超声切割技术在复合材料加工领域的应用
利用超声振动的能量对材料进行切割的理念，在国外很早就得到了重视。但直到上世纪90年代，奥地利GFM公司才将这一概念实际应用于航空材料加工领域，开始对多种复合材料进行超声切割。该项技术的应用至今已有近20年了，欧洲和美国的各大飞机制造厂和航空复合材料的研发生产企业都已广泛地采用超声切割设备用于生产。然而在国内，这一技术仍处于所知较少的初期应用阶段。
超声切割的基本概念
超声切割技术是近20年兴起的一项工艺技术，目的在于更有效、更精确地加工在航空制造领域得到越来越广泛应用的复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫材料等。
不同于传统的高速铣钻工艺，超声切割技术的核心是超声切割头，其基本原理是利用一个电子超声发生器，先产生频率在20～30kHz范围内的超声波，然后通过置于超声切割头内的超声－机械转换器，将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量（功率），最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上，对上述复合材料进行切割加工。
直刃刀加工示意图
超声切割技术与传统加工技术的区别
1 与传统高速铣削在加工蜂窝材料时的区别
传统高速铣钻工艺的基本原理是利用机床主轴产生高速转动，再通过铣头（或钻头）沿工件边缘将材料打碎，从而使工件得以成形或分离。这种加工方式由于刀具的高速转动引起的材料破损，会在加工区域产生大量粉尘，同时高速转动的刀具还会使工件表面留下毛刺。此外，进刀时主轴侧向力的作用会对工件材料造成短暂的变形，从而影响工件的形面质量和尺寸精度。最后，由于主轴侧向力的影响，工件与工作台之间的固定方法（相当于加工金属工件时的装卡）往往会由于采用结合力较强的化学胶粘剂而变得非常复杂。加工完毕后，去除胶粘剂的过程不仅耗时、污染环境，还会损坏已经加工好的工件，导致成本上升。
超声切割主轴外观nextpage
超声切割的过程则完全不同。首先，超声切割的关键在于“切割”，而非常规机床的“切削”。形象地说，超声切割就如同用剪刀剪纸或用裁刀切割皮革一样，不会产生工件的碎屑。而与常规“剪、裁”相比，超声切割头可以在剪刀或裁刀上施加20～30kHz的振动能量，以帮助打开材料内部的分子结构。恰恰由于这一特性，在切割过程中刀具可以更容易地将材料分割开，其切割速度要比传统的铣加工大得多。
大型桥式龙门结果超声切割机床
其次，由于不存在将材料打碎的问题，超声切割完全不会产生粉尘，可以免去安装防尘、除尘设备的费用。
第三，超声切割由于大大减小了侧向进给力，故除了不产生工件形变之外，还能使材料的装卡固定非常简单方便，仅用真空吸附或胶纸粘合即可。因此，使用超声切割技术可以为用户赢得更高的切割效率、更完美的工件质量、更低廉的加工成本和更为优异的环保效果。
2 与传统机械刀具在加工纤维材料时的区别
传统的纤维材料切割方式包括盘刀裁切、拉刀裁切和往复式刀具的裁切。它们共同的缺点包括：
（1）切割效率低。由于传统机械刀具在加工时单纯依靠拉、滚或刀具的往复运动断开工件材料，切割速度受到限制。
（2）切割精度差。刀具裁切过程中侧向力较大，容易造成工件材料变形，直接影响形面精度，此外一些微小形面也不易加工。
（3）粘刀。传统机械加工在裁切过程中的摩擦和热效应往往会出现粘刀的现象，造成切割质量下降。
（4）刀具和切割头损耗大。由于裁切过程中机械摩擦力大，刀具和切割头的损耗都很大，所以寿命有限，维修保养成本也高。
（5）裁切限制。传统切割方式最大的弱点是无法加工某些高韧性的材料。最典型的案例就是传统切割方式无法胜任对于凯夫拉材料和目前兴起的干性UD材料的加工。
