanding requirements of today's high-performance aerospace material properties,are widely used in the new e design and manufacture of aircraft,rockets,satellites and other aerospace.</p><p>

7、;　　In view of the problem above,this paper is mainly conducted to study several things as followings：</p><p>　　(1)The force-measure experiment and test setting system for drilling C/C composites were built,t

8、he thesis studied the cutting forces of C/C composites during drilling,discussed the effects of cutting parameters on drilling forces. Which can provide a better reference for the selection of optimal cutting parameters

9、when drilling C/C composites.</p><p>　　(2)Tearing and fuzzing are defects of C/C composites hole at exit. The thesis summarized their typical feature. The formation process of the defects consists of two pha

10、ses of chisel edge action and major edge action. And according to the pictures taken from camera and electronic microscope,we discussed drilling parameters on the effect of tear size.</p><p>　　(3)Ultrasonic

11、vibration drilling technology is a branch of the vibratory cutting, Compared to ordinary drilling,it has better processing results. It can improve the processing quality of the hole. It is considered one of the most impo

12、rtant trends of modern drilling technology. In this paper,the necessity of the improvement of the processing quality is summarized. Moreover,the concept basic principle and characteristics of ultrasonic vibration drillin

13、g technology are summarized,the domestic and f</p><p>　　Key Words：carbon/carbon composite；machining defects of the hole；ultrasonic rilling</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>

14、;<b>　　1.1 引言</b></p><p>　　C/C復(fù)合材料（C/C Composite materials）是一種新型高性能結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高模量、高斷裂韌性、隔熱優(yōu)異和低密度等優(yōu)異特性，在機(jī)械、電子、化工、冶金和核能等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并且在航天、航空和國防領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件上大量應(yīng)用。我國對C/C復(fù)合材料的研究和開發(fā)主要集中在航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域，較少涉足民

15、用高性能、低成本C/C復(fù)合材料的研究。目前整體研究還停留在對材料宏觀性能的追求上，對材料組織結(jié)構(gòu)和性能可控性、可調(diào)性等基礎(chǔ)研究還相當(dāng)薄弱，難以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高性能C/C復(fù)合材料的需求。因此，開展高性能C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究具有重大的科學(xué)意義和社會、經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.2 C/C復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展</p><p>　　C/C復(fù)合材料是指以炭纖維或其織物為增強(qiáng)相，以化

16、學(xué)氣相滲透的熱解炭或液相浸漬－炭化的樹脂炭、瀝青炭為基體組成的一種純炭多相結(jié)構(gòu)。它源于1958年，美國Chance－Vought公司由于實驗室事故，在炭纖維樹脂基復(fù)合材料固化時超過溫度，樹脂炭化形成C/C復(fù)合材料。</p><p>　　C/C復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚碇筇荚刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)高于99%，故該材料具有密度低，耐高溫，抗腐蝕，耐熱沖擊性能好，耐酸、堿、鹽，耐摩擦磨損等一系列優(yōu)異性能。此外，C/C復(fù)合材料對熱應(yīng)力不

17、敏感，抗燒蝕性能好。故該復(fù)合材料具有出色的機(jī)械特性，既可作為結(jié)構(gòu)材料，又可作為功能材料使用，適于各種高溫用途。C/C復(fù)合材料在樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料等4大類復(fù)合材料中的研究與應(yīng)用水平僅次于樹脂基復(fù)合材料，已經(jīng)全面走向工程應(yīng)用階段。</p><p>　　1.2.1 C/C復(fù)合材料的特點(diǎn) </p><p>　　C/C復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域中重點(diǎn)研究和開

18、發(fā)的一種新型超高溫材料，它具有以下顯著特點(diǎn)：</p><p>　?。?） 密度?。?lt;2.0 g/cm ），僅為鎳基高溫合金的1/4，陶瓷材料的1/2，這一點(diǎn)對許多結(jié)構(gòu)或裝備要求輕型化至關(guān)重要。</p><p>　?。?） 高溫力學(xué)性能極佳。溫度升高至2200 ℃，其強(qiáng)度不僅不降低，甚至比在室溫時還高，這是其他結(jié)構(gòu)材料所無法比擬的。</p><p>　?。?）

19、抗燒蝕性能良好，燒蝕均勻，可以用于3000 ℃以上高溫短時間燒蝕的環(huán)境中，如火箭發(fā)動機(jī)噴管、喉襯等。</p><p>　?。?） 摩擦磨損性能優(yōu)異，其摩擦系數(shù)小，性能穩(wěn)定，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。</p><p>　　（5） 具有其他復(fù)合材料的特征，如比強(qiáng)度高、比模量大、高疲勞度和蠕變性能等。各類二維編織C/C板材的性能數(shù)據(jù)如表1-1所示。</p><p&g

20、t;　　表1-1 各類二維編織C/C板材的性能數(shù)據(jù)</p><p>　　1.2.2 C/C復(fù)合材料的應(yīng)用</p><p>　　根據(jù)C/C復(fù)合材料所具有的優(yōu)異性能，C/C復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域:</p><p>　?。?） 剎車領(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　C/C復(fù)合材料剎車盤的實驗性研究于上世紀(jì)1973年第一次用于飛機(jī)

21、剎車。目前，一半以上的C/C復(fù)合材料用做飛機(jī)剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點(diǎn)以及高溫下的強(qiáng)度，C/C復(fù)合材料正好滿足了這一要求，制作的飛機(jī)剎車盤重量輕、耐高溫、比熱容比鋼高2.5倍，同金屬剎車相比，可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬的5-7倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時噪音小，因此碳剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。目前法國歐洲動力等公司已經(jīng)批量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量

22、生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，用于賽車、火車和戰(zhàn)斗機(jī)的剎車材料。</p><p>　　（2） 先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用 </p><p>　　導(dǎo)彈、載人飛船、航天飛機(jī)等 ，在再入環(huán)境時飛行器頭部受到強(qiáng)激波， 對頭部產(chǎn)生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達(dá)2760℃，所以必須選擇能夠承受再入環(huán)境苛刻條件的材料。設(shè)計合理的鼻錐外形和選材，能使實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。對導(dǎo)彈的端頭帽，

23、也要求防熱材料在再入環(huán)境中燒蝕量低，且燒蝕均勻?qū)ΨQ，同時希望它具有吸波能力、抗核爆輻射性能和全天候使用的性能。三維編織的 C/ C復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時由160℃至氣動加熱至1700℃時的熱沖擊要求，可以預(yù)防彈頭鼻錐的熱應(yīng)力過大引起的整體破壞；其低密度可提高導(dǎo)彈彈頭射程，已在很多戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭上得到應(yīng)用。除了導(dǎo)彈的再入鼻錐，C/C復(fù)合材料還可作熱防護(hù)材料用于航天飛機(jī)。</p><p>　?。?/p>

