發(fā)布時間：2020-11-05 13:29

　　 超聲振動輔助加工因具有減小切削力、降低切削溫度和改善加工表面質(zhì)量等優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于車削、鉆削、磨削等機械加工方式中,但是由于受到銑削加工特殊條件的限制,超聲振動在銑削加工應(yīng)用中的發(fā)展比較緩慢。目前在超聲銑削加工領(lǐng)域的研究以超聲振動工作臺和純縱向振動刀具的方式為主,嚴重限制了超聲振動輔助銑削加工的優(yōu)勢,因此研究多維的、刀具振動形式的超聲銑削加工方式具有重要意義。本課題針對于超聲銑削加工,研究在單一縱向振動激勵下產(chǎn)生縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動、且具有三維振動軌跡的刀具振動銑削系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上對縱扭共振超聲銑削加工的切削過程特性進行解析,研究其加工特性。最后利用縱扭超聲銑削加工系統(tǒng)對弱剛度結(jié)構(gòu)件進行加工,研究其對弱剛度結(jié)構(gòu)件加工的性能。在不影響機床主軸正常運行的情況下,為將具有多維超聲振動的銑削刀具應(yīng)用在普通銑削機床上,本文首先提出了一種具有共用縱向振動與扭轉(zhuǎn)振動節(jié)點的縱扭共振超聲換能器設(shè)計方法;基于聲波的傳播與反射理論,研究了縱扭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在縱向振動激勵下產(chǎn)生縱向和扭轉(zhuǎn)方向激振力和力矩的機理,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了縱扭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu);基于等效電路法和有限元法設(shè)計了刀具振動銑削用的縱扭共振超聲換能器的結(jié)構(gòu);通過阻抗測試、有限元分析以及試驗測試的方式對超聲換能器的頻率特性、振動特性以及節(jié)點特性進行驗證,通過激光測位移檢測得到了換能器的縱向振動幅值和扭轉(zhuǎn)振動幅值,為后續(xù)分析縱扭超聲銑削加工過程奠定基礎(chǔ)。為了給高速旋轉(zhuǎn)的縱扭共振超聲換能器進行供電,以松耦合變壓器原理為基礎(chǔ)設(shè)計了原邊和副邊線圈可以相對轉(zhuǎn)動且副邊線圈電感與負載換能器能相互進行電路補償?shù)臒o線電能傳輸單元;通過理論計算和電路仿真的方式,研究了不同電路補償方式對無線供電單元的電能傳遞效率、輸入輸出的電壓幅值及波形的影響,并以此為基礎(chǔ)制定在不同條件下選擇電路補償方式的原則�；诳v扭共振超聲換能器的電學(xué)特性,選擇了合適的電路補償方式對換能器進行無線供電。以縱扭超聲銑削刀具的運動軌跡和刀具空載時間為研究對象,研究了縱扭超聲振動對銑削加工過程產(chǎn)生的影響。首先建立了縱扭共振超聲振動銑削加工刀尖運動軌跡的數(shù)學(xué)模型,將螺旋銑刀切削刃以及三維的刀尖軌跡沿刀具切削方向展開得到二維平面內(nèi)的切削刃以及刀尖運動軌跡,并以此展開的切削刃及其運動軌跡分析縱扭共振超聲銑削加工相對于純縱向振動超聲加工和普通銑削加工之間的區(qū)別;通過刀尖運動軌跡數(shù)學(xué)模型,結(jié)合二維平面內(nèi)刀尖運動軌跡幾何圖形,建立了單一超聲振動周期內(nèi)切削過程中刀具空載時間的數(shù)學(xué)模型,并通過該數(shù)學(xué)模型預(yù)測不同銑削加工參數(shù)以及超聲振動參數(shù)下超聲銑削加工過程中的空載時間;以縱扭超聲銑削刀具運動軌跡數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過有限元仿真的方式研究了縱扭超聲振動對銑削加工過程中切削力的減小作用以及空載時間與超聲加工過程中切削力減小作用之間的關(guān)系,為縱扭超聲銑削加工時切削參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。為考察縱扭超聲振動銑削對于弱剛度結(jié)構(gòu)件的加工性能,本文首先基于機械振動理論,以縱扭共振超聲銑削刀具空載時間數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),研究了弱剛度結(jié)構(gòu)件在銑削加工過程中的剛度強化效應(yīng),建立了弱剛度結(jié)構(gòu)件超聲銑削加工時等效剛度的數(shù)學(xué)模型,以薄板結(jié)構(gòu)為例通過有限元仿真和銑削加工試驗的方式驗證了超聲銑削加工對提高弱剛度結(jié)構(gòu)等效剛度的作用;建立了縱扭共振超聲振動銑削加工動力學(xué)模型,通過半離散法求出了縱扭共振超聲銑削加工的穩(wěn)定性葉瓣圖,并預(yù)測了不同銑削加工參數(shù)以及超聲振動參數(shù)下弱剛度結(jié)構(gòu)銑削加工時的穩(wěn)定性;以薄板結(jié)構(gòu)為例進行了縱扭超聲銑削加工試驗,并通過檢測加工過程中結(jié)構(gòu)上的振動加速度、切削力以及薄板振動位移來驗證了縱扭共振超聲銑削加工對于弱剛度加工過程的改善作用。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG54;TG663
【部分圖文】：

第1章 緒 論.1課題背景及研究目的隨著航空航天產(chǎn)品對性能的不斷追求，許多比強度高[1]、結(jié)構(gòu)剛度低如細長軸結(jié)構(gòu)、深小孔結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)[2]、榫頭榫槽結(jié)構(gòu)等加工困難結(jié)用逐漸增多，并且這些剛度較弱的零件往往都是非常重要的部件，如發(fā)管、葉輪、天線罩等等。圖 1-1 所示為波音 787 所使用的兩種可以根據(jù)要求進行互換使用的發(fā)動機，其零件中就包括很多的難加工的結(jié)構(gòu)如渦榫槽、渦輪榫頭、發(fā)動機葉片榫槽。這類弱剛度零件的制造給加工帶來的挑戰(zhàn)，首先加工時由于受到切削力的作用，加工過程中零件的變形得加工誤差難以控制；其次加工過程中的振動容易在動態(tài)切削力的作用穩(wěn)定，發(fā)生再生性顫振現(xiàn)象，從而使得加工表面質(zhì)量急劇下降，甚至使過程不能繼續(xù)進行。

工序多、工程復(fù)雜，并由于其本身是由多個扇形壓電陶瓷疊加而成，不整體，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、各扇形壓電陶瓷之間性能的協(xié)調(diào)性等等都沒的壓電陶瓷好。a) painting silver electrodes b) polarizing one areaa) 噴涂電極 b) 極化某個區(qū)域c) polarizing other areas d) erasing the electrodesc) 極化其他區(qū)域 d) 擦除電極

如圖1-3 所示，其研究中還指出了聲波在換能器內(nèi)部傳播的速度不僅取決于波的種類以及材料的性能，還與變幅桿的半徑減小系數(shù)有關(guān)系，因此其提出可以通過修改變幅桿的半徑減小系數(shù)來調(diào)節(jié)換能器的縱振模態(tài)頻率和扭振模態(tài)頻率[25,-3-
【參考文獻】

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本文編號：2871699