随着航空航天科学技术的迅速发展，研发高强度、低成本且绿色环保的新型航空材料已成为该领域的热点之一。复合材料因其优越的综合性能备受瞩目，其中Nomex蜂窝材料作为轻量化复合材料在高铁、航空航天等领域应用广泛。与金属、泡沫等材料相比，Nomex蜂窝材料具有优异的化学惰性、抗冲击性、阻燃性与耐温性，此外还具有良好的电绝缘性、透电磁波性和隔音性能，同时因其低密度、高比强度和高比刚度的特点被广泛应用于飞机的机舱内壁板、襟翼、整流罩、发动机短仓及雷达罩等结构件上［1］。此外，Nomex蜂窝材料还被运用在卫星、船舶、飞船返回舱等装备领域。
由于Nomex蜂窝材料的力学性能和空间结构的独特性，虽具有良好的面内耐磨和耐撕裂性能，但横向刚度较弱，且径向与轴向力学性能差距很大，给切削加工带来了极大的难度。此外，Nomex蜂窝材料含有的酚醛树脂和芳纶短纤维使其具有各向异性和脆性，且导热性较差，加工时极易出现刀具磨损、毛刺、蜂窝塌陷等问题，装夹难度也大幅提高［2］。
超声波是振动的一种基本形式，其应用相当普遍。由于超声波与介质的相互作用，其在介质中传播时会发生化学或物理变化，从而产生超声效应。超声加工是在刀具或工件上施加高频振动和然后利用振动产生的冲击力和刀具-工件间的断续接触来增强刀具的切削能力，提高切削质量［3］。但超声加工产生的高频振动和周期性冲击加快了刀具的磨损，严重影响了刀具的切削性能和服役寿命，进而影响被加工材料的表面质量。如何提高超声刀具的使役性能，是现阶段待解决的加工难题之一。
因此，本文围绕超声切削Nomex蜂窝材料，以现有超声直刃刀具和圆盘刀具为研究对象，总结了目前的成就、局限性及应用领域，为未来的超声刀具研制工作提供依据。其中，涵盖了超声刀具材料选择、超声刀具设计、超声切削特性分析。此外，还分析了超声切削Nomex蜂窝材料的加工机理和性能。
1 超声刀具材料
表1 常用刀具材料力学、物理性能 |
| 类别 | 密度/（g·cm-3） | 硬度/HRC | 抗弯强度/MPa | 冲击韧性/（KJ·m-2） | 耐热性/℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 高速钢 | 8~8.8 | 63~70 | 2 000~4 000 | 100~600 | 600~650 |
| 硬质合金 | 8~15 | 89~93.5 | 1 100~2 600 | 25~60 | 800~1 000 |
从耐磨性角度考虑，由表1可知，高速钢的硬度为63~70 HRC，虽低于硬质合金材料的硬度，但是足够满足Nomex蜂窝材料的加工需要。而超声切削刀具实质是一种高频高速瞬时冲击复合加工方法，所以对于刀具材料的冲击韧性具有较高的要求，而高速钢的冲击韧性可达100～600 KJ/m2，相对于硬质合金优势较为突出［5］。另外超声直刃和圆盘刀具属于薄片刃刀具，而超声振动系统产生利于加工的纵振，同时也会产生相对小的横向振颤，这就需要刀具材料不仅要有足够的韧性，而且还要有足够的抗弯性能，而高速钢的抗弯强度为2 000～4 000 MPa。综合考虑超声加工环境的特殊性及刀具的可加工性，高速钢具有优异的抗弯强度、耐磨性及良好的韧性，选择高速钢作为超声刀具材料较为合适。
2 超声刀具设计