24、3） 固體火箭發(fā)動機(jī)噴管上的應(yīng)用 </p><p>　　C/C復(fù)合材料自上世紀(jì)70 年代首次作為固體火箭發(fā)動機(jī)（SRM）喉襯飛行成功以來，極大地推動了SRM噴管材料的發(fā)展。采用 C/C復(fù)合材料的喉襯、擴(kuò)張段、延伸出口錐，具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓，可提高噴管效率1 %～3%，即可大大提高了SRM的比沖。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/C復(fù)合材料，增強(qiáng)體多為整體針刺碳?xì)帧⒍嘞蚓幙椀?，并在表面涂覆SiC

25、以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應(yīng)用有：①“民兵2Ⅲ”導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)第三級的噴管喉襯材料；②“北極星”A27 發(fā)動機(jī)噴管的收斂段；③MX 導(dǎo)彈第三級發(fā)動機(jī)的可延伸出口錐（三維編織薄壁C/C復(fù)合材料制品）。俄羅斯用在潛地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的噴管延伸錐（三維編織薄壁C/C復(fù)合材料制品） 。</p><p>　?。?） C/C復(fù)合材料用作高溫結(jié)構(gòu)材料 </p><p>　　由于C/C復(fù)合材料的高溫

26、力學(xué)性能，使之有可能成為工作溫度達(dá)1500～1700℃的航空發(fā)動機(jī)的理想材料，有著潛在的發(fā)展前景。</p><p>　?。?） 渦輪發(fā)動機(jī) </p><p>　　C/C復(fù)合材料在渦輪機(jī)及燃?xì)庀到y(tǒng) （已成功地用于燃燒室、導(dǎo)管、閥門） 中的靜止件和轉(zhuǎn)動件方面有著潛在的應(yīng)用前景，例如用于葉片和活塞，可明顯減輕重量 ，提高燃燒室的溫度 ，大幅度提高熱效率。</p><p>

27、　　（6） 內(nèi)燃發(fā)動機(jī) </p><p>　　C/C復(fù)合材料因其密度低、優(yōu)異的摩擦性能、熱膨脹率低，從而有利于控制活塞與汽缸之間的空隙，目前正在研究開發(fā)用其制活塞。</p><p>　　隨著科技的不斷發(fā)展，C/C復(fù)合材料的應(yīng)用正在由航天航空領(lǐng)域轉(zhuǎn)向普通航空和其他一般工業(yè)領(lǐng)域，廣泛取代其他材料，尤其在汽車領(lǐng)域，發(fā)揮著它不可替代的作用。C/C復(fù)合材料的發(fā)展方向正在由雙元復(fù)合向多元復(fù)合發(fā)展，今后

28、將以結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料為主，向功能和多功能方向發(fā)展。</p><p>　　1.3 C/C復(fù)合材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p>　　復(fù)合材料幾乎是凈成型，但在應(yīng)用過程中仍要對其進(jìn)行二次加工，如在復(fù)合材料板上加工用于連接的各種通孔、盲孔、打鉚釘，在艙段上開窗口，打磨法蘭端面等。鉆削加工則是目前C/C復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)、高效制孔經(jīng)常采用的方法。</p><p>　　與均勻

29、的金屬材料相比，C/C復(fù)合材料存在著非均勻性，而增強(qiáng)體和基體材料的導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)存在著明顯的差異，因此材料的切削除了受到增強(qiáng)體和基體材料特性的影響外，還受到增強(qiáng)體取向分布影響，切削過程復(fù)雜，破壞形式也與金屬有區(qū)別，給加工機(jī)理的研究帶來很大困難。大多數(shù)的研究工作都是圍繞加工工藝及刀具優(yōu)化進(jìn)行的，而對鉆削機(jī)理方面的研究較少。</p><p>　　1.3.1 鉆削C/C復(fù)合材料存在的問題</p>&

30、lt;p>　?。ㄒ唬〤/C復(fù)合材料孔的加工缺陷</p><p>　　碳纖維復(fù)合材料的孔壁表面微觀形態(tài)和出入口加工缺陷是孔加工質(zhì)量的重要特征之一。碳纖維與基體材料間的性質(zhì)差異相差較大，在外力下發(fā)生破損的機(jī)理不一樣，因而碳纖維復(fù)合材料加工表面比較粗糙，難以形成在金屬切削情況下產(chǎn)生的良好加工表面。</p><p>　　碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工時，由于碳纖維與基體兩種材料性能的巨大差異，以及層

31、鋪結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔入口、出口處形成各種各樣的缺陷，主要的缺陷有以下幾種形式:</p><p>　　（1）撕裂和毛刺?？椎娜肟?、出口缺陷主要包括撕裂和毛刺兩種，是孔加工中常見、最直觀的缺陷之一。出口毛刺是由于纖維未能沿孔邊緣切斷而產(chǎn)生的毛邊。撕裂缺陷則是材料表層大面積與基體分離而形成，相對毛刺缺陷而言對材料性能的影響較大，尤其在裝配時，可能因受力不均引起連接處應(yīng)力集中，降低材料的使用性能。</p><

32、;p>　　撕裂和毛刺均發(fā)生在孔的入口、出口側(cè)最表面的一層，且撕裂沿孔入口、出口側(cè)最外層纖維方向伸展。一般情況下孔的出口缺陷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入口缺陷，是缺陷集中的地方。是孔形狀尺寸誤差現(xiàn)象，主要是由于復(fù)合材料各向異性，導(dǎo)致切削時孔四周受力不均，形成尺寸誤差。</p><p>　?。?）分層。分層是指由層間應(yīng)力或制造缺陷等引起的復(fù)合材料鋪層之間的脫膠分離破壞現(xiàn)象。在碳纖維復(fù)合材料鉆孔過程中，孔壁周圍材料出現(xiàn)層間分離破壞

33、是鉆削加工的主要缺陷之一，分層會降低材料的性能和零件加工質(zhì)量，即使是微小的分層也是非常嚴(yán)重的安全隱患，甚至使零件報廢，影響產(chǎn)品的成品率。由于分層大多出現(xiàn)在出口側(cè)附近，表面難以觀察，所以超聲波探傷是檢測分層缺陷的常用方法。 </p><p>　?。ǘ〤/C復(fù)合材料鉆孔的其他問題</p><p>　?。?）刀具磨損嚴(yán)重，耐用度低。切削區(qū)的溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄的區(qū)域內(nèi)，加之C/C

34、復(fù)合材料的硬度非常高，故刀具后刀面產(chǎn)生磨損嚴(yán)重，耐用度低，影響產(chǎn)品的形狀、尺寸精度及加工表面質(zhì)量。另外，刀具磨損嚴(yán)重和耐用度低也會導(dǎo)致產(chǎn)品加工成本的上升。</p><p>　?。?）加工表面的尺寸精度和表面粗糙度不易達(dá)到要求，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這主要是因為復(fù)合材料呈現(xiàn)各向異性，切削時切削力大，并產(chǎn)生大量的切削熱。鉆孔時尤為嚴(yán)重，加工精度和表面質(zhì)量難以保證。</p><p>　?。?）加工效

