復合材料超聲切割系統及穩定性研究
樹脂基復合材料以其優異的性能，既可作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料發揮作用，在航空航天及空間技術等領域的應用越來越廣泛。樹脂基復合材料構件在生產過程中，主要采用纖維鋪層法制造，因此纖維織物的切割下料將直接影響產品的質量和生產效率。纖維織物的切割主要有機械刀具切割、激光切割、水噴射切割和超聲波切割。其中，超聲切割技術的應用至今已有近20 年的時間，歐洲和美國的各大飛機制造廠和航空復合材料的研發生產企業都已廣泛地采用超聲切割設備應用于生產。然而在國內，這一技術仍處于初期應用階段。和傳統的機械刀具切割、激光切割、水噴射切割相比，纖維材料的超聲波切割方法有以下一些優點：（1）不會像co2激光切割復合材料那樣產生葉片刀刃硫化現象；（2）具有非常良好的工藝效果；（3）切割過程無污染，幾乎是無塵切割；（4）能切割紋理精細的材料，由于切割深度能地控制，所以切割材料時能保證墊片薄膜不被破壞。基于以上優點，使超聲波切割技術在復合材料切割領域獨樹一幟，備受青睞。
超聲切割系統
不同于傳統的加工技術，超聲切割技術的基本原理是利用一個電子超聲發生器產生一定范圍頻率的超聲波，然后通過置于超聲切割頭內的超聲- 機械轉換器，將原本振幅和能量都很小的超聲振動轉換成同頻率的機械振動，再通過共振放大，得到足夠大的、可以滿足切割工件要求的振幅和能量（功率），zui后將這部分能量傳導至超聲切割頭頂端的刀具上進行預浸帶的切割加工。根據鋪帶工藝及預浸料超聲切割的實際要求，結合國內外超聲波應用研究成果，自行設計研制的超聲切割系統主要包括超聲切割發生器、超聲切割振動系統和超聲切割機械裝置3個組成部分，設計如圖1所示的超聲切割裝置方案。其中，超聲振幅的提供與控制由超聲發生器和超聲切刀完成；機械平臺主要控制超聲切刀的橫向運動、繞自身的轉動及通過氣動控制系統提供切割壓力。
1 超聲切割發生器
超聲切割發生器即超聲波電源，它的作用是將220v或380v的交流電轉化為超聲頻的電振蕩信號。一般情況下，超聲裝置單獨使用時效果不錯，主要是因為在設計時整體阻抗固定，功率易于匹配。而實際使用時，裝置安裝在整體設備上，受負載、干擾及溫度等諸多因素的影響，常引起諧振頻率、等效阻抗等系統參數發生漂移變化，使超聲發生器的頻率與換能器的頻率不匹配，導致輸出功率損耗較大，換能器的振幅下降，無法保證切割質量和效率。本系統中的超聲發生器具有頻率自動跟蹤功能，通過軟硬件實現頻率自動跟蹤，使阻抗和頻率隨時根據現場變化，達到實時匹配，從而使超聲振動系統處于*工作狀態，轉換效率zui大。
2 超聲切割振動系統
超聲切割振動系統主要由*、超聲變幅桿、切割刀片。其中，*的作用是將電信號轉換為聲信號；變幅桿是超聲加工設備中的一個重要組成部分。它主要有兩個作用：（1）聚能作用——即將機械振動位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上進行聚能；（2）有效地將聲能傳遞給負載——作為機械阻抗的變換器，在換能器和聲負載之間進行阻抗匹配，使超聲能量由換能器更有效地向負載傳輸。
本系統采用的超聲變幅桿和切割刀片的組合形式，如圖2所示，為了獲得較大的振幅放大倍數（ am ），采用階梯形變幅桿；為了改善或減弱截面突變處的應力集中，在截面突變處采用圓弧過渡方式。
