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超声波切割在蜂窝材料加工中的应用

铝和复合材料(如芳纶或凯夫拉)制成的蜂窝板因其高强度、低密度及良好的热绝缘性能而广泛应用于航空、航天和汽车等领域。然而,蜂窝材料的机械加工面临若干挑战,超声切割技术作为一种有效解决方案,逐渐受到重视。

采用有限元法(FEM)研究了用于蜂窝材料切割的超声工具的频率特性,工作频率约为20 kHz,并针对不同几何参数设计以切割不同类型的蜂窝结构。文章展示了三角形和圆盘超声工具在不同几何特征下的振动特性分析结果,并提供了若干实验验证结果,为后续的研究提供了基础。

几何形状和分析

考虑超声波仪器的振荡模式:(a)三角刀片,(b)圆盘切割器。

在分析超声波仪器的振荡模式时,包括三角刀片和圆盘切割器等几何形状,波动维度对超声波切割蜂窝材料的影响主要体现在切割效率和质量上。较高的波动维度通常意味着更强的振动能量,有助于提高切割速度和精度,从而减少材料的热损伤和切割边缘的毛刺。因此,优化波动维度对于实现更高效、精确的蜂窝材料切割至关重要。

超声波刀头几何形状:(a)三角形刀片,(b)圆盘切割器

为了评估三角刀片切割端相对长度 h/L 对刀片波动维度 kL 的影响,考虑了切割端长度为 55-115 毫米、步长为 10 毫米的工具,并要求保持操作频率接近 20 kHz。为了分析三角刀片宽度 a 的影响,将其作为曲线kL(h/L) 的参数,范围为 2-5 毫米,步长为 1 毫米,针对三种 h/L 比例进行了研究。

为了评估盘刀切割端相对尺寸 D/d 对刀片波动维度 kL 的影响,考虑了切割部分 D 的直径为 50 毫米和 100 毫米,以及圆柱部分 d 的直径为 16、22、32 和 42 毫米。盘刀几何的其他参数,特别是厚度(2.5 毫米)和切割端的倾斜角(22.5°),均保持不变。盘刀为均匀、实心并完全由同一材料制成。

使用有限元法分析工具的自由振动,所用材料参数为钛的杨氏模量 ( E = 110GPa} ),密度 ( ρ = 4500kg/m3 ),泊松比 ( ν = 0.3 )。分析中使用了一个十节点的三维单元。

(a)超声波三角刀片的变体,(b)超声波圆盘切割器的变体

模拟和实验结果

为了验证所获得的依赖关系,制造了几种不同的三角形和圆盘超声切割工具。制造的三角形刀片和圆盘刀具根据不同的切割技术问题设计,所有工具均针对约20 kHz的工作频率。波长 ( kL ) 与切割端相对长度 ( h/L ) 的关系显示,随着切割端相对长度的增加,波维数 ( kL ) 大部分时间呈下降趋势,并在 ( h/L = 0.4 ) 附近达到最大值。

三角形刀片的波长与切割端的相对长度及可变顶宽之间的依赖关系与实验结果相互关联。

实验结论

本文基于有限元法研究了用于蜂窝材料切割的超声三角刀片和圆盘刀具的频率特性。研究结果表明:

  • 三角刀片切割端相对长度的增加导致波维数 ( kL ) 的减少,且存在最大值;
  • 刀片的波维数随顶部宽度的增加而减小;
  • 圆盘刀具的波维数随切割端相对尺寸的增加而增加;
  • 实验结果验证了理论依赖关系。

这些发现为超声切割工具的设计和优化提供了理论基础,有助于在不同材料的蜂窝板切割技术中实现更高的效率和精度。

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