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在CFRP复合材料的旋转超声加工过程中的机械超声振动振幅模型
Fuda Ning a , Hui Wang a , Weilong Cong a,uArr; , P.K.S.C. Fernando b
aDepartment of Industrial, Manufacturing, and Systems Engineering, Texas Tech University,Lubbock, TX 79409, USA
bDepartment of Industrial and Manufacturing Systems Engineering, Kansas State University, Manhattan, KS 66502, USA
摘要：
在脆性，延性和复合材料的机械加工中已经研究了旋转超声波加工（RUM）。超声波振动振幅作为最重要的输入变量之一，几乎影响了RUM中的所有输出变量。已经报道了许多关于在没有RUM加工的情况下测量超声振动振幅的研究。近年来，已经研究了使用延性材料的RUM的超声振动振幅测量。发现在相同的输入变量下，具有RUM的超声振动振幅与不具有RUM的超声振动振幅不同。 RUM主要用于通过脆性断裂去除加工脆性材料。因此，用于测量延性材料的RUM中的超声波振动振幅的方法不适于测量脆性材料的RUM中的超声波振动振幅。然而，没有报道的用于测量脆性材料的RUM中的超声振动振幅的方法。在这项研究中，通过建立一个机械振幅模型通过切削力来研究脆性材料的RUM超声振动振幅。进行试验实验以验证计算模型。结果表明，通过模型计算的振幅值和从实验研究获得的振幅值之间没有显着差异。该模型可以提供超声振动振幅和输入变量之间的关系，这是建立模型以预测RUM中的其他输出变量的基础。
关键词：
超声波振动; 旋转超声波加工（RUM）; 脆性材料; 切割力
- 介绍
旋转超声波加工（RUM）已经成功地用于钻削脆性材料（例如氧化铝，氧化锆，硅和碳化硅），延性材料（钛和不锈钢合金）和复合材料（陶瓷基复合材料和碳纤维增强塑料复合材料），并已被证明是一种高效和有效的制孔工艺[1]。 [2]; [3]; [4]; [5]; [6]; [7]; [8]; [9]; [10]; [11]; [12]; [13]; [14]; [15]; [16]; [17]; [18]; [19]; [20]; [21]。 RUM是一种混合非传统加工工艺，结合了超声波加工和磨料研磨，如图1所示。在RUM中，金属结合的金刚石钻头作为切削工具。切削工具在超声振动频率（通常为20kHz）下以恒定进给速度（或恒定压力）旋转并轴向地朝向工件进给。冷却剂被泵送通过钻头的芯，冲洗掉切屑并在相对低的切割温度下保持工件。
图.1。 RUM的例证。
超声波振动振幅是RUM中最重要的输入变量之一，由超声波电源控制。许多研究发现，超声振动振幅对RUM中几乎所有的输出变量有直接的影响[7]。 [8]; [13]; [14]; [22]; [23]。因此，超声振动振幅测量将有益于探索一些实验观察到的现象的解释和预测RUM中的输出响应的结果。目前，已有三种测量RUM超声波振动振幅的方法：光学振动传感器法，千分表法和显微镜观察法[22]。 [24]。然而，前两种方法只能用于测量超声振动振幅，而不用材料的RUM加工。据报道，超声波功率从20％增加到40％，通过千分表法测量的超声振动振幅具有相似的趋势，但与不锈钢RUM加工中的显微镜观察法测得的值相比有不同的值[22 ]。显微镜观察方法的主要限制在于，只能在延性材料的RUM加工表面上观察到指示金刚石颗粒轨迹的加工痕迹。 （本文第2节将详细讨论显微镜观察方法。）此外，在其他应用中已经报道了一些测量超声振动振幅的方法[25]。 [26]; [27]; [28]; [29]; [30]; [31]; [32]; [33]; [34]，这可以潜在地利用在RUM无需材料加工。对所有这些报道的方法的研究表明，在脆性材料的RUM加工中缺乏测量超声振动振幅的方法。