在切削过程中，直刃刀具常用于切削下料、斜槽等粗加工工艺，传递超声振动的同时还承担了切削任务，故对直刃刀具的材料选择和形状设计提出了更高的要求。同时，直刃刀具的结构尺寸直接影响刀刃处的输出振动，进而影响整个超声切削过程的加工质量。因此，国内外学者对直刃刀具与超声加工系统匹配性进行了研究，为超声直刃刀具的设计和优化提供了参考。Richards等［6］研制出用于切割人骨的超声刀具，能在减少人体组织损伤的基础上对人体的脆硬组织进行切削，并且能减少手术中的出血现象。贾瑞修等［7］设计了30 kHz的超声振动变幅杆和9组不同尺寸的直刃尖刀，利用有限元法分析了刀具结构尺寸对振动系统的影响规律，包括振幅放大系数、共振频率及刀尖温度等。吴鑫［8］采用仿真与分析相结合的方式分析了直刃尖刀结构参数厚度、长度对纵向振幅、谐振频率及振幅放大倍数的影响，并且确定了最佳的刀具参数。
目前，国内针对Nomex蜂窝材料的超声刀具的研制还处于起步，直刃尖刀具和圆盘刀具缺少理论设计基础，其性能也参差不齐。此外，刀具研制大多依赖进口，自主优化程度低。
3 超声振动切削特性分析
3.1 超声直刃刀具
超声直刃刀具加工的核心是在刀具上施加一个振动，并协助刀具打开蜂窝壁内部的分子结构，使其易被刀具切削，其加工效率明显优于传统加工方式。为深入研究直刃刀具的加工特性，基于直刃刀具运动方式和结构的特殊性，掌握直刃刀具的运动规律是分析该刀切削特性的关键。Xiang等［12］考虑了工作角度对刀具运动轨迹的影响。直刃刀具上任意一点的运动轨迹的表达式为
式中：β为刀具前倾角；α为刀具侧倾角；f为频率；vf 为进给速度；A为振幅；t为时间。其运动轨迹如图3所示。公式（1） 对时间求导，得到的速度表达式为
此外，Guo等［16］在超声加工的刀具-工件接触率模型中考虑刀具结构、切削方向、超声振动参数等因素，表达式为
，
3.2 超声圆盘刀具
圆盘刀具超声振动铣削加工是芳纶蜂窝材料半精加工和精加工中的重要组成部分，此种工艺中圆盘刀具的主要作用是进行蜂窝材料的大余量切除和型面精修。为深入了解超声辅助圆盘刀具的铣削特性，基于圆盘刀具结构及运动方式的独特性，掌握其运动轨迹是分析圆盘刀具切削特性的关键。圆盘刀具在轴向超声振动的同时绕轴线旋转，建立了考虑圆盘刀具铣削姿态角度的运动轨迹表达式［17］，如式（5）所示。
式中：n为圆盘刀具的转速，Rd 为圆盘刀具的半径。由式（5）得到圆盘刀刃上一点的运动轨迹，如图4a所示。将式（5）对时间求导，得到圆盘刀具刀刃上一点的速度表达式，如式（6） 所示。
综上所述，本节分析了超声切削Nomex蜂窝材料刀具运动轨迹现有的一些研究。在直刃刀具方面，已有轨迹模型均考虑了在纵向振动条件下刀具的断续切削作用、角度变化及刀具-工件接触率对刀具运动状态的影响。由于忽略直刃刀具超声振动条件下产生的横向振动，现存模型在建立切削力与工件加工变形之间的相互作用关系、准确预测瞬态切削力等方面研究不足。此外，在后续超声振动圆盘刀具作用机理的研究中，应将刀具-工件接触率对圆盘刀具运动状态的影响考虑其中。
4 超声切削Nomex蜂窝材料的性能
4.1 超声直刃刀具切削Nomex蜂窝加工机理
振幅和谐振频率是直刃刀具系统的两个关键输出变量。在超声直刃刀具系统的设计过程中，应充分考虑变量对振幅和谐振频率的影响，选择和优化设计参数。Kang等［19］建立了超声直刃刀具的切削力理论模型，并通过实验验证了理论模型、加工参数、刀具设计参数对切削力和表面质量的影响，超声直刃刀具的加工机理如图5a所示。切削力、切削热及加工损伤的分析有助于验证和优化超声直刃刀具的设计参数和相关的加工变量。分析这些参数的常用方法主要有解析建模、有限元仿真和试验，表2为使用超声直刃刀具切削Nomex蜂窝材料的相关研究。目前，国内外关于超声直刃刀具的加工机理主要集中在切削力模型建立、加工损伤等方面［20］，以下分别对各个模型进行简述。
