一種超聲切割裝置的設(shè)計(jì)及碳纖維復(fù)合材料切割研究

李恒鋒，何 宇，翁 琳，王安斌

（ 上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620 ）

碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械加工方式大致可分成傳統(tǒng)加工與非傳統(tǒng)加工兩類。 傳統(tǒng)機(jī)械加工方式主要有鉆孔、銑削、車削、水柱切削和激光切割等[1]。 侯榮生[2]對(duì)碳纖維復(fù)合材料的回轉(zhuǎn)類高速數(shù)控鉆磨機(jī)床進(jìn)行了研究；張萬(wàn)君等[3]對(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆具的工藝研究、研磨方法、鉆具選擇的工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了深入探討；胡寶剛等[4]研究了碳纖維復(fù)合材料的切削加工裝備， 對(duì)各種切削刀具的材料、刃型、工藝參數(shù)等進(jìn)行了探討；孫路華等[5]針對(duì)碳纖維復(fù)合材料高速鉆孔中刀具、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、鉆孔個(gè)數(shù)等因素對(duì)軸向力的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析； 鮑永杰[6]開發(fā)了一種用于碳纖維復(fù)合材料的新型切割工具，并對(duì)其加工機(jī)制進(jìn)行了探討。

傳統(tǒng)切削方法僅依靠拉、滾或刀具之間的相互往復(fù)移動(dòng)來(lái)切斷工件的物料， 通常切削效果不佳。超聲切削技術(shù)是利用超聲波換能器前端變幅桿的超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)切削[7]。 與常規(guī)切削技術(shù)相比，超聲切削技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①大幅度降低切割力、降低切割溫度，使處理效果大幅提升；②刀具磨損少，刀具使用時(shí)間更長(zhǎng)；③切割質(zhì)量?jī)?yōu)良，刀具表面光滑平整，減少切口、毛刺、粘刀等缺陷；④可切割各種常規(guī)工藝不能處理的碳纖維、玻璃纖維及各種蜂窩材料；⑤切割時(shí)噪音低，無(wú)塵埃，降低對(duì)作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境的污染[8]。

對(duì)于碳纖維、玻璃纖維、蜂窩材料和硬脆性材料的加工，超聲切削技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更高的加工效率和加工精度。 由于碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛制造領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但在采用傳統(tǒng)工藝加工時(shí)易產(chǎn)生毛刺、 撕裂等缺陷并影響車輛產(chǎn)品質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一種超聲切割裝置，并開展了碳纖維復(fù)合材料層合板的超聲切割仿真，以驗(yàn)證其可行性。

1 超聲切割裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超聲切割裝置主要由換能器、變幅桿和刀具組成。 其中，換能器的材料選用鋁合金，變幅桿的材料選用不銹鋼；超聲切割刀具的材料選用金剛石，并采用直刃刀具。 直刃刀具通常由刀片、刀柄、刀蓋三部分組成，其工作方式是沿著特定的路線以及特定的角度對(duì)工件進(jìn)行切割，通過(guò)螺栓將刀片緊固在刀柄上，并且接收經(jīng)過(guò)變幅桿放大之后的機(jī)械振動(dòng)。 刀片的刃角α 為46.74°。 圖1 為超聲切割裝置部件及裝配體模型示意圖。

圖1 超聲切割裝置部件及裝配體模型

超聲切割裝置能以最小的功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的最優(yōu)振動(dòng)效果。本文使用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元分析。 超聲切割裝置中不銹鋼變幅桿的材料性能參數(shù)如下：密度為7 750 kg/m3、楊氏模量為193 GPa、泊松比為0.31。 在實(shí)際加工過(guò)程中，超聲切割裝置是通過(guò)變幅桿上的法蘭盤固定在夾具上。 為使有限元分析的結(jié)果更接近于實(shí)際加工情況，本文設(shè)計(jì)的整個(gè)超聲切割裝置是通過(guò)變幅桿上的法蘭盤以及換能器的底座來(lái)固定， 需令這兩處位置上的U1、U2和U3三個(gè)方向的偏移為零以及UR1、UR2和UR3三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)偏移為零，并將網(wǎng)格的單元類型設(shè)置為C3D4。 隨后，提交作業(yè)即可得到該裝置的30 階次的固有頻率和振型（表1）。

