超声波振动辅助车削加工机理分析

论文摘要

随着科学技术的发展,精密和超精密加工技术占有越来越重要的地位,对于一些特殊材料和复杂形状的工件,很难采用传统的加工方法,使得特种加工技术获得了很大的发展,其中发展尤为迅速的是超声加工技术。超声技术在对提高产品质量,保障生产安全和设备安全运行,降低生产成本,提高生产效率等方面具有很大帮助。如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。本文首先研究了超声振动机理。定义了净切削比(超声振动车削一个振动周期中,实际切削时间与振动周期的比值),研究了净切削比与切削力的关系。研究表明,切削相同材料时切削力的大小是由净切削比决定的;降低切削力,首先要降低净切削比。通过有限元软件MARC模拟了振动切削过程,研究了超声振动切削温度场分布及切削热变化规律;仿真结果表明,在一次振动周期内,刀屑分离过程中的快速散热是振动车削过程中切削温度降低的主要原因。本文建立了超声振动辅助车削加工系统。通过调研比较,对发生器、换能器和调幅器进行了选型;依靠理论计算出刀杆尺寸,用ANSYS有限元软件进行了模态分析,确定了刀杆的振动特性,即刀杆的固有频率及振型,修正了理论计算尺寸,设计了整波长超声振动车刀;为实现在普通车床上切向振动车削,设计了刀架及一些零部件,建立了超声振动切削系统。本文进行了超声振动辅助车削试验。验证了振幅、切削速度与切削力的关系,验证了切削热分布的规律;并对超声波振动切削45号钢的切削参数进行了优化分析;对比了超声振动车削与普通车削的功率、表面粗糙度、切削力等;试验结果表明,振动车削可以降低切削力,表面粗糙度值在振动车削条件下明显减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 超声振动系统
• 1.2.2 超声振动切削理论
• 1.2.3 超声车削加工系统
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 超声波辅助振动车削理论研究
• 2.1 超声波的基本原理及特点
• 2.2 超声波加工的基本原理
• 2.2.1 超声振动切削原理
• 2.2.2 切削力
• 2.2.3 振幅的影响
• 2.2.4 切削速度的影响
• 2.2.5 振动车削温度场的模拟
• 2.3 本章小结
• 第三章 超声波振动辅助车削系统的建立
• 3.1 超声装置概述及其选用
• 3.2 超声波发生器的选用
• 3.3 换能器
• 3.3.1 磁致伸缩换能器
• 3.3.2 压电式换能器
• 3.3.3 换能器的匹配与选型
• 3.4 调幅器
• 3.5 超声波车刀的设计
• 3.5.1 超声车刀特性
• 3.5.2 采用F.E.A 方法设计刀杆
• 3.5.3 实体建模
• 3.5.4 软件ANSYS 模态分析
• 3.5.5 分析结果
• 3.6 连接与固定方案
• 3.7 本章小结
• 第四章 超声波振动辅助车削试验研究
• 4.1 切削试验方案
• 4.1.1 切削试验系统
• 4.1.2 切削试验步骤
• 4.2 试验结果分析
• 4.2.1 切削深度对切削过程的影响
• 4.2.2 进给量对切削过程的影响
• 4.2.3 切削速度对切削过程的影响
• 4.2.4 参数优化
• 4.3 试验结果验证
• 4.3.1 对振幅影响的验证
• 4.3.2 对转速影响的验证
• 4.3.3 对温度仿真的验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参加的项目
• 攻读硕士学位期间所获专利