35、率低。C/C復(fù)合材料屬于典型的難加工材料，材料強(qiáng)度大、硬度高、各向異性，切削力大，切削溫度高，導(dǎo)致刀具磨損加劇，難易提高加工效率。</p><p>　?。?）切屑為黑色粉塵，容易污染環(huán)境，危害人的健康；另外切屑的導(dǎo)電性易使電器設(shè)備和電網(wǎng)短路。</p><p>　　1.3.2 關(guān)于復(fù)合材料加工的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.2.1 鉆孔、切削機(jī)理研究

36、現(xiàn)狀 </p><p>　　國外從事復(fù)合材料研究工作的主要集中于美國、日本、歐盟等幾個國家。世界上幾大知名飛機(jī)制造廠商，如美國的波音公司、歐洲的空中客車公司也在進(jìn)行復(fù)合材料加工方面的研究工作，但是他們的工作更多地限于實用水平。</p><p>　　Kpolve等人[1]于 1983年基于快速落刀法的實驗，提出了碳纖維復(fù)合材料切屑形成是材料斷裂過程的觀點(diǎn)，并指出切削表面質(zhì)量與增強(qiáng)纖維的取

37、向有關(guān)。Ogawa等[2]指出進(jìn)給速度是影響孔壁表面粗糙度的重要因素，進(jìn)給速度增加會導(dǎo)致軸向力增大，進(jìn)而引起孔壁表面完整性變差。Lin和Chen[3]指出高速鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時，增加切削速度刀具磨損加快，鉆削中的軸向力增大，進(jìn)而減弱了加工件的質(zhì)量。Piquet等[4]指出增加切削刃的數(shù)量、減小刀具與材料之間的接觸長度能夠減小分層的發(fā)生。Chen[5]研究了高速鉆削CF卿時尖角、螺旋角、橫刃的角度對軸向力的影響，結(jié)果表明增加尖角軸向力

38、增大，扭矩減小；當(dāng)螺旋角和橫刃的角度增加時軸向力和扭矩的值都會增大。在使用PCD鉆頭加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時能夠獲得較好的加工質(zhì)量[6]。Hocheng等人[7]在C/PEEK、C/ABS和C/C復(fù)合材料磨削實驗的基礎(chǔ)上，提出預(yù)測復(fù)合材料切削力的機(jī)械學(xué)模型，分析了纖維方向?qū)η羞?、表面粗糙度和切削力的影響，并推薦了纖維的磨削方向。</p><p>　　北航的張厚江等人[8-9]，應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具鉆削CFRP時分析了鉆

39、削過程中橫刃與主切削刃的作用階段，并分析各個階段對撕裂缺陷形成過程產(chǎn)生的影響，為碳纖維復(fù)合材料切削機(jī)理的研究提供了理論參考。胡寶鋼等[10]對CFRP的切削等工藝做了研究，并給出較為合理的切削用量參數(shù)和刀具幾何參數(shù)等。張萬君等[11]討論了CFRP鉆孔加工時工藝參數(shù)的選擇、刀具的設(shè)計及其使用等。陳鼎昌[12-13]等人，建立單向碳纖維復(fù)合材料鉆削過程中的鉆削力理論模型，分析了纖維角θ與切削力之間的關(guān)系，提出了碳纖維復(fù)合材料加工過程中撕裂

40、和分層產(chǎn)生的原理，并提出了解決的辦法，為碳纖維復(fù)合材料切削機(jī)理的研究提供了理論參考。</p><p>　　1.3.2.2 復(fù)合材料加工表面質(zhì)量表征方法研究現(xiàn)狀</p><p>　　復(fù)合材料構(gòu)件的表面質(zhì)量是影響構(gòu)件的性能、成品率和可靠性的重要因素。因此研究開發(fā)復(fù)合材料表面質(zhì)量的檢測與評價技術(shù)對保證復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。復(fù)合材料零件機(jī)械加工表面具有不同于金屬零

41、件機(jī)械加工表面的特性，簡單地沿用金屬材料機(jī)械加工表面質(zhì)量檢測與評價技術(shù)存在許多問題。</p><p>　　近年來國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合材料表面質(zhì)量的檢測與評價難題，開展了一些研究工作，如大連理工大學(xué)趙福令等人研究了基于TalyScan150型表面粗糙度測試儀的復(fù)合材料表面粗糙度檢測評價方法[14]。華南理工大學(xué)金燕明等人探討了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切削加工表面結(jié)構(gòu)和粗糙度與切削方向的關(guān)系[15]。李志強(qiáng)等人利用掃描電子顯

42、微鏡研究了碳纖維復(fù)合材料孔壁表面的特性[16]。張厚江等人采用聲學(xué)顯微鏡、氯化金滲透法研究了碳纖維復(fù)合材料鉆削孔分層缺陷的檢測方法[17-19]。Tagliaferi等人通過切削區(qū)域利用液體在材料內(nèi)部深透的方法，利用光學(xué)顯微鏡確定孔邊缺陷區(qū)域的面積[20]。Chen利用x射線非接觸式測量方法測量鉆孔分層區(qū)域的面積，并采用分層因子作為評價分層缺陷的指標(biāo)，分層因子定義為分層缺陷區(qū)域的最大直徑與孔的理論直徑的比值[21]。N.S.Mohan等

43、人利用分層因子作為評價指標(biāo)，從切削速度、進(jìn)給速度、鉆頭直徑和試件厚度四個方面進(jìn)行實驗研究，探討對分層缺陷的影響規(guī)律，結(jié)果表明試件厚道和進(jìn)給速度對分層缺陷有重要的影響[22]。超聲波檢測由于操作簡單，不破壞工件的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，常常被用于復(fù)合材料分層缺陷的</p><p>　　目前國內(nèi)外還沒有形成較完善、實用的復(fù)合材料表面質(zhì)量的檢測與評價技術(shù)，在復(fù)合材料的設(shè)計、加工和使用過程中仍沿用傳統(tǒng)的金屬材料表面質(zhì)量的檢測評價方法

44、，尤其是在碳纖維復(fù)合材料鉆孔時產(chǎn)生的毛刺和撕裂缺陷，其表征方法至今仍未有相關(guān)文獻(xiàn)報道，復(fù)合材料加工及其表面質(zhì)量評價方法值得進(jìn)行深入的研究探討。</p><p>　　1.4 超聲振動鉆削國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　超聲振動切削作為一種先進(jìn)的特種加工方法，它具有降低切削力和切削熱效應(yīng) ，能夠大幅度降低表面粗糙度 ，提高加工精度和延長刀具壽命的特性。對于難加工材料 ，它的精密加工質(zhì)量獲

45、得了廣泛認(rèn)可。</p><p>　　1.4.1 國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　自 1954 年日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授提出振動鉆削理論以來 ，各國學(xué)者對振動鉆削進(jìn)行的大量理論研究和實驗分析，已取得了許多有價值的研究成果并應(yīng)用于加工領(lǐng)域。尤其是近幾年發(fā)展更為迅速 ，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。在振動鉆削的理論研究方面，隈部淳一郎率先對超聲振動鉆削的優(yōu)良的加工機(jī)理進(jìn)行研究，在

