旋转超声加工碳纤维复合材料研究现状与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28939

航空发动机高性能制造专栏

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旋转超声加工碳纤维复合材料研究现状与展望

束静, 廖文和(), 郑侃, 董松, 孙连军

南京理工大学机械工程学院，南京 210094

收稿日期:2023-04-26 修回日期:2023-05-30 接受日期:2023-12-29 出版日期:2024-07-15 发布日期:2024-02-23
通讯作者: 廖文和 E-mail:cnwho@njust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51861145405)

Review on rotary ultrasonic machining of carbon fiber composites

Jing SHU, Wenhe LIAO(), Kan ZHENG, Song DONG, Lianjun SUN

School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China

Received:2023-04-26 Revised:2023-05-30 Accepted:2023-12-29 Online:2024-07-15 Published:2024-02-23
Contact: Wenhe LIAO E-mail:cnwho@njust.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51861145405)

摘要/Abstract

摘要：

碳纤维复合材料因其轻量化、耐高温、耐腐蚀等优异性能在多种极端服役环境得到了广泛的应用，在航空航天装备中的占比逐年提升。旋转超声加工技术在提高碳纤维复合材料去除效率、减小切削力和改善加工质量等方面具有显著优势，是当前难加工材料制造领域的研究热点。近年来，国内外学者在碳纤维复合材料的旋转超声钻削、铣削和磨削等方面展开了大量的研究工作并取得了丰硕的成果，然而，不同加工方式下多种形式超声振动能量的摄入对其切削效果的影响机理存在显著差异。此外，针对多种碳纤维复合材料表面完整性和使役性能研究的深度和广度仍存在较大的提升空间。为此，对材料去除机理、切削特性、表面质量研究及实际工程应用的国内外文献进行了总结和凝练，并展望了旋转超声加工碳纤维复合材料的发展趋势。

关键词: 旋转超声加工, 碳纤维复合材料, 纤维断裂, 表面损伤抑制, 表面粗糙度

Abstract:

Carbon fiber composites have been widely used in various extreme service environments and the proportion and importance have increased due to their excellent properties such as lightweight， high temperature and corrosion resistance. Due to size and assembly requirements， subsequent machining of composites is required. Rotary ultrasonic machining technology has significant advantages in improving the removal efficiency of carbon fiber composites， reducing cutting force and improving machining quality， making it a research hotspot in field of difficult-to-machine materials manufacturing. In recent years， domestic and foreign scholars have carried out considerable research work and achieved fruitful results in rotary ultrasonic drilling， milling and grinding. However， there are significant differences in the influence mechanism of various ultrasonic vibration forms intake on the cutting effect of carbon fiber composites under different machining methods and the coupling process with the cutting energy field. Moreover， there is still considerable room for improvement in both the depth and breadth of research on the surface integrity and service performance of various carbon fiber composites. Therefore， this paper summarizes and condenses the domestic and foreign literatures on material removal mechanism， machining characteristic， surface quality research and practical engineering application， and predicts the development trend of rotary ultrasonic machining of carbon fiber composites.

Key words: rotary ultrasonic machining, carbon fiber composites, fiber fracture, surface damage suppression, surface roughness

中图分类号:

V261

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图/表 26

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94	陈雄兵. 碳纤维复合材料旋转超声铣磨加工技术研究［D］. 大连：大连理工大学， 2009： 36-59.
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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

振动形式	超声参数	加工方式	材料	研究结论
轴向	频率：3.9 kHz，振幅：5 μm	铣削	CFRP	超声铣削进给力降低10%^［55］
轴向	频率：32 kHz，振幅：11 μm	铣削	CFRP	超声铣削横向力降低61.5%、推力降低71.3%^［56］
轴向	频率：43 kHz，振幅：6.9 μm	磨削	CFRP	超声铣削进给力降低20%^［57］
水平	水平频率：28 kHz，水平振幅：4 μm	磨削	CFRP	普通加工、水平超声、椭圆超声加工引起的切削力依次降低^［13］
椭圆	轴向频率：20 kHz，轴向振幅：6 μm	磨削	CFRP	普通加工、水平超声、椭圆超声加工引起的切削力依次降低^［13］
椭圆	频率：21.35 kHz，振幅：8 μm	钻削	CFRP	超声钻削力降低38%^［58］
椭圆	频率：18.6 kHz，振幅：20 μm	钻削	CFRP	超声钻削力降低45%^［59］

加工方式	超声振幅/μm	材料	粗糙度	超声改善效果
轴向振动钻削	5	CFRP	Ra	降低约23%^［66］
轴向振动铣削	11	CFRP	Ra	降低51.9%~53.2%^［56］
轴向振动铣削	10	C/SiC	Sa	降低约40%^［90］
轴向振动铣削	10	C/SiC	Sv	降低27.46%^［90］
轴向振动铣削	2/4/6/ 8/10	C/SiC	Sa	降低约12%^［67］
轴向振动磨削	6.9	CFRP	Ra	降低20%^［57］
轴向振动磨削	10	CFRP	Sq	降低约14%^［91］
椭圆振动钻削	8	CFRP	Ra	降低20%^［58］
椭圆振动钻削	8	CFRP	Rt	降低约48%^［58］

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旋转超声加工碳纤维复合材料研究现状与展望

Review on rotary ultrasonic machining of carbon fiber composites

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