马付建1,王际帆1,张生芳1,刘宇1,康仁科2
(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024)
摘要：直刃尖刀是一种常用的切削Nomex蜂窝芯的超声切削刀具,其刀具参数直接影响着Nomex蜂窝芯的切削性能.基于ABAQUS有限元分析软件,建立了Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合分析的三维有限元模型.采用单因素法,研究刀具长度、刃角和厚度等参数对进给力和切削温度的影响.分析结果表明:在Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度均随着刀具长度的增大而减小,随着刀具厚度和刀具刃角的增大而增大.同时通过建立Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度的数学模型,分析刀具参数对进给力和切削温度的影响规律,验证了有限元分析结果的正确性.
关键词：NOMEX蜂窝芯; 超声切削; 刀具参数; 进给力; 切削温度
Nomex蜂窝芯具有高比强度、低密度、耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳、吸收振动能量和热稳定性好,以及优良的绝缘性能和透电磁波等一系列特性[1-2].该材料通常被制成夹层结构,并广泛应用于航空航天领域,如直升机的旋翼桨叶和座舱罩、大型客机的襟翼和雷达罩、航天飞船的防热大底和返回舱侧壁均是采用了Nomex蜂窝夹层结构[3-5].由于航空航天领域中所需零件的形状结构复杂,多为复杂曲面,因此需要对成型的Nomex蜂窝芯进行切削加工.
超声切削技术是近些年用于Nomex蜂窝芯加工的一项先进技术,通过在蜂窝芯加工过程中对切削刀具施加耦合超声振动,使刀具与被加工材料的接触状态和作用机制发生变化[6-9],可有效提高材料去除率,减小切削力,降低切削热,减少刀具磨损,避免加工粉尘的产生,改善加工精度和质量[10-12].
超声切削刀具作为蜂窝芯的加工工具,其结构尺寸和几何形状直接影响着材料的加工精度、质量及加工效率.在超声切削刀具设计方面,美国和奥地利的GFM公司、德国GEISS公司和法国CRENO公司等航空航天加工设备主要生产企业开发的超声切削机床和刀具,已在欧美各大航空制造企业、航天科研和生产机构得到了广泛的应用,但出于商业保密的原因,针对Nomex蜂窝芯超声切削刀具的设计及其几何参数对切削性能的影响规律的相关研究很少公开.在国内,针对超声切削刀具设计及其切削性能方面的研究还处于起步阶段.周胜利等通过动力学分析设计并优化了超声切削刀具[13];沈莹镔根据模态分析和谐响应分析结果,对Nomex蜂窝芯超声切削的直刃尖刀进行了结构设计[14];ZHANG等通过模态分析和应力分析结果,对Nomex蜂窝芯超声切削圆盘刀的设计进行了相关研究[15];黄秀秀等通过试验的方法研究了直刃尖刀超声切削Nomex蜂窝芯的切削力[16].
目前国内关于Nomex蜂窝芯超声切削刀具设计的研究主要是通过结构动力学分析进行结构设计,有关刀具几何参数对加工性能影响方面的研究主要集中在试验研究方面,根据刀具几何参数对加工性能的影响进行刀具设计方面的研究尚未见报导.本文通过有限元分析研究刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能的影响规律,为蜂窝芯超声切削刀具的几何参数设计提供理论基础.
1.1 超声切削刀具
直刃尖刀是一种常用的Nomex蜂窝芯超声切削刀具,如图1所示.其中L为刀具长度，H为刀具厚度，b为刀具最大宽度，δ为刀尖角，β为刀具刃角.
图1 直刃尖刀
Fig.1 Blade knife
直刃尖刀的刀具材料为YG8硬质合金,该硬质合金的材料属性如表1所示.
表1 YG8硬质合金的材料属性
Tab.1 Material properties of YG8 cemented carbide
密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa泊松比热胀系数/(10-6K-1)热传导率/(W·mol-1·K-1)比热容/(J·kg-1·K-1)14.56000.34.575.4445
1.2 Nomex蜂窝芯
Nomex蜂窝芯是一种多孔薄壁结构材料,孔格形状通常为正六边形,如图2所示.孔格边长l一般为2～5 mm,单层壁厚t在0.05～0.15 mm之间.本文所选取的Nomex蜂窝芯尺寸参数如表2所示,其材料属性如表3所示.
