蜂窝芯超声切削技术研究进展_孙健淞.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.298 蜂窝芯超声切削技术研究进展*孙健淞 康仁科 周 平 董志刚 王毅丹(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连 116024)摘要：蜂窝夹层构件因其密度低、比强度和比刚度高等特性，广泛应用于航空航天等领域。Nomex 蜂窝和铝蜂窝是广泛采用的蜂窝材料，但由于其薄壁、多孔等结构特征，在加工中容易出现撕裂和毛刺等问题。超声切削技术具有减小切削力、改善加工表面质量和提高加工效率等特点，作为解决蜂窝材料难加工问题的关键方法，近年来受到了国内外广泛关注。围绕刀具运动学和切削力模型、切削仿真、加工表面形貌与面形精度分析、加工轨迹规划方法和超声加工系统研制等方面，总结了蜂窝材料超声切削机理与工艺、超声切削系统与装备的研究现状，并对蜂窝材料超声切削技术的发展趋势与未来研究重点进行展望。关键词：蜂窝材料；超声切削；加工机理；加工工艺；技术与装备 中图分类号：V261 Review on Ultrasonic Cutting of Honeycomb Core SUN Jiansong KANG Renke ZHOU Ping DONG Zhigang WANG Yidan(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116024)Abstract：Honeycomb sandwich components are widely used in aeronautics and aerospace industries,owing to their low density and high strength and stiffness to weight ratio.Nomex honeycomb and aluminum honeycomb are most widely used honeycomb materials.However,deformations and burrs are easily generated during processing due to the cellular and thin-wall structure of the honeycomb materials.The ultrasonic cutting technology,with the advantages of reduced the cutting force and machining deformation,improved machining quality,and enhanced machining efficiency,has been highlighted at home and abroad in recent years as a key method that could solve problems in machining honeycomb materials.Study status of cutting mechanisms,processing technologies,and design of ultrasonic cutting system and equipment are reviewed in the respects of studies about the models of cutting tool kinematics and cutting force,the cutting simulations,analyses on topography and shape accuracy of machined surface,cutting path planning method,and development of the ultrasonic cutting system,etc.Finally,development trends and future research focuses on the ultrasonic cutting of honeycomb materials are provided.Key words：honeycomb materials；ultrasonic cutting；machining mechanism；machining process；technology and equipment 0 前言*蜂窝材料是人类仿照自然蜂巢结构发明的一种材料，其应用可追溯到 20 世纪 30 年代。