旋转超声加工振动系统的研究

论文摘要

由于陶瓷、玻璃、宝石、碳纤维等硬脆性材料具有高硬脆性、低断裂韧性的特点,使用常规方法加工存在加工精度低、性能差、效率低、成本高等问题,迫切需要寻找高精度、高效率、低成本的先进加工方法,加工性能良好的旋转超声复合加工方法在这种背景下产生了。它是一种将金刚石的优良切削性能与工具的超声频振动结合起来并绕其轴线做高速旋转的复合加工方法,在硬脆材料的加工上显示出了极大的优越性。本文主要针对旋转超声加工的关键技术之一——超声振动系统进行研究。论文内容主要包括以下几部分：首先介绍了旋转超声加工的特点及优势,国内外旋转超声加工机床和超声振动系统的研究现状,并简单介绍了超声振动系统的构成。其次是本文的主要部分即旋转超声振动系统的设计、分析、模拟仿真及优化。本文依据一维纵振理论设计适用于旋转超声加工机床的超声振动系统——夹心式压电超声换能器和工具杆,并应用解析法近似求解各部设计尺寸的大小。借助于有限元分析软件ansys对超声换能器、工具杆和整个超声振动系统进行模态分析与谐振分析,得到系统的实际固有频率和谐振振型,并应用APDL参数化设计语言对超声换能器进行了优化设计,使工具端面的振幅得到了进一步放大。然后应用四端网络法对超声振动系统进行性能分析,得到了超声振动系统的各种性能参数。最后应用阻抗分析仪对本文研制的旋转超声振动系统主要性能参数进行测试,结果显示各项参数满足设计指标,谐振频率仅偏离设计值0.38%。然后将超声振动系统安装在旋转超声加工机床上进行加工实验：钻孔和简单的型面加工,发现该振动系统具有较好的加工效率和加工精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 超声振动系统简介
• 1.2 旋转超声加工的优点
• 1.3 旋转超声加工机床的国内外研究现状
• 1.4 超声振动系统的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 旋转超声振动系统的设计
• 2.1 传统超声振动系统的结构组成
• 2.2 旋转超声振动系统中的能量传递
• 2.2.1 杆件材料对于能量传递的影响
• 2.2.2 旋转超声换能器中能量的定向传递
• 2.2.3 旋转超声变幅杆中能量的定向传递
• 2.2.4 系统各杆件连接部位对能量传递的影响
• 2.3 旋转超声换能器的设计与分析
• 2.3.1 旋转超声换能器的选型及结构的确立
• 2.3.2 压电陶瓷材料类型选择
• 2.3.3 旋转超声换能器的理论分析与设计
• 2.4 旋转超声加工工具的设计
• 2.5 本章小结
• 3 旋转超声振动系统的有限元仿真分析
• 3.1 压电材料的正逆压电效应及其性能参数
• 3.2 压电耦合结构的有限元振动分析
• 3.3 旋转超声振动系统的有限元动力学分析
• 3.3.1 旋转超声换能器的有限元动力学分析
• 3.3.2 工具杆的有限元分析
• 3.3.3 旋转超声振动系统的有限元分析
• 3.4 超声换能器的优化设计
• 3.5 本章小结
• 4 基于四端网络法的超声振动系统的性能分析
• 4.1 超声振动系统四端网络法的基本思想
• 4.2 指数形复合超声换能器的四端网络参数
• 4.2.1 单一截面细杆的四端网络参数
• 4.2.2 指数形复合变幅杆的四端网络参数
• 4.2.3 指数形复合超声换能器的四端网络参数
• 4.3 超声振动系统的四端网络参数
• 4.4 超声振动系统的性能分析
• 4.4.1 振型函数和应力分布函数
• 4.4.2 阻抗特性和前后振速比
• 4.5 本章小结
• 5 旋转超声振动系统的实验验证
• 5.1 旋转超声振动系统谐振频率的测试
• 5.2 工具进给速度对材料去除率及表面粗糙度的影响
• 5.3 超声功率对工件表面粗糙度的影响
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 主要结论
• 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文目录
• 致谢