（1）切割刀片尺寸的影響。通過變換不同長度與寬度的切割刀片（厚度不變）與換能器進行匹配，在有限元分析下得出隨著刀片長度的增加，整體固有頻率下降的規律，且下降的規律基本呈線性變化；而刀片寬度變大時，整體固有頻率也下降, 且下降趨勢更大一些。另外，隨著刀片長度的增加，超聲變幅桿和切割刀片組合后的放大倍數（ am） 呈上升趨勢；隨著刀片寬度的降低，放大倍數略有上升。因此可以選取合適的長度與寬度調整整體固有頻率和振幅放大系數。
（2）切割刀片材料的影響。
切割刀片材料的改變必然對組合體的聲學參量產生一定的影響。為了研究材料性質的影響而又不失實用性，選取的刀片材料分別為硬質合金和鋁。通過有限元方法分析了刀片材料對整體超聲性質的影響，由模擬結果可以得出，選擇硬鋁為切割刀片材料對組合體的固有頻率影響很小；材料為硬質合金時，固有頻率變化范圍很大。從振幅放大倍數的有限元分析結果來看，材料性質的改變對振幅放大倍數影響不大。
切割刀片的加入使得整體的固有頻率下降，為了與超聲振子的頻率匹配，提高超聲變幅桿的固有頻率可以減小乃至抵消加入切割刀片引起的頻率下降。通過實驗分析出結果與模擬的結果十分接近。
3 超聲切割機械裝置
超聲波切割機械裝置包括驅動系統、氣動控制選項和機械平臺，主要完成切割壓力的施加、切割深度的定位、切割速度的控制和切割工件的固定等幾項功能。超聲切割試驗中極限切割速度是一個非常重要的指標，是在有限的行程中獲得一段勻速切割行程，必須提高機械裝置速度控制的動態特性。系統采用步進電機作為驅動部件，thk精密滾珠絲杠導軌副為傳動器，切割速度可達10m/min。為了滿足工藝需求，切割裝置安裝在五軸龍門式機床的鋪帶頭上（圖3），其中五軸聯動以滿足曲面鋪帶的基本要求，而切割系統由切割橫向進給軸、切刀旋轉軸和切刀軸向進給軸組成。切割系統根據切割模式可以隨動于龍門定位平臺。
該機床數控系統由工控機（ipc）、可編程多軸控制器（programmable multi-axis controller, pmac）、開關量控制板卡（pcl-725,pcl-730）、i/o接口、伺服驅動裝置和電源驅動裝置組成。作為數控系統的核心, 工控機負責整個控制系統的信息處理與后臺操作，并向各下位機發出命令, 協調運動量與開關動作量的聯合操作。運動控制器接收上位機的控制指令，以此控制各軸電機運動實現數控加工。本系統采用美國delta tau公司專門開發的pmac作為運動控制單元，它使用的cpu是motorola公司的dsp56001/56002數字信號處理器（40mhz），可同時控制8個運動軸同步實現聯動。除了能夠實現運行程序外，還能監控plc后臺程序，兩者由于時序不同并不相互沖突。在執行運動程序之前，pmac必須對運動性指令和非運動性指令進行預先計算, 從而協調執行機構的實際運動。
超聲切割試驗
在鋪放過程中，碳纖維預浸帶與一層背襯紙粘合在一起，背襯紙起導向作用。切割過程中要求只能切斷預浸帶，不能切斷導向作用的背襯紙，而本試驗中碳纖維預浸帶的厚度是0.12mm，背襯紙的厚度也只有0.1mm，這就導致用傳統方法很難將切割深度始終控制在0.1mm左右，無法實現既將預浸帶切斷而又不傷及背襯紙。該系統利用超聲波在變幅桿輸出端的振幅及精密軸進行定位，使振幅和切割深度控制在要求的范圍之內，保證背襯紙不被切斷。同時，在切割過程中由于頻繁的振動使得切割刀頭的溫度迅速上升，進而影響切割質量，甚至會讓超聲發生器報警中斷輸出。為此，在切割頭上加入風冷裝置來冷卻切割刀頭。
為了解自動鋪帶過程中風冷時間對超聲切割系統穩定性能的影響，自行設計物理仿真試驗平臺，模擬自動鋪帶機超聲切割的工作狀態，如圖4所示。該簡易平臺具有橫向移動軸1個，旋轉軸1個，橫向移動軸實現切割運動方向的進給，旋轉軸是為了模擬鋪帶頭在不同旋轉角度下的切割效果。