随着材料制备技术的进步，已经发展出以铝蜂窝、钛蜂窝等为代表的金属蜂窝和以芳纶蜂窝(Nomex 蜂窝和 国家自然科学基金区域创新发展联合基金资助项目(U20A20291)。20220520 收到初稿，20221107 收到修改稿 Kevlar 蜂窝等)、玻璃纤维蜂窝、碳纤维蜂窝等为代表的非金属蜂窝1，其中如图 1 所示的 Nomex 蜂窝和铝蜂窝应用最为广泛。蜂窝材料通常作为芯材与合金蒙皮或复合材料蒙皮粘接形成蜂窝夹层结构。蜂窝夹层结构的密度低，比强度和比刚度高，具有良好的抗平面压缩、抗剪切、耐冲击、抗疲劳等性能，在航空航天、轨道交通、船舶等领域得到广泛应用2-5，用于制备飞机的地板、舱门、尾翼、襟翼、雷达罩以及导弹的天线罩和翼板等关键部件6-7。蜂窝材料的制备方法主要有拉伸法和成形法月 2023 年 5 月 孙健淞等：蜂窝芯超声切削技术研究进展 299(又称辊压法、波纹法)两种8-9。拉伸法一般适用于制造中低密度蜂窝，方便蜂窝芯使用前的储存和运输。对于密度较高的蜂窝，一般采用成形法制备。制备芳纶蜂窝时，在拉伸后还需浸渍树脂和固化，从而形成“树脂-芳纶纸-树脂”多层蜂窝壁结构。图 1 Nomex 蜂窝材料和铝蜂窝材料 在蜂窝夹层构件的制造过程中，为使蜂窝材料的外形轮廓和尺寸精度与蒙皮相匹配，需要对蜂窝材料进行加工1。蜂窝材料的加工质量会影响蜂窝夹层构件的性能与寿命，当 5%的蜂窝孔格出现缺陷时，夹层构件的性能会下降 35%10。目前，蜂窝材料的加工方法主要有高速铣削、超声切削、金刚石砂轮磨削、高压水射流切割及激光切割等。高压水射流切割及激光切割能够得到较好的加工表面，但加工过程中引入的液体污染或热损伤会影响构件性能，且这两种方法不适用于加工复杂曲面，特别是无法加工内部型腔、凹面等结构，在蜂窝加工中应用有限11。金刚石砂轮磨削适用于加工高密度蜂窝材料，但难以实现中低密度蜂窝材料的加工12-14。高速铣削加工是目前应用最广泛的蜂窝材料加工方法之一。蜂窝材料为多孔薄壁结构，其面外刚度高，面内刚度低，属于典型的弱刚度材料，采用高速铣削方法加工时极易出现变形、毛刺和撕裂等加工缺陷。为了避免蜂窝薄壁结构在加工过程中的蜂窝变形、振动等问题，美国专利提出了用冰或热固性树脂将蜂窝孔格填充为实体后再进行加工的方 法15-16，国内的王永青等17-19提出了冰固持与低温铣削相结合的蜂窝材料加工方法，一定程度上改善了蜂窝材料的加工质量，但同时增加了工艺准备的时间和加工成本；且对于 Nomex 蜂窝材料而言，填充材料可能会影响其使用性能。此外，针对蜂窝芯高速铣削技术，现有学者围绕蜂窝材料的铣削力模型20、铣削损伤特征与抑制10,21-22，刀具的选择与刀具磨损研究23-25、固持方法26-29、铣削加工工 艺30-36等开展了研究。已有研究表明，由于蜂窝材料的薄壁弱刚度特性以及芳纶纤维较高的强度和韧性，采用高速铣削方法加工时无法避免毛刺、撕裂和压溃等缺陷的形成，同时还存在刀具磨损严重、产生大量粉尘和环境污染严重等问题37-38。超声切削是蜂窝材料的先进加工技术之一，其原理是采用高频超声振动的超声切削刀具实现对材料的切削加工。超声切削刀具的振幅可达数十微米，主要依靠超声振动实现材料的切削去除，常用于碳纤维预浸料和蜂窝材料的加工39-42。蜂窝材料超声切削加工系统的组成如图 2 所示，超声电源用于输出高频交流电信号，由超声信号发生模块、高频逆变(信号放大)模块、电路匹配模块以及用于频率自动跟踪的信号反馈模块等组成43。超声电源产生的高频电信号经由超声电能传输单元传输至换能器，由换能器将超声电能转变为高频机械振动。变幅杆对换能器产生的机械振动进行放大并传递到前端的刀具，驱动刀具实现超声振动。蜂窝材料的超声切削刀具主要有两类，分别为直刃尖刀和圆片刀，如图 2 所示。直刃尖刀与圆片刀配合使用，可以实现蜂窝芯平面、曲面、边缘轮廓、槽等特征的加工。图 2 蜂窝材料超声切削加工系统组成 与高速铣削相比，超声切削具有明显的技术优势。在蜂窝材料超声切削过程中，刀具的轴向超声振动改变了刀具与工件的接触方式，使材料的切削方式由连续切削转变为断续切削。