碳钢材料超声辅助振动金刚石镜面切削工艺技术的研究

论文摘要

近一个世纪以来,随着现代科学技术的飞速发展,特别是宇航、原子能、军工、电力等行业快速发展,对产品的材料性能提出了更高的要求,尤其是各种难加工碳钢材料和复杂形状工件在加工过程中出现的切削力大、切削温度高、刀具耐用度下降、已加工表面质量低等特点,是传统加工方法远远不能应付的,这就使得特种加工技术获得了很大的发展,其中,超声辅助切削加工技术作为特种加工技术里面重要的一种,发展尤为迅速。超声波加工辅助金刚石切削加工技术出现于上个世纪50年代初期,是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、广泛应用于加工领域的高效率制造技术。实际生产的广泛应用表明,超声辅助切削加工技术对提高产品质量,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的帮助。如今它已经广泛应用到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术各个领域。论文主要工作如下:建立超声波振动切削系统,首先根据各部件需求参数和匹配情况进行超声波发生器、超声波换能器和变幅杆的选型与研究。通过运用有限元仿真的方法对超声波变幅杆和整个振动单元进行分析,并运用模态分析确定变幅杆的振动特性,即固有频率和振型,通过谐响应分析确定在固有频率下的振幅放大倍数和变幅杆的位移节点,然后根据谐响应分析得出的位移节点设计出超声波振动刀架,并使超声波振动切削系统成功安装在超精密车床上。本文最后在超精密车床上,分别采用典型刀具材料-硬质合金、多晶金刚石和单晶金刚石为材料的刀具对碳钢材料Stavax进行切削实验,并展开了振动切削最佳参数的研究。实验结果表明:超声波振动切削对比普通切削可以大大减小被加工工件的表面粗糙度和加工刀具的磨损程度,并成功在模具钢表面获得了光学镜面。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的来源和意义
• 1.2 超声波加工系统的研究现状
• 1.3 国内外超声波振动切削加工的研究现状
• 1.4 振动切削概述
• 1.4.1 振动切削与普通切削的比较
• 1.4.2 振动切削分类
• 1.4.3 不敏感性振动切削原理
• 1.5 超声波振动加工的特点
• 1.6 论文的研究内容
• 第二章 超声波振动切削系统
• 2.1 超声波简介
• 2.2 超声波切削的基本机理
• 2.2.1 切削刃的运动机理
• 2.2.2 降低切削力和切削温度的机理
• 2.3 超声波振动切削系统组成
• 2.3.1 超声波发生器
• 2.3.2 超声波换能器
• 2.3.3 超声波变幅杆
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声波振动系统的动力学分析
• 3.1 有限元方法简介
• 3.2 有限元动力学分析的理论基础
• 3.3 变幅杆的动力学分析
• 3.3.1 模态分析
• 3.3.2 谐响应分析
• 3.3.3 谐响应分析结果
• 3.4 实验验证
• 3.4.1 阻抗分析
• 3.4.2 变幅杆末端振幅并对谐响应分析结果的验证
• 3.5 本章小节
• 第四章 超声波振动切削实验研究
• 4.1 超声波振动切削加工实验的准备
• 4.2 超声波振动切削实验
• 4.2.1 超声波振动切削实验基本原理
• 4.2.2 试验的建立
• 4.2.3 切削加工的试验准备
• 4.2.4 PCD刀具超声波振动切削试验研究
• 4.2.5 单晶金刚石刀具振动切削研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