在該物理平臺上，我們設計了3個實驗來逐步研究。首先，保持超聲切刀連續間歇性運行，其過程如下：超聲切刀下降，超聲切刀啟動，快速切割至預浸帶另一側，后抬起切刀，關閉超聲切刀；立刻再次下降切刀，使超聲切刀啟動，快速返回至原來一側，關閉切刀，并抬起。此過程中包含兩次切割過程，如此往復切割10次后停止。待切割刀頭溫度經風冷降下后再旋轉45°、90°分別切割。連續切割次數和冷卻時間如表1所示。
在不同角度切割下，通過精密軸定位，使切刀振幅和切割深度控制在要求的范圍之內，進而控制預浸帶兩端的切割深度一致并保證不切斷背襯紙。在單次連續切割過程中，為了解切刀溫度上升對超聲切割系統的影響，對超聲電源工作的頻率和功率變化進行了試驗分析，變化趨勢如圖5和圖6所示。
由圖中可看出，在連續切割次數不多的情況下，電源頻率與電源功率隨切割次數的增加呈單調變化；雖然單次連續切割次數只有10次，但是切割后測得的切割刀頭平均溫度已上升至57.5℃。由此可見，電源頻率隨切割刀頭的溫度上升單調下降，而電源功率隨切割刀頭的溫度上升單調上升，并且該溫度還在電源工作接受范圍內，不會引起電源報警輸出。
其次，在前面試驗的基礎上，人為的在每次切割之間設置風冷時間間隔10s，試驗記錄如表2所示。
取0 °切割時的實驗數據觀察，每次切割后的電源頻率變化如圖7所示。由圖中可知，在引入人工間隔風冷后，電源頻率隨切割次數增加逐漸減小至恒定頻率；在初始階段，電源頻率隨切刀溫度上升快速減小，當次數增加至40后，由于刀頭溫度的平衡使得電源頻率分階段性地緩慢減小，直至恒定在39.71khz。由于在每次切割過程始末都對切割刀頭加入了10s風冷時間，在切割100次后切割刀頭的溫度上升至58.9℃，滿足電源的正常工作，無報警輸出。
zui后，通過程序控制的方式設置風冷時間，自動進行切割試驗。試驗記錄如表3所示。在該組試驗中，我們通過m代碼實現切刀的抬起與下降，利用循環語句實現自動切割200次，部分程序代碼如下：
……
p55=0
m22
dwell 500
f1000
while （p55 < 200） ；切割次數
g91 g01 w - 1270
……
dwell 8000；間隔時間8秒
m22
dwell 500
p55=p55+1
……
在此試驗中，電源頻率變化與前面試驗一樣，隨著切割次數的增加而降低并逐漸趨于恒定39.64khz，在前5組試驗中，電源顯示功率畫面出現了異常，但功率值在運行過程中無變化；待超聲電源重啟后，工作顯示均正常，可見在隨著切割次數增加、切割刀頭溫度上升的情況下，超聲切割系統的穩定性還有待進一步測試驗證。
結合該物理平臺和龍門式鋪帶機，選擇合適的工藝參數進行切割鋪帶實驗，圖8所示為在0°、45°切割狀態下的圓筒鋪放的效果圖，預浸帶切口光滑平整沒有毛刺，說明該超聲切割系統具有一定的實際工程應用價值，為以后的深入研究提供了一定的指導。
結束語
我國大飛機工程已經啟動，復合材料的用量會越來越多，zui終的上限會接近甚至超過現有波音787的復合材料用量水平。而復合材料自動鋪帶設備有可能成為實現這一目標的技術瓶頸之一，國家已把此設備列入了數控重大專項重點研制設備。超聲切割技術作為該設備中的關鍵技術之一也越來越多地受到重視，國內航空企業已開始將這項技術用于生產，經過超聲切割后的預浸帶質量優異，具有無毛刺、無刀具磨損、側向切割力小、加工速度快、加工精度高等一系列優點，但其穩定性還有待于進一步研究。相信通過這項技術的推動，我國的航空復合材料制造技術必將有一個新的提高。