同时，刀具的超声振动对材料产生了高速冲击作用，能够在避免蜂窝材料发生较大变形的同时实现材料的快速去 除44。此外，与高速铣削中铣刀将材料完全破碎的材料去除方式不同，在超声切削过程中，超声刀具仅切断材料，使材料以条状、块状或片状切屑的形式被去除。从图 3 所示的对比图中可以看出，无超声振动时，Nomex 蜂窝表面存在较多的毛刺、撕裂以及未切断的纤维，铝蜂窝存在明显的孔格压溃、扭曲和撕裂；在超声振动作用下，Nomex 蜂窝表面 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 300 仅有少量毛刺出现，铝蜂窝表面无明显缺陷，超声作用可以明显改善蜂窝材料的加工质量。综上所述，超声切削蜂窝芯的优势主要体现在以下几个方面：加工缺陷少、加工质量好、成品率高；切削力小、蜂窝材料变形小、加工精度高；加工环境友好、无大量粉尘；材料去除速度快、加工效率高。图 3 有无超声条件下蜂窝材料切削效果对比45-46 超声切削技术作为蜂窝材料高质高效加工的重要手段，近年来受到广泛关注38,47-48。国内外学者围绕超声切削系统与刀具设计、切削机理和切削工艺等问题开展了大量的研究，促进了蜂窝材料超声切削技术的发展。但是由于研究时间相对较短，现有研究结果尚不完善，尤其在蜂窝材料的超声切削机理研究方面，学者们从运动学研究、切削力研究和切削仿真研究等多个角度尝试揭示切削机理，得到了一系列的研究结果和结论，但相关研究不够深入，难以为加工工艺研究提供强有力的理论支撑，制约了蜂窝材料超声切削技术的推广应用。本文在总结蜂窝材料超声切削加工机理和加工工艺、超声切削系统和刀具的研究现状的基础上，挖掘蜂窝材料超声切削中尚未解决的科学问题和技术难题，并对蜂窝材料超声切削技术的发展趋势进行展望。1 蜂窝材料超声切削机理研究 蜂窝材料为多孔薄壁结构，具有非连续、弱刚度等特点。以Nomex 蜂窝材料为例，其蜂窝壁为“树脂-芳纶纸-树脂”结构，具有多层异质、各向异性的材料特点，加工中刀具在的挤压、冲击和剪切等复杂作用下材料变形及去除过程复杂，在揭示其加工机理时传统的金属切削理论不适用。超声切削加工作为一种特种加工技术，不仅改变了刀具和蜂窝材料之间的接触关系，也改变了材料在刀具作用下的失效破坏方式。此外，蜂窝材料超声切削刀具、超声作用下的切削力、加工表面形成机理等也均与传统高速铣削明显不同。国内外学者在切削运动学分析、切削力建模以及加工过程有限元分析等方面对蜂窝材料超声切削机理进行了探索。1.1 超声切削几何学和运动学分析 1.1.1 切削运动学分析 在蜂窝材料超声切削中，由于超声切削刀具结构及切削运动方式特殊，掌握刀具运动规律是分析刀具切削作用的基础。大连理工大学的王毅丹49和孟倩50、杭州电子科技大学的黄秀秀51、河南理工大学的 XIANG52-53等学者均对直刃尖刀或圆片刀超声切削蜂窝材料时刀具与蜂窝材料的相对运动关系进行了分析。采用直刃尖刀和圆片刀切削蜂窝材料时，刀具和材料之间的位置关系如图 4 所示。在切削过程中，刀具姿态会影响刀具的运动轨迹。为了描述刀具的运动轨迹，王毅丹49将切削平面内刀具轴线与进给方向夹角的余角定义为刀具前倾角l，将切削平面与竖直方向的夹角定义为刀具侧倾角 t。在沿直线进给切削时，直刃尖刀不旋转，只存在沿轴向的超声振动，刀具上任意一点的运动轨迹可表达式为 lfltltsin(2)sinsin(2)cossinsin(2)coscosxyzSAftv tSAftSAft=+=(1)其中，A 为超声振幅，f 为超声频率，t 为时间，vf为进给速度，l为刀具前倾角，t为刀具侧倾角。直刃尖刀刀刃上一点的运动轨迹如图 5a 所示。将位移表达式对时间求导，得到直刃尖刀上一点的速度表达式 lfltlt2cos(2)sin2cos(2)cossin2cos(2)coscosxyzvfAftvvfAftvfAft=+=(2)图 4 直刃尖刀和圆片刀超声切削蜂窝材料示意图 月 2023 年 5 月 孙健淞等：蜂窝芯超声切削技术研究进展 301 图 5 超声切削刀具的运动轨迹 圆片刀在轴向超声振动的同时绕轴线旋转，考虑刀具切削姿态角度，建立刀刃上任意一点的运动轨迹表达式50,52 fdlldtdltltdltdtltsin(2)cos+sin(2)sincos(2)cossin(2)sinsinsin(2)cossinsin(2)sincoscos(2)sinsin(2)coscosxyzSv tRntAftSRntRntAftSRntRntAft=+=+(3)式中，Rd为圆片刀半径；n为刀具转速。