在本文中，开发了一种机械计算模型，通过脆性材料的RUM中的切削力来研究超声振动振幅。基于两个主要原因，碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料在本研究中被选为工件。 （1）CFRP的RUM中的材料去除机制已被确定为脆性断裂;和（2）机械计算模型可以简化其他均匀脆性材料的RUM [35]。利用该模型，建立了CFRP的RUM中的超声振动振幅和输入变量的不同组合之间的关系。脆性材料的RUM超声振动振幅可以通过模型计算，这将通过显微镜观察方法使用特殊设计的铝 - 碳纤维复合材料堆作为工件进行验证。
2.显微镜观察方法
显微镜观察方法类似于快速停止方法[36]; [37]; [38]用于金属切削研究，其中切削过程被“冻结”用于观察。 该方法的原理是追踪并随后测量金刚石晶粒相对于机加工表面的轨迹。 如图1所示，通过切削工具在RUM中产生加工孔和加工棒。 金刚石颗粒轨迹保留在孔和杆的加工表面上，因为金刚石颗粒存在于工具的外侧和内侧。 因此，可以从在加工棒表面上拍摄的显微照片观察轨迹。 测量方法和振幅读取机制如图1所示。
图.2 机械杆和孔的例证。
图.3在显微镜图片上的超声振动振幅的测量在RUM的Ti。
3.用于测量超声振动振幅的显微镜观察方法仅适用于延展材料，因为在机加工表面上的加工痕迹（金刚石晶粒的轨迹）在延展材料（包括不锈钢，钛，铝）上可见，但是不可见 对脆性材料以及一些复合材料（氧化铝陶瓷，陶瓷基复合材料（CMC）和CFRP），如图1所示。 在脆性材料的RUM期间超声波振动幅度仍然是未知的。 因此，需要一种测量脆性材料的RUM中的超声振动振幅的方法。 这种方法将在本文第5节中提出。
图.4 不同材料的加工棒表面。
3.机械振幅计算模型的发展
3.1。振幅计算模型发展和符号的方法
RUM可以被视为超声加工工艺和磨料研磨工艺的组合。考虑超声波加工作为主要过程的方法已成功用于RUM模型开发[5]; [35]; [39]; [40]; [41]; [42]。这种方法也可以在这种幅度模型开发中使用。
图。图5示出了可以总结为以下步骤的主要模型开发过程。
（1）
使用测力计测量切削力;
（2）
建立切削力和磨料颗粒压痕深度之间的关系;
（3）
估计在单个超声波振动循环中由一个磨料颗粒压痕去除的材料的实际体积;
（4）
通过聚集所有活性磨料颗粒的影响计算材料去除速率（MRR）;
（5）
建立输入变量（包括进给速度，工具的内径和外径）和MRR之间的关系。
（6）
最后找出超声波振幅与切割力之间的关系。
图 .5 振幅计算模型开发程序。
RUM是一个复杂的过程，涉及许多输入变量，包括工件属性，刀具变量和加工变量。用于模型开发的这些输入变量列在表1中。
表格1。
模型开发中的输入变量。
类别输入变量单位
工件性能弹性模量E MPa
泊松比
断裂韧性Kc
刀具变量外径Do mm
内径Di mm
磨料浓度Ca
磨料尺寸d mm
加工变量振幅A mm
频率f Hz
进给速度Fr mm / s
刀具转速S rpm
表选项
3.2。模型开发中的主要假设
RUM切割工具的主要假设是切割工具端面上的所有金刚石磨料颗粒是具有相同尺寸和嵌入深度的刚性球体，均在每个超声周期期间参与切割。工件材料的主要假设是工件材料理想地是脆性的，并且在脆性断裂模式中被去除。在模型开发中使用CFRP作为工件，通过微观力学过程可以将异质材料表示为等效均质材料[35]。 [43]; [44]。 CFRP复合材料的其他假设包括均匀和连续的纤维，基质和纤维之间的完美粘合，以及无空隙结构。类似的假设可以在CFRP的研磨（钻芯）的力模型开发的其他研究中找到[45]; [46]; [47]; [48]; [49]。在必要时将讨论其他假设和简化。
3.3。切削力和压痕深度之间的关系
在RUM中，切削力可以通过[5]计算; [35]; [40]; [41]; [42]
方程（1）
F=Delta;tfFi=nDelta;tfF1
其中Delta;t是当磨料颗粒穿透进入工件时的有效接触时间， f为超声波振动频率，Hz; Fi是刀具和工件之间的最大冲击力，N; F1是单个磨料颗粒和工件之间的最大冲击力，N;和n是切削工具端面上的活性磨料颗粒的量。
