碳纤维复合材料变维振动辅助钻削系统研究和开发

发布时间：2020-05-30 15:30

【摘要】：针对碳纤维增强复合材料钻削加工中存在的出口和入口毛刺、分层等质量缺陷,本文以碳纤维复合材料的变维振动辅助钻削为研究对象,采用理论分析与实验研究相结合的方法,对碳纤维复合材料变维振动辅助钻削装置的设计与性能测试、碳纤维复合材料振动辅助钻削的过程仿真、碳纤维复合材料变维振动辅助钻削加工系统的构建进行了研究。论文主要研究内容和成果如下:(1)进行了变维振动辅助钻削装置的设计与有限元仿真分析。通过分析复合材料切削过程,提出了一种变维振动辅助钻削装置设计方法,研究了变维振动辅助钻削装置的振动组成以及振动单元的结构布置形式,在此基础上设计出可实现空间多维振动共存的变维振动辅助钻削装置模型,利用有限元软件对设计的变维振动辅助钻削装置进行静力学分析、谐响应分析及瞬态分析。(2)开展了变维辅助振动钻削装置的性能测试。为了测试设计的变维振动辅助钻削装置的输出性能,搭建了性能测试平台,开展了装置的频率响应测试、相位差测试、输出电压测试、分辨率测试、最大行程测试,得到了装置的输出性能。(3)研究并实现碳纤维复合材料振动辅助钻削的过程仿真。通过编写适用于三维碳纤维复合材料的有限元子程序,建立粘性层单元模型,在边界层施加振动模式,实现振动辅助制孔的有限元仿真,对仿真结果进行分析,探究振动对复合材料轴向力与分层的影响,为实际加工提供依据。(4)研究并开发了碳纤维复合材料变维振动辅助钻削加工系统。通过设计钻削过程不同阶段的振动辅助钻削的控制策略,搭建碳纤维复合材料变维振动辅助钻削加工系统,并对碳纤维复合材料进行了钻削加工实验。经实验表明,本文研制的变维辅助钻削加工系统达到了预期的目的。
【图文】：

轨迹图,三维振动,压电陶瓷,盖板

图 2. 7 三维振动输出轨迹图制压电换能器信号的输入相数就可以实现振动单元合振动之间切换，从而实现变维振动。助钻削装置建模设计振动辅助加工的关键单元，其主要功能是将交流电具有能量转换效率高、结构简单可靠等优点，被广泛换能器作为位移激励单元。泛的换能器结构，夹心式压电换能器由前后盖板、电陶瓷堆由压电陶瓷与电极片构成，电极片放置在瓷堆位于前后盖板之间。由于压电陶瓷本身属于高脆下，因此通过紧固螺栓和前后盖板给压电陶瓷施加。后盖板均由金属材料制成，这是由于压电陶瓷在工

压电换能器,结构尺寸

图 2. 9 压电换能器结构尺寸图上述激励原理，设计的压电换能器如图 2.9 所示，压电换能器的各部分长度8）定义。5 5 43 3 4 4 3 34 3 32tan tan tan tan tan tan35 5 4 4 5 5z z z(k l ) (k l ) (k l ) (k l ) (k l ) (k l )z z z+ + = （2Z3、Z4、Z5是每个部分的阻抗而 k3、k4、k5是相对应的波节数，根据下列公( 3, 4,5)( 3, 4,5)i i i iiiz c S ik icρω= == =（2，，Ci 和 Si 分别代表了各部分的密度、声速和截面面积而是波节数，也就是换能器是先确定轴向频率，再确定径向频率。当变幅杆轴向振动频率在 20k杆工作状态比较稳定，因此 f 取 20kHz。表 2.4 给出了各个参数的数值，表换能器的具体尺寸。表 2. 4 压电换能器材料参数表
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ342.742;TB33

【参考文献】