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量等優(yōu)異性能而廣泛應用于車削、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用中的發(fā)展比較緩慢。目前在超聲銑削加工領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生縱向振動和扭轉振動、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)對弱剛度結構件進行加工,研究其對弱剛度結構件加工的性能。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振動節(jié)點的縱扭共振超聲換能器設計方法;基于聲波的傳播與反射理論,研究了縱扭轉換結構在縱向振動激勵下產生縱向和扭轉方向激振力和力矩的機理,并在此基礎上設計了縱扭轉換結構;基于等效電路法和有限元法設計了刀具振動銑削用的縱扭共振超聲換能器的結構;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振動幅值,為后續(xù)分析縱扭超聲銑削加工過程奠定基礎。為了給高速旋轉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設計了原邊和副邊線圈可以相對轉動且副邊線圈電感與負載換能器能相互進行電路補償的無線電能傳輸單元;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學模型,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學模型,結合二維平面內刀尖運動軌跡幾何圖形,建立了單一超聲振動周期內切削過程中刀具空載時間的數學模型,并通過該數學模型預測不同銑削加工參數以及超聲振動參數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學模型為基礎,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系,為縱扭超聲銑削加工時切削參數的選擇提供了依據。為考察縱扭超聲振動銑削對于弱剛度結構件的加工性能,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學模型為基礎,研究了弱剛度結構件在銑削加工過程中的剛度強化效應,建立了弱剛度結構件超聲銑削加工時等效剛度的數學模型,以薄板結構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構等效剛度的作用;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,并預測了不同銑削加工參數以及超聲振動參數下弱剛度結構銑削加工時的穩(wěn)定性;以薄板結構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構上的振動加速度、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。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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品對性能的不斷追求，許多比強度高[1]、結構剛度低如細長軸結構、深小孔結構、薄壁結構[2]、榫頭榫槽結構等加工困難結用逐漸增多，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構如渦榫槽、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量急劇下降，甚至使過程不能繼續(xù)進行。

工序多、工程復雜，并由于其本身是由多個扇形壓電陶瓷疊加而成，不整體，整體結構的穩(wěn)定性、各扇形壓電陶瓷之間性能的協(xié)調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有關系，因此其提出可以通過修改變幅桿的半徑減小系數來調節(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】

相關期刊論文 前10條

1 高航;孫超;冉沖;張欣;李麗麗;;疊層復合材料超聲振動輔助螺旋銑削制孔工藝的試驗研究[J];兵工學報;2015年12期

2 唐軍;趙波;;分離型縱-扭復合超聲銑削的穩(wěn)定性分析[J];兵工學報;2015年07期

3 唐軍;趙波;;單激勵縱扭復合超聲銑削系統(tǒng)研究[J];振動與沖擊;2015年06期

4 姜興剛;梁海彤;盧慧敏;代建隊;張德遠;;鈦合金薄壁件超聲橢圓振動銑削研究[J];兵工學報;2014年11期

5 楊建華;張定華;吳寶海;;考慮加工過程的復雜薄壁件加工綜合誤差補償方法[J];航空學報;2014年11期

6 張承龍;馮平法;張建富;;光學玻璃旋轉超聲端面銑削表面特性[J];清華大學學報(自然科學版);2012年11期

7 趙學慧;林書玉;;一種新型扭轉振動超聲變幅桿研究[J];陜西師范大學學報(自然科學版);2011年05期

8 葉發(fā)根;曹輝;林書玉;;一種新型扭轉振動壓電陶瓷超聲換能器[J];壓電與聲光;2010年03期

9 皮鈞;徐西鵬;;縱扭共振超聲銑削研究[J];中國機械工程;2009年10期

10 皮鈞;;圓環(huán)斜槽傳振桿的縱扭振動轉換[J];機械工程學報;2008年05期

相關博士學位論文 前7條

1 張躍敏;超聲振動輔助銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[D];河南理工大學;2017年

2 王明;SiCp/Al旋轉超聲加工機制及薄壁件加工穩(wěn)定性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 肖才偉;基于切削力感知的智能切削刀具設計及其關鍵技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

4 胡海軍;超聲振動微銑削系統(tǒng)的建立及銑削力和殘余應力的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

5 丁輝;二維振動輔助微細銑削機理及其實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2011年

6 沈學會;超聲振動輔助銑削加工技術及機理研究[D];山東大學;2011年

7 馮冬菊;超聲波銑削加工原理及相關技術研究[D];大連理工大學;2006年

本文編號：2871699