超声插切Nomex蜂窝芯试验研究*

孙丁一，康仁科，王毅丹，董志刚

（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连 116024）

Nomex 蜂窝芯材料以其优异的比强度、比刚度特性而广泛应用于飞机地板、襟翼、整流罩和天线罩等关键部位[1-3]，是实现飞机机体结构减重、降噪、透波等功能的重要材料。针对不同的使用需求，蜂窝芯材料需要进行大量的切削加工，以获得设计的结构尺寸和形状。但Nomex 蜂窝芯材料是一种典型的难加工材料，蜂窝芯材料沿孔格的轴向有高的强度和刚度，但其横向的可伸缩量大、刚度较低[4-5]，切削加工中蜂窝芯孔格易变形，且芳纶纤维强度高、难以切断，对切削加工提出了更大的挑战。

Nomex 蜂窝芯构件中，沿孔格轴向的轮廓边界是常见的典型特征结构，包括蜂窝芯构件边缘轮廓边界、沉槽与凸台结构的直线和曲线轮廓边界，具有数量多、加工质量不易控制的特点，常用的超声切削与高速铣削加工均难以满足其加工需求。高速铣削存在切削力大[6]、易产生孔格的变形与撕裂、甚至产生压溃等问题，影响工件的表面质量[7]，且高速铣削过程中刀具磨损严重[8]。超声切削加工Nomex 蜂窝芯技术以其切削力小、加工质量高、生产效率高、环境友好等特点，越来越广泛地应用于航空航天制造领域[9]。但是，蜂窝芯构件沿孔格轴向的直线轮廓边界的超声切削，受直刃尖刀长度限制过深的直边难以一次加工成型；沿孔格轴向的曲线轮廓边界受直刃尖刀结构限制，加工过程中易产生过切或让刀现象[10-13]，且数控加工编程复杂。

插切加工是Nomex 蜂窝芯构件轮廓边界的一种新型加工方式[14]，加工原理与套料加工类似，使用插切刀具沿设定工作轨迹插切出包含所需轮廓边界的一系列圆弧，将多余材料片除后获得所需轮廓边界。插切加工轮廓边界的方法相比传统高速铣削，能够有效减少加工缺陷；使用长的插切刀具可以简便地实现大深度轮廓边界的加工。但普通的插切加工方式仍存在切削力大、已加工表面不均匀等问题，同时还存在蜂窝芯切屑排屑困难、易堵塞刀具等情况。

硬脆材料的套料加工与Nomex 蜂窝芯材料的插切加工具有相同的刀具运动形式。现有研究表明，硬脆材料的超声套料加工对比非超声加工能够提高加工效率、降低切削力、减少出口位置的加工缺陷[15-17]；弱刚度食品的超声切割中，刀具的超声振动减小了食品切割的切削力、提高了切割质量[18-20]；但硬脆材料的超声插切和食品的超声切割，在切削机理和材料性能方面与Nomex蜂窝芯的插切有较大区别，其研究结果并不能完全适用于Nomex 蜂窝材料的插切加工。针对Nomex 蜂窝芯构件轮廓边界常用的加工方法在已加工表面质量、切削力等方面存在的问题，本文在插切加工的基础上提出了一种超声插切的加工方法，通过在切削刃处产生大振幅轴向超声振动，将超声作用施加于切削过程。搭建了超声插切试验台，试验研究了超声插切加工中切削力以及插切切口质量的影响因素，分析了超声插切中刀具与工件的相对运动关系与切削力。

1 试验设计与方案

Nomex 蜂窝芯沉槽结构的曲线轮廓边界是超声插切加工的典型应用场景，具体加工过程如图1 所示。超声插切加工中，插切刀具在超声振动系统的带动下于切削刃处产生大振幅的轴向超声振动，与插切刀具的旋转运动、进给运动共同完成蜂窝芯材料的一次超声插切加工。插切刀具沿设定工作轨迹循环进行多次超声插切加工后，插切出包含所需曲线轮廓边界的一系列圆弧，将多余材料片除后获得沉槽结构的曲线轮廓边界。在每个插切位置的插切加工中，刀具的进给运动为插切刀具自工件上方沿蜂窝芯材料孔格轴向进给，插切至设定深度后，快速退刀，完成一次插切。

