碳-碳化硅材料縱扭復(fù)合超聲銑削系統(tǒng)及加工穩(wěn)定性的研究.pdf

1、隨著碳/碳化硅材料在國防軍工、航空航天以及汽車等領(lǐng)域應(yīng)用需求的日益增多，對其零件的加工精度、表面質(zhì)量以及加工效率提出了更加嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式已無法滿足碳/碳化硅材料的加工要求。超聲加工技術(shù)在降低切削力、提高工件表面質(zhì)量和延長刀具耐用度等方面具有顯著優(yōu)勢，是加工碳/碳化硅材料的最有效方法。針對加工工件的特點(diǎn)，提出將縱扭復(fù)合超聲振動與普通銑削有機(jī)結(jié)合的思路，以期獲得碳/碳化硅材料的高效高質(zhì)加工方法。本文針對縱扭復(fù)合超聲銑削系統(tǒng)中

2、的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研制了縱扭復(fù)合超聲系統(tǒng)與無線電能傳輸系統(tǒng)，并探討了縱扭復(fù)合超聲銑削系統(tǒng)的加工穩(wěn)定性問題，最后，通過對碳/碳化硅材料進(jìn)行銑削試驗，分析了縱扭復(fù)合超聲銑削碳/碳化硅材料的加工性能與加工效果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對模態(tài)疊加型縱扭復(fù)合超聲換能器的應(yīng)用缺陷，提出利用環(huán)槽結(jié)構(gòu)具有縱振耦合和扭振隔離特性，在縱扭同頻共振換能器上成功構(gòu)造出簡并節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用有限元軟件ANSYS對其模態(tài)分析，驗證了設(shè)計思路的合理性。⑵對比

3、分析表觀彈性理論、一維振動理論以及有限單元法，并得出長徑比可以作為一維振動理論應(yīng)用范圍的判斷依據(jù)。基于一維振動理論，利用等效電路法推導(dǎo)了考慮后置螺栓時縱振夾心換能器的頻率方程。在此基礎(chǔ)上，研制了一種基于縱扭耦合振動的夾心換能器，并應(yīng)用有限元軟件和阻抗分析儀分別對其振動性能進(jìn)行優(yōu)化和測試。⑶基于傳輸矩陣法，推導(dǎo)了圓錐、指數(shù)、懸鏈過渡階梯形復(fù)合超聲變幅桿的縱振頻率方程與扭振頻率方程，并指出通過合理設(shè)計變幅桿的各段長度可以實現(xiàn)其縱扭同頻共振。

4、在此基礎(chǔ)上，通過對均勻圓棒中縱扭共振的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，提出了一種基于d31效應(yīng)的貼片式縱扭復(fù)合超聲振動系統(tǒng)。⑷基于波的傳導(dǎo)理論，分析了斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器中波的傳播特性，修正了斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器的頻率方程，設(shè)計并研制了一套斜槽式縱扭復(fù)合超聲變幅桿。為了拓展縱扭復(fù)合超聲振動的實現(xiàn)形式，本文又研制了三種新型結(jié)構(gòu)，即孔式、斜梁式以及螺旋槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器。⑸基于運(yùn)動合成原理，分析了分離型縱扭復(fù)合超聲銑削加工的切削軌跡特征和切削特性，闡明了

5、其具有降低切削力、提高表面加工質(zhì)量和延長刀具壽命的實質(zhì)。隨后，基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，建立了分離型縱扭復(fù)合超聲銑削的動力學(xué)模型與穩(wěn)定域解析模型，應(yīng)用MATLAB7.1軟件對其進(jìn)行數(shù)值計算獲得了切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)測圖譜，并分析了加工參數(shù)與模態(tài)參數(shù)對加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。⑹應(yīng)用研制的縱扭復(fù)合超聲銑削系統(tǒng)對碳/碳化硅材料進(jìn)行加工試驗。通過觀察研究不同銑削工藝參數(shù)下工件的表面質(zhì)量與微觀形貌和刀具的磨損情況，揭示了縱扭復(fù)合超聲銑削碳/碳化硅的加工機(jī)理