由上式计算圆片刀刀刃上一点的运动轨迹如图5b所示。将位移表达式对时间求导，得到圆片刀刀刃上一点的速度表达式 fdlldtdltltdltdtlt2cos(2)cos+2cos(2)sin2sin(2)cos2cos(2)sinsin2cos(2)cossin2cos(2)sincos2sin(2)sin2cos(2)coscosxyzvvnRntfAftvnRntnRntfAftvnRntnRntfAft=+=+(4)图 6 圆片刀纵扭复合超声振动切削 此外，XIANG等52在圆片刀轴向超声振动的基础上，复合了绕刀具轴线的扭转超声振动，提出了圆片刀纵扭复合超声振动切削方法，如图6所示。在不考虑刀具倾角的情况下，建立了刀刃上任一点的位移轨迹和速度表达式 1dfd1dd2sin(2sin(2)cos(2sin(2)sin(2)xyzASRntftv tRASRntftRSAft=+=+=+(5)d11fdd11d2(22cos(2)cos(2sin(2)(22cos(2)sin(2sin(2)2cos(2)xyzvnRfAftAntftvRvnRfAftAntftRvfAft=+=+=+(6)其中，A1为扭转超声振幅，A2为纵向超声振幅，为纵扭超声振动的相位差。由式(6)可知，当A1fnRd时，刀刃上一点会在圆周方向上做反向运动，如图7b所示。图 7 纵扭振动圆片刀刀刃上一点的运动轨迹 1.1.2 刀具切削角度分析 直刃尖刀切削示意图如图8所示，刀具同时做沿vf方向的进给运动和沿轴向的超声振动，刀具与工件之间形成滑动切削关系，即刀具在垂直于刀刃方向做主切削运动、同时在平行于刀刃方向滑动。DEIBEL54、ATKINS55和石川宪一56等在滑动切削的研究中发现刀刃合速度方向与主切削运动方向的夹角会改变刀具的等效楔角和刀面与工件之间摩擦力方向，该夹角越大，切削过程中的切削力越小。为了揭示直刃尖刀超声切削蜂窝材料时切削力减小的原因，HU57、XIANG53与KANG58等通过几何运动学分析，计算了刀具的瞬时等效楔角。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 302 图 8 直刃尖刀超声切削的瞬时等效楔角示意图 以刀刃上一点O为原点，刀刃方向为Z轴，切削平面与刀具横截面的交线为X轴建立坐标系O-XYZ，如图8所示。图8中，点C、C0、Ce分别为AB、A0B0、AeBe的中点，为刀具轴线与竖直方向夹角，为刀具轴线与刀刃夹角，为刀具原始楔角，0为刀具无超声振动沿水平方向切削时的等效楔角，e为在超声振动下刀具的瞬时等效楔角，为水平切削速度vf与X轴夹角，vu为超声振动速度，为vc合切削速度，为合切削速度与水平切削速度夹角。将合速度与X轴夹角定义为切削角，则有 =+=+(7)f2cos(2)cos=arctan2cos(2)sinfAftfAftv+(8)由几何关系可知，无超声振动时，=0，切削角=+，刀具的等效楔角为 00002arctan2arctan/cos2arctan tancos(+)2B CBCC OCO=|(9)同理，在超声振动时，刀具的瞬时等效楔角为 e2arctan tancos(+)2 =|(10)与之类似，XIANG等52建立了如图9所示的刀具切削刃模型，计算了圆片刀扭转振动切削时刀刃最前端一点处的等效楔角，其中水平切削速度为vf，刀具旋转扭转振动时的合切削速度分别为vc和vc0。根据几何关系可知，无扭转超声振动时，刀具的等效楔角为 f022fnarctan(tancos)=arctan tan=+vvv (11)式中，n=2vnR，R为圆片刀半径。有扭转超声振动时，刀具等效楔角为 0f22fnuarctan(tancos)arctan(tan)()vvvv=+(12)u=2cos(2)vfAft (13)式中，A为圆片刀刀刃上一点的周向振幅。图 9 圆片刀超声切削的瞬时等效楔角示意图 1.1.3 切削接触状态分析 断续切削是超声加工技术的重要特征，即刀具与工件之间的作用关系在一个振动周期内存在接触和分离两个阶段。超声切削接触状态以刀具工件接触率进行表征59-62。研究表明，超声频率和振幅、刀具切削速度等加工参数会影响刀具工件接触率，而降低刀具工件接触率，有助于降低切削力、减小刀具磨损、提升表面加工质量。