图1 超声插切加工曲线轮廓边界示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic trepanning curve edge

试验用刀具为自行研制的90mm 长超声插切刀具，有效插切深度75mm，刀具外径19mm，刀具结构如图2（a）所示，外形如图2（b）所示。超声插切刀具通过螺纹连接于超声切削专用刀柄；为避免插切刀具与已加工表面划擦，损伤已加工表面，将刀具前部设计为喇叭状开口，其中，γ=70°、α=2°；刀具内部中空结构用于容纳插切加工产生的蜂窝芯切屑。

图2 超声插切刀具Fig.2 Ultrasonic trepanning tool

试验样件为牌号NH-1-1.83-29 的Nomex 蜂窝芯材料，蜂窝芯密度29kg/m3，孔格边长1.83mm。样件大小为60mm×50mm×50mm。

Nomex 蜂窝芯超声插切试验在凝华NHM800 型数控雕铣机上进行，试验现场加工设备与测力仪如图3 所示。其中，A为插切刀具超声振幅；vf为插切刀具进给速度；n为插切刀具转速。试验使用本团队自主研制的超声振动系统，包括插切刀具、超声切削专用刀柄与大功率超声电源。超声切削专用刀柄用于将超声电源输出的15～40kHz 高频功率电信号转变为机械振动，并对超声振幅进行放大；插切刀具安装于超声切削专用刀柄前端，加工时刀刃输出大振幅轴向超声。工件采用双面胶粘接的方式固持在夹具中央位置，再将夹具安装于测力仪上，测量切削过程中的切削力。

图3 Nomex 蜂窝超声插切试验现场Fig.3 Ultrasonic trepanning experiment site of Nomex honeycomb core

为研究插切加工中切削力以及切口质量的变化规律，进行了有无超声振动下，不同刀具转速和进给速度的插切试验，为了减小干扰因素的影响，每组试验进行3 次。试验中超声振动频率f为20.06kHz。设定的插切深度为40mm。超声插切试验参数见表1。

表1 超声插切Nomex 蜂窝芯试验参数Table 1 Experimental parameters of ultrasonic trepanning

本试验使用基恩士LK-H025 型激光位移传感器测量刀具振幅，采用Kistler-9119AA2 型测力仪对切削力进行测量，使用基恩士VHX-600E 型超景深显微镜对Nomex 蜂窝超声插切已加工表面质量进行观测。

2 试验结果与分析

2.1 插切切削力结果与分析

因X与Y方向切削力较小，可以忽略，Z方向力为主要切削力，对蜂窝芯加工质量有直接的影响，故本文仅研究Z方向切削力。图4 为n=1500r/min、vf=1000 mm/min 时，振幅为20μm 的超声插切加工与无超声振动的传统插切加工切削力曲线。

图4 插切切削力曲线Fig.4 Trepanning force curves

插切加工Nomex 蜂窝芯的切削力曲线可以分为3个阶段：切入阶段、稳定切削阶段和退刀阶段。切入阶段，随插切深度增加，切削力逐渐增大，超声插切平均切削力对比传统插切减小31%；稳定切削阶段，随插切深度的进一步增加，切削力总体趋势保持稳定，有小幅波动存在，超声插切平均切削力对比传统插切减小29%；退刀阶段为插切至设定深度后，快速退刀，切削力迅速减小至0.2N 左右，并保持至退刀完成，此阶段切削力较小，有无超声振动的切削力曲线未观察到明显区别。

进一步选取插切试验中稳定切削阶段的平均切削力为研究对象，对不同加工参数下有无超声振动的切削力进行对比分析。

不同刀具转速下有无超声振动的插切切削力曲线如图5 所示，在进给速度2000mm/min、刀具转速500～1500r/min 时，各加工参数下，超声振幅为20μm 的插切加工相对传统插切加工，切削力均有19%左右的降低，超声作用显著；随着插切刀具转速由500r/min 增加至1500r/min，插切加工的切削速度增加，有无超声振动的插切加工切削力均减小20%左右。

