硬脆材料超声旋转套料加工系统的研制

论文摘要

硬脆材料的应用日益广泛,但由于这种材料硬度高、脆性大、又不导电,所以加工起来比较困难。尤其是孔加工时,经常出现钻头出口处的锥状崩边现象,严重影响了被加工件的表面质量、强度和美观程度,甚至使整个工件报废,因此很容易降低加工效率、增加成本。近年来,国内外利用超声旋转加工硬脆材料深小孔、微孔等技术取得了很大进步,但大直径孔很少涉及。本文针对硬脆材料钻孔时的锥状崩边问题,研制了一套大直径孔超声旋转套料加工系统,并对其核心部分——半波长超声振动系统做了重点研究。确定了超声振动系统三个组成部分的结构形式:换能器选择夹心式压电换能器的典型结构,并确定了换能器振子的具体参数;根据实验要求确定变幅杆为既能满足超声加工需要、又易于设计加工的圆锥形;根据超声波能量传递的特点设计了连接简单、定位可靠的套料工具。最后考虑加工的需要,在套料工具切削部分的表面电镀人造金刚石磨粒。本文用解析法和传输矩阵法分别建立了超声振动系统的数学模型,确定了各部分的尺寸,并研制了一系列等阻抗匹配的套料工具。通过对比,传输矩阵法更直观、运用更简便,两种方法达到了互相验证的目的。对超声振动系统进行了动力学分析,包括模态分析和谐波响应分析,并对套料工具的尺寸进行了优化与修正,解决了无法用公式进行尺寸修正的问题。对研制的超声振动系统进行了性能测试实验,分析了其性能参数。在对硬脆材料加工特性充分了解的基础上,进行了加超声和不加超声的套料加工实验,并对加工效果及轴向力进行了分析比较,验证了超声加工解决硬脆材料崩边问题的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 超声旋转加工机理
• 1.4 国内外现状
• 1.4.1 国外超声振动系统的研究与应用现状
• 1.4.2 国内超声振动系统的研究与应用现状
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第2章 超声振动系统结构与工艺设计
• 2.1 超声振动系统主要性能指标的确定
• 2.2 超声振动系统结构设计
• 2.2.1 超声换能器结构设计
• 2.2.2 超声变幅杆结构设计
• 2.2.3 套料工具结构设计
• 2.2.4 超声振动系统总体结构的确定
• 2.3 套料工具电镀人造金刚石工艺研究
• 2.3.1 电镀人造金刚石的基本原理及特点
• 2.3.2 钢基体表面电镀人造金刚石工艺
• 2.4 本章小结
• 第3章 超声振动系统数学模型的建立及参数优化
• 3.1 振动系统数学模型建立的方法
• 3.1.1 解析法
• 3.1.2 传输矩阵法
• 3.2 半波长振动系统数学模型的建立
• 3.2.1 1/4 波长换能器数学模型的建立
• 3.2.2 1/4 波长变幅杆与套料工具数学模型的建立
• 3.2.3 变幅杆与套料工具阻抗匹配的研究
• 3.3 超声振动系统的动力学分析及优化
• 3.3.1 振动系统建模
• 3.3.2 振动系统模态分析及优化
• 3.3.3 振动系统谐波响应分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 超声旋转套料加工系统研制及实验
• 4.1 超声振动系统的性能测试实验
• 4.2 超声旋转套料加工实验系统的组成
• 4.3 硬脆材料套料加工实验及结果分析
• 4.3.1 硬脆材料加工特性
• 4.3.2 实验及结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