講解回路電阻測試儀試驗值在實際工作中應用
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超聲切割系統
不同于傳統的加工技術，超聲切割技術的基本原理是利用一個電子超聲發生器產生一定范圍頻率的超聲波，然后通過置于超聲切割頭內的超聲- 機械轉換器，將原本振幅和能量都很小的超聲振動轉換成同頻率的機械振動，再通過共振放大，得到足夠大的、可以滿足切割工件要求的振幅和能量（功率），zui后將這部分能量傳導至超聲切割頭頂端的刀具上進行預浸帶的切割加工。根據鋪帶工藝及預浸料超聲切割的實際要求，結合國內外超聲波應用研究成果，自行設計研制的超聲切割系統主要包括超聲切割發生器、超聲切割振動系統和超聲切割機械裝置3個組成部分，設計如圖1所示的超聲切割裝置方案。其中，超聲振幅的提供與控制由超聲發生器和超聲切刀完成；機械平臺主要控制超聲切刀的橫向運動、繞自身的轉動及通過氣動控制系統提供切割壓力。
1 超聲切割發生器
超聲切割發生器即超聲波電源，它的作用是將220v或380v的交流電轉化為超聲頻的電振蕩信號。一般情況下，超聲裝置單獨使用時效果不錯，主要是因為在設計時整體阻抗固定，功率易于匹配。而實際使用時，裝置安裝在整體設備上，受負載、干擾及溫度等諸多因素的影響，常引起諧振頻率、等效阻抗等系統參數發生漂移變化，使超聲發生器的頻率與換能器的頻率不匹配，導致輸出功率損耗較大，換能器的振幅下降，無法保證切割質量和效率。本系統中的超聲發生器具有頻率自動跟蹤功能，通過軟硬件實現頻率自動跟蹤，使阻抗和頻率隨時根據現場變化，達到實時匹配，從而使超聲振動系統處于*工作狀態，轉換效率zui大。
2 超聲切割振動系統
超聲切割振動系統主要由*、超聲變幅桿、切割刀片。其中，*的作用是將電信號轉換為聲信號；變幅桿是超聲加工設備中的一個重要組成部分。它主要有兩個作用：（1）聚能作用——即將機械振動位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上進行聚能；（2）有效地將聲能傳遞給負載——作為機械阻抗的變換器，在換能器和聲負載之間進行阻抗匹配，使超聲能量由換能器更有效地向負載傳輸。
本系統采用的超聲變幅桿和切割刀片的組合形式，如圖2所示，為了獲得較大的振幅放大倍數（ am ），采用階梯形變幅桿；為了改善或減弱截面突變處的應力集中，在截面突變處采用圓弧過渡方式。
（1）切割刀片尺寸的影響。通過變換不同長度與寬度的切割刀片（厚度不變）與換能器進行匹配，在有限元分析下得出隨著刀片長度的增加，整體固有頻率下降的規律，且下降的規律基本呈線性變化；而刀片寬度變大時，整體固有頻率也下降, 且下降趨勢更大一些。另外，隨著刀片長度的增加，超聲變幅桿和切割刀片組合后的放大倍數（ am） 呈上升趨勢；隨著刀片寬度的降低，放大倍數略有上升。因此可以選取合適的長度與寬度調整整體固有頻率和振幅放大系數。
（2）切割刀片材料的影響。
切割刀片材料的改變必然對組合體的聲學參量產生一定的影響。為了研究材料性質的影響而又不失實用性，選取的刀片材料分別為硬質合金和鋁。通過有限元方法分析了刀片材料對整體超聲性質的影響，由模擬結果可以得出，選擇硬鋁為切割刀片材料對組合體的固有頻率影響很小；材料為硬質合金時，固有頻率變化范圍很大。從振幅放大倍數的有限元分析結果來看，材料性質的改變對振幅放大倍數影響不大。
