SiCf/SiC超聲振動輔助車削加工裝置的刀柄設計與實驗*

徐勝利，王園園，劉即元

（1.西安超克能超聲技術研究院有限公司，西安 710077；2.中國航發動力股份有限公司，西安 710021）

0 引言

SiCf/SiC陶瓷基復合材料是一種新型戰略性熱結構復合材料，它保留了SiC 陶瓷耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化腐蝕等優點[1-3]；同時，由于SiC 纖維增強和增韌作用，克服了SiC 陶瓷斷裂韌性較低、易發生災難性損毀等缺點，顯著提高了材料使用溫度，增強了材料可靠性，減輕了結構體質量，在航空航天、能源、交通等眾多領域具有廣泛的應用前景[4-6]。

SiCf/SiC陶瓷基復合材料硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，是一種典型的各向異性難加工材料[7-8]。二次加工是SiCf/SiC 陶瓷基復合材料及其構件制備過程中不可或缺的重要環節，尤其是隨著實際服役環境的日益苛刻，SiCf/SiC陶瓷基復合材料超精細加工的要求越來越高，加工質量的高低將嚴重影響結構件的疲勞性能和服役性能。目前，針對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料構件精密加工問題，現有技術手段（如常規機械加工、高壓水射流、電火花加工、長脈沖激光加工等）都存在一定的缺陷，容易在材料表面產生毛刺、撕裂、纖維拔出/崩邊、微裂紋等缺陷，嚴重制約了加工質量與加工精度[9-13]。

超聲振動輔助切削技術是在傳統機械加工的基礎上引入超聲頻的機械振動，改變加工機理，使刀具獲得較大的沖擊加速度（約為重力加速度的104～105倍），利用超聲波的定向、高能量密度、空化、沖擊、粉碎等綜合效應進行加工的高效切削技術[14-16]。超聲振動輔助加工技術能夠降低切削力和切削溫度、減緩刀具磨損、延長刀具壽命，改善材料的可加工性并提高加工表面質量，被認為是一種極具潛力的特種加工技術，適宜于鈦合金、陶瓷、玻璃、CFRP、陶瓷基復合材料等硬脆性難加工材料的切削加工[17-19]。

目前，超聲振動輔助加工硬件多以磨削、銑削、鉆削為主，車削裝置的研究鮮有報道。段忠福[20]通過理論計算并結合數值分析，確定了縱向振動車削方案，設計了20 kHz 超聲波縱向振動車刀，刀桿材料采用45 號鋼，刀桿尺寸為240 mm×240 mm×260 mm；同時，以45 號鋼為試驗材料進行正交試驗，驗證了振幅、切削速度與切削力的關系，驗證了切削熱分布的規律；并對超聲波振動切削45號鋼的切削參數進行優化分析，對比了超聲振動車削與普通車削的功率、表面粗糙度、切削力等，試驗結果表明：振動車削可以降低切削力，表面粗糙度在振動車削條件下明顯減小。周浩琰[21]以304 不銹鋼為研究對象，基于變截面桿波動方程推導出變幅桿頻率方程，利用頻率方程計算出了圓錐形變幅桿的共振長度，通過正交分析表優化了對稱型刀桿的尺寸，并對加工裝配的超聲橢圓振子進行了振動性能測試，振子諧振頻率與設計誤差在0.2%以內；最后，通過4 組單因素試驗，探究了不同切削速度、切削深度、進給量、電壓對不銹鋼材料加工表面形貌及表面粗糙度影響，結果表明：在相同切削參數下，橢圓振動切削效果明顯優于普通車削，且在低切削速度、小切削深度、小進給量下，橢圓振動切削效果更好，說明橢圓振動車削更適合精加工。