在超声切削蜂窝材料方面，HU57、XIANG53与黄秀秀51在简化刀具几何形状和忽略材料变形等因素基础上，建立了直刃尖刀超声切削Nomex蜂窝材料简化模型，通过运动学分析，提出了理想情况下实现断续切削的基础条件，即为沿切削方向的超声振动速度分量大于切削速度。KANG58和王毅丹63等考虑材料变形与断裂，分析了在一个超声振动周期内直刃尖刀与材料的接触切削过程，指出超声切削中刀具与材料的断续接触切削形成条件与刀具超声振动速度和材料的断裂变形量有关。此外，冯柏仁46建立了圆片刀超声切削铝蜂窝壁的冲击塑性变形模型，分析了刀具与工件的接触方式，结果表明，在附加超声振动后刀具的上下表面与工件发生周期性断续接触，刀具的冲击作用是铝蜂窝壁失效破坏的主要因素。1.2 切削力与刀具超声冲击作用研究 切削力是评价切削过程的重要因素，对切削区域进行受力分析、建立切削力模型和掌握切削力随加工参数的变化规律对于提高加工质量、控制加工变形和提升加工效率具有重要意义。王毅丹等63在分析刀具与工件断续接触关系基础上，基于脆性断裂力学理论建立了不同刀具工件接触状态下的进给方向动态切削力和平均切削力模型。结果显示，影响平均切削力的因素有材料的局部刚度、材料断裂的临界弹性变形量、刀具进给速度、刀具振动频率月 2023 年 5 月 孙健淞等：蜂窝芯超声切削技术研究进展 303 以及刀具在进给方向的振幅分量。其中，在进给方向的振幅分量越大，平均切削力越小；刀具进给速度与振动频率的比值越大，平均切削力越大。HU57和黄秀秀64等考虑材料在刀具作用下的剪切破裂行为和分离抗力，建立了包括刀具楔角、前倾角、侧倾角、切削深度、进给速度以及振动周期在内的直刃尖刀切削力模型，发现断续切削缩短了刀具和工件之间的摩擦作用时间，在振动切削过程中刀具对材料产生了瞬时高速冲击作用，因而更易于在较小切削力时发生断裂。黄秀秀等51还应用断裂力学理论，引入动态应力强度因子分析了Nomex蜂窝材料的微观断裂过程，推导了在刀具振动冲击作用下材料在裂纹尖端附近的正应力，认为引发和促使材料破损的主要因素是刀具对材料的高频冲击作用，提出冲击产生的微裂纹扩展是直刃尖刀超声切削中切削力减小的原因。KANG等58将蜂窝材料简化为理想弹塑性材料，在刀具工件断续接触关系和刀尖受力分析基础上，结合弹塑性材料特征与刀具等效楔角理论，建立了Nomex蜂窝材料直刃尖刀超声切削力预测模型，并进行了试验验证。研究结果显示，超声振幅、前倾角、切削深度和进给速度是影响切削力大小的四个因素，其中超声振幅和前倾角对切削力的影响最大，切削深度次之，进给速度的影响最小。XIANG等53在刀具运动学和刀具等效楔角分析基础上，计算了直刃尖刀超声切削时刀具和材料之间的等效接触面积，建立了考虑刀尖抗力和刀面分离抗力的直刃尖刀超声切削力模型，结果显示超声切削力不仅与超声系统的频率和振幅有关，也受到进给速度、刀具前倾角和侧倾角的影响。牛景露等65开展了无旋转条件下的圆片刀超声切削Nomex蜂窝材料试验研究，使用回归分析法得到了切削力经验公式，发现切削力与切削深度和振幅呈指数关系，随切削深度增加而增大，随振幅增加而减小。与之类似，袁信满等66基于响应曲面法建立了包括进给速度、切削深度和切削宽度的Nomex蜂窝材料圆片刀超声切削力预测模型，结果显示切削力随进给速度、切削深度和切削宽度增加而增大，其中切削宽度对切削力影响最显著，进给速度次之，切削深度对切削力影响最小。SUN等67通过有限元仿真与实验结合的方法分析了圆片刀超声切削铝蜂窝中刀具与蜂窝壁的微观作用机制，发现刀具的上下冲击作用使材料交替沿着刀具上下表面发生塑性变形进而形成切屑和已加工表面，并建立了刀具冲击作用下铝蜂窝壁塑性变形模型，揭示了铝蜂窝在圆片刀超声切削过程中的材料去除机理。综上所述，现有的超声切削蜂窝材料切削力模型的研究如表1所示。已有模型均将蜂窝简化为实体工件，在考虑刀具的断续切削作用、角度变化以及对材料冲击作用基础上建立的。由于未考虑蜂窝的材料属性与结构特性，已有模型在准确预测瞬态切削力、建立切削力与蜂窝结构变形之间的映射关系方面存在不足。此外，在刀具超声冲击作用的研究中，应继续针对超声冲击作用促进材料去除的机理开展深入研究。