蜂窝复合材料超声切割对圆盘刀声学系统谐振频率和振幅的影响

发布时间：2020-04-09 22:03

【摘要】：Nomex蜂窝复合材料因其具有质量轻、强度大、刚度高、抗压、稳定、造价低及环保等优点,被广泛的应用在宇航制造领域、国防领域、工业领域、制造业领域、包装领域等。Nomex蜂窝复合材料是一种多孔蜂窝状结构的纤维材料,与普通材料相比,其结构复杂特殊,故对其加工起来会存在一定的难度。Nomex蜂窝复合材料应用传统高速铣削加工时会出现蜂窝断裂、压塌等加工质量差、效率低等问题,且会产生大量的粉尘,对人体有巨大的伤害。超声加工具有切削力小、加工精度高等特点,将超声辅助切割的方法用于Nomex蜂窝复合材料的加工,利用高频振动对其进行切割加工,能够有效的克服传统高速铣削加工的缺点。目前针对Nomex蜂窝复合材料的超声切割技术的研究都还处于初级阶段,尚不成熟,尤其是声学系统的方面,为更好的加工Nomex蜂窝复合材料,提高其加工质量及效率,需对超声切割声学系统进行研究。本文以圆盘刀超声切割声学系统为研究对象,来研究刀具负载,力负载及温度对其的影响。主要研究内容与成果如下:(1)为保证当刀具负载发生变化时,声学系统依然能稳定工作,故对刀具负载的结构参数进行研究,研究圆盘刀结构参数(厚度、楔角、直径)对声学系统谐振频率和振幅的影响规律。首先,通过石墨粉振动实验确定圆盘刀振型。然后,通过仿真和实验研究圆盘刀厚度、楔角以及直径对声学系统谐振频率和振幅的影响规律,基于田口方法分析圆盘刀结构参数对谐振频率和振幅影响的主次要关系。最后,通过数据分析发现圆盘刀结构参数与谐振频率之间的线性关系,为圆盘刀的设计提供理论指导。(2)针对受到超声切削力负载后出现振幅下降,切削质量差,严重时甚至出现停振等问题,研究力负载对超声切割声学系统谐振频率和振幅的影响规律。首先,依据超声切削运动方程建立圆盘刀切削力模型。然后,根据超声切削实验,获得在不同切削参数下的切削力的值,确定切削力的大概范围,再进行力负载对声学系统影响的实验,利用推拉力计对圆盘刀施加此范围内的力,研究力负载对声学系统谐振频率和振幅的影响,得到其变化趋势关系,为实际加工工艺提供理论参考。(3)长时间连续切割Nomex蜂窝复合材料会使系统温度升高,导致声学系统不谐振,加工质量变差,故研究温度对超声切割声学系统谐振频率和振幅的影响规律。首先,分析超声切削热的产生原因。然后,根据力学知识及频率方程,推导得到温度与圆盘刀超声切割声学系统谐振频率的理论模型;根据圆盘刀的位移方程推导得到温度与圆盘刀超声切割声学系统振幅的理论模型。最后,通过实验研究温度对声学系统谐振频率及振幅的影响规律,实验结果与理论结果的变化趋势一致,为提高连续超声切割加工效率提供理论支持。
【图文】：

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图 1.1 超声切割刀具刀切割示意图图 1.3 圆盘刀切割示意对超声切割声学系统影响的研究现状是将超声波发生器转换后的高频电振荡信号传递到换将微弱的振动进行放大，使其满足超声加工所需要的工具上，使工具进行高频率、小振幅的振动，工具作

示意图,示意图,超声切割,刀杆

图 1.2 直刃刀切割示意图图 1.3 圆盘刀切割示意图刀具结构参数对超声切割声学系统影响的研究现状声加工的原理是将超声波发生器转换后的高频电振荡信号传递到换能器，再转换呈振动，变幅杆将微弱的振动进行放大，使其满足超声加工所需要的振幅，再将经变的振幅传递到工具上，使工具进行高频率、小振幅的振动，工具作用到被加工的物行脉冲式加工[10]。在实际加工过程中，刀具长时间的使用会使其磨损，，导致刀具生变化，进而对声学系统产生影响，故很多学者针对工具结构参数的变化对超声加影响进行研究。南理工大学学者通过实验的方法对超声刀具的几何参数进行研究，通过实验研究得何参数的刀杆长度、刀杆直径、刀杆端部铣削平台面积的大小和开槽的数量对超声谐振频率、反谐振频率及振幅的影响规律，得到刀具几何参数对超声声学系统具有的结论[58]。尔滨工业大学学者应用有限元仿真的方法对超声切割系统进行分析研究，根据分析变幅杆狭槽尺寸、刀片长度、刀片宽度等与谐振频率的影响规律，并通过相应实验
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】