在超聲振動輔助車削研究方面，馬付建等[22]采用3種刀具進行了三維編織碳纖維復合材料的普通車削和超聲輔助車削試驗，研究表明超聲輔助車削相比于普通車削中的主切削力、進給力和背向力均有所降低，整體減小約34%，并且有效提高了表面質量，延長了刀具使用壽命。張國華等[23]采用金屬切削理論對橢圓振動車削過程及三維切削模型進行了分析，表明相鄰兩轉之間的相位差對車削表面形貌有著重要的影響，且切削表面幾何形貌是進給刀紋和切向振動產生的振紋彼此削弱、共同作用而成。Ma等[24]基于常規車削和超聲振動輔助車削試驗，發現采用二維超聲振動車削鋁棒時，加工精度可以提高98%。Tong 等[25]采用單激勵超聲橢圓振動系統研究了超聲橢圓振動車削對鋁合金表面形貌的影響，表明超聲振幅和進給速度對表面形貌的影響顯著；且在高頻振動的作用下，刀具的后刀面對加工表面具有熨壓和修整的作用。切削過程中刀具切屑分離、刀具的斷續切削作用，提高了表面質量。鞠偉華[26]通過開展普通銑削、超聲輔助銑削、普通車削、超聲輔助車削、鉆孔加工、線切割等多種加工方法進行試驗，以表面粗糙度、表面形貌、加工效率、尺寸精度等為評價指標，對C/C 復合材料加工適用性進行了研究，結果表明超聲振動輔助加工有利于減小工件表面粗糙度，且可降低加工過程中的磨損和切削力。

綜上，本文圍繞SiCf/SiC 陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削開展研究，通過對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料、超聲波特性、車削刀柄結構等進行分析和計算，設計、研制適合于SiCf/SiC 陶瓷基復合材料的超聲車削刀柄，并對車削刀柄進行檢測；在此基礎上，對車削刀柄進行車削性能測試，通過設計SiCf/SiC 陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削實驗，考察和分析振動頻率和超聲振幅對樣件加工表面質量的影響規律。

1 超聲振動輔助車削刀柄設計

超聲振動輔助車削刀柄設計如圖1所示。其中，對整個刀柄而言最重要的零部件是變幅桿及換能器。合理的變幅桿及換能器設計能夠使得車削刀柄輸出理想的穩定超聲振動，故主要針對變幅桿及換能器的設計進行研究。

1.1 換能器

1.1.1 頻率方程

超聲波換能器是超聲振動系統的核心部件，在工作過程中，通過超聲波換能器將超聲波發生器輸出的超聲頻電能轉換為超聲頻的機械振動，再經超聲變幅桿傳輸到刀具，進而實現對工件的超聲加工。等截面圓柱前后蓋夾心式壓電換能器頻率方程如公式（1）所示，依據2 個頻率方程，對換能器的形狀、尺寸和共振頻率進行設計。

式中：lc1為左邊1/4 波長陶瓷片長度；lc2為右邊1/4 波長陶瓷片長度；k1和l1、k2和l2分別為前后蓋板材料的波數和長度；S為壓電陶瓷的截面積；ρ為壓電晶堆密度；ce為壓電晶堆聲速；ke為壓電波數；Xm1和Xm2分別為左、右側壓電晶堆負載阻抗；ρ1、c1、S1分別為換能器中壓電陶瓷后蓋板的密度、聲速和截面積；ρ2、c2、S2分別為換能器中壓電陶瓷前蓋板的密度、聲速和截面積。

首先，利用電路理論，進行一系列變換，求出換能器的等效輸入電阻抗。其次，令換能器的輸入阻抗中阻抗部分等于0，由此就可以得出換能器的頻率方程。最后，根據換能器的具體尺寸，求解頻率方程，得出換能器的共振頻率。