表 1 超声切削蜂窝材料切削力模型总结 文献编号 切削力模型 描述 63()200000ff000111arccos/2/21()22xxxxxxxxxA khhhAvAAAA fFvhAAhfhk|+|=+直刃尖刀断续切削与连续切削状态下的进给方向平均切削力 57 22peee1tan(/2)sin1cos2cosavFvfAfv+=+考虑材料剪切强度、刀具等效楔角和断续接触状态等因素的直刃尖刀平均切削力 64 psD42242sincos1tansin22cossin(/2)2cos(2)2cos(2)tan2ahFLfAftfAftMtTt=+基于动量定理的考虑剪切破裂分离抗力、刀具等效楔角和断续接触状态等因素的直刃尖刀平均切削力 51 2p11 4()sin(2)coscot()22FfM Aft=2y 4()sin(2)cosFfM Aft=基于动量定理的考虑刀具对材料冲击作用和刀具等效楔角的直刃尖刀瞬时切削力 53 p121pf12sincoscos(/2)tan()sin()coscos(/2)2aLFFW=+考虑刀具等效楔角、刀具和工件等效接触面积、刀尖抗力和刀面分离抗力的直刃尖刀瞬时切削力 65 80.48132.0739p40.47341.1982p5.794 3 106.852 7 10yzFaAFaA=考虑切削深度和超声振幅的圆片刀切削力经验模型 66 2pefefepefpepfef22pefpfpe4.180.140.1470.390.10.0132.3680.40.280.3450.0130.0430.060.630.0560.00471.660.0710.0140.014xyxFaava vaFaava aa va vFaava vaa=+=+=+考虑切削深度、切削宽度和进给速度交互影响的圆片刀切削力经验模型 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 304 1.3 超声切削蜂窝材料的有限元仿真分析 有限元仿真可以模拟蜂窝材料超声切削过程，得到刀具与蜂窝工件之间的相互作用关系、切削区域的应力分布、蜂窝结构变形以及切削力和切削温度等，有助于研究与理解切削过程中的蜂窝材料破坏方式、超声振动切削机理、超声切削参数对切削过程的影响规律等，为切削机理研究提供支撑。蜂窝材料的有限元模型的建立是蜂窝材料超声切削有限元仿真的关键。目前针对蜂窝材料的有限元仿真研究绝大部分聚焦于蜂窝材料及其夹层结构的力学性能研究68-76。由于蜂窝材料具有特殊的六边形孔格结构，力学性能存在各向异性，在有限元分析时常采用等效实体模型或实际几何模型进行建模，如图10所示。图 10 蜂窝等效实体和实际几何模型77 在不考虑具体的蜂窝六边形孔格结构，仅考虑蜂窝材料整体的各向异性力学特性时，可以使用等效实体模型来代替复杂的蜂窝结构。等效实体模型建模简单，计算速度较快，通过直接定义实体的各向异性力学参数来模拟真实蜂窝结构的整体各向异性，多用于蜂窝夹层结构弯折、压缩、抗冲击性能的研究78-81。实际几何模型依据真实的蜂窝材料结构而建立，利用蜂窝六边形几何结构来实现整体的各向异性。这种建模方法与实际情况相符，多用于蜂窝结构力学性能、蜂窝结构拉伸压缩变形等方面的研究69,82-87。根据模型的材料属性和几何结构，实际几何模型又可以划分为四种类型，如图11所示。第一种为单层各向同性模型，适用于铝蜂窝以及简化的Nomex蜂窝力学性能研究73,88-91。第二种为单层各向异性模型，不考虑材料的组成，仅考虑材料的各向异性，计算结果比各向同性模型更准确，可用于Nomex材料及蜂窝的仿真研究74。第三种为多层各向异性模型，同时考虑材料的各向异性和树脂层、芳纶纸以及胶层的多层结构，这种模型更加符合Nomex蜂窝材料的实际结构，可用于考虑树脂分层、脱胶等方面的仿真研究68。最后一种模型为考虑Nomex蜂窝材料角点处树脂堆积的多层各向异性材料，用于考虑树脂堆积对蜂窝结构力学性能影响的仿真研究，适用于高密度Nomex蜂窝材料69。图 11 四种蜂窝结构模型 在蜂窝材料超声切削方面，SUN等44开展了圆片刀超声切削铝蜂窝有限元仿真研究，发现在刀具的超声振动作用下，切削区域材料的应力会在更短的时间内达到破坏极限，从而在未发生较大变形时实现材料去除。SUN等67还建立了圆片刀超声切削铝蜂窝壁的微观有限元模型，提出了在刀具的超声振动过程中材料沿刀具上下表面发生塑性变形进而形成已加工表面的切削机理。黄萌92分别使用Nomex蜂窝材料等效实体模型和单层各向同性实际几何模型建立了直刃尖刀超声切削有限元模型，研究发现最大塑性应变出现在刀具与材料接触界面处，应力及切削变形主要集中在刀刃附近；等效实体模型的计算时间仅为实际几何模型的约七分之一，提高了分析效率，但切削力计算精度较低，无法模拟切削过程中蜂窝孔格变形、回弹等关键过程，应用范围具有较大的局限。