表2 使用超声直刃刀具切削Nome蜂窝材料的相关研究 |
| 作者 | 研究内容 | 结论 |
|---|---|---|
| Hu等［21］ | 超声和常规切削Nomex蜂窝材料的实验研究。 | 振幅对切削力和表面质量有很大影响。 |
| 王毅丹等［22］ | 建立了基于脆性断裂理论的超声直刃刀具动态切削力模型。通过理论和实验研究加工参数对切削力的影响。 | 振幅和刀具倾角对切削力和表面质量有主要影响。当刀具前角从15°增加到45°时，切削力降低了70%~80%。 |
| 马付建等［23］ | 建立了超声刀具-工件摩擦的切削热模型。 | 刀具直径和刃角越大，切削摩擦力越大，切削温度越高。 |
| 张讯等［24］ | 采用3种（纵切，斜切，横切）方式切削Nomex蜂窝，并分析了蜂窝的加工形貌。 | 优化振幅和切削速度可降低酚醛清漆层剥落的概率。 |
| Qin等［25］ | 采用降维模型识别蜂窝芯已加工表面的毛刺情况，并通过回归模型进行异常数据剔除。 | 改进后的GVF算法在去除各种形状表面毛刺数据方面都有更高的精度。 |
| Guo等［16］ | 首次建立了考虑刀具结构、切削方向、超声振动参数等因素的超声加工的刀具-工件接触率模型，还分别建立了直刃边缘断裂力和直刃表面摩擦力模型，并进行了验证。 | 当振幅增加到10 μm时，刀具-工件接触率显著降低；断裂力是切削力的主要组成部分，约占80%。振幅和超前角的增大是导致断裂力和摩擦力减小的主要原因。 |
在加工损伤方面，针对Nomex蜂窝材料加工过程中易压溃的问题，Wang等［28］为了避免蜂窝芯体的破碎，提出了一种新型的直刃刀具倾斜超声切削方法，以减小刀具与蜂窝芯体之间的几何干涉。从加工质量、切削力、主后刀面与材料的几何干涉等方面揭示了蜂窝芯加工过程中发生破碎的原因。通过对破碎力和切削力的定量分析，验证了直刃刀倾斜超声切削方法能够通过控制切削角来避免破碎。针对Nomex蜂窝材料加工过程中易撕裂的问题，Xu等［29］着重讨论了细观尺度上横向裂纹和纵向裂纹的形成机制和演化，并建立了一个细观数值模型来分析超声振动加工中的断裂诱导机理，得出横向裂纹是由刀具振动产生的纵向拉应力诱发的，纵向裂纹是由刀具进给产生的横向拉应力诱发的。细观尺度裂纹的发现不仅增强了固化诱导的微裂纹和孔洞的重要性，而且为机械加工后宏观缺陷的演化提供了理论指导。
4.2 超声圆盘刀具切削Nomex蜂窝加工机理
表3 超声圆盘刀具切削Nomex蜂窝材料的相关研究 |
| 作者 | 研究内容 | 结论 |
|---|---|---|
| Guo等［32］ | 根据刀具与吸波蜂窝材料的相对位置关系及刀具的运动特性，建立了切削系统的多自由度数学模型。 | 通过试验验证了超声切削系统多自由度稳定性数学模型的正确性。圆盘刀具通过优化工艺参数可以延长刀具寿命。 |
| Cao等［33］ | 建立了超声振动辅助圆盘刀具对蜂窝芯材切削力的有限元仿真模型。 | 得出在相同条件下，试验与仿真的结果最大误差为13.2%，验证了模型的准确性。 |
| Wang等［34］ | 在定量分析Nomex蜂窝芯加工表面质量的基础上，研究了盘形刀具的前倾角和倾角对加工质量的影响。 | 超声振动能有效地减少胞壁撕裂，提高加工质量。倾斜角的变化对细胞壁撕裂的影响小于导程角的变化。 |