46、其著作《精密加工振動切削（基礎(chǔ)與應(yīng)用）》中提出鉆頭的靜止化和剛性化理論[23]：由于切削刃與工件的周期性分離，使切削力成為脈沖力，因而在鉆削過程中出現(xiàn)鉆頭的位移并不隨時間發(fā)生變化的靜止化效果和脈沖切削力使鉆頭抵抗彎曲變形能力提高的剛性化效果。足立勝重提出了振動斷屑理論 ，指出振動鉆削過程中 ，刀具的工作前角是周期性變化的，實際工作前角和后角的周期性變化引起剪切角的周期性變化 ，這樣能促進(jìn)切屑與前刀面分離 ，改善切屑與前刀面的摩擦條件 ，

47、并給出了主切削刃的動態(tài)前角計算公式。</p><p>　　前蘇聯(lián)鮑曼工學(xué)院的鮑德拉耶夫通過實驗研究提出了振動鉆削的沖擊理論，認(rèn)為在振動鉆削時鉆頭橫刃的沖擊作用能明顯改善橫刃的切削條件 ，并運(yùn)用彈塑性理論分析論證了其動力學(xué)機(jī)理。</p><p>　　B. Azarhoushang 和J. Akbari [24]通過自制的超聲振動鉆削裝置對鎳基合金分別進(jìn)行超聲振動鉆削加工與普通鉆削加工的實驗，

48、實驗結(jié)果表明超聲振動鉆削能有效地提高孔的整體的加工質(zhì)量，能提升60%的加工質(zhì)量。U. Heisel 和J. Wallaschek[25] 等人通過輸入不同的振幅、切削速度和進(jìn)給量對電解銅分別進(jìn)行超聲振動鉆削跟普通鉆削的深孔的實驗研究，實驗結(jié)果表明只要選擇合理的振幅、切削速度跟進(jìn)給量就能提高整體的加工質(zhì)量，并且能提高整個加工過程的穩(wěn)定性。</p><p>　　1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><

49、;p>　　我國對振動鉆削的研究始于60 年代末，但是直到80 年代初期這項技術(shù)才真正得到認(rèn)可和發(fā)展。在對振動鉆削的理論研究、難加工材料的加工等方面取得了重要的成果。</p><p><b>　　（1）理論研究</b></p><p>　　西安理工大學(xué)的薛萬夫教授對振動鉆削時刀刃相鄰運(yùn)動軌跡波形進(jìn)行了理論分析和計算，得出了保證斷屑的條件，進(jìn)一步豐富了足立勝重的振動

50、斷屑理論。并且在實驗研究的基礎(chǔ)上，他進(jìn)一步提出了振動鉆削的動態(tài)角度理論，指出主切削刃的前角和后角在鉆削過程中是動態(tài)變化的，并給出了實際動態(tài)后角的計算公式和計算圖，在后續(xù)的研究工作中，動態(tài)后角理論的提出為加工塑性金屬時可以改善刀具與工件的摩擦條件提供了理論依據(jù)。吉林工業(yè)大學(xué)王立江教授等對軸向振動鉆削的理論和工藝效果也進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，突破了零相位差不能斷屑的傳統(tǒng)觀念，彌補(bǔ)了足立勝重從運(yùn)動學(xué)角度對振動鉆削分析時得出的零相位差不能斷屑的缺

51、陷和不足，使振動斷屑理論進(jìn)一步完善化。并提出了振動鉆削的入鉆定位理論、超聲亞諧區(qū)鉆頭獨(dú)立振動模式理論等，分析了振動鉆削提高加工精度的機(jī)理[26-27]。</p><p><b>　?。?）工藝效果研究</b></p><p>　　吉林工業(yè)大學(xué)王立江教授對高頻和低頻振動鉆削進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，采用超聲波振動鉆削系統(tǒng)在低碳合金鋼和黃銅上進(jìn)行了微小孔的鉆削實驗，實驗結(jié)果表明，

52、采用超聲振動鉆削能顯著提高了入鉆定位精度和孔徑精度 ，降低了表面粗糙度和出口毛刺[28]。劉華明教授通過自制的超聲振動鉆削系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，研究鉆頭耐用度與振幅之間的關(guān)系，實驗結(jié)果表明振動鉆削能降低切削力、提高表面的加工質(zhì)量及孔徑精度 [29]。河南理工大學(xué)的許幸新，劉傳紹等人，在自制的超聲振動鉆削設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過不同材質(zhì)的硬質(zhì)合金麻花鉆對不同重量百分含量的SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行普通鉆削與超聲振動鉆削的對比實驗，實驗著重分析

53、比較加工中切削力的變化規(guī)律。通過選取不同的鉆削參數(shù)，分別測量普通鉆削跟超聲振動鉆削的切削力進(jìn)行比較；結(jié)果表明，與普通鉆削相比，超聲振動鉆削時軸向力跟扭矩要小得多[30]。廣西大學(xué)的張伯榮等人用普通硬質(zhì)合金刀具對過共晶鋁硅合金活塞進(jìn)行了超聲波振動切削，切削過程切削力小，無積屑瘤現(xiàn)象，表面粗糙度比較接近理論粗糙度，大大改善了其加工性，從而可以代替金剛石刀具[31]。朱曉翠，王麗慧等[32]研究了回轉(zhuǎn)進(jìn)給量對切削力的影響。</p>

54、<p>　?。?）新型復(fù)合加工方式研究</p><p>　　北京航空航天大學(xué)的張鵬、張德遠(yuǎn)等人提出了一種加工微小斜孔的方法，即擺動振動鉆削微小斜孔。采用擺動振動鉆削可避免鉆頭受力不均衡而產(chǎn)生彎曲，提高了微小斜孔的加工質(zhì)量[34]。賴興余等學(xué)者提出了電熱振動復(fù)合鉆削技術(shù)的新型的復(fù)合加工方式[35]，即在對鉆頭跟工件施加軸向振動的同時，又對鉆頭跟工件之間構(gòu)成的回路通低壓大電流，使得鉆削區(qū)的加工材料軟化，

55、從而降低切削力，改善材料的加工性，以解決各種高強(qiáng)度、高硬度的金屬材料、復(fù)合材料和疊層材料等難加工材料的微小孔加工的難題。</p><p>　　1.4.3 當(dāng)前存在的問題</p><p>　　經(jīng)過國內(nèi)外專家多年的研究，振動鉆削技術(shù)確實得到了很大的發(fā)展，振動鉆削確實有很多優(yōu)良的工藝效果，比如：能降低切削扭矩、降低切削熱、提高孔的表面加工質(zhì)量和提高鉆頭壽命等。但是要真正提高加工過程的高可靠性及

56、自動化，實現(xiàn)振動鉆削的最佳控制，還有一段距離。其存在的問題主要如下：</p><p>　　（1）對振動鉆削的理論研究還不夠充分。目前所掌握的關(guān)于振動鉆削的理論，大部分是在實驗中總結(jié)出來的，根據(jù)實驗結(jié)果與普通鉆削的比較總結(jié)出的一些理論?，F(xiàn)有的振動鉆削理論體系不夠完善，理論研究不夠深入，有著較大的局限性，缺少嚴(yán)密的科學(xué)論證。</p><p>　?。?）超聲振動系統(tǒng)功率相對偏低，超聲電源設(shè)備，切