李秀渊93使用各向同性材料参数和剪切断裂失效准则，分别建立了单层实体单元模型、单层壳单元模型、考虑双层芳纶纸粘接的双层几何模型和考虑树脂层的多层几何模型，分析了切削区域材料的位移量和切削力，并分别与理论公式和试验结果进行了对比，研究结果表明，多层几何模型计算结果精度最高，但耗时较长，单层壳单元几何模型精度最差，双层几何模型综合性能最佳。此外，王际帆94使用各向同性的理想线弹性模型和剪切失效准则建立了直刃尖刀和圆片刀超声切削有限元模型，研究了圆片刀的前角、后角、直径和直刃尖刀的长度、厚度、刃角对Nomex蜂窝材料超声切削过程中切削力、切削温度的影响规律，月 2023 年 5 月 孙健淞等：蜂窝芯超声切削技术研究进展 305 提出了较优的刀具设计参数。CAO等95同样使用各向同性的理想线弹性模型和剪切断裂失效准则建立了圆片刀超声切削蜂窝材料的有限元模型，研究了不同切削深度和切削宽度下的切削力，并与试验结果进行了对比，试验结果与有限元分析吻合较好。现有的Nomex蜂窝材料超声切削仿真研究均采用各向同性的材料属性和剪切失效准则，忽略了芳纶纸复合材料的各向异性和非均质等特点。JAAFAR等96-97在Nomex蜂窝材料高速铣削仿真研究中使用了各向异性的材料属性，并将经典的复合材料Hashin失效准则和Tsai-Wu失效准则应用于Nomex材料，研究了不同切削参数下的切削力和切削质量，证实了复合材料经典失效准则应用于Nomex材料的可行性。JIANG等22也使用Hashin失效准则建立了Nomex蜂窝材料高速铣削仿真模型，分析了刀具切入角对蜂窝壁撕裂损伤的影响规律。因此，应用各向异性材料属性和复合材料损伤准则的有限元模型将是Nomex蜂窝材料超声切削仿真研究的发展方向。蜂窝材料切削仿真研究总结如表2所示。表 2 蜂窝材料切削仿真研究总结 文献 蜂窝材料 单元类型 材料本构模型 材料失效模型 仿真结果 SUN等44 铝 实体 各向同性Johnson-Cook本构方程 Johnson-Cook损伤准则 SUN等67 铝 实体 各向同性Johnson-Cook本构方程 Johnson-Cook损伤准则 黄萌92 Nomex 蜂窝结构实体 等效实体 各向同性弹塑性应力应变曲线 剪切失效准则 李秀渊93 Nomex 单层实体 双层实体 单层壳 多层实体 各向同性弹塑性应力应变曲线 剪切失效准则 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 306(续)文献 蜂窝材料 单元类型 材料本构模型 材料失效模型 仿真结果 王际帆94 Nomex 实体 各向同性线弹性模型 剪切失效准则 CAO等95 Nomex 壳 各向同性线弹性模型 剪切失效准则 JAAFAR96 Nomex 壳 各向异性线弹性模型 Hashin失效准则 JAAFAR 97 Nomex 壳 各向异性线弹性模型 Tsai-Wu失效准则 JIANG22 Nomex 壳 各向异性线弹性模型 Hashin失效准则 2 蜂窝材料超声切削加工工艺研究 形成蜂窝材料的高质高效加工工艺是超声切削技术实现大规模工业化应用的前提。国内外学者以提高加工质量和加工精度、降低切削力和加工损伤为目标，针对蜂窝材料加工形貌、加工方法和加工参数选择、加工轨迹规划等问题开展了研究。2.1 加工表面形貌研究 在Nomex蜂窝材料超声切削形貌研究方面，张迅等98将超声切削Nomex蜂窝材料形成的典型形貌归纳为树脂层形貌特征、芳纶纸层形貌特征和蜂窝壁整体形貌特征，主要包括树脂脱落、树脂裂纹、纤维拔出和蜂窝壁压溃等，如图12所示，并提出了通过树脂剥落面积评价蜂窝材料加工质量的方法。研究发现，在刀具切入和切出部位树脂的剥落比较严重，在10 m到30 m范围内提高超声刀具振幅，在500 mm/min到3 500 mm/min范围内降低进给速度，会降低树脂剥落面积。孟倩50发现Nomex蜂窝材料在圆片刀加工后的主要缺陷为孔壁撕裂和未切断纤维，并选取了孔壁撕裂数量和平均撕裂长度对蜂窝材料的表面质量进行表征；结果表明，超声振动的引入能够改善表面质量，超声振幅在25 m到35 m范围内能够获得较好的表面质量，增大刀具转速或降低进给速度能够减少孔壁撕裂；此外，文献作者还研究了刀具前倾角对表面质量的影响规律，发现减小倾角可改善孔壁撕裂。