有效接触时间可通过计算
其中delta;是磨料颗粒进入工件的压入深度，mm; A为超声波振动振幅，mm。
最大冲击力和压痕深度之间的关系可以建立为[40]; [50]
其中E是工件材料的弹性模量，MPa; d是磨料颗粒的直径，mm; nu;是工件材料的泊松比。
在代入式 （2）和（3） （1），可以获得以下等式
等式 （4）也可以表示为获得振幅
3.4. 压痕深度和材料去除率之间的关系
在RUM中，通过一个磨料颗粒去除的材料体积可以通过[35]
其中KV是断裂体积因子，其是假定为与输入变量无关的常数的比例参数; KC是由应力强度因子表示的断裂韧性; S为刀具转速，rpm; D为切削工具直径，mm; 切削工具由于钻头的厚度而具有外径Do和内径Di。 因此，D可以通过MathML源计算。
然后，可以通过对切削工具的端面上的所有磨料颗粒的材料移除速率求和来理论上计算材料移除速率。 材料去除速率可以表示为
此外，根据定义，可以根据切削工具端面（A0）的进给速度（Fr）和面积来表示：
通过等式 （7）和（8），可以获得A和delta;之间的关系
3.5. 超声振动振幅计算模型
通过组合方程 （5）和（9），振幅计算模型可以表示为
脆性材料的断裂体积因子（KV）的获得过程由Cong等人 [35]和Liu et al。 [5]。 每个CFRP组分（分别为碳纤维和环氧树脂）的能量（Gcf，Gcm）表示的弹性模量（Ef，Em），泊松比（vf，vm）和断裂韧性列于表2中。E， CFRP的KC可以通过微观力学过程计算[35]; [43]; [44]; [51]。 切削刀具端面上的活性磨料颗粒数可以通过公式[5]确定，其中Ca是磨料浓度，rho;是磨料密度，g / mm3。 在同时方程 （10），只有压痕深度delta;和超声振动振幅A是未知的。 因此，可以从该机械振幅计算模型获得A. delta;也可以通过在等式 （5）或式 （9）。
表2。
CFRP工件材料的性能。
属性单位值
CFRP密度kg / m3 1550
硬度（Rockwell）HRB 70-75
泊松比（v12）-0.34
泊松比（v13）-0.34
泊松比（v23）-0.42
纵向杨氏模量（E1）GPa 136
横向杨氏模量（Et）GPa 10.5
面内剪切模量（G12）GPa 3.76
碳纤维密度kg / m3 1800
碳纤维的泊松比（vf）-0.3
碳纤维的杨氏模量（Ef）GPa 230
碳的断裂韧性（能量/ Gcf）J / m2 2
环氧树脂基体密度kg / m3 1200
环氧树脂基体的泊松比（vm） - 0.4
环氧树脂基体的杨氏模量（Em）GPa 4.5
环氧树脂基体的断裂韧性（能量/ Gcm）J / m2 500
4.实验设置和条件
4.1。工件属性
本研究中使用的CFRP复合工件的尺寸为200mmtimes;150mmtimes;16mm，由碳纤维和环氧树脂基体构成。碳纤维的平织物具有0/90°的取向，其中碳纤维纱的厚度为0.2mm，宽度为2.5mm。 CFRP包含21层织物，每层具有2层碳纤维。工件性能列于表2。
在CFRP的RUM中，在该模型中使用的弹性模量是
方程（11）
横向的泊松比可以通过下式计算
方程（12）
断裂韧性Kc可以通过下式计算
方程（13）
Kccong;[2E(GcfVf GcmVm)]1/2
在等式（11），（12）; （13）中，Vf和Vm分别是纤维和基质的体积分数。
4.2。实验设置和切割力测量
实验在主要由三个子系统组成的旋转超声机（系列10，Sonicmill，Albuquerque，NM，USA）上进行，包括超声波主轴系统，冷却剂系统和数据采集系统，如图1 。超声波主轴系统的主要部件是与电动机，超声波电源，控制面板和液压进给装置集成的超声波主轴。电源输出由常规线路电转换的高频（20kHz）电能。这种高频电能在压电转换器的帮助下实现了高频机械振动（即超声波振动）。然后超声波振动被放大，并通过超声波主轴内的声学喇叭传递到切削工具，导致切削工具以20kHz的频率振动。由
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