從表1 可看出， 第1～14 階的固有頻率以及第23～30 階的固有頻率都不滿足超聲波發(fā)生器輸出20 000 Hz 的要求， 因此只需比較第15～22 階的振型云圖即可。 第15 階到第22 階的云圖見(jiàn)圖2。

圖2 超聲切割裝置各階次振型云圖

此外從表1 還可看出， 第18 階次的固有頻率為20 540 Hz， 能實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置與超聲波發(fā)生器的匹配，還因其只在軸向產(chǎn)生變形，可降低信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗。 因此，從固有頻率上看，本文設(shè)計(jì)的超聲切割裝置滿足要求。 就超聲切割裝置的振動(dòng)而言， 要求的是整體結(jié)構(gòu)僅在軸向上發(fā)生偏移，其他方向則很少發(fā)生偏移，并且刀片上的振動(dòng)幅度應(yīng)該更大，這樣有利于超聲切割加工。 由圖2 可知，本文所設(shè)計(jì)的超聲切割裝置僅在第18 階次時(shí)產(chǎn)生了軸向位移且?guī)缀鯖](méi)有在其他方向上產(chǎn)生振動(dòng)，因此第18 階次的振型滿足設(shè)計(jì)要求。

2 碳纖維復(fù)合材料超聲切割過(guò)程仿真

本文對(duì)尺寸25 mm×25 mm 的碳纖維復(fù)合材料層合板進(jìn)行切割仿真，以此模擬實(shí)際中的碳纖維復(fù)合材料層合板超聲切割。仿真試驗(yàn)以Hashin 失效準(zhǔn)則作為評(píng)估材料失效發(fā)生的依據(jù)。 仿真試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置碳纖維復(fù)合材料層合板的基本特征為三維、可變性和實(shí)體， 再通過(guò)拉伸方式進(jìn)行集合元素的拆分，由此可得到8 層厚度相等的實(shí)體部件。 所創(chuàng)建層合板的材料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 層合板材料參數(shù)

在仿真軟件中創(chuàng)建碳纖維復(fù)合材料層合板時(shí)，在對(duì)話框中選擇層數(shù)為8 層，選擇單元類型為連續(xù)殼。 由于單向鋪層的碳纖維層合板在0°和90°時(shí)分別能取到最大剛度和最小剛度，為消除仿真過(guò)程中出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象， 采用中心對(duì)稱方式進(jìn)行鋪層，并按照0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°的順序進(jìn)行鋪層設(shè)置。 每一層的堆疊效果見(jiàn)圖3。

圖3 層合板鋪層截面圖

刀具和材料的裝配關(guān)系見(jiàn)圖4。 在創(chuàng)建分析步時(shí)，選擇通用的動(dòng)力、顯示分析步，并設(shè)置分析時(shí)間為0.05 s。 打開“場(chǎng)輸出管理器”，創(chuàng)建場(chǎng)輸出“FOutput-1”，將作用區(qū)域設(shè)置成整個(gè)模型，設(shè)置間隔為20 s， 并且在輸出變量項(xiàng)目中選擇Mises 等效應(yīng)力、纖維受拉破壞、纖維受壓破壞、基體拉伸損傷、基體壓縮損傷、剪切損傷、損傷初始準(zhǔn)則以及輸出狀態(tài)等。 在設(shè)置刀具與層合板的相互作用之前，必須對(duì)刀具添加一個(gè)剛體的約束。 點(diǎn)擊程序模塊創(chuàng)建剛體約束，在體單元中選中整個(gè)刀具并在刀具外新建參考點(diǎn)RP-1，如圖5 所示，將整個(gè)單據(jù)單元耦合至該參考點(diǎn)上。 由于整個(gè)超聲切割過(guò)程建立在刀具與碳纖維復(fù)合材料層合板的接觸關(guān)系上，需創(chuàng)建二者相互接觸的屬性，并且在接觸屬性選項(xiàng)中添加切向行為、法向行為和幾何屬性信息，其中將切向行為中的摩擦公式設(shè)置為“罰”。

