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采用超声刀具的蜂窝芯零件数控加工工艺研究

穆东方  
【摘要】:蜂窝复合材料由于其高比强度、高比刚度等优异性能,在航空航天等诸多领域具备较高的应用价值。超声加工作为复合材料加工领域中十分重要的一种加工方法,已经具有实际的应用价值,超声加工蜂窝复合材料具有表面质量好、切削力小等优势。国内对于超声加工技术还处于研究阶段,尤其是在针对超声加工蜂窝芯零件所使用的超声刀具展开的加工工艺部分的研究比较少,没有形成可靠、规范的工艺设计方法。本文针对超声加工所使用的专用超声刀具的结构特点和切削特点,开展了超声加工蜂窝芯零件的数控工艺研究:(1)开展超声加工蜂窝芯工艺规划研究。构建了体现航空航天领域蜂窝复合材料零件典型结构特点的零件模型;分析薄刃形超声切削专用刀具——直刃刀和圆盘刀的结构特点及其工艺特点;对使用等效刀具引起的直刃刀切削残留误差、过切误差、底刃加工误差进行分析。(2)开展超声圆盘刀加工工件表面形貌研究。通过对圆盘刀切削运动学建模,计算出圆盘刀刀刃扫掠面;分析圆盘刀超声加工工件表面形貌形成机理,构建加工表面形貌的残余高度模型;对圆盘刀加工过程中的前倾角、侧倾角、切削行距展开单因素和多因素交互作用分析,得到各工艺参数对残余高度的影响规律:残余高度随着切削行距的增大而增大;随着刀轴前倾角的增大,残余高度先出现最大值,随后快速减小,在减小的过程中会达到残余高度最小值,随后残余高度继续缓慢增大;残余高度随着侧倾角的增大而增大。(3)开展超声加工刀具轨迹规划研究。分析刀具轨迹规划中的关键参数:分析实际加工中超声刀具的刀位点和刀触点;根据V形工艺要求,计算直刃刀加工的切削行距;根据圆盘刀加工工艺中的断屑要求,得到圆盘刀加工中切削行距最大值的计算模型,指导切削行距的选择;根据实际加工中要求的离散精度,采用圆弧逼近局部轨迹计算走刀步长。采取基于参数映射的等参数刀具轨迹规划方法,对加工过程中直刃刀和圆盘刀存在的局部干涉现象提出了干涉判断方法,并提出刀具干涉的修正方法。(4)基于VERICUT的数控超声加工虚拟仿真。创建加工仿真环境,在加工仿真中针对刀具库中没有的超声刀具,结合刀具尺寸和切削误差分析设置等效替代刀具,验证圆盘刀加工残余高度模型的正确性;对典型蜂窝芯零件进行加工仿真,通过“自动比较”检验欠切和过切情况,验证超声加工刀具轨迹规划的合理性和可行性。


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