功率超聲夾心式復合換能器基本上都是半波長振子，半波長振子在振動時，換能器的兩端振動位移最大，而在換能器內部的某個位置，存在一個振動位移為0 的截面，稱為節面。換能器的位移節面是一個非常重要的概念，必須精確確定，以便于和外界連接及固定換能器位移節面的位置是由換能器的前后蓋板及壓電陶瓷晶堆的材料參數、幾何尺寸、形狀和頻率所決定。因此，在設計夾心式壓電換能器時，假如將此位移節面作為一個分界面，把整個換能器看成是由2 個1/4 波長的振子組成，就可以利用這2個1/4波長的振子各求出其頻率方程，從而可以得出換能器的整個頻率方程。

1.1.2 結構及壓電晶堆

換能器采用金屬端蓋-壓電晶堆-金屬端蓋的夾心壓電式結構。此結構簡單、尺寸較小，質量較輕，容易獲得大的能量密度，可以令壓電陶瓷產生縱向振動并且產生較低的共振頻率。設計時，首先從換能器的設計理論出發，利用變截面桿的波動方程以及傳輸線性理論進行分析，且需要對邊界條件提出必要的假設。其次，將換能器長度與聲波長度相比較，且令換能器橫向尺寸遠小于聲波波長。在此基礎上，可以分析其機械振動方程并且畫出其電路狀態方程。通常尺寸設計選用解析法，并且利用等效電路法得出其相對應的等效電路圖。等效電路中存在有各種等效阻抗，其電學參數均為換能器工作在諧振頻率下理論計算而來。

為了使輸出功率達到最大，需要使用多片壓電陶瓷來滿足超聲加工的需求。用電極片將壓電陶瓷片以及金屬蓋板隔開，電極片通常采用彈性和導電性能良好的銅片或者鎳片，電極片通常與壓電圓環通過環氧樹脂膠合而成，將壓電陶瓷和電極片視為一個整體，統稱壓電晶堆。壓電陶瓷晶堆作為換能器的振動發出源，在設計中占有非常重要的地位。

通常換能器由多個壓電陶瓷圓環同極相接的方式堆疊而成，這種方式稱為機械串聯而電路并聯的方式。壓電陶瓷的直徑應當小于1/4 聲波波長，否則會產生其他模式的振動。選擇自研換能器專用功率型CKN-GN-8 系列壓電陶瓷圓環，工作頻率為20、30、33 kHz，分別對應的壓電陶瓷圓環型號為CKN-GN-8-2050A、CKNGN-8-3050A、CKN-GN-8-3350A，根據加工要求將換能器功率設計為500～1200 W，壓電陶瓷圓環片數量設計為2片一組或4片一組。此外，電極片選用具有較高的耐蝕性和耐磨損的磷青銅材料，厚度為0.35 mm。

1.1.3 端蓋

由于換能器的諧振頻率受端蓋材料尺寸的影響極大，其前后端蓋不僅可以用作電極，還可以改變其參數變化來調節諧振頻率，提高換能器諧振性能，保持較好的導熱性能，使換能器工作時可以發揮其最大功效。

夾心式換能器前后端蓋應滿足以下選用原則：在換能器工作頻率范圍內應考慮選用內部及外部損耗最低的材料，考慮其在工作環境中的使用壽命，考慮其性價比且便于加工。為了提高換能器的能量轉換效率，在設計時前后端蓋選用不同的金屬，為了使超聲能量沿著軸線從前端蓋發射出去，功率超聲中的縱向振動換能器通常設計為前后端蓋均為等截面圓柱形，可以有效減少換能器后表面輻射的聲功率，如圖2所示。

圖2 換能器示意

前端蓋的材料一般選用鈦合金、鎂合金和鋁合金等輕金屬，后端蓋則選用銅、合金鋼和45號鋼等重金屬。從聲波能量的傳輸性能上分析，鈦合金的確要優于后兩者，但使用鈦合金的經濟成本高、加工難度大；而鎂合金的耐蝕性差，強度較低；鋁合金中的硬鋁（2A12）具有強度高、耐腐蝕和機加工性好且廉價等特點，是前端蓋理想的材料；45號鋼因聲阻抗大、材料來源廣泛和加工難度低等特點，是后端蓋材料的最佳選擇。因此，此類刀柄前端蓋材料為2A12硬鋁合金、后端蓋材料為45號鋼為最佳組合。

