本文關(guān)鍵詞：二維振動(dòng)輔助拋光新方法及系統(tǒng)研究

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【摘要】：光滑或超光滑表面元器件在航天航空、國防、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、能源等重要的工程領(lǐng)域有著日益增長的應(yīng)用需求。為了獲得所需的光滑表面或超光滑表面元器件,迄今為止國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行了大量的研究,提出了一些非常有價(jià)值的利用外部能量場(chǎng)作用的非傳統(tǒng)拋光加工方法,例如:磁場(chǎng)輔助拋光,超聲振動(dòng)輔助拋光,流場(chǎng)輔助拋光,電場(chǎng)輔助拋光等。在所提出的這些利用外部能量場(chǎng)作用的非傳統(tǒng)拋光方法中,兩軸超聲振動(dòng)輔助拋光方法驅(qū)動(dòng)拋光工具以超聲頻率作閉合運(yùn)動(dòng),可獲得更大的拋光去除效率,特別是在微小幾何特征元器件表面拋光中具有極大的應(yīng)用潛力。但是,在現(xiàn)有的兩軸超聲振動(dòng)拋光方法中,兩軸超聲振動(dòng)是由階梯形振動(dòng)體沿軸向的縱向振動(dòng)和沿橫向的彎曲振動(dòng)合成的,還存在如下一些缺陷制約了其性能。其一,振動(dòng)體的振動(dòng)模態(tài)受限于結(jié)構(gòu),難以得到期望比值的的縱向振動(dòng)頻率與彎曲振動(dòng)頻率,這使得合成的運(yùn)動(dòng)軌跡無法達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡要求;其二,在所要求的振動(dòng)幅值較大的情況下,容易激起沿軸向和橫向兩個(gè)方向的多個(gè)高階振動(dòng)模態(tài),這兩個(gè)方向的高階振動(dòng)模態(tài)之間不可避免地存在耦合;其三,通過共振方式產(chǎn)生的超聲振動(dòng)頻率,受限于振動(dòng)體的共振模態(tài)頻率,難以根據(jù)具體的加工要求進(jìn)行調(diào)整。為解決現(xiàn)有的兩軸超聲振動(dòng)輔助超聲拋光中存在的問題,本文進(jìn)行了二維振動(dòng)輔助拋光新方法及系統(tǒng)的研究。本文的研究主要涉及如下三個(gè)方面,即:二維振動(dòng)驅(qū)動(dòng)拋光工具的閉合運(yùn)動(dòng)軌跡生成及拋光去除函數(shù)理論分析;兩種解耦型二維振動(dòng)拋光系統(tǒng)的研發(fā)以及性能分析;利用所研制的拋光系統(tǒng),研究了拋光去除函數(shù)特征以及二維振動(dòng)參數(shù)和拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光去除的影響。(1)深入解析了二維振動(dòng)產(chǎn)生期望的閉合李薩如運(yùn)動(dòng)的參數(shù)條件,二維振動(dòng)參數(shù)對(duì)所產(chǎn)生的閉合運(yùn)動(dòng)軌跡形態(tài)的影響,拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng)所形成的拋光作用域,以及拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng)拋光時(shí)的材料去除函數(shù)。研究結(jié)果表明,控制二維振動(dòng)的振動(dòng)參數(shù),可以獲得填充正方形區(qū)域的閉合李薩如運(yùn)動(dòng)軌跡,所形成的交叉網(wǎng)格具有理想的均勻性和致密性,有助于改善拋光加工表面的紋理特征。在均布正方形區(qū)域的閉合往復(fù)重疊運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下,拋光工具在工件表面形成擬正方形的影響域,拋光工具尺寸越小,拋光作用域越接近正方形;與圓形拋光作用域相比,擬正方形拋光作用域有利于快速縫合工件上的整個(gè)加工表面;去除函數(shù)數(shù)值仿真表明,去除函數(shù)形狀為“Bowler帽”形。(2)創(chuàng)新性地提出了利用二維振動(dòng)驅(qū)動(dòng)拋光工具作閉合往復(fù)重疊運(yùn)動(dòng)的兩種新原理。其一,利用兩個(gè)獨(dú)立的郎之萬型振動(dòng)體驅(qū)動(dòng)拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng)的原理,研發(fā)了具有超聲頻率的二維振動(dòng)輔助拋光系統(tǒng);其二,利用兩個(gè)壓電疊堆以非共振直接驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng)的原理,研發(fā)了具有中高頻率的二維振動(dòng)輔助拋光系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,兩種系統(tǒng)在x和y向的互擾較小;解耦共振型拋光系統(tǒng)在x和y向皆可達(dá)到29.3kHz的共振頻率;解耦非共振型拋光系統(tǒng)在x和y向皆可達(dá)到300Hz的工作帶寬;利用解耦型非共振拋光系統(tǒng)易于產(chǎn)生不同頻率比的閉合往復(fù)重疊運(yùn)動(dòng)軌跡。(3)利用所研發(fā)的兩種二維振動(dòng)拋光系統(tǒng)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),在連續(xù)進(jìn)給拋光過程中,拋光力由于工件表面輪廓和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性使之具有一定程度的擾動(dòng),拋光力的統(tǒng)計(jì)均值主要依賴于施加于拋光工具的預(yù)加載荷;拋光工具作閉合往復(fù)重疊運(yùn)動(dòng),所形成的拋光去除函數(shù)皆具有“Bowler帽”形的分布形態(tài)。(4)利用解耦共振型二維驅(qū)動(dòng)拋光系統(tǒng)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),在共振二維驅(qū)動(dòng)下,拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間最大去除深度隨著預(yù)加載荷、振幅的增大而增大,卻隨著進(jìn)給速度的增大而減小;利用解耦非共振型二維驅(qū)動(dòng)拋光系統(tǒng),在非共振二維驅(qū)動(dòng)下,拋光工具作閉合運(yùn)動(dòng)時(shí),隨著二維振動(dòng)的頻率、頻率比以及預(yù)加載荷的增加,最大拋光去除深度將會(huì)增大。本文所進(jìn)行的二維振動(dòng)輔助拋光新方法及系統(tǒng)的研究,為進(jìn)一步針對(duì)微小幾何特征元器件進(jìn)行高效的光滑或超光滑表面確定性拋光奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG580.692

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本文編號(hào)：1262415