切割刀片的加入使得整體的固有頻率下降，為了與超聲振子的頻率匹配，提高超聲變幅桿的固有頻率可以減小乃至抵消加入切割刀片引起的頻率下降。通過實驗分析出結果與模擬的結果十分接近。
3 超聲切割機械裝置
超聲波切割機械裝置包括驅動系統、氣動控制選項和機械平臺，主要完成切割壓力的施加、切割深度的定位、切割速度的控制和切割工件的固定等幾項功能。超聲切割試驗中極限切割速度是一個非常重要的指標，是在有限的行程中獲得一段勻速切割行程，必須提高機械裝置速度控制的動態特性。系統采用步進電機作為驅動部件，thk精密滾珠絲杠導軌副為傳動器，切割速度可達10m/min。為了滿足工藝需求，切割裝置安裝在五軸龍門式機床的鋪帶頭上（圖3），其中五軸聯動以滿足曲面鋪帶的基本要求，而切割系統由切割橫向進給軸、切刀旋轉軸和切刀軸向進給軸組成。切割系統根據切割模式可以隨動于龍門定位平臺。
該機床數控系統由工控機（ipc）、可編程多軸控制器（programmable multi-axis controller, pmac）、開關量控制板卡（pcl-725,pcl-730）、i/o接口、伺服驅動裝置和電源驅動裝置組成。作為數控系統的核心, 工控機負責整個控制系統的信息處理與后臺操作，并向各下位機發出命令, 協調運動量與開關動作量的聯合操作。運動控制器接收上位機的控制指令，以此控制各軸電機運動實現數控加工。本系統采用美國delta tau公司專門開發的pmac作為運動控制單元，它使用的cpu是motorola公司的dsp56001/56002數字信號處理器（40mhz），可同時控制8個運動軸同步實現聯動。除了能夠實現運行程序外，還能監控plc后臺程序，兩者由于時序不同并不相互沖突。在執行運動程序之前，pmac必須對運動性指令和非運動性指令進行預先計算, 從而協調執行機構的實際運動。
超聲切割試驗
在鋪放過程中，碳纖維預浸帶與一層背襯紙粘合在一起，背襯紙起導向作用。切割過程中要求只能切斷預浸帶，不能切斷導向作用的背襯紙，而本試驗中碳纖維預浸帶的厚度是0.12mm，背襯紙的厚度也只有0.1mm，這就導致用傳統方法很難將切割深度始終控制在0.1mm左右，無法實現既將預浸帶切斷而又不傷及背襯紙。該系統利用超聲波在變幅桿輸出端的振幅及精密軸進行定位，使振幅和切割深度控制在要求的范圍之內，保證背襯紙不被切斷。同時，在切割過程中由于頻繁的振動使得切割刀頭的溫度迅速上升，進而影響切割質量，甚至會讓超聲發生器報警中斷輸出。為此，在切割頭上加入風冷裝置來冷卻切割刀頭。
為了解自動鋪帶過程中風冷時間對超聲切割系統穩定性能的影響，自行設計物理仿真試驗平臺，模擬自動鋪帶機超聲切割的工作狀態，如圖4所示。該簡易平臺具有橫向移動軸1個，旋轉軸1個，橫向移動軸實現切割運動方向的進給，旋轉軸是為了模擬鋪帶頭在不同旋轉角度下的切割效果。
在該物理平臺上，我們設計了3個實驗來逐步研究。首先，保持超聲切刀連續間歇性運行，其過程如下：超聲切刀下降，超聲切刀啟動，快速切割至預浸帶另一側，后抬起切刀，關閉超聲切刀；立刻再次下降切刀，使超聲切刀啟動，快速返回至原來一側，關閉切刀，并抬起。此過程中包含兩次切割過程，如此往復切割10次后停止。待切割刀頭溫度經風冷降下后再旋轉45°、90°分別切割。連續切割次數和冷卻時間如表1所示。
在不同角度切割下，通過精密軸定位，使切刀振幅和切割深度控制在要求的范圍之內，進而控制預浸帶兩端的切割深度一致并保證不切斷背襯紙。在單次連續切割過程中，為了解切刀溫度上升對超聲切割系統的影響，對超聲電源工作的頻率和功率變化進行了試驗分析，變化趨勢如圖5和圖6所示。
