镁合金功率超声振动车削装置设计与仿真分析

论文摘要

本文在太原市2009年研究生创新创业专项“功率超声车削镁铝合金的技术研究”（09122040）的资助下,针对镁合金材料在切削加工过程中容易产生自燃和工件热变形的问题,探讨镁合金零件的超声振动车削加工工艺,设计适用于镁合金材料的功率超声振动车削加工装置,使其在较低等级的机床上实现镁合金零件的精密加工,具有现实的意义和实用价值。本论文主要的研究工作和成果有:（1）对镁合金材料的发展应用、功率超声振动加工、超声振动车削的国内外研究水平及发展现状进行了资料调研;（2）对镁合金功率超声振动车削机理进行了较为全面的分析,对普通车削与振动车削进行了对比分析,建立了镁合金超声振动车削的动力学模型,对镁合金功率超声振动车削过程中的特点、切削刃的运动机理、振动切削时镁合金工件的动态变化、切削液的冷却润滑机理进行了分析,从理论上揭示了功率超声振动加工能够有效提高镁合金工件加工精度和表面质量的原因;（3）根据镁合金功率超声振动车削的加工特点,结合镁合金材料的加工特性,设计了一套适用于镁合金材料加工的纵向超声振动车削装置,主要包括选用的超声波发生器,根据镁合金特性设计的换能器,变幅杆、加工刀具的具体尺寸参数并根据C620-1车床的主要技术参数设计了刀具夹体和装置安装部分,尽量使镁合金超声车削装置结构简单、装夹方便;（4）对镁合金的超声振动车削过程进行了有限元数值模拟,揭示了镁合金的超声振动加工特点及规律;对镁合金超声车削装置的声振系统部件（换能器、变幅杆、超声车刀）和装置整体进行了计算机仿真分析,利用有限元分析方法,对装置的设计尺寸进行逆向校正,替代激振实验来得到装置及其部件的固有频率。通过对镁合金功率超声振动车削装置的有限元仿真分析以及实际的安装调试,证明本装置的设计结果符合预期要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 镁合金材料的发展与应用
• 1.2 功率超声振动加工的特点与研究现状
• 1.3 课题的研究意义
• 1.4 课题来源及本文所做的工作
• 2. 镁合金功率超声振动车削机理
• 2.1 功率超声振动车削与普通车削的区别
• 2.2 镁合金功率超声振动车削的动力学模型
• 2.3 切削刃运动机理
• 2.4 振动车削时镁合金工件的动态变化
• 2.4.1 镁合金普通车削和超声振动车削切削力波形比较
• 2.4.2 镁合金普通车削时工件的动态位移
• 2.4.3 镁合金振动车削时工件的动态位移
• 2.4.4 镁合金振动车削与普通车削的动态比较
• 2.5 镁合金超声振动车削时切削液的冷却和润滑机理
• 2.5.1 镁合金超声振动车削时切削液的减摩作用
• 2.5.2 镁合金超声振动车削时切削液的浸润作用
• 2.5.3 镁合金超声振动车削时切削液冷却与润滑效果
• 2.6 本章小结
• 3. 镁合金纵向功率超声振动车削装置设计
• 3.1 镁合金超声车削装置变幅杆的设计
• 3.1.1 变幅杆类型的选择
• 3.1.2 变幅杆材料的选择
• 3.1.3 变幅杆的参数设计
• 3.2 镁合金超声车削装置换能器的理论分析及设计
• 3.2.1 镁合金超声车削装置换能器各部分设计要求
• 3.2.2 变截面细棒的一维纵振动方程
• 3.2.3 换能器压电方程选择
• 3.2.4 换能器电路状态方程
• 3.2.5 换能器机械振动方程
• 3.2.6 换能器的机电等效电路及特性分析
• 3.2.7 镁合金超声振动车削装置换能器的频率方程
• 3.2.8 镁合金超声车削装置换能器的设计过程
• 3.3 镁合金超声车削刀具的设计
• 3.3.1 镁合金超声车削刀具的选用原则
• 3.3.2 镁合金超声车削刀具材料和几何角度的选用
• 3.3.3 镁合金超声车削刀具尺寸设计
• 3.4 镁合金纵向超声振动车削装置总体设计
• 3.5 本章小结
• 4. 镁合金功率超声振动车削装置的仿真分析
• 4.1 镁合金超声振动车削过程的有限元数值模拟
• 4.1.1 仿真模型的建立
• 4.1.2 镁合金工件与刀具的摩擦边界条件
• 4.1.3 有限元模型建立
• 4.1.4 仿真结果分析
• 4.2 镁合金超声车削装置变幅杆的仿真分析
• 4.3 镁合金超声车削装置换能器的仿真分析
• 4.4 镁合金超声车削刀具的计算机仿真分析
• 4.4.1 镁合金超声车削刀具的 ANSYS 仿真分析
• 4.4.2 镁合金超声车削刀具的 UG 高级仿真分析
• 4.5 镁合金功率超声振动车削装置整体的仿真分析
• 4.6 镁合金功率超声振动车削装置的实际安装与调试校验
• 4.7 本章小结
• 5. 结论与展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