圖4 刀具和材料裝配關(guān)系示意圖

圖5 剛體約束參考點(diǎn)位置示意

由于分析過(guò)程涉及表面與表面接觸的相互作用類型，必須先定義刀具和碳纖維層合板相互接觸的區(qū)域。 在工具中選擇“表面管理器”，創(chuàng)建一個(gè)刀具的面集合；考慮到計(jì)算效率和耗時(shí)等因素，在創(chuàng)建層合板的點(diǎn)集合時(shí)， 無(wú)需選中整個(gè)層合板區(qū)域，只需在工具中選中“集管理器”并創(chuàng)建層合板實(shí)際接觸區(qū)域的點(diǎn)集合；選中上述兩個(gè)集合即可創(chuàng)建表面與表面接觸“Int-1”，所定義的接觸區(qū)域見(jiàn)圖6。

圖6 刀具與層合板接觸區(qū)域

下一步，在軟件中點(diǎn)擊“載荷模塊”，給刀具和碳纖維復(fù)合層合板創(chuàng)建邊界條件。 首先，在層合板底部的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)名為“Set-Fix”的結(jié)點(diǎn)集合，接著新建一個(gè)名為“BC-Fix”的層合板的邊界條件，在彈出的對(duì)話框中選擇力學(xué)類別中的“對(duì)稱/反對(duì)稱/完全固定”的分析步類型，并選擇要施加的區(qū)域?yàn)椤癝et-Fix”的區(qū)域，令其在U1、U2、U3的三個(gè)方向位移為零，以及在UR1、UR2、UR3三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)位移為零，這樣可將層合板完全固定。

另外，在邊界條件管理器中創(chuàng)建刀具的邊界條件。 首先，由于超聲切割中的刀具振動(dòng)是通過(guò)一個(gè)振動(dòng)頻率為20 000 Hz 的振蕩信號(hào)控制， 需在工具中新建一個(gè)幅值“Amp-1”，選擇類型“周期”。周期型幅值曲線的表達(dá)式為：

式中：N 為傅里葉級(jí)數(shù)的個(gè)數(shù)；ω 為圓頻率，rad/s；t0為起始時(shí)刻；A0為初始幅值，mm；A、B 分別為cos項(xiàng)、sin 項(xiàng)的系數(shù)。

接著，設(shè)置圓頻率為125 664 rad/s、初始幅值為0.5 mm，同時(shí)在對(duì)話框的A、B 處分別輸入系數(shù)0 和0.5。 然后，創(chuàng)建刀具Z 方向的邊界條件“BC-Z”，選擇力學(xué)類別中的“位移/轉(zhuǎn)角”，將作用區(qū)域設(shè)置在參考點(diǎn)RP-1 上，在U3的對(duì)話框中輸入“1”，并選擇創(chuàng)建好的幅值“Amp-1”；創(chuàng)建刀具主進(jìn)給方向即X 方向的邊界條件“BC-X”，在力學(xué)類別中選擇“速度/角速度”分析類型，同時(shí)仍然將作用區(qū)域設(shè)置在參考點(diǎn)RP-1 上，分別勾選V1、V2、VR1、VR2、VR3，并設(shè)置V1的值為-650 mm/s。