換能器在振動過程中，存在軸向振幅為0 的面稱為位移節面，可以將換能器視作4 個部分組成，其中n=1、2、3、4 表示復合式壓電換能器各個組件的標注，分別為節面右側壓電晶堆、前端蓋、節面左側壓電晶堆以及后端蓋。在設計時，選定壓電陶瓷片規格后，換能器的尺寸隨之確定。在給定設計頻率的情況下，根據頻率方程即可求出不同材料其余部分尺寸。

1.2 車削刀柄模態分析

借助ANSYS 有限元軟件，對設計的20、30、33 kHz頻率段換能器及相應的刀具進行模態分析，結果如圖3所示。依據前期對碳化硅、氧化鋯、SiC 陶瓷等陶瓷類材料的加工經驗，模態分析時選用的刀具為55°的硬質合金基體、PDC 鑲片的車刀片。在實際使用和安裝時需要固定超聲波換能器，在變幅桿的大小端過渡處設計節圓法蘭。由圖3 可知，在節圓盤處進行位移約束，優選出的換能器特征頻率分別為19 992、29 994、34 776 Hz；且刀具末端位移很大，晶堆和節圓盤處振幅基本為0，表明超聲振動輔助車削刀柄的結構設計符合要求。

圖3 車削刀柄模態分析

1.3 刀柄頻率振幅分析

對驗證了的超聲振動輔助車削刀柄實物硬件采用某公司UTD2102CEX 示波器進行頻率檢驗，測量超聲波頻率為20～40 kHz。采用如圖4 所示的激光測振儀對刀柄振幅進行檢測，測振儀位移分辨率為0.008 nm，頻率檢測區間為10～60 kHz。

圖4 激光測振儀

圖5 所示為超聲波發生器在3 個頻率段（20、30、33 kHz）的實測對比檢測。由圖可知，超聲波發生器的頻率和示波器顯示頻率一致，這表明超聲振動輔助車削刀柄的超聲發生器頻率滿足設計要求，能夠實現預期的振動頻率，可以用于后續的SiCf/SiC 陶瓷基復合材料的超聲振動輔助車削實驗。超聲刀柄振幅檢測結果對比如表1所示。

表1 超聲刀柄振幅檢測

圖5 車削刀柄頻率檢測

2 超聲振動輔助車削實驗及方法

2.1 實驗樣件及設備

圖6 所示為車削用的SiCf/SiC 陶瓷基復合材料筒狀樣件，原始尺寸為?100 mm×200 mm，壁厚為6 mm。對樣件進行表面涂層去除，單邊光整量約為0.4 mm，現工件尺寸約為?97.7 mm×200 mm。

超聲振動輔助車削光整及正式加工試驗均采用PDC刀具（聚晶金剛石復合片），如圖7所示，具體幾何參數如表2所示；實驗采用的超聲刀柄如圖8所示。

圖7 PDC車刀片

圖8 超聲車削刀柄

2.2 實驗設計及測量

超聲振動輔助車削實驗在HK63 型數控車床上進行，如圖9 所示。車削過程中采用流水冷卻，冷卻液為全合成切削液，噴出時具有一定的沖擊壓力，如圖10所示。

圖9 HK63型數控車床

圖10 冷卻液

如表3 所示，首先在兩組實驗參數下進行超聲振動輔助車削實驗，以車削表面質量及刀具磨損情況作為衡量指標，探索刀柄振動頻率對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料加工效果的影響，并對比分析得到合適的超聲車削頻率。在此基礎上，在兩組實驗參數下，研究刀柄振幅對刀具磨損、加工質量的影響，結果如表4所示。