57、削裝置和測試系統(tǒng)的系列化、商品化程度不夠，一定程度上影響了其應(yīng)用與推廣。并且由于波的一些傳播特性的影響，超聲振動鉆削中聲振系統(tǒng)的固定方式等都比較單一。</p><p>　?。?）振動鉆削的優(yōu)良工藝效果已經(jīng)得到肯定，但其推廣應(yīng)用速度仍很緩慢這主要由于激振裝置還很不穩(wěn)定。如超聲振動系統(tǒng)經(jīng)常由于結(jié)合面松動、發(fā)熱疲勞以及振幅波動等原因限制了其在加工生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用；</p><p>　?。?）隨著

58、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高硬度的新興的復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)，對于不同的工件或者同一工件不同的材料層進(jìn)行振動鉆削時，不能用固定參數(shù)的加工方法進(jìn)行加工。現(xiàn)有的振動鉆削的參數(shù)是無法全面覆蓋整個加工領(lǐng)域的，故在加工不同的材料前，應(yīng)根據(jù)加工材料的組合特性、孔的長徑比和技術(shù)參數(shù)等來靈活選擇振動參數(shù)變量，以全面提高孔的加工質(zhì)量。</p><p><b>　　1.4.4 結(jié)語</b></p>

59、<p>　　綜上所述，隨著各種合金材料、復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用以及孔加工質(zhì)量要求的提高，傳統(tǒng)的鉆削加工工藝已經(jīng)很難滿足要求。通過大量的實驗表明，超聲振動鉆削作為一種先進(jìn)的加工工藝，能有效地提高孔的整體加工質(zhì)量，以及提高加工過程的穩(wěn)定性，特別在難加工材料的微小孔加工上有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)前，超聲振動鉆削也還存在理論研究、振幅損失和如何自動化、智能化地選擇加工參數(shù)對不同的材料進(jìn)行加工等難題。因此超聲振動鉆削在理論研究（動態(tài)規(guī)律等）、

60、振幅損失量的前期估計和補(bǔ)償及變參數(shù)的自動化控制等方面有待進(jìn)一步研究，開發(fā)變參數(shù)的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)振動鉆削的自動化、智能化將成為其研究方向。</p><p>　　1.5 本文研究的意義</p><p>　　1.5.1 選題意義</p><p>　　C/C復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，不少學(xué)者開始致力于C/C復(fù)合材料的加工工藝研究，以優(yōu)化加工參數(shù)，減小和抑制加工缺陷；

61、但這些方面的研究工作尚不完善。C/C復(fù)合材料鉆削過程中產(chǎn)生的加工缺陷是影響構(gòu)件性能、成品率及可靠性的重要因素，特別是分層缺陷的存在，能夠通過降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度影響到構(gòu)件的完整性，甚至造成嚴(yán)重的災(zāi)難。所以有必要對C/C復(fù)合材料的鉆削加工進(jìn)行深入研究，尋找提高加工效率，同時改善加工質(zhì)量的方法。</p><p>　　1.5.2 論文的主要工作</p><p>　　開展C/C復(fù)合材料普通鉆削和

62、超聲振動鉆削加工實的對比驗研究，針對C/C復(fù)合材料鉆削過程中極易產(chǎn)生的毛刺、撕裂、分層等加工缺陷，在對實驗進(jìn)行統(tǒng)計分析后，歸納鉆削過程中，加工參數(shù)改變對鉆削力和孔出入口加工缺陷的影響。研究內(nèi)容包括：</p><p>　?。?）C/C復(fù)合材料超聲振動鉆孔的實驗研究。分析C/C復(fù)合材料的超聲振動鉆削機(jī)理，研究在超聲振動鉆削條件下，提高孔加工質(zhì)量的方法。</p><p>　?。?）C/C復(fù)合材料

63、鉆孔質(zhì)量對比分析。通過改變主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和鉆頭直徑等工藝參數(shù)，進(jìn)行普通鉆削與超聲振動鉆削的對比實驗，來探討C/C復(fù)合材料的鉆削特性。</p><p>　?。?）整理鉆削加工產(chǎn)生的缺陷，根據(jù)缺陷的形態(tài)進(jìn)行定義，分析各種缺陷產(chǎn)生的原因?？偨Y(jié)影響加工缺陷產(chǎn)生的主要因素，概括加工參數(shù)改變對制孔質(zhì)量的影響規(guī)律。</p><p>　　第二章 超聲振動鉆削基本原理</p><p

64、><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，孔加工在機(jī)械制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，孔加工的金屬切除量約占切削加工總金屬切除量的1/3，鉆頭的產(chǎn)量約占刀具總量的60%。國內(nèi)每年生產(chǎn)鉆頭的高速鋼消耗量約占刀具生產(chǎn)中高速鋼消耗總量的70%，目前用于加工孔的工藝方法很多，但應(yīng)用最廣泛、生產(chǎn)實用性最強(qiáng)的仍是采用麻花鉆的鉆削加工。由此可知，鉆削工藝在孔

65、加工和機(jī)械加工中占有非常重要的地位。隨著各種精密儀器、零件等的廣泛使用，其加工精度與質(zhì)量的要求越來越高，與此同時，在機(jī)械制造領(lǐng)域，不銹鋼、鈦合金和復(fù)合材料等各種難加工材料的日益廣泛地使用以及微小孔加工數(shù)量的增多，孔的加工難度不斷提高，傳統(tǒng)的鉆削工藝已經(jīng)很難滿足其加工要求，存在著很大的局限性，如存在切削力大、刀具磨損嚴(yán)重、排屑困難等問題，有些場合加工根本無法進(jìn)行。</p><p>　　振動鉆削就是在這種條件下提出并

66、開展研究的。而超聲振動鉆削作為振動鉆削的一個分支，在對難加工材料或難加工工藝（如小直徑深孔）的加工中，取得很好的效果。超聲振動鉆削是在普通鉆削的基礎(chǔ)上增加一個周期性的振動，使切削用量按某種規(guī)律變化，以達(dá)到改善切削效能的一種新穎的加工方法。在振動鉆削加工過程中，鉆頭與工件時切時離，其運(yùn)動速度的大小跟方向在不斷地變化，這使得超聲振動鉆削在對難加工材料或難加工工藝的加工中，都取得了傳統(tǒng)的鉆削工藝難以達(dá)到的效果，如切削力減小、入鉆精度提高、孔擴(kuò)

67、量減少、出口毛刺高度減小、鉆頭壽命提高等，使鉆削工藝技術(shù)有了一個質(zhì)的飛躍，其優(yōu)良的工藝效果已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。本章針對超聲振動鉆削的基本原理和特點(diǎn)、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、工藝效果等進(jìn)行闡述，提出當(dāng)前超聲振動鉆削所有存在的問題，對其未來的研究方向進(jìn)行展望。</p><p>　　2.2 超聲振動鉆削的工作原理</p><p>　　超聲振動鉆削中的振動系統(tǒng)是由超聲波發(fā)生器、換能器、超聲變幅桿跟刀具系

