旋转超声加工机理的有限元分析

论文摘要

旋转超声加工是加工玻璃、陶瓷、石英、翡翠等硬脆材料的有效方法。传统超声加工虽然也可以加工以上硬脆材料,但其加工效率则明显不及旋转超声加工,而且加工复杂的图形或型腔需要借助模具的作用,所以其应用受到很大的限制。旋转超声加工可以直接加工复杂图形和三维型腔,具有良好的加工精度和表面质量,近年来其应用越来越广泛。本文以研究旋转超声加工机理为出发点,进行了旋转超声加工相关实验设备的设计、制造和不同参数下的加工能力实验,对旋转超声加工机理进行理论探讨,并通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对旋转超声加工机理进行有限元仿真分析。主要研究内容有:1.在研究旋转超声加工机理的过程中,分析概括了传统超声波加工和旋转超声波加工材料的去除机理及国内外研究现状,建立了旋转超声波加工材料去除率的数学模型。对于工件材料的裂纹产生及扩展,从压痕力学模型和能量角度方面进行了探讨。2.利用大型通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对旋转超声加工材料去除机理进行研究。对数值模拟中的材料模型选择、单元类型选择、接触算法与接触类型等做出了具体分析。根据试验条件建立了球形、楔形、立方体形、锥形及各磨粒组合的有限元模型,得出了传统和旋转超声加工中不同类型磨粒作用工件后的有限元结构变形,并逐个进行了应力分析和总结,直观研究了旋转超声的加工机理。3.根据需要我们设计出了具有较大振幅的阶梯型变幅杆。根据振动理论和有限元方法,利用大型有限元分析软件ANSYS对其进行模态和谐响应分析,并对阶梯型变幅杆的各种结构变化（大端圆柱面有否加工浅槽,小端有否连接工具,变幅杆小端是否加工孔,工具头是否为孔状结构等因素）对变幅杆谐振频率的影响进行了研究和总结。4.设计制造出旋转超声加工系统力的进给装置,完善了实验系统。通过实验分析了不同加工参数（进给力、旋转速度）对材料去除率的影响,并根据正交实验得出最优加工参数组合。对试件加工区形貌进行了分析,研究了加工中出现的崩边现象并提出来改善措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的科学依据
• 1.2 选题的目的和意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.4 本课题主要研究工作
• 第二章 旋转超声加工技术概述
• 2.1 旋转超声波加工的基本原理
• 2.2 旋转超声波加工与传统超声加工比较
• 2.3 旋转超声波加工系统的主要组成
• 第三章 旋转超声波加工机理的理论分析
• 3.1 传统超声波加工材料去除机理概况
• 3.2 旋转超声波加工材料去除机理
• 3.2.1 旋转式超声波加工材料去除机理概述
• 3.2.2 旋转式超声波加工材料去除率的数学模型
• 3.2.3 工程陶瓷材料的压痕实验
• 3.2.4 超声波加工过程中裂纹的形成
• 3.2.5 超声波加工过程中冲击力的分析
• 第四章 旋转超声波加工机理的数值分析与模拟
• 4.1 有限元仿真
• 4.1.1 材料模型的选择与分析
• 4.1.2 单元类型的选择
• 4.1.3 建立有限元模型
• 4.1.4 接触中的初始穿透问题及接触分析注意问题
• 4.2 计算结果分析及实验对比
• 4.2.1 结构变形分析
• 4.2.2 应力计算结果分析
• 4.2.3 小结
• 第五章 实验用变幅杆的设计及有限元分析
• 5.1 变幅杆的设计
• 5.1.1 变幅杆类型的选择
• 5.1.2 变幅杆材料的选择
• 5.1.3 变截面杆纵振波动方程
• 5.1.4 变幅杆各参数的计算
• 5.2 变幅杆频率测量
• 5.3 变幅杆的有限元动力学分析
• 5.3.1 模态分析的力学基础
• 5.3.2 模态分析
• 第六章 旋转超声加工实验研究
• 6.1 实验目的
• 6.2 主要实验设备
• 6.3 实验系统及进给装置的设计
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 最优加工参数的正交实验设计
• 6.4.2 各加工参数对材料去除率的影响
• 6.4.3 旋转超声加工区形貌
• 6.5 崩边现象及改善措施
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文