超声切削振动系统振子性能的研究

论文摘要

随着科学技术和工业生产的发展,对各种精密机械零件的加工精度和表面质量的要求越来越高,而利用传统切削加工方法,效率很低,难以保证高精度的技术要求,有的甚至无法加工,为此出现了超声振动切削技术,解决传统切削加工中固有的难题,从而获得了优良的切削效果。超声振子是超声振动切削技术的核心,其性能是否良好对切削效果的好坏起到决定性作用。然而目前超声切削技术还不是很完善,存在着不少问题,如要普及推广该技术,则必须先掌握超声振子的性能特点,才能根据具体的应用对象对其性能进行合理确定或设计,以取得更好的实用效果,因此本文的研究对于超声振子的精确设计和调试提供可靠的理论依据,对超声切削技术的高效利用有着指导意义。本文首先阐述了超声切削振动系统压电振子的主要性能指标,对振子性能研究的意义和必要性进行了论述,突出了本文研究内容的迫切性。其次,在分析超声振子的基本原理与结构的基础上,设计了实验用的半波长夹心式压电陶瓷振子,通过采用ANSYS软件分别对变幅杆及换能器影响振子的性能进行有限元静、动态分析。最后通过对超声切削系统振子运行机理的研究,理论分析了施加预应力的范围,采用ANSYS软件分析了螺杆预应力和工具对超声振子共振频率和振幅性能的影响。通过阻抗-频率法对有限元分析结果进行了初步验证,实验结果与计算共振频率基本相符,验证了有限元分析的正确性,而有限元谐响应分析对具体的设计有实际的指导意义。另外通过水珠雾化实验观察振子起振情况,设计的振子振动效果良好,能够全雾化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 超声振动切削系统的概述
• 1.3 国内外超声振动的研究状况
• 1.3.1 国内超声振动的研究状况
• 1.3.2 国外超声振动的研究状况
• 1.4 超声切削振动系统振子的主要性能指标
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 超声变幅杆材料对振子性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 超声振子变幅杆类型及材料的选取
• 2.3 变幅杆的设计
• 2.4 变幅杆材料对振子性能影响
• 2.4.1 三种材料的变幅杆模态分析
• 2.4.2 三种材料变幅杆的谐响应分析
• 2.5 铝材料变幅杆结构优化
• 2.6 本章小结
• 第3章 超声振动系统换能器对振子性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 超声换能器的种类
• 3.3 纵振动压电换能器的工作原理
• 3.4 实验用夹心式压电陶瓷换能器的尺寸确定
• 3.4.1 超声振子换能器组合等效声参数确定
• 3.4.2 压电陶瓷元件尺寸确定
• 3.4.3 压电陶瓷晶堆以及后盖板尺寸确定
• 3.4.4 压电耦合场分析说明
• 3.4.5 压电材料参数确定
• 3.4.6 参数化模型的建立与网格划分
• 3.4.7 有限元分析结果
• 3.4.8 压电陶瓷片厚度对振子振动性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 螺杆预应力及工具对振子性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 螺杆预应力对超声振子性能的影响
• 4.2.1 预应力允许施加范围的估算
• 4.2.2 预应力对振子谐振频率的影响
• 4.3 添加加工工具对振动系统的影响
• 4.3.1 工具轴向长度以及直径大小对振动系统谐振频率影响
• 4.3.2 工具端面形状对振子谐振频率影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 超声振子谐振频率及振动效果的实验研究
• 5.1 实验方案确定
• 5.2 超声振子谐振频率的测定与实验研究
• 5.3 振子工具对谐振效果影响的实验研究
• 5.4 超声振子最佳起振效果的实验研究
• 5.5 实验与仿真结果对比分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