1.3 切削失效准则
切削失效准则是判断蜂窝芯在切削加工中产生破坏变形的标准,常用的失效准则包括几何准则和物理准则.本文采用弹塑性模型的剪切失效准则作为Nomex蜂窝芯的切削失效准则,该模型是通过单元节点的塑性应力是否达到塑性极限值来判断是否失效,当破坏系数达到1时,失效发生.破坏失效系数w的计算公式为:
图2 Nomex蜂窝芯
Fig.2 Nomex honeycomb
表2 Nomex蜂窝芯几何参数
Table2 Geometric parameters of Nomex honeycomb
孔格边长l/mm单层壁厚t/mm蜂窝芯长度W/mm蜂窝芯高度G/mm30.134.575.4
(1)
式中
表3 Nomex蜂窝芯的材料属性
Table 3 Material properties of Nomex honeycomb
密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa泊松比热胀系数/(10-6K-1)热传导率/(W·mol-1·K-1)比热容/(J·kg-1·K-1)1.3345.310.29240.1231300
1.4 网格划分及边界条件
根据切削刀具和Nomex蜂窝芯的结构参数、材料属性、超声切削加工中的运动状态及边界约束条件,建立如图3所示的Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合有限元分析模型.其中对Nomex蜂窝芯和直刃尖刀分别采用C3D8T八结点热耦合六面体单元和C3D10MT十结点热耦合二阶四面体单元进行网格划分.由于Nomex蜂窝芯在超声切削加工过程时通常将蜂窝芯粘结在单面胶上,再用真空吸盘吸附,以实现对蜂窝芯的夹持[17].因此在有限元模型中对Nomex蜂窝芯底面采取全固定约束.由于刀具的刚度比Nomex蜂窝芯的刚度要大很多,且在分析中加工时间较短,因此假设在切削过程中刀具不会发生变形和磨损,将刀具设置为刚体.
图3 有限元模型
Fig.3 Finite element model
对切削刀具在y轴方向上施加频率f=20 kHz、振幅A=30 μm的超声振动,即刀具在y轴方向上的运动速度方程为:vy=2πftAcos(2πft),并对刀具施加沿x轴正向的进给速度vx=200 mm·s-1.设置工件、刀具和环境的初始温度为室温.
基于ABAQUS有限元分析软件,采用单因素法研究不同刀具参数(刀具长度L、刀具厚度H、刀具刃角β)对Nomex蜂窝芯超声切削的进给力Ff和切削温度T的影响.分析中采用的刀具参数如表4.
表4 刀具参数
Table 4 Cutting tool parameters
刀具长度L/mm刀具刃角β/(°)刀具厚度H/mm2222127271.2532321.537371.7542422
图4,5分别为刀具长度L=32 mm、刀具厚度H=1.5 mm、刀具刃角β=32°时,Nomex蜂窝芯超声切削过程中,进给力Ff和切削温度T随时间变化的曲线.
图4 进给力变化曲线
Fig.4 Feed force curve
图5 切削温度变化曲线
Fig.5 Cutting temperature curve
由图4可知,超声切削过程中的在0～0.016 s,刀具开始切入蜂窝芯,进给力Ff随时间的增加而增大;在0.016～0.076 s,进给力变化不大,为稳定切削区域;在0.076～0.82 s,刀具切出蜂窝芯,进给力随加工时间的增加而减小.因此,在分析刀具参数对超声切削进给力的影响规律时,选取0.016～0.076 s时间段的平均进给力Ff进行分析.
由图5可知,在0～0.02 s,切削温度随加工时间的增加而增大;在0.02～0.08 s,切削温度相对稳定;0.08 s后蜂窝芯切削基本完成,切削温度随加工时间的增加而降低.因此,选取0.02～0.08 s时间段的切削温度T的平均值进行切削温度分析.
