超声波切割技术的基本原理及应用
    

  超声波切割技术是近十几年内在国际上发展起来的一项工艺技术,目的在于更有效和精确地加工越来越广泛地应用于航空航天制造领域的复合材料(如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、纸基或铝基蜂窝材料、预浸纤维材料、各种泡沫材料等)。

  不同于传统的高速铣钻工艺,超声波切割技术的核心部件是超声波切割头。其基本原理是利用一个电子超声波发生器,先产生频率为20~30kHz 的超声波,然后通过置于超声波切割头内的超声-机械转换器,将原本振幅和能量很小的超声振动转换成同频率的机械振动,再通过共振放大,得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量(功率),最终传导至超声波切割头顶端的刀具上,超声波切割头结构对上述复合材料进行切割加工。

  传统切割

  传统高速铣钻工艺的基本原理是利用机床主轴产生高速转动,通过铣头(或钻头)沿工件边缘将材料打碎,从而使工件得以成形或分离。在这个过程中,由于刀具的高速转动,除产生大量粉尘之外,工件表面往往留有毛刺。此外,由于进刀时主轴侧向力的作用,工件材料会产生短暂变形,影响工件的型面质量。第三,由于此侧向力的影响,工件与工作台之间的固定方法复杂。

  超声波切割

  超声波切割的过程则完全不同。首先,超声波切割的关键在于“切割”,而非常规机床的“切削”。形象地说,超声切割如同用剪刀剪纸或用裁刀切割皮革一样,唯一的区别是在剪刀或裁刀上施加了20~30kHz 的振动能量,以帮助打开材料的分子结构。而恰恰由于这一特性,在切割过程中刀具可以更容易地将材料分割开,并且可以完全避免产生粉尘,还可以大大减小侧向进给力的影响,因而使材料的固定非常简单方便,最终能够获得比常规切削高得多的效率和产品质量。

  超声波切割头产生的超声振幅为30~50mm,沿切割头轴线方向产生振动,功率为数百瓦。超声波切割机床为六轴结构,除常规高速铣床的X、Y、Z、A、C 轴之外,还有第六个数控轴,用来确定超声刀具的空间取向(例如在切割圆形工件时使刀刃始终沿该圆形工件的切线方向运动)。超声波切割所用的刀具有2种,一种是用于挖去多余材料的直刃刀,另一种是扫平用的盘式刀。切割工件时,先用直刃刀去除大块的材料,然后再用盘式刀扫平工件表面或底面。

  特点

  与所有新技术的开发一样,超声波切割技术的开发也是以满足实际需要为目的的。

  首先,随着复合纤维材料在航空航天领域愈来愈广泛的应用,传统的以高速铣钻为基础的切割技术已明显力不从心,而超声波切割技术可以有效地应对所有类型的复合材料。典型的例子是对凯夫拉纤维的切割:用常规刀具几乎无法切断此类材料。而超声波切割则不费吹灰之力。

  第二,复合材料加工所要求的工效愈来愈高,而超声波切割可以获得高达60m/min 的切割进给速度,加工效率超群。

  第三,传统高速加工方法在加工蜂窝材料时不可避免地要产生粉尘,对操作人员和工件本身造成污染,而且无法得到理想的表面和型面加工质量,而超声波切割属于无切屑加工,可以完全避免对操作人员和工件的污染,并可显著地改善工件型面质量。

  最后,如果采用其他方法(如高压水加工、激光切割等),蜂窝工件会受潮或发生烧灼现象,而超声波切割可以完全避免这些缺点。

  优点

  1.切割质量优异(无毛刺);

  2.无刀具磨损(碳化材料);

  3.切割力小,加工速度快(进给速度为60m/min);

  4.可加工精确的型面角度;

  5.无粉尘,对工作环境和操作人员无污染;

  6.除可切割玻璃纤维、碳纤维外,特别适于切割凯夫拉纤维;

  7.可切割各种预浸材料;

  8.可切割各种干性纤维(单层、多层或预成型件);

  9.可切割各种蜂窝材料(纸基、铝基)。

  由于超声波切割工艺具有以上优点,国外的主要飞机制造企业已经广泛采用。随着复合材料技术的发展及其在航空领域的广泛应用,超声波切割技术正在大范围替代以往的高速铣削、高压水切割和激光切割工艺。

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    收录时间:2014年06月26日 23:31:37 来源:未知 作者:匿名
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