新型超声圆盘切割机,可用于切割或加工蜂窝芯材料!

   电工小二        

圆盘切割机是一种超声切割蜂窝芯材料的精加工工具,切削状态直接影响工件的加工精度和表面质量。切削力是蜂窝芯材料超声切削缺陷的一个重要物理量,也是造成蜂窝芯材料超声切削缺陷的主要原因。由于蜂窝芯材料的力学性能和切削性能与常用金属材料不同,现有的金属切削力模型无法用于蜂窝芯材料加工过程中超声切削力的计算。针对这一问题,利用ABAQUS有限元分析软件,结合实际工况,建立了超声振动辅助圆盘刀对蜂窝芯材料切削力的有限元仿真模型,得到了切削曲线和切削值。圆盘式超声振动切削实验证明,从蜂窝芯的表面形貌看,铣削宽度对切削力的影响最大,切削深度对切削力的影响最小。在相同切削条件下,切削力实验结果与有限元仿真结果的最大误差为13.2%,说明所建立的切削力有限元模型更加准确,可用于预测蜂窝超声振动辅助切削力的切削量。最后,基于响应面法,利用仿真模型数据建立了圆盘刀超声切割蜂窝芯的三维切削力预测模型。研究结果可为提高纸蜂窝芯材料的切削性能和加工效率提供有益的依据。


相关论文以题为“Cutting Force Prediction and Experiment Verification of Paper Honeycomb Materials by Ultrasonic Vibration-Assisted Machining”发表在《Applied Sciences》上。




研究背景


蜂窝芯材料是一种高刚度、轻质、耐热、抗冲击、抗疲劳、绝缘性能好、隔音的保温工程复合材料。Zuhri, Gomet和Castaniea通过理论建模和实验验证,分析了蜂窝芯材料的力学性能和优良品质。Alix和Tauhiduzzaman介绍了蜂窝部件在航空航天领域的应用,如直升机动力装置整流罩、大型飞机机翼、火箭液体燃料挡板等。为了满足装配和连接的要求,蜂窝芯材成型后必须进行切割。但蜂窝芯材料是一种典型的难加工材料,由于蜂窝芯结构和切削机理的特殊性,给蜂窝芯材料的数控加工带来了很大的挑战。马列和Hohe提出相关流程优化方法处理缺陷如蜂窝芯材断裂和崩溃,增加表面毛刺和数控高速铣削过程中粉尘污染的蜂窝芯材,这大大减少了蜂窝芯材结构的性能,提高产品安全性和使用寿命。


针对蜂窝芯材料零件的制造需求,针对数控高速铣削加工中存在的问题,学者们不断探索新的加工方法,改进现有的加工技术。超声振动辅助切削技术作为一种新型的先进加工技术,已应用于蜂窝芯工件的数控加工领域。与高速铣削相比,该加工方法在加工精度、质量、效率和环境友好性方面具有显著优势。在蜂窝芯材料超声振动加工中,仍然存在着蜂窝芯撕裂、加工表面毛刺等表面损伤问题。圆盘刀超声振动辅助切削力的研究很少。Heimbs和Aminanda通过实验手段研究了蜂窝芯的破坏行为,得出切削力是导致蜂窝芯工件缺陷的重要物理参数。圆盘刀旋转振动切割蜂窝核心部件的研究仅集中于试验验证;必须对切削参数对加工质量的影响机理进行研究。Potlkuri通过实验测量了六边形蜂窝芯材料的弹性性能。Hu基于脆性断裂力学,研究了尖刀超声切割蜂窝芯的切割机理,建立了切割力的理论模型。但圆盘刀超声振动辅助切削的整个过程耗时长,加工质量不稳定,加工过程中表面毛刺突出,芯部损伤突出。


研究目的


为了解决超声振动辅助切削蜂窝芯工件的切削损伤问题,本研究根据实际工况,利用有限元分析软件建立了三维蜂窝芯材料模型和圆盘刀模型。研究人员提出了一种用圆盘铣刀对蜂窝芯材料进行超声切割的方法。同时,通过实验验证了有限元模型的正确性。研究了工艺参数对切削质量的影响。同时,基于响应面方法,仿真模型被用来构造一个切削力预测模型的蜂窝芯材盘形铣刀超声加工,这提供了一个理论依据的优化切割技术的蜂窝芯材材料和工艺参数的合理选择。


盘形铣刀几何模型


由于Nomex蜂窝芯复合材料与金属材料的结构差异,必须使用相应的专用刀具进行加工,刀具的结构形状和几何角度与金属刀具有很大的不同。Nomex蜂窝芯复合材料由于刀具形成小楔角的锋利刃口,是切割材料的关键,可以实现对其的加工。本文研究的旋转振动切盘-刀具模型如图1所示。由于刀具结构复杂,采用CATIA V5R21建立模型并导入ABAQUS中。



图1.盘形铣刀几何模型。


该工具材料为W18Cr4 V,材料密度陷井= 7900 kg/m3,弹性模量E = 205 Gpa,泊松比(Poisson’s ratio)换算为0.3。由于Nomex蜂窝芯材料的硬度较低,在模拟中忽略了刀具的磨损,将刀具定义为刚体。


蜂窝芯几何模型和材料模型


蜂窝芯材料与传统的金属加工材料在结构上有很大的区别。多孔六角形薄壁结构,孔边长3-6 mm,单层壁厚0.05-0.15 mm。蜂窝芯几何建模在ABAQUS/CAE中进行,其中绘制单个芯,然后通过镜像和排列完成整个草图,最后根据蜂窝芯的高度沿孔径垂直拉伸。设置壳体单元壁厚时,将单层厚度设置为0.1 mm,双层接头厚度设置为0.2 mm。有限元分析建立的Nomex蜂窝芯复合材料几何模型如图2所示。