超声裁床可以将超声振动能量加载在切割刀具上，根据超声切割的基本原理，该能量可以有效地击碎纤维材料的边界，从而使上述传统裁切方式所遇到的难题迎刃而解，可以在生产过程中实现多层纤维和预浸料的切割。在切割凯夫拉和干性UD材料时，超声切割也更能发挥其优势。
超声切割的具体加工方式
（1）超声切割主轴产生的超声振动的振幅为30～50μm，沿切割主轴轴线的方向振动，切割功率为数百瓦。超声切割机床除常规高速铣床的5个运动轴（X、Y、Z、A、C）之外，还配有第6个数控轴，用来调整超声刀具的空间取向。例如在切割圆形工件时使刀刃的取向始终沿该圆形工件的切线方向。
（2）在切割蜂窝材料时，超声切割所用的刀具有2种：一种是用于挖去多余毛坯材料的直刃刀，它在垂直方向做V形运动，将大片的毛坯料切开，并在毛坯了上切出工件的型面。另一种是盘式刀，它用于处理直刃刀切割后在工件表面留下的锯齿痕，最终将工件表面按照工艺要求修整成所需的平面或曲面。
（3）切割纤维材料要比切割蜂窝材料简单得多，仅需使用直刃式刀具，在材料表面二维范围内进行切割，以获得所需的工件外形。
超声切割技术的应用
目前，超声切割设备已遍布国外各个飞机和辅材部件生产厂家。从超声切割设备及超声切割应用技术研发的角度来讲，奥地利的GFM公司处在领先的地位，该公司的设备及技术的应用最为广泛。目前，超声切割设备主要有以下3类：
1 大型桥式超声切割设备
此类设备的特点是将超声切割头安装在传统的桥式龙门结构上，以获得充分的加工区域。此类设备X行程可达4m甚至更长，Y行程可达2m以上，特别是Z行程，可以达到1m以上。采用这类设备，可以对尺寸较大的预成型工件进行超声切割加工，也可以对固化后的大型复合结构工件进行切边和打孔。另外，在加装真空工作台后，还可以在同一台机床上对生蜂窝进行三维切割，从而获得一机多用的效果。
大型自动二维复合材料裁床nextpage
目前，国内航空企业已纷纷开始引进这类设备。在国外，波音公司、庞巴迪公司、洛克希德·u39532X丁公司等也都引进了此类设备。
2 三维固定台面式超声切割设备
此类设备专门用来加工蜂窝材料。由于该设备配备真空工作台，加工时可以方便地将蜂窝材料固定在工作台上，然后通过GFM公司专门开发的加工软件对工件进行三维加工。此类设备在空客、阿莱尼亚公司、波音公司、欧洲复材公司、赫氏公司、洛克希德·马丁公司等得到了广泛的应用。
用于不同加工场合的超声切割刀具
3 二维固定台面式/移动台面式超声切割设备
此类设备最适合加工各种纤维材料，例如单层或多层干性UD纤维、单层或多层玻璃或凯夫拉纤维、单层或多层预浸料等。这类设备也采用真空工作台固定原材料，但由于纤维材料工件的制造批量大、种类多，对加工效率要求很高，因此此类设备通常可配备数控传送带系统，以自动进行移动台面式加工。在加工完成之后，由自动上/下料系统将已完成的工件自动传送至下料区，同时将待加工的材料传至工作区，再由机床数控系统自动进行排样、下料并在原材料表面粘贴工件标记，再开始新一轮的加工。此类设备可根据用户要求来设计制造工作台面，目前GFM公司提供的最大设备的加工区长度为25m，宽度为5m，加工效率非常高。此类设备已广泛应用于空客、阿莱尼亚公司、阿古斯塔公司、庞巴迪/肖特公司、波音公司等。
经超声切割的纤维材料
结束语
由于超声切割技术的切割质量优异，具有无毛刺、无刀具磨损、无炭化材料、侧向切割力小、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染、可切割凯夫拉和UD纤维等优势，在国外已得到广泛应用。目前，国内航空企业也开始采用这项技术用于生产，其应用前景令人鼓舞，相信这项技术必将推动我国航空制造技术，特别是复合材料制造技术的进一步提高。
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