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超声振动切割Nomex蜂窝芯材料的研究

康迪;邹平;杨旭磊;赵海东;田英健

【摘要】为了解决Nomex蜂窝芯材料成形加工过程中加工表面质量差、易产生

毛刺、撕裂、脱胶、压溃等问题,研制了一种超声振动切割装置,进行了超声振动切

割加工研究.超声振动切割装置的加工性能取决于超声振动系统设计.首先对超声振

动切割工作头的结构设计进行了理论探讨,然后采用ABAQUS软件对设计结构进行

模态分析、检验及修正.在针对Nomex蜂窝芯材料进行有无超声的初步切割实验

中,通过超景深对切割表面进行了放大观察,结果表明:超声振动切割Nomex蜂窝芯

材料具有良好的加工性能.

【期刊名称】《电加工与模具》

【年(卷),期】2019(000)001

【总页数】5页(P64-68)

【关键词】Nomex蜂窝芯材料;超声振动切割装置;超声振动切割加工;超声振动切

割工作头

【作者】康迪;邹平;杨旭磊;赵海东;田英健

【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工

程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳

110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与

自动化学院,辽宁沈阳110819

【正文语种】中文

【中图分类】TG663

Nomex蜂窝芯材料是19世纪80年代研制出来的，具有高比强度、高比刚度、

高剪切强度、耐高温、阻燃、低烟、低毒性等特性，广泛应用于重量轻、强度高、

刚度高的场合[1]，如飞机地板、机翼、雷达罩及高铁列车的顶部、窗框、行李架

和橱柜等内饰部件。国内外学者针对Nomex蜂窝芯材料的加工技术做了很多研究

并研制了相应的加工设备。目前，针对Nomex蜂窝芯材料的主要加工方法是高速

铣削。但在加工过程中切削力较大，且工件受蜂窝芯材料固持方式的限制不易被夹

持，导致切割表面质量差，易出现蜂窝坍塌、撕裂等加工缺陷；另外，铣削过程中

产生的大量粉尘有害人体健康、污染环境[2]。随着航空、航天等高精尖领域对

Nomex蜂窝芯材料加工的要求越来越高，急需提高Nomex蜂窝芯的加工质量和

加工效率。

超声加工与传统机械加工或特种加工工艺方法相结合，便形成了各种不同的超声复

合加工工艺技术。超声振动复合加工具有加工精度高、加工效率高、应用范围广等

优点，因此在航空、航天等具有高精尖加工要求的场合被广泛应用[3]。国内外针

对Nomex蜂窝芯材料超声辅助切割技术的研究已经越来越受到关注，如超声切割

应用于飞机制造公司的Nomex蜂窝芯材料加工，但是针对超声振动复合切割的研

究鲜有报道。为了打破技术垄断，实现Nomex蜂窝芯材料高效、高质量的超声振

动切割加工，并消除Nomex蜂窝芯材料切割加工表面质量缺陷，以及实现绿色环

保的切割加工，本文对超声振动切割Nomex蜂窝芯材料进行了研究。

1超声振动切割加工装置设计

1.1超声振动切割工作头设计

超声振动切割工作头由超声换能器、超声变幅杆和切割刀具三部分组成，是超声加

工系统的核心单元。超声波换能器的功能是将输入的电功率转换为机械功率再传递

出去，而自身只消耗很少的一部分功率。本文选用的压电换能器与超声波发生器匹

配良好，可稳定高效地将电振荡信号转换为机械振动。超声变幅杆在振动系统中的

主要作用是将机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积

（即聚能）用来改变换能器的振幅、提高振速比。超声波换能器通过变幅杆调整了

换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使工具头在谐振频率下

工作，提高了电、声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。

本文选用半波长圆截面阶梯形变幅杆，相对于其他单一变幅杆（如圆锥形变幅杆、

指数形变幅杆等）而言，当面积系数相同时具有放大系数大、形状因数较小、结构

简单、易加工等优点，因而获得了广泛的应用[4