2.1 刀具参数对进给力的影响
蜂窝芯超声切削过程中刀具的受力分析如图6所示.由图6可知,直刃尖刀的进给力Ff是蜂窝芯变形产生的抗力FL和刀具与蜂窝芯的摩擦阻力FU在进给方向分量的合力:
(2)
式中:θ为超声切削过程中刀具的实际切削角,切削角θ与刀具刃角β、刀尖角δ的关系如图7所示,可表达为:
(3)
蜂窝芯超声切削示意图如图8所示,当蜂窝芯受到的切削力达到材料的等效抗变形强度σ时,蜂窝芯产生弹塑性变形,刀具受到的变形抗力FL为[18]:
(4)
式中:S为超声切削过程中刀刃面与Nomex蜂窝芯的有效接触面积,即图中填充剖面线部分.假设刀具的切削深度为h,则:
图6 刀具受力分析图
Fig.6 Force anlysis of cutting tool
图7 切削角与刀具刃角的关系
Fig.7 Relationship between cutting angle and cutting edge angle
(5)
将式(3)和(5)代入式(4)得:
(6)
图8 切削示意图
Fig.8 Cutting diagram
超声切削过程中刀具与蜂窝芯产生的摩擦阻力FU为
(7)
式中:μ为超声切削过程中刀具与Nomex蜂窝芯的摩擦系数.普通切削情况下Nomex蜂窝芯与刀具的摩擦系数为0.1～0.25 [19],而超声切削状态下摩擦系数为普通切削时的10%左右 [20].
将式(6)代入式(7)得:
(8)
将式(6)和式(8)代入式(2),可得刀具进给力Ff与刀尖角δ、刀具厚度H、刀具刃角β、切削角θ的函数关系式:
(9)
(1) 刀具刃角对进给力的影响
图9为刀具长度H=32 mm、刀具厚度L=1.5 mm时,通过有限元分析得到的刀具刃角对进给力的影响曲线.由图9可知，随着刀具刃角的增大,进给力也逐渐增大.这是因为当刀具刃角β增大时，切削角θ也增大.由式(9)可知,变形抗力FL和摩擦阻力FU在进给方向的分力之和为FL(sinθ/2+μcosθ/2),其中由式(6)可知FL随刀具刃角β的增大而增大,且由于摩擦系数μ远小于1,(sinθ/2+μcosθ/2)随切削角θ的增大而增大,所以FL(sinθ/2+μcosθ/2)随刀具刃角β的增大而增大,因此进给力Ff随着刀具刃角β的增大而增大.
图9 进给力随刀具刃角变化的曲线图
Fig.9 Feed force curve with the changes of cutting edge angle
(2) 刀具厚度对进给力的影响
图10为刀具长度L=32 mm、刀具刃角β=32°时,刀具厚度对进给力的影响曲线.由图10可知,随着刀具厚度的增大,进给力也增大.由式(5)可知,当刀具厚度在1～2 mm范围内,刀刃面与Nomex蜂窝芯的有效接触面积S随刀具厚度H的增大而增大,则由式(6)可知,变形抗力FL随刀具厚度H的增大而增大,因此由式(9)可知,进给力Ff随刀具厚度H的增大而增大.
图10 进给力随刀具厚度变化的曲线图
Fig.10 Feed force curve with the change of cutting tool thickness
(3) 刀具长度对进给力的影响
图11为刀具刃角β=32°、刀具厚度H=1.5 mm时,刀具长度对进给力的影响曲线.由图11可以看出，随着刀具长度的增大,进给力逐渐减小.这是因为当刀具长度L增大,且刀具最大宽度b不变时,刀尖角δ减小,切削角θ增大,将式(3)代入式(9),并将式(9)对切削角θ求导可知,当刀具长度在20～45 mm范围时,式(9)的导数小于零,因此进给力Ff随着刀具长度L的增大而减小.同时由式(6),(8)和(9)可知,随着刀尖角δ的减小,刀具受到的变形抗力FL和摩擦阻力FU将减小.同时随着切削角θ的增大,两力在进给方向的分量比例增大,刀具受到的进给力总体减小,这说明刀尖角对两力在进给方向的分力之和比切削角的影响要大.
图11 进给力随刀具长度变化的曲线图
Fig.11 Feed force curve with the changes of cutting tool length
2.2 刀具参数对切削温度的影响
超声切削Nomex蜂窝芯过程中产生的切削热主要来自于刀具与蜂窝芯摩擦产生的摩擦热Q:
Q=FUvr
(10)
式中:vr为刀具与被加工材料的相对速度,由于分析中选取的加工运动参数完全相同,因此刀具与被加工材料的相对速度vr相等,刀具与蜂窝芯摩擦产生的摩擦热Q主要取决于两者间的摩擦阻力FU.