表3 超聲刀柄加工效果對比試驗

表4 超聲振幅對刀具磨損的影響試驗參數

車削實驗后，采用如圖11 所示的IFM G4 InfiniteFocus System G4 全自動掃描儀（主要參數如表5 所示）對樣件車削表面二維粗糙度Ra和三維粗糙度Sa進行測量。

表5 全自動掃描儀設備信息

圖11 IFM G4全自動掃描儀

3 結果和討論

在表3工藝參數下，采用20、30、33 kHz頻率的超聲刀柄車削SiCf/SiC陶瓷基復合材料表面粗糙度對比結果如圖12所示。由圖可知，在兩組實驗參數下，頻率為33 kHz的超聲車削刀柄獲得了相對較低的表面粗糙度，加工效果最好。兩組車削試驗所得三維表面粗糙度Sa均大于二維表面粗糙度Ra。這是因為Ra是沿著加工表面的某一個方向進行測量，而Sa是在一個區域內進行測量，包含了更多的加工表面信息，如纖維斷裂、基體裂紋、表面凹坑、孔洞缺陷等。尤其是橫向纖維束與縱向纖維束交界的位置，存在較多的制備孔洞缺陷。隨著加工深度的不斷增加，去除工件表面的材料之后將會暴露出更多的原始孔洞缺陷，這完全取決于材料制備工藝的成熟度?；w材料與增強纖維硬度上的大差異，也將使Sa測量值偏大，即基體材料在加工中相對更容易去除，存在SiC 基體的位置更易產生溝槽、凹坑等缺陷，導致車削表面整體質量較低，如圖13所示。

圖12 不同頻率超聲刀柄的車削質量

圖13 33 kHz超聲刀柄車削表面形貌

振動頻率為33 kHz，在表4 工藝參數下的車削表面粗糙度結果如圖14所示。由圖可知，隨著超聲振幅的增大，2 組車削試驗的車削表面粗糙度Ra和Sa均先減小后增大。超聲振幅為3 μm時，表面粗糙度最小。超聲振幅在改變實際切削深度的同時，還將影響工件表面的平整度。超聲振幅越大，工件表面的理論輪廓起伏越大，從而影響粗糙度水平。超聲振動輔助作用在一定程度上可以減少表面損傷和降低表面粗糙度。因此，適當提高超聲振幅有利于增強超聲振動對表面損傷的抑制作用。

圖14 超聲振幅對表面質量的影響

綜上所述，在進行SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削加工時，合適的車削刀柄振動頻率為33 kHz，超聲振幅為3 μm。同時，以上加工實驗結果也表明，研制的超聲振動輔助車削刀柄可以進行SiCf/SiC陶瓷基復合材料的車削加工，能夠改善材料的可加工性，提高加工表面質量。

4 結束語

本文針對SiCf/SiC陶瓷基復合材料難加工問題，開展了SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削研究，通過理論計算和仿真分析，設計了車削刀柄變幅桿、換能器，研制了SiCf/SiC 陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削刀柄，并對車削刀柄進行了檢測和加工性能測試，主要結論如下。

（1）通過計算和分析，換能器采用金屬端蓋-壓電晶堆-金屬端蓋的夾心壓電式結構，壓電陶瓷圓環片數量設計為2片一組或4片一組，電極片選用具有較高耐蝕性和耐磨損的磷青銅材料，厚度為0.35 mm。

（2）通過有限元模態分析，優選出的換能器特征頻率分別為19 992、29 994、34 776 Hz，刀具末端位移很大，晶堆和節圓盤處振幅基本為0；且超聲波發生器的頻率和示波器顯示頻率一致，表明車削刀柄的超聲發生器頻率滿足設計要求。

（3）SiCf/SiC 陶瓷基復合材料超聲振動輔助車削實驗結果表明，所設計研制的車削刀柄可以應用于SiCf/SiC陶瓷基復合材料的車削加工，推薦的刀柄振動頻率為33 kHz，振幅為3 μm。