68、統(tǒng)組成的。工作原理圖如圖2-1 所示。</p><p>　　2.2.1 超聲波發(fā)生器</p><p>　　超聲波發(fā)生器也稱超聲電源，它是一種用于產(chǎn)生超聲頻電振蕩信號并向超聲換能器提供超聲能量的功率器件，其主要作用是將220V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻電振蕩信號。按照所釆用的原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。按照激勵方式的不同可分為自激式和他激式，按照末級所采用的器

69、件類型可分為電子管型、可控桂逆變型、晶體管型和功率模塊型。自激式超聲波發(fā)生器把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器作為一個整體，形成一個閉合回路，使之滿足幅度、相位反饋的自激振蕩，組成諧振于換能器的機(jī)械共振頻率上的振蕩器。他激式超聲波發(fā)生器是由振蕩器、驅(qū)動放大、功率放大器組成。通過輸出變壓器稱合，把超聲能量加到換能器上。由于晶體管型超聲波發(fā)生器具有成本低、體積小、能耗少、幵機(jī)不需要預(yù)熱等特點(diǎn)，因此本實驗裝置比較理想的超聲波發(fā)生器是釆用數(shù)字鎖相

70、環(huán)頻率自動跟蹤式晶體管型超聲波發(fā)生器。</p><p>　　在超聲軸向振動鉆削時，由于負(fù)載變化、刀具磨損以及發(fā)熱等諸多因素的影響，引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，聲學(xué)系統(tǒng)的諧振頻率、等效阻抗及換能器的共振頻率將發(fā)生漂移，因此應(yīng)采用鎖相式頻率自動跟蹤電路使本系統(tǒng)具有較好的頻率自動跟蹤特性，即使超聲波發(fā)生器的頻率應(yīng)始終等于振動系統(tǒng)的諧振頻率。</p><p>　　輸出功率自動調(diào)節(jié)功能，為了使振動鉆削工藝過

71、程穩(wěn)定可靠，要求聲學(xué)系統(tǒng)輸入負(fù)載的機(jī)械功率隨負(fù)載的增大而增大，即注入聲振系統(tǒng)的比功率恒定，但實際情況是，即使頻率跟蹤良好，但隨負(fù)載的增加，聲振系統(tǒng)的機(jī)械阻抗增大、附加介質(zhì)損耗增加，從而引起輸出振幅減小，比功率下將，因此加工質(zhì)量得不到保證。此外，聲振系統(tǒng)空載或從有載到空載，如果輸出功率不變的話，超聲波發(fā)生器和聲振系統(tǒng)極易受損壞，為了保證他們的安全性，要求接負(fù)載后接通超聲波發(fā)生器的電源，離開負(fù)載后斷幵超聲波發(fā)生器的電源，以進(jìn)一步提高電路工作

72、的安全性。</p><p>　　實際研制時，由于超聲波發(fā)生器是相對比較成熟的功率器件，國內(nèi)外都有專門的研制和生產(chǎn)廠家，因此在實際應(yīng)用和實際調(diào)試過程中，根據(jù)實際聲振系統(tǒng)的諧振頻率和輸入阻抗來調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的信號頻率以及輸出阻抗，而無須做大的變動。因此，滿足試驗需要的超聲波發(fā)生器應(yīng)具有以下條件: </p><p>　?。?）具有頻率自動跟蹤功能；</p><p>　　

73、（2）功率連續(xù)無極調(diào)節(jié)等功能；</p><p>　?。?）具有線路自動保護(hù)（過載、過熱等）功能。</p><p>　　超聲波發(fā)生器也是一個放大器，它與一般放大器的重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的四配除了阻抗變換之外，還有一個重要的功能——調(diào)諧。只有在同時進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常工作

74、。</p><p>　　超聲波發(fā)生器與換能器的匹配包括兩方面的內(nèi)容:一是超聲波發(fā)生器的輸出阻抗與換能器的動態(tài)阻抗一致;二是在額定輸入電功率條件下，使換能器輸出的聲功率最大。</p><p>　　超聲波發(fā)生器與換能器匹配的方法是:首先應(yīng)準(zhǔn)確測量換能器的動態(tài)阻抗及其變化范圍，然后合理選擇超聲波發(fā)生器的輸出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通過反復(fù)測試，即可實現(xiàn)超聲波發(fā)生器與換能器之間的

75、匹配。</p><p>　　2.2.2 超聲換能器</p><p>　　超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件，有它自己獨(dú)立的學(xué)科地位。超聲換能器學(xué)科研究的方向是:研究盡可能滿足工程實用要求的聲波阻抗、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、阻抗匹配、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、換能材料及振動模式等特性，并設(shè)計和協(xié)調(diào)這些基本特性，達(dá)到電與聲之間的最佳轉(zhuǎn)換。超聲換能器的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的交流高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動。目

76、前，廣泛釆用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。</p><p>　　2.2.3 超聲變幅桿</p><p>　　超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工設(shè)備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作中，由超聲換能器福射面所產(chǎn)生的振動幅度非常小，當(dāng)工作頻率在20KHZ范圍內(nèi)超聲換能器福射面的振幅只有幾微米，而在超聲加工中所需要的振

77、幅大約為幾十甚至幾百微米，所以必須借助變幅桿的作用將機(jī)械振動質(zhì)點(diǎn)的位移量和速度進(jìn)行放大。</p><p>　　變幅幅桿的作用主要有四個:</p><p>　　（1）用作放大位移振幅（或振速），或者把能量集中到較小的面積上即聚能作用。</p><p>　　（2）作為機(jī)械阻抗的變換器，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負(fù)載傳輸。</p><p>　

78、?。?）變幅桿也是為了用來固定整個機(jī)械系統(tǒng)（在波節(jié)處固定）從而盡可能地減少機(jī)械能量的損耗。</p><p>　?。?）變幅桿使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學(xué)和化學(xué)上的隔絕。</p><p>　　在超聲振動系統(tǒng)工作中，由于壓電陶瓷換能器的伸縮變形小，一般情況下，其振幅為4~10μm，而超聲振動鉆削對振幅的要求往往需要達(dá)到10~100μm，所以必須借助變幅桿的作用將機(jī)械振動質(zhì)點(diǎn)的位移量和速度進(jìn)行

79、放大。</p><p>　　2.2.4 工具系統(tǒng)</p><p>　　選擇不同的振動鉆削裝置就會使振動參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍差別很大。因此，在應(yīng)用上根據(jù)實際需要來選擇振動裝置。一般來說，振動鉆削裝置應(yīng)滿足下列一些要求:</p><p>　?。?）振動裝置在實現(xiàn)振動的同時，也要具有較小的外觀尺寸，比較容易與床體安裝固定或不需對床體機(jī)構(gòu)進(jìn)行較大改動；</p>&

80、lt;p>　?。?）振動頻率與振幅的調(diào)節(jié)范圍要廣，可以滿足不同工況、不同工序的工件加工； </p><p>　?。?）振動振幅和頻率穩(wěn)定，即振動頻率不受負(fù)載的影響；</p><p>　?。?）振動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量適中，即附加的振動機(jī)構(gòu)不會引起加工系統(tǒng)的振動，以保證鉆削一平穩(wěn)，噪聲小；</p><p><b>　?。?）使用壽命長；</b><