(1) 刀具长度对切削温度的影响
图12为刀具刃角β=32°、刀具厚度L=1.5 mm时,通过有限元分析得到的刀具长度对切削温度的影响曲线.由图12可知,随着刀具长度的增大,切削温度逐渐减小.这是因为当刀具长度L增大时,刀尖角δ减小,由式(8)可知,摩擦阻力FU随着刀尖角δ的减小而减小,因此产生的切削热减小,切削温度降低.
图12 切削温度随刀具长度变化的曲线图
Fig.12 Cutting temperature curve with the changes of cutting tool length
(2) 刀具厚度对切削温度的影响
图13为刀具长度L=32 mm、刀具刃角β=32°时,刀具厚度对切削温度的影响曲线.由图13可知，随着刀具厚度的增大,切削温度也逐渐增大.由式(5)可知,刀刃面与Nomex蜂窝芯的有效接触面积S随刀具厚度H的增大而增大.由式(8)可知,摩擦阻力FU随厚度H的增大而增大,产生的切削热增加,切削温度升高.
(3) 刀具刃角对切削温度的影响
图14为刀具长度L=32 mm、刀具厚度H=1.5 mm时,刀具刃角对切削温度的影响曲线.由图14可知,知随着刀具刃角增大,切削温度逐渐降低.由式(8)可知,当刀具刃角β增大时,摩擦阻力FU增大,因此产生的切削热增大,切削温度升高.
图13 切削温度随刀具厚度变化的曲线图
Fig.13 Cutting temperature curve with the changes of cutting tool thickness
图14 切削温度随刀具刃角变化的曲线图
Fig.14 Cutting temperature curve with the changes of cutting edge angle
(1) 建立了Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合有限元分析模型,得到了Nomex蜂窝芯加工过程中的进给力及切削温度的变化曲线.分析结果表明,进给力和切削温度均随加工时间先增大后减小,且存在稳定时间段,因此可取该稳定时间段的平均力和温度进行分析.
(2) 当刀具刃角增大时,切削角增大,刀具受到的变形抗力和摩擦阻力在进给方向上的分力之和增大,使得刀具受到的进给力增大;刀具厚度增大时,刀具受到的变形抗力增大,进给力增大;刀具长度增大时,刀尖角减小,刀具受到的变形抗力和摩擦阻力将减小,同时切削角增大,两力在进给方向的分量比例增大,但刀尖角对两力在进给方向的分力之和比切削角的影响大,刀具受到的进给力总体减小.
(3) 当刀具厚度和刀具刃角增大时,刀具受到的摩擦阻力增大,产生的切削热增加,切削温度升高;当刀具长度增大时,刀具受到的摩擦阻力减小,产生的切削热减小,切削温度降低.
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MA Fu-jian1,WANG Ji-fan1,ZHANG Sheng-fang1,LIU Yu1,KANG Ren-ke2
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)
Abstract：The blade knife is a kind of ultrasonic cutting tool which is usually used for cutting Nomex honeycomb.Its geometrical parameters directly affect the cutting performance of Nomex honeycomb.Based on the finite element analysis software of ABAQUS,a three-dimensional finite element model of the coupled thermal and mechanical analysis for the ultrasonic cutting of Nomex honeycomb is established.The influence of the cutting edge angle,cutting tool length and thickness on the feeding force and the cutting temperature is researched with single factor method.The results show that the feeding force and cutting temperature decrease with the increasing of cutting tool length,but increase with the increasing of cutting tool thickness and cutting edge angle.A mathematical model on the feeding force and cutting temperature during honeycomb core cutting is built.Based on the mathematical model,the influence rule of tool parameters on the feeding force and cutting temperature is analyzed too,and the analysis results of the finite element model is verified by those of the mathematical one.
Key words：Nomex honeycomb; ultrasonic cutting; tool parameters; feeding force; cutting temperature
基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2015AA043402)；国家自然科学基金资助项目(51505057)；辽宁省教育厅优秀人才计划资助项目(LR2015012)；辽宁省自然科学基金资助项目(2014028019)
作者简介：马付建(1982-)，男，博士，讲师. E-mail：mafj@djtu.edu.cn
中图分类号：V 261.94
文献标志码：A
文章编号：1672-5581(2016)04-0316-07
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