图 12 Nomex 蜂窝材料形貌特征98 此外，学者们也针对Nomex蜂窝材料超声切削参数对加工质量和切削力的影响规律开展了研究。结果表明在圆片刀超声切削中，提高超声振幅和主轴转速、降低进给速度和切削宽度可以降低切削力，减少毛刺、撕裂等加工损伤45-65。使用纵扭复合振动也能提高表面加工质量52。在直刃尖刀超声切削中，增大超声振幅和刀具前倾角、降低进给速度可以降低切削力，减少压溃、撕裂等加工损伤51,53,58,99。超声插切蜂窝时，提高超声振幅、降低进给速度能月 2023 年 5 月 孙健淞等：蜂窝芯超声切削技术研究进展 307 够降低切削力，减少加工损伤100-101。WANG等49发现，直刃尖刀直接切入材料时，刀面的负后角切削会挤压加工表面，造成切缝两侧材料出现压溃，影响加工质量。据此，文献作者提出了如图13所示新的偏角超声切削方法，即将刀具绕轴线旋转角度。虽然偏角的增大会引起进给方向切削力和蜂窝对刀具总挤压力的增大，但力的增幅有限。与此同时，刀具前角变小、后角增大，减轻了后刀面对已加工表面的挤压，进而改善了蜂窝材料的加工质量；如图14所示的加工表面观测结果表明，当刀具后角为0时，已加工表面不再出现压溃现象，加工质量得到了明显的改善。图 13 直刃尖刀偏角切削示意图49 图 14 直刃尖刀超声切削与偏角超声切削加工表面49 孙健淞等44,102研究了圆片刀超声切削铝蜂窝中加工参数对加工质量和切削力的影响，发现超声振动能够显著降低切削力和提高加工质量。随着超声振幅提高至35 m，切削力逐渐降低，蜂窝表面形貌得到改善，进给速度从600 mm/min提高至6 000 mm/min时会带来切削力的小幅上升，但蜂窝表面形貌无明显变化，进而证明了在较高的振幅条件下能够实现铝蜂窝材料的高质高效加工。该研究同时指出，当圆片刀与蜂窝壁处于相切的位置关系时，切削力会突然变大，进而造成蜂窝壁产生较大的变形。因此在切削中应通过控制切削宽度来尽量避免出现刀刃与蜂窝壁相切的情况出现。冯柏仁46在圆片刀超声切削铝蜂窝试验研究中发现蜂窝壁存在压溃、撕裂、扭曲以及等距毛刺四种特征，其中压溃和撕裂受进给速度影响较大，且多发生于单层蜂窝壁，而扭曲和等距毛刺主要出现在双层蜂窝壁上，严重程度随刀具转速提高而降低。通过上述分析可见，已有关于蜂窝芯加工表面形貌的研究集中于超声切削形貌特征的评价方法研究、切削参数选择以及新工艺研究等，通过工艺试验分析了加工质量的影响因素和变化规律，提出了能够得到较好加工质量的加工参数选择方法。目前对于加工中出现的各种加工损伤和加工缺陷的产生机理研究不够深入，尚无法为加工损伤和加工缺陷的抑制提供理论依据。2.2 加工表面形状精度分析 在加工表面形状精度分析方面，SUN等100计算了插切刀切削内外圆角以及平面时的理论残余高度，分析了待加工圆角半径、刀具半径和相邻两次插切步长对形状精度的影响。HU等103结合圆片刀尺寸结构特点，建立了曲面加工过程中圆片刀几何尺寸和加工表面误差之间的关系。李裕等104分析了直刃尖刀切削中的刀具等效半径误差、轴向过切误差和圆弧逼近误差，建立了包括刀具几何参数和切削参数在内的误差解析式。孟倩50分析了圆片刀存在前倾角时所形成加工表面的理论残余高度，发现其与圆片刀半径、走刀步距和前倾角存在联系，增大刀具半径、减小刀具前倾角和步距可以减小残余高度。俞浩峰105对直刃尖刀粗加工大量去除材料时的V字形去除方法和矩形去除方法产生的残余高度进行了计算，通过对直刃尖刀和圆片刀切削方式的分析，得到了直刃尖刀与圆片刀加工干涉判断模型和干涉避免方法，并采用CAM软件开发了直刃尖刀加工后处理器。法国学者VAKILINEJAD等106研究了基于工业机器人的蜂窝材料直刃尖刀倒角加工几何误差，发现当切削高密度凯夫拉蜂窝时，由于切削力较大，倒角的中间稳定段相比入口侧和出口侧存在较大的几何误差；在此基础上分析了切削力作用下刀具和工业机器人的退让性位移行为，提出了倒角几何误差补偿方法，提高了高密度凯夫拉蜂窝材料的直刃尖刀倒角加工精度。现有的研究分析了不同刀具轨迹下的加工几何误差，提出了理论残余高度的控制方法，提升了刀具蜂窝材料的加工精度与加工效率。在未来的研究中，需要考虑由于蜂窝材料的弱刚性特性带来的材料受力变形与回弹等问题，揭示加工参数、刀具轨迹等对加工误差的影响规律，形成加工误差控制理论体系。2.3 刀具位姿控制与轨迹规划 在刀具位姿控制与轨迹规划方面，LIU等107针对具有特殊形状的超声切削刀具