81、;/p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，容易和現(xiàn)有機(jī)床配套使用，甚至成為通用機(jī)床的附件。</p><p>　　2.3 振動鉆削的分類</p><p>　　振動鉆削作為一種新穎的加工方法，在對難加工材料或難加工工序的加工中，能全面提高孔的加工質(zhì)量與加工效率，按不同的分類方式可將振動鉆削分為以下幾類：</p><p>　　（1）按振動產(chǎn)生的方

82、向分類：有軸向振動鉆削、扭轉(zhuǎn)振動鉆削以及軸向跟扭轉(zhuǎn)復(fù)合的振動鉆削；軸向振動易于實現(xiàn)，工藝效果良好，在振動鉆削中占主導(dǎo)地位。上述三種振動方式示意圖如圖2-2所示：</p><p>　　（2）按振動性質(zhì)分類：有自激振動鉆削和強(qiáng)迫振動鉆削。前者是完全是由切削過程產(chǎn)生的，后者是在普通鉆削的基礎(chǔ)上附加激振裝置來產(chǎn)生可控的有規(guī)律的振動。</p><p>　　（3）按振動頻率分類：有高頻振動鉆削和低頻振

83、動鉆削。鉆頭（或工件）的振動頻率在16kHz以上的稱高頻振動鉆削或超聲波振動鉆削，其高頻振動是利用超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿來實現(xiàn)的。這種振動鉆削方式以改善加工精度和表面粗糙度、提高切削效率和效能、擴(kuò)大切削加工適應(yīng)范圍為主要目的。鉆頭（或工件）的振動頻率最高僅為幾百赫茲的稱低頻振動鉆削，低頻振動主要依靠機(jī)械或電液等激振裝置來實現(xiàn)，這種振動鉆削方式以斷屑為主要目的，同時也可以有效地提高孔的加工精度。</p><p&g

84、t;　?。?）按振動對象分為振動主軸和振動工作臺兩種形式。振動工作臺時工件和夾具組成振源的慣性負(fù)載，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的變化直接影響振幅輸出。振動主軸時，振源的慣性負(fù)載不因工件而發(fā)生變化，適應(yīng)性強(qiáng)，一般都采用振動主軸的方式。</p><p>　　2.4 超聲振動鉆削的特點(diǎn)</p><p>　?。?）鉆削扭矩減小。超聲振動鉆削所產(chǎn)生的是脈沖力矩，刀具與切屑的摩擦系數(shù)大大降低，因而鉆削扭矩也大大減

85、小。</p><p>　?。?）排屑容易。在超聲振動作用下，刀具與切屑之間的摩擦力大大地降低，有利于切屑的排出。</p><p>　?。?）加工精度高。在超聲加工過程中，鉆頭產(chǎn)生“剛性化的效果”，使得鉆頭不易變形，不易鉆偏，所以能提高加工精度，加工誤差主要為機(jī)床跟夾具的安裝誤差。</p><p>　?。?）孔的表面加工質(zhì)量提高。由于鉆頭變形小，消除了積屑瘤，切削溫度

86、低，切削硬度低，易于排除，不會損耗已加工的表面，因此孔的表面加工質(zhì)量提高。</p><p>　?。?）鉆頭的壽命提高。由于超聲振動鉆削時，鉆頭加工是間歇的，并且切削力減小，切削溫度降低，不產(chǎn)生積屑瘤跟崩刃現(xiàn)象，所以可以提高鉆頭的壽命。</p><p>　　第三章 實驗方案的設(shè)計及實驗過程</p><p><b>　　3.1 實驗準(zhǔn)備</b>

87、</p><p>　　3.1.1 鉆削刀具</p><p>　　實驗所用刀具為直徑分別是Φ4 、Φ6 、Φ8（mm）的硬質(zhì)合金大頂角鉆頭，頂角角度為160°，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的118°，可有效減少鉆孔過程中毛刺的產(chǎn)生。鉆頭形貌及尺寸如圖3-1 所示。</p><p>　　3.1.2 實驗材料</p><p>　　本文以

88、無緯炭布針刺薄氈C/C復(fù)合材料為研究對象。為增強(qiáng)材料層間強(qiáng)度，在預(yù)制體網(wǎng)胎層與炭布層之間用由帶鉤的針攜帶的炭纖維結(jié)合在一起，每層鋪層后都進(jìn)行針刺以滿足形狀復(fù)雜和需要精確機(jī)加部件的要求[12]。其組織結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)分別如圖3-2和表3-1所示。</p><p>　　表 3-1 C/C復(fù)合材料性能參數(shù)</p><p>　　3.1.3 實驗設(shè)備</p><p>　　鉆削

89、實驗在VMC-850三坐標(biāo)數(shù)控加工中心（最大轉(zhuǎn)速8000r/min，機(jī)床功率22KW）上進(jìn)行。采用Kistler 9257A壓電式測力儀進(jìn)行鉆削力測試。整個測試系統(tǒng)原理如圖3-3 所示。在鉆削過程中，實時采集x、y、z 3 個方向的力（Fx， Fy， Fz） 和扭矩（M）。為了研究鉆削參數(shù)對鉆孔質(zhì)量的影響，采用萊卡S6D顯微鏡分別對孔入口側(cè)和孔出口側(cè)的表面形貌進(jìn)行拍攝。</p><p>　　圖3-4 鉆削實驗系

90、統(tǒng)現(xiàn)場照片 </p><p>　?。?）測力儀簡介及原理</p><p>　　測力儀，又叫測力計，分為電氣式測力儀、機(jī)械式測力儀（指針式）和液壓式測力儀三種。測力儀是測量機(jī)械靜態(tài)力、動態(tài)力中常用的儀器，在金屬和非金屬切削時，通常需要使用測力儀測出各個方向上切削力的大小。目前使用最廣泛的是電氣式測力儀。而電氣式測力儀通常又分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、電容電感式還有壓電式等。本實驗使用的是Kist

91、ler 9257A壓電式測力儀，如圖3-5所示：</p><p>　　壓電式測力儀的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行力的測量的。所謂的壓電效應(yīng)就是：當(dāng)某些晶體材料受某方向的力P作用而產(chǎn)生微小的形變時，將在晶體的上下表面分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷，從而在晶體上下表面之間產(chǎn)生電勢差E。由于晶體表面的電荷量Q往往很小，因此需要在測量系統(tǒng)中接入一個電荷放大器，用它對信號進(jìn)行放大，然后輸出到采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采集和記錄。

92、壓電式測力儀的優(yōu)點(diǎn)在于其具有很好的剛度和很高的靈敏度，所以，它既能測量靜態(tài)銑削力，也能測量動態(tài)銑削力，也可以用來測量各種沖擊力。</p><p>　　通常在實驗研究和工程測量中，使用較多的是三向壓電式測力儀，它的傳感器是由三個不同方向的壓電晶片構(gòu)成，當(dāng)任意方向的力作用其表面時，該作用力將自動被分解成三個互相垂直方向X、Y、Z上的分力，其工作傳感器如圖3-6所示： </p><p>　　圖3