| Ahmad等［35］ | 通过单因素和正交试验，研究了工艺参数对超声铣削加工特性的影响。对比了圆盘和锯齿圆盘刀具在有无超声振动条件下Nomex蜂窝的加工效果。 | 切削力随切深和进给量的变大而增大，与转速、振幅成反比。圆盘刀具切削产生的毛刺少且长，存在撕裂，而锯齿圆盘切削产生的毛刺多且短，无撕裂。 |
| Zarrouk［36］ | 模拟了超声圆盘齿刀铣削Nomex蜂窝材料的过程。重点研究了切削力的组成、加工质量及切屑的堆积情况。 | 通过优化切削力的分量，提高加工质量，减少切屑堆积是可能的。仿真与试验结果基本一致，验证了模型及计算方法的准确性。 |
| Zha等［37］ | 为研究超声圆盘刀具的磨损情况，提出一种定量评价刀具磨损的径向差计算方法。 | 小撕裂是加工过程开始时刀具磨损的典型形态。随着切削长度的增加，出现边缘崩刃和卷曲。 |
| 袁信满等［38］ | 建立圆盘锯齿刀切削Nomex蜂窝材料有限元模型，并与试验相结合。研究了主轴转速、进给速度、切削宽度与深度对切削力、切削热的影响。 | 验证了模型与实际误差为11.2%，满足切削力与切削热的预测需求；切削力与主轴转速成反比，与切宽、切深、进给速度成正比；进给速度和转速对切削热的影响最大。 |
在切削力、切削热模型方面，Xiang等［18］基于滑动效应，研究了圆盘刀具的扭转振动特性，并研究了加工参数对切削力的影响，发现在相同的参数条件下，无论主轴转速和进给速度如何，超声纵扭振动辅助切削所需的切削力都小于超声纵向振动辅助切削。吴胜游等［39］对超声圆盘刀具进行了研究，并建立了切削力数理模型，表明圆盘刀具对材料产生的断续切削作用是切削力减小的主要原因，并给出了实现断续切削的临界切削速度。Nomex蜂窝材料的表面质量与刀具加工时的切削力有关，切削力越大，表面质量越低，反之亦然。为此，应优化工艺参数，以降低切削力。张生芳等［40］建立了圆盘刀具热耦合模型，探究了刀具结构对切削热的影响规律，发现切削温度随着刀具前角和直径的增大而上升，随刀具后角的增加而下降。
在加工损伤方面，Xu等［41］在对Nomex蜂窝材料的切削加工研究中，揭示了高韧性是提高圆盘刀具耐磨性的主要因素。从刀具磨损和表面质量两个方面评价了韧性和硬度的重要性。结果表明，增韧刀具可以加工出更锋利的切削刃，更适合于超声振动加工中的高周期冲击载荷。针对圆盘刀的表征方法及刀具磨损规律的问题。Li等［42］进行了圆盘刀具超声切削Nomex蜂窝芯的磨损实验，提出用切削刃钝圆、后刀面磨损、直径减小量和切削刃破损宽度等属性来定量表征刀具磨损和破损形式。此外，对盘形滚刀的刀具磨损和破损形式进行了分类，并分析了盘形滚刀磨损和破损的变化规律。Springer-Verlag伦敦有限公司Mughal等［43］开发一个三维有限元模型，分析超声和传统加工过程中使用圆盘刀具的Nomex蜂窝材料的切削力、切削形成和加工质量。数值模型研究了切削深度、进给速度、超声振幅和主轴转速等加工参数对切削力的显著影响，并进行了实验验证。
相关文献表明，在超声振动下直刃刀具和圆盘刀具切削Nomex蜂窝材料时，其在刀具性能、加工质量和应用范围等方面表现出了显著的差异。直刃刀具用于直线切削操作，主要通过减少所需的切削力和刀具磨损来提高切削质量。该技术适合大余量且较为精确的材料去除，特别是对于平面部分和直线轮廓，但不太适合复杂或弯曲的切削，因为它只能针对线性运动进行优化。相比之下，当用于超声振动辅助铣削Nomex蜂窝材料时，圆盘刀表现出明显优势。圆盘刀特别适用于精确且光洁的复杂曲面铣削，可以在较宽和较厚的材料上进行切削。施加到圆盘刀具上的超声振动有助于减少热量的产生，这对于避免Nomex等热敏材料的翘曲至关重要。同时，圆盘刀具还有助于在刀具的整个圆周上保持均匀的切削质量，减少切削缺陷并提高表面光洁度，但振动可能会导致圆盘刀具的加速磨损。