由圖中可看出，在連續切割次數不多的情況下，電源頻率與電源功率隨切割次數的增加呈單調變化；雖然單次連續切割次數只有10次，但是切割后測得的切割刀頭平均溫度已上升至57.5℃。由此可見，電源頻率隨切割刀頭的溫度上升單調下降，而電源功率隨切割刀頭的溫度上升單調上升，并且該溫度還在電源工作接受范圍內，不會引起電源報警輸出。
其次，在前面試驗的基礎上，人為的在每次切割之間設置風冷時間間隔10s，試驗記錄如表2所示。
取0 °切割時的實驗數據觀察，每次切割后的電源頻率變化如圖7所示。由圖中可知，在引入人工間隔風冷后，電源頻率隨切割次數增加逐漸減小至恒定頻率；在初始階段，電源頻率隨切刀溫度上升快速減小，當次數增加至40后，由于刀頭溫度的平衡使得電源頻率分階段性地緩慢減小，直至恒定在39.71khz。由于在每次切割過程始末都對切割刀頭加入了10s風冷時間，在切割100次后切割刀頭的溫度上升至58.9℃，滿足電源的正常工作，無報警輸出。
zui后，通過程序控制的方式設置風冷時間，自動進行切割試驗。試驗記錄如表3所示。在該組試驗中，我們通過m代碼實現切刀的抬起與下降，利用循環語句實現自動切割200次，部分程序代碼如下：
……
p55=0
m22
dwell 500
f1000
while （p55 < 200） ；切割次數
g91 g01 w - 1270
……
dwell 8000；間隔時間8秒
m22
dwell 500
p55=p55+1
……
在此試驗中，電源頻率變化與前面試驗一樣，隨著切割次數的增加而降低并逐漸趨于恒定39.64khz，在前5組試驗中，電源顯示功率畫面出現了異常，但功率值在運行過程中無變化；待超聲電源重啟后，工作顯示均正常，可見在隨著切割次數增加、切割刀頭溫度上升的情況下，超聲切割系統的穩定性還有待進一步測試驗證。
結合該物理平臺和龍門式鋪帶機，選擇合適的工藝參數進行切割鋪帶實驗，圖8所示為在0°、45°切割狀態下的圓筒鋪放的效果圖，預浸帶切口光滑平整沒有毛刺，說明該超聲切割系統具有一定的實際工程應用價值，為以后的深入研究提供了一定的指導。
結束語
我國大飛機工程已經啟動，復合材料的用量會越來越多，zui終的上限會接近甚至超過現有波音787的復合材料用量水平。而復合材料自動鋪帶設備有可能成為實現這一目標的技術瓶頸之一，國家已把此設備列入了數控重大專項重點研制設備。超聲切割技術作為該設備中的關鍵技術之一也越來越多地受到重視，國內航空企業已開始將這項技術用于生產，經過超聲切割后的預浸帶質量優異，具有無毛刺、無刀具磨損、側向切割力小、加工速度快、加工精度高等一系列優點，但其穩定性還有待于進一步研究。相信通過這項技術的推動，我國的航空復合材料制造技術必將有一個新的提高。
講解回路電阻測試儀試驗值在實際工作中應用
油炸鍋設備介紹
廢氣收集
防爆配電箱安裝使用小常識
dn900電磁流量計校準方法分類
復合材料超聲切割系統及穩定性研究
漆膜圓柱彎曲試驗儀使用操作
接地電阻測試儀的阻值過大危害及防范措施
內河航道使用浮標規范要求參數
金屬拉力試驗機簡介說明
L型防火角一平米多少錢
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如何延長卸灰球閥的使用壽命
絲杠防護罩的幾種常用的材質你都了解嗎？
OLABO接種環紅外線滅菌
天津生產的化糞池處理車
如何判斷木工雕刻機刀具磨損情況
高速冷凍離心機的操作步驟解析
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