93、-6 三向壓電式測力儀傳感器示意圖</p><p><b>　?。?）電荷發(fā)大器</b></p><p>　　實驗所用電荷發(fā)大器型號為YG5850（見圖3-7），可同時輸入輸出三個通道的信號。在鉆削實驗時，測力儀內(nèi)的壓電石英傳感器將鉆削扭矩和軸向力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的電荷值，并由電荷發(fā)大器和A／D信號采集卡將其轉(zhuǎn)化成數(shù)值信號，供計算機(jī)進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)分析處理。</p

94、><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)采集裝置</b></p><p>　　為了對鉆削過程中，三個方向的切削力進(jìn)行采集記錄并對切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行自動圖像繪制。最后輸入的為每一時刻切削力變化的直觀圖。采集裝置為HBM瞬時信號記錄儀，如圖3-8所示：</p><p><b>　?。?）超聲波發(fā)生器</b></p><p&

95、gt;　　超聲發(fā)生器是系統(tǒng)激振裝置的驅(qū)動源，功能是將市電轉(zhuǎn)換為超聲頻電振蕩信號[22]。按照激振形式不同分為：自激式和他激式。自激式發(fā)生器是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集成一體，形成閉環(huán)回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成一個功率放大回路，并諧振于換能器的共振頻率上；他激式發(fā)生器由振蕩器與放大器兩部分組成，具有完整電路控制、保護(hù)系統(tǒng)，適合于連續(xù)加工，與自激式相比可靠性強(qiáng)。</p><p>　　在超聲軸向振

96、動鉆削系統(tǒng)中，由于超聲波發(fā)生器和聲振系統(tǒng)（換能器和變幅桿）是相對比較成熟的元器件，國內(nèi)外都有專門的研制和生產(chǎn)廠家，因此在實際應(yīng)用中可以根據(jù)需要進(jìn)行選購。本實驗選用SY-2000型超聲波發(fā)生器，功率可分檔調(diào)節(jié)、頻率自動跟蹤補(bǔ)償。而后對超聲振動裝置的各個部分進(jìn)行安裝、調(diào)試，達(dá)到聲振系統(tǒng)的諧振，以滿足后續(xù)超聲振動鉆削加工實驗的需求。</p><p>　　3.2 實驗參數(shù)選取</p><p>　

97、　3.2.1 鉆削用量及選用原則</p><p>　　切削加工中，切削用量的合理選擇及優(yōu)化問題，關(guān)系到加工生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性、加工精度、加工表面質(zhì)量以及零件的使用壽命與可靠性等問題，是提高材料切削效率和加工質(zhì)量的主要途徑之一。</p><p>　　制訂合理切削用量的目的是為了在保證切削質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的生產(chǎn)成本。鉆削加工的鉆削用量主要包括：切削速度v（主軸轉(zhuǎn)速n）、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

98、Vf 、鉆削深度H。</p><p>　　其中切削速度指的是鉆頭外緣尖的運(yùn)動速度，由主軸轉(zhuǎn)速n，也就是鉆頭轉(zhuǎn)速計算獲得；每轉(zhuǎn)進(jìn)給量指的是鉆頭每轉(zhuǎn)一周，鉆頭與工件之間的相對軸向位移量。鉆削切削區(qū)域各要素命名規(guī)則情況如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 鉆削區(qū)域各切削要素定義</p><p>　　鉆削用量體現(xiàn)了鉆頭與工件相互作用和相互聯(lián)系的程度，直接影響

99、到鉆孔效率、鉆削溫度、孔壁表面粗糙度、尺寸精度和切屑狀態(tài)等各種加工條件之間的約束轉(zhuǎn)化。對于上述三種切削用量的選用，通常存在以下幾種原則:</p><p>　?。╨）通常鉆頭的直徑是根據(jù)工件要求來選擇的，最好選擇一次性鉆，由于擴(kuò)孔容易引起振動，并使鉆削效率降低，應(yīng)盡量避免進(jìn)行二次擴(kuò)孔；</p><p>　?。?）進(jìn)給量的增加會造成鉆削扭矩和軸向力的增大，同時加工表面質(zhì)量和加工精度也會有所下降

100、；</p><p>　?。?）切削速度，即主軸轉(zhuǎn)速對軸向力和扭矩的影響相對較小，但對鉆頭的耐用度影響很大。</p><p>　　因此生產(chǎn)效率的提高，不能盲目地增加鉆削用量。鉆削用量的提高同時受到鉆頭耐用度、加工質(zhì)量、鉆頭和工件強(qiáng)度、剛度的限制。對于鉆孔粗加工，選用切削用量的原則是：首先，在保證機(jī)床功率足夠的情況下，盡量選用大直徑的鉆頭，避免二次擴(kuò)孔；其次，選用較大的進(jìn)給量；最后確定合理的切

101、削速度。但在實際加工應(yīng)用過程中，需要根據(jù)鉆頭和工件的材料特性，具體的生產(chǎn)條件和要求來制定適應(yīng)的優(yōu)化策略，合理選擇切削用量。</p><p>　　3.2.2 擬定實驗參數(shù)</p><p>　　由于切削液對C/C復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不良影響，所以在鉆削實驗中均采用干式切削方法。通過改變鉆頭鉆速和進(jìn)給速度等參數(shù)，研究了這些參數(shù)對鉆削力和鉆孔質(zhì)量的影響。具體的鉆削實驗參數(shù)如下所示。</p&g

102、t;<p><b>　?。ㄒ唬┢胀ㄣ@削</b></p><p>　?。?）定制鉆頭鉆削單因素實驗 </p><p>　　（3）普通鉆頭鉆削對比實驗（從單因素實驗里選參數(shù)）</p><p><b>　?。ǘ?超聲鉆削</b></p><p>　　采用定制鉆頭鉆削單因素實驗。</

103、p><p>　　第四章 實驗結(jié)果分析</p><p>　　4.1 鉆削力的實驗結(jié)果與分析</p><p>　　切削力的產(chǎn)生根源是切屑的變形過程，同時，切削力又直接影響切削熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響刀具的磨損破損、刀具耐用度、切屑形狀與斷屑以及加工表面質(zhì)量等切削元素。對于鉆削加工，由于鉆頭具有兩個對稱的主切削刃和兩個副切削刃，在理想情況下切削刃所受的徑向力基本上可以相互抵

104、消，而切向力主要用來形成鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的扭矩，因此鉆頭受到的鉆削力主要是指軸向力。軸向力能引起鉆頭—工件—機(jī)床—夾具整套切削系統(tǒng)的彈性變形，同時也對孔的加工質(zhì)量造成影響，尤其是對鉆孔出口側(cè)的撕裂和分層缺陷的產(chǎn)生極為關(guān)鍵。</p><p>　　表4-1 普通鉆削部分實驗數(shù)據(jù)記錄表 （鉆頭直徑為Φ6）</p><p>　　表4-2 超聲鉆削部分實驗數(shù)據(jù)記錄表 （鉆頭直徑為Φ6）</p&