图5 不同转速下的插切切削力Fig.5 Comparison of trepanning forces at different spindle speeds

图6 为不同进给速度下有无超声振动的插切切削力曲线，超声振幅为20μm 的插切加工相对传统插切加工，在刀具转速1500r/min、进给速度1000～3000mm/min时切削力均有21%左右的减小，超声振动显著降低了切削力；随进给速度由1000mm/min 增加至3000mm/min，单位时间内插切加工的切削量增大，超声振幅为20μm 插切加工切削力增大14%，无超声振动的传统插切加工切削力增大19%。

图6 不同进给速度下插切切削力Fig.6 Comparison of trepanning forces at different feed speeds

2.2 插切质量分析

切削力的变化必然会对加工质量产生影响，为研究超声振动对Nomex 蜂窝芯插切质量影响，将切屑去除后，使用超景深显微镜对插切位置工件一侧切口进行观测。

2.2.1 典型插切特征

图7 为n=1500 r/min、vf=1000 mm/min 时有无超声振动的插切切口显微照片，图7（a）为无超声振动的传统插切切口，图7（b）为A=20μm 的超声插切切口。传统插切切口有明显波浪状起伏，与理想的直边偏差较大，放大观测切口边缘存在毛刺；超声插切切口边缘整齐，接近理想的直边，放大观测无毛刺存在。对比发现，在同一加工参数下超声振动的引入显著改善了插切加工切口质量、使切口更加平直，无毛刺等加工缺陷。

图7 传统插切与超声插切切口质量对比Fig.7 Comparison of incisions after ultrasonic trepanning and traditional trepanning

2.2.2 插切质量对比

为进一步研究不同加工参数下超声振动对于插切质量影响，选取稳定切削阶段的中部区域做进一步观测、对比。图8 为插切刀具转速1500r/min、进给速度1000～3000mm/min 的传统插切与超声插切Nomex 蜂窝芯切口对比。随着进给速度增加，传统插切切口边缘波浪状起伏更加明显，毛刺等加工缺陷出现次数更多；相比传统插切，振幅为20μm 的超声插切加工在不同进给速度下，切口边缘均更加贴近理想直边，无明显波浪状起伏，无明显毛刺存在，超声的插切切口受进给速度变化影响较小。

图8 不同进给速度下插切切口对比Fig.8 Comparison of trepanning incisions at different feed speeds

图9 为进给速度2000mm/min、插切刀具转速500～ 1500r/min 下传统插切与超声插切Nomex 蜂窝芯插切质量对比。随刀具转速增加，无超声振动的传统插切切口质量未得到显著改善；在不同转速下，振幅为20μm超声插切切口边缘均更加平直、整齐，无毛刺等加工缺陷，超声插切切口随转速增加质量无明显变化。

Nomex 蜂窝芯材料的超声插切加工中，刀刃与蜂窝芯材料发生周期性的接触和分离，每次短暂的接触刀刃都会对蜂窝芯材料施加高速的冲击，在接触位置产生微裂纹并沿插切方向在蜂窝材料内部扩展，改变了蜂窝芯材料的切削机理[21]，提高了加工质量。

研究表明，超声振动能够有效改善Nomex 蜂窝芯插切切口质量，为Nomex 蜂窝芯构件轮廓边界的高质量加工提供了一种有效的解决方案。

2.3 超声插切切削过程分析

2.3.1 运动学分析

为研究超声插切Nomex 蜂窝芯中超声振动对于切削过程的影响，以切削刃上选定点为研究对象，在超声作用下切削刃上该点的位移与速度如式（1）和（2）所示。

图9 不同转速下插切切口对比Fig.9 Comparison of trepanning incisions at different spindle speeds

其中，R为插切刀具半径，mm；ω为刀具角速度，rad/s；t为时间，s；f为超声振动频率，Hz。

图10 为加工参数R=9.5mm、n=1500r/min、vf=1000 mm/min、f=20060Hz 时切削刃上任意一点在超声振幅A=20μm 与无超声振动的插切加工中刀具旋转一周的运动轨迹，超声振动显著改变了刀具与工件间的接触规律，将无超声插切中的连续切削转换为超声频率的断续切削。传统插切加工中，Nomex 蜂窝芯材料的切削速度为1492mm/s；超声插切加工中，在单个振动周期内，刀刃切入蜂窝芯材料时，切削蜂窝芯材料的速度为1492～2942mm/s，超声振动显著提高了插切加工中的切削速度。对比无超声插切中进给速度为16.6mm/s 的连续切削，超声插切加工中刀具在进给方向对工件施加有高频冲击作用，使切削刃能够顺利地切断Nomex 蜂窝芯材料并避免毛刺等加工缺陷的产生。