图2.Nomex蜂窝核复合几何模型。


Nomex蜂窝芯的主要结构为芳纶纸。芳纶纸材料的成型是将任意比例任意分布的芳纶纤维按XYZ方向排列并组合而成。由于纤维排列的柔韧性和随机性,研究者无法用传统的测量方法直接测量Nomex蜂窝芯材料的力学性能。迄今为止,较为常用的是由经验公式推导出的纤维随机模量。研究表明,芳纶纤维在垂直方向的力学性能与材料的主方向基本一致。


边界条件和负载设置


本文基于Hypermesh软件对盘式切割机加工路径中的蜂窝状核材料进行了局部细化和削尖。蜂窝芯采用C3D8T八节点热耦合六面体进行网格划分,圆盘刀采用C3D10MT十节点热耦合二阶四面体网格划分。分流的蜂窝芯采用进口ABAQUS。考虑了切削热的计算,选择了显式温度-位移算法。在提交模型进行计算之前,仔细检查可能导致不收敛或难以收敛的非线性参数的设置,如材料设置、接触设置等。


在仿真过程中,圆盘刀具和蜂窝芯必须根据实际工况受到载荷和边界条件约束。由于圆盘式切割器的刚度远大于蜂窝式切割器的刚度,因此在仿真中采用了圆盘式切割器作为刚体。在边界约束方面,由于蜂窝芯的局部强度较差,无法采用传统的抱持方法。在实际工作条件下,通过胶带在工件的底面上以真空吸持工件。在仿真模型中,假设该零件被牢牢抓住。零件底部的所有接头全部固定。


圆盘刀相对于蜂窝材料有三个运动综合方向,即进给运动、刀沿切削轨迹的旋转运动和刀沿轴线的振动。速度/角速度是采用有限元分析盘形铣刀定义提要速度(vf)沿着x轴和沿z轴旋转运动,同时应用周期性的上下往复超声波振幅函数的傅里叶级数在z轴方向上的盘形铣刀振动。设定零件、盘刀及环境的初始温度为室温。圆盘刀超声振动Nomex蜂窝芯仿真模型如图3所示。



图3.圆盘刀超声振动切割的Nomex仿真模型。


仿真方案设计


在实际的切割中,圆盘刀在没有碎屑的情况下不能在径向方向进行大边缘的切割,否则残余的材料不能被切断,工件会被拉起,造成切割损伤。圆盘刀必须根据刀切所产生的深度和宽度进行加工。具体的切割如图4所示。



图4.Nomex蜂窝芯复合材料超声振动辅助切削原理图。


为了保证实验的可行性,首先用刀切出圆盘刀加工的切削厚度和宽度,然后用圆盘刀加工型材。切割过程如图5所示。



图5.圆盘刀超声振动辅助切割方案。


为了保证切割仿真与切割实验参数的一致性,以及后续试验验证的准确性。由于后续试验是在指定的超声波加工设备上进行验证的,主轴转速和振幅必须保持恒定。根据现场的实际加工情况,技术人员通常会调整切割宽度在5 ~ 20mm之间。切削深度范围从5到20毫米,和进给速度范围从3000到6000毫米/分钟的速度的条件下n = 1500 r / min和振幅= 30μm。


仿真结果


除上述关键环节外,盘式刀具旋转振动仿真分析还必须在软件中设置现场输出结果和历史输出结果,如应力、应变、位移、能量、温度等。同时,为了提高计算效率,在仿真中将蜂窝核复合材料缩放5倍,减少了计算时间。Nomex蜂窝芯复合盘式刀具旋转振动切削有限元仿真过程如图6所示。



图6.圆盘刀具的旋转振动切削模拟。


图7为切削力变化曲线示意图。主轴转速1500 r / min,切削深度美联社= 5毫米,切削宽度ε= 10毫米,进给速度vf = 3000毫米/分钟,振动频率20000赫兹,超声波vibration-assisted振幅= 30μm,和模拟采集频率600赫兹。从图中还可以看出,在切割过程中,三个方向的切削力最大值和最小值都有较大的波动。究其原因,一方面是Nomex的蜂窝芯不是一个完全均匀的结构。当刀具加工到蜂窝孔时,所需的切削力较小,而当刀具加工到蜂窝孔壁的粘结点时,所需的切削力较大。另一个原因是,由于上、下表面的摩擦阻力的盘形滚刀和蜂窝芯材,刀具的切削方向与反作用力的方向不同的蜂窝芯材饲料方向,以便每个芯片去除切削条件也不同。



图7.圆盘刀具旋转振动对切削力变化曲线的模拟。


结论


为了提高蜂窝芯材料旋转振动切削过程中切削力引起的表面毛刺和切削损伤等加工质量,研究人员对蜂窝芯材料模型有限元仿真中涉及的几个关键技术进行了研究,得到如下结论:


(1)建立了蜂窝芯材料超声振动辅助切割圆盘刀具的三维有限元仿真模型,详细研究了材料性能和材料失效准则;


(2)为了验证仿真结果,进行了验证实验,仿真结果与实验结果的相对误差小于13.2%;


(3)通过对仿真结果的回归分析,建立了切削力预测模型。根据切削力模型,可以预测切削参数对切削力的影响;通过切削参数的调整,提高了加工质量和加工效率;


(4)通过分析切削参数对切削力的影响,得出越大的切削深度和越小的切削宽度,切削性能越好,毛刺越少,表面完整性越好。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4676/htm



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