超声振动内圆磨削系统的关键技术及实验研究

论文摘要

超声振动内圆磨削加工是将超声加工技术应用于内圆孔磨削领域的一种新型精密加工技术。随着各行业对机械零件质量性能的要求愈来愈高以及具有优良性能的新材料不断出现，超声振动内圆磨削技术以其独特的磨削机理和优越的工艺效果，引起了广泛的关注。超声振动内圆磨削系统是超声振动内圆磨削技术的核心，因此针对该系统的研究也备受关注。目前国内外对该系统的研究还不够完善，特别是该系统中某些关键技术和技术难题尚未得到很好的解决，本文针对这些关键技术展开研究：1、在分析超声振动内圆磨削机理的基础上提出了结构紧凑、模块化装配、适用于较高转速内圆磨削加工的超声振动内圆磨削系统方案,并对该系统进行了结构设计。2、基于声学理论模型和机-电等效理论，提出了适用于超声振动内圆磨削系统的振子系统设计方案；运用大型有限元分析工具ANSYS12.0软件对设计的超声振动内圆磨削振子系统进行数学建模和动力学分析，并对振子系统的最佳过渡圆弧、法兰盘直径和节面位置等参数进行了优化分析，揭示了其存在的变化规律，确定了合理的结构参数。3、针对超声振动内圆磨削振子系统各部件连接中存在的发热严重，阻抗值升高和变幅杆、接长杆断裂等问题以及无法定量控制装配过程的现象，本文对超声变幅杆和接长杆、接长杆和砂轮之间的匹配连接技术展开研究，以确定合理的匹配连接方式，并研制了超声振动内圆磨削振子系统的样机。从谐振工作点的导纳特性出发，运用阻抗分析仪对研制出的超声振动内圆磨削振子系统进行阻抗特性和频率特性分析；采用用超声波信号发生器、功率放大器和光纤测振仪等仪器对超声振动内圆磨削振子系统的振动特性进行分析，以验证其固有频率点的准确性，结果显示各项性能参数满足设计要求指标。4、由于传统的碳刷、集流环电信号传输方式中存在碳刷易损坏集流环，碳积、导线裸露和易打火等难以克服的缺陷，本课题前期研究中设计的非接触式超声频电信号装置解决了上述问题，但存在着旋转部件回转半径大制约了转速的提高和装置中磁芯材料加工难度大等缺点，本文从减小回转部件转动惯量、提高超声主轴工作转速和电信号传输效率的角度，设计了新型非接触式超声频电信号传输装置，并进行了阻抗匹配和试验。5、对超声振动内圆磨削系统的关键部件进行实验研究，测试超声振动内圆磨削振子系统和超声主轴的阻抗特性、振动特性和频率特性等参数；揭示了相关特性的变化规律；并检验了超声振动内圆磨削系统的工作性能，为该系统的实用化发展奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声振动内圆磨削技术概况
• 1.2.1 超声振动内圆磨削
• 1.2.2 超声振动内圆珩磨
• 1.3 超声振动内圆磨削系统研究现状
• 1.4 本课题的研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 论文的研究意义
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 第二章 超声振动内圆磨削系统结构方案
• 2.1 引言
• 2.2 超声振动内圆磨削机理
• 2.3 超声振动内圆磨削系统构成方案
• 2.3.1 驱动部件构成方案
• 2.3.2 执行部件构成方案及理论分析
• 2.4 超声振动内圆磨削系统的总体结构及性能特点
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声振动内圆磨削振子系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 超声振动内圆磨削振子系统的数学建模
• 3.3 超声振动内圆磨削振子系统的结构设计
• 3.3.1 振子系统的谐振频率和振幅
• 3.3.2 振子系统超声换能器的设计
• 3.3.3 振子系统复合变幅杆的设计
• 3.3.4 振子系统磨削工具的设计
• 3.4 超声振动内圆磨削振子系统的模态分析
• 3.5 超声振动内圆磨削振子系统换能器装配
• 3.6 本章小结
• 第四章 超声振动内圆磨削系统关键技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于有限元模态分析的振子系统结构参数优化
• 4.2.1 振子系统变幅杆过渡圆弧的优化分析
• 4.2.2 振子系统变幅杆法兰盘直径的有限元优化分析
• 4.2.3 基于有限元的振子系统节面位置优化分析
• 4.3 超声振动内圆磨削振子系统匹配连接技术
• 4.3.1 匹配连接方案论证
• 4.3.2 基于有限元分析的螺母-接长杆端面压紧连接研究
• 4.3.3 螺母-接长杆端面压紧方式的匹配研究
• 4.4 超声振动内圆磨削系统磨削工具的研究
• 4.4.1 磨削工具磨料的选择
• 4.4.2 磨削工具的连接方式
• 4.4.3 磨削工具连接方式的试验验证
• 4.5 非接触式超声频电信号传输装置的结构优化
• 4.5.1 非接触式超声频电信号传输的基本原理
• 4.5.2 超声振动内圆磨削系统的机电耦合匹配
• 4.5.3 非接触式超声频电信号传输装置结构设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 超声振动内圆磨削系统的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 阻抗特性实验研究
• 5.2.1 振子系统的阻抗特性实验研究
• 5.2.2 超声主轴的阻抗特性实验研究
• 5.3 频率特性实验研究
• 5.4 振动特性实验研究
• 5.4.1 振子系统的振动特性实验研究
• 5.4.2 超声主轴的振动特性实验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历