對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層合板的網(wǎng)格劃分，本文考慮到計(jì)算精度和計(jì)算效率，在指派單元類型時(shí)選擇指派Explicit 庫(kù)中連續(xù)殼的線性六面體， 也就是“四邊形八結(jié)點(diǎn)”平面內(nèi)的通用連續(xù)殼（SC8R），這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料的Hashin 失效準(zhǔn)則只對(duì)殼單元生效，并且該殼單元還能實(shí)現(xiàn)縮小和沙漏控制的功能，可以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量；在單元控制屬性中選用二階精度，設(shè)置沙漏控制方法為增強(qiáng)，并使用單元?jiǎng)h除。 在網(wǎng)格的屬性管理中，選擇單元形狀為六面體形，并采用進(jìn)階算法中的掃掠技術(shù)。

對(duì)于刀具的網(wǎng)格劃分，給網(wǎng)格單元指派Explicit庫(kù)中的 “三維應(yīng)力族十結(jié)點(diǎn)修正二次四面體單元”（C3D10M）， 設(shè)置網(wǎng)格屬性為默認(rèn)算法中的自由計(jì)算，選擇單元的形狀為四面體，在作業(yè)提交以及經(jīng)后處理后，就得到刀具切割碳纖維層合板的切削過(guò)程及層合板上應(yīng)力變化的云圖、各層纖維的損傷情況等信息。

為探究影響碳纖維復(fù)合材料切割時(shí)最大應(yīng)力的因素，本文通過(guò)改變X 方向上的進(jìn)給速度以及改變刀具刃角α 的角度來(lái)展開研究。 通過(guò)改變載荷邊界條件“BC-X”的數(shù)值來(lái)比較相應(yīng)的應(yīng)力云圖所示最大應(yīng)力，將其分別設(shè)置為-550、-500、-450、-400、-350 mm/s，得到的結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍?，隨著進(jìn)給速度減小，碳纖維復(fù)合材料層合板的應(yīng)力也減小，因此在實(shí)際加工中不宜采用較大的進(jìn)給速度來(lái)切割碳纖維復(fù)合材料。 在此基礎(chǔ)上， 分別設(shè)置刀具刃角α為56.74°、51.74°、46.74°、41.74°、36.74°，可以得到5組不同刃角的刀具。改變刀具的刃角α，使刀具在進(jìn)行切割時(shí)與層合板接觸的面積不一致，以此研究刃角α 對(duì)切割時(shí)層合板上最大應(yīng)力的影響，得到的仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。 可以看出，在相同進(jìn)給速度條件下，刃角α 越小，刀具在切削時(shí)與碳纖維層合板的接觸面積越大，則層合板的最大應(yīng)力也越大，因此在實(shí)際切割中所選刀具的刃角不宜太小，以避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，進(jìn)而影響超聲切割的質(zhì)量。

圖7 不同進(jìn)給速度下層合板應(yīng)力云圖

圖8 不同刃角α 時(shí)切割層合板應(yīng)力云圖

3 總結(jié)

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加工問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種超聲切割機(jī)構(gòu)，并以此開展了碳纖維復(fù)合材料層合板的超聲切割仿真研究，得出了以下結(jié)論：

（1）對(duì)設(shè)計(jì)的超聲切割裝置進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：在第18 階次固有頻率為20 540Hz 時(shí)，刀具上的位移達(dá)到最大值，并且變幅桿上的法蘭盤和換能器的底座幾乎不產(chǎn)生位移，這對(duì)于實(shí)際切割過(guò)程中的切割裝置固定非常有利，從而驗(yàn)證了整個(gè)超聲切割裝置的合理性。

（2）開展了碳纖維復(fù)合材料的超聲切割仿真研究，在不同進(jìn)給速度、不同刀具刃角條件下分別進(jìn)行切割仿真試驗(yàn)，得到了切割過(guò)程中的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明：進(jìn)給速度的減小以及刀具刃角的增大，都能有效地減小切割過(guò)程中碳纖維復(fù)合材料的最大應(yīng)力，這對(duì)于實(shí)際加工具有指導(dǎo)意義。