图10 超声插切刀具运动轨迹Fig.10 Motion trajectories of ultrasonic trepanning tool

2.3.2 切削力分析

Nomex 蜂窝芯插切加工中，刀具与蜂窝芯材料间的受力关系可简化为如图11 所示。为简化分析过程，选取插切某瞬时，蜂窝芯材料与插切刀具一侧的受力情况为代表，分析超声插切过程中的切削力。

图11 插切加工Nomex 蜂窝芯受力关系Fig.11 Schematic diagram of force model on trepanning of Nomex honeycomb core

插切加工Nomex 蜂窝芯时，蜂窝芯材料受刀刃的切割力为FC，切屑受前刀面的压力为FN1，切屑受插切刀内壁的压力为FN2；因刀具的旋转运动，蜂窝芯材料与刀刃处存在摩擦力fC-n，切屑与前刀面的摩擦力为fN1-n，切屑与插切刀内壁的摩擦力为fN2-n；因刀具的进给运动，切屑与前刀面有摩擦力fN1-vf，切屑与插切刀内壁有摩擦力fN2-vf。

因蜂窝芯材料在X与Y方向所受切削力，理论分析受力平衡，实际加工中表现为X与Y方向切削力较小，可以忽略。故本文仅研究Z方向切削力FZ。

蜂窝芯材料所受切削力FZ可以表示为：

式中，FCZ、FN1Z与FN2Z分别为蜂窝芯材料在切削刃、前刀面与刀具内壁处所受Z向力。

蜂窝芯材料所受沿Z方向的摩擦力fN1-vf与fN2-vf可以表示为：

式中，μF为插切刀具与蜂窝芯材料间摩擦系数。

蜂窝芯材料在切削刃、前刀面与刀具内壁处所受Z向力FCZ、FN1Z与FN2Z可以表示为：

由式（3）和式（5）得知，插切加工Nomex 蜂窝的切削力FZ为：

超声插切Nomex 蜂窝的切削力FZU和传统插切的切削力FZN可以表示为：

式中，FCU为超声插切中蜂窝芯材料受刀刃的切割力；FCN为普通插切中蜂窝芯材料受刀刃的切割力；μFU为超声插切中蜂窝芯材料与插切刀具间的摩擦系数；μFN为普通插切加工系数。

超声插切加工中，由于刀具在进给方向的超声振动，切削刃对蜂窝芯材料产生高频冲击作用，蜂窝芯材料更易于被切断[21]，体现为FCU＜FCN。被切断的切屑受到前刀面与刀具内壁的挤压，分别在插切刀具前刀面和刀具内壁处受到压力FN1与FN2，此压力的产生主要受刀具结构与加工参数的影响，超声振动的引入不改变FN1与FN2大小。由于超声振动的减摩作用，μFU＜μFN[22]，进而使蜂窝芯材料所受摩擦力fN1-vf与fN2-vf减小。综合表现为超声插切切削力FZU小于无超声振动的传统插切切削力FZN，更有利于获得高质量的加工表面。

3 结论

本文提出了超声插切的加工方法，研究了超声插切加工中切削力和插切切口质量的影响因素，并得到以下结论：

（1）插切加工Nomex 蜂窝芯切削力，在刀具转速500～1500r/min 时随刀具转速增加而减小，在进给速度1000～3000mm/min 下随进给速度增加而增大。

（2）相对无超声振动的传统插切加工，超声振幅为20μm 的插切加工在插切刀具转速500～1500r/min、进给速度1000～3000mm/min 下均能够有效降低切削力，平均降幅20%左右。

（3）Nomex 蜂窝芯超声插切切口，在插切刀具转速500～1500r/min、进给速度1000～3000mm/min 下对比传统插切切口均更加平顺、整齐、无毛刺，插切加工质量更好。

（4）超声振动的引入将无超声插切加工中的连续切削变为刀具对蜂窝芯材料有高频冲击作用的断续切削，减小了切削力，提高了插切质量。