5 结论与展望
5.1 结论
本文围绕用于超声切削Nomex蜂窝材料的两种刀具——直刃刀具和圆盘刀具，从刀具材料、结构设计、振动特性与切削性能等方面进行了论述，综合考虑这些因素的相互作用关系设计超声刀具，可以显著增强刀具的服役寿命和切削性能。通过综述研究可以得出以下结论：
1）在刀具材料选择方面，从冲击韧性的角度考虑，高速钢更适合超声刀具；从成本的角度考虑，高速钢刀具比硬质合金刀具的成本低，易于广泛应用；从刀具性能的角度考虑，硬质合金刀具性能优于高速钢刀具，但硬质合金较脆，由于刃角较小，硬质合金刀具极易出现崩刃，进而影响刀具切削性能和使用寿命；从振动传输效率的角度考虑，材料不同，振动传输效率也有所不同，需要根据连接变幅杆的材质决定，尽量选同种材料。
2）在振动特性方面，超声加工是通过高频振动和周期性冲击来实现材料的切削，这给较薄的切削刃带来极大的挑战。由于薄刃口具有较高的导热效率，再加上高频和周期性的摩擦导致切削刃局部温度快速升高和降低，进而出现应力集中，刃口极易产生热裂纹。
3）在切削性能方面，通过对切削力、切削热及加工质量进行的研究发现，刃角越小，切削力越小，加工质量越好，但对刀具寿命影响较大。对于圆盘刀具，转速越大，加工质量越好，但切削热也会相对升高。将切削刃改为锯齿状可显著加快散热，同时还提高了切削效率。
4）在刀具设计方面，通过探究刀具结构参数对振幅、频率及切削性能的影响，发现超声刀具的设计不仅要满足加工需求，还要考虑超声振动的传输效率、振幅放大倍数及谐振频率等。刀具越厚，振幅放大倍数越小；刃角越小，振幅放大倍数越大；三角形的刀具要比长方形的刀具放大倍数更高。因此，在保证刀具足够强度的同时应尽量选择刃角小、厚度较薄、刀尖为三角形且材料与变幅杆一致的刀具。
5.2 展望
针对Nomex蜂窝结构件加工难题，国内外学者以Nomex蜂窝材料为研究对象，对其加工工艺、超声加工机理及刀具研制进行了充分且广泛的研究，取得了一系列显著的科研成果，推动了超声切削Nomex蜂窝材料技术的进步。为了实现超声切削Nomex蜂窝材料技术应用更广，在以下方面还需开展更深入的研究：
1）在超声刀具加工机理方面，现有研究在简化Nomex蜂窝结构和材料属性、超声切削刀具结构及振动方向的基础上，分别围绕超声切削过程的有限元分析、运动学分析、切削力与切削热建模等开展研究。因此，为深入了解各类刀具的超声切削作用机理，还需建立考虑包括Nomex蜂窝材料制备特性和刀具结构特点在内的切削力、热模型，建立能精确描述超声切削蜂窝材料的失效准则。
2）在超声刀具研制方面，目前仍大多依赖国外进口，使用时存在效率低、刀具-设备-工艺匹配性较差、切削热及刀具磨损严重等问题。同时，现有超声刀具的类型较为单一且无法满足多样化结构件的加工需求。为此，建立超声振动刀具的磨钝工艺标准，揭示超声切削作用下的刀具损伤机理是未来科研工作的关键之一。
3）在Nomex蜂窝材料超声加工表面质量控制及路径规划方面，当前Nomex蜂窝的加工仍产生毛刺、加工变形及撕裂等问题，确保加工精度与质量是实现高质高效加工的关键。当前研究对Nomex蜂窝加工质量进行了大量的定性观测，缺少定量观测和分析方法。此外，为实现大型复杂结构件高质高效加工，在加工路径规划、刀具姿态控制及加工程序编制等方面仍需开展深入的研究。