尖形刀超声切割声学系统的定振幅输出技术研究

发布时间：2020-06-29 17:56

【摘要】：NOMEX蜂窝复合材料具有高比刚度、高比强度、密度小、耐温阻燃等众多优点,广泛应用于航空航天、船舶等行业。NOMEX蜂窝复合材料具有各向异性的特点,属于典型的难加工材料,超声加工技术的应用有效地解决了传统铣削加工过程中存在的粉尘污染、被加工表面质量缺陷等问题。对NOMEX蜂窝复合材料的超声加工技术的研究发现,声学系统输出振幅对加工质量起着至关重要的作用。但是实际加工过程中由于温度、切削力等参数的影响,声学系统输出振幅容易漂移,严重时甚至会产生停振现象,这对NOMEX蜂窝复合材料的加工有着致命的危害。这就要求超声切割NOMEX蜂窝复合材料过程中尽可能始终保持恒定的输出振幅,因此开展超声加工过程中声学系统输出振幅的稳定性研究是极其必要的。声学系统输出振幅与超声电源功率、尖形刀质量、尖形刀长度、切削力等因素密切相关。本文主要针对定振幅要求的超声切割声学系统进行研究,主要研究内容及成果如下:(1)基于等效电路法对超声声学系统进行理论分析,建立了振幅参数关系式,分析了声学系统输出振幅的主要影响因素。首先,基于等效电路法对换能器进行理论分析,根据基尔霍夫回路公式推导得到换能器的放大系数表达公式。然后,分析单一形状变幅杆的等效网络模型,在此基础上对复合型变幅杆进行等效网络转换,得到复合型变幅杆的等效网络模型,根据基尔霍夫回路公式推导得到复合型变幅杆的放大系数表达公式。最后,结合简谐运动方程推导得到超声声学系统的振幅参数关系式,根据该公式分析声学系统输出振幅的主要影响因素,为实验研究提供了理论指导。(2)基于ABAQUS仿真软件对包含有尖形刀及变幅杆的声学组件进行仿真分析,分析了质量负载及尖形刀长度对声学系统输出振幅的影响趋势并验证了理论分析结论。通过对带有不同长度及质量的尖形刀声学组件进行模态分析及谐响应分析,结果表明刀具本身作为一种静态负载对声学系统输出振幅起着抑制作用,从静态角度验证了理论分析结论的正确性。另外,发现刀具长度对声学系统输出振幅起到放大作用。分析结论为实验研究提供了理论指导。(3)通过振幅测试实验及数据分析研究探讨了声学系统输出振幅与尖形刀长度、质量及超声电源功率的关系,验证了理论及仿真分析结论的正确性,建立并验证了相应的关系模型。首先,设计了空载下声学系统输出振幅测试实验,研究探讨了尖形刀长度、尖形刀质量及超声电源功率对声学系统输出振幅的影响规律,验证了理论及仿真分析结论的正确性。然后,借助于MATLAB软件,利用多元线性回归分析法对样本数据进行数据分析,得到声学系统输出振幅与尖形刀长度、尖形刀质量及超声电源功率的关系模型,并以此为基础得到对于任一规格尖形刀需要特定声学系统输出振幅时的超声电源功率调整模型。最后,设计实验对调整模型进行验证。(4)通过切削力实验及存在切削力负载时的声学系统输出振幅测试实验研究,建立并验证了尖形刀超声加工过程中定振幅输出的加工功率调整模型。首先,基于响应曲面法对超声切割NOMEX蜂窝复合材料进行切削力实验研究,建立并验证了切削力模型。然后,通过存在切削力负载时的声学系统输出振幅实验,研究切削力对声学系统输出振幅的影响,从动态负载角度验证了理论分析结论的正确性。接着,借助MATLAB对实验数据进行分析,获得声学系统输出振幅与超声电源功率、切削力的关系模型,并结合切削力模型得到尖形刀超声加工过程中定振幅输出的加工功率调整模型。最后,设计实验对所建模型进行验证。定振幅调整模型的研究为实际加工的振幅调整提供理论指导,为超声电源在加工过程中实现定振幅输出提供了切实可行的理论指导模型。
【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;TB559
【图文】：

蜂窝复合材料,夹芯材料,二战

杭州电子科技大学硕士学位论文1 绪论蜂窝复合材料的特性及加工方法蜂窝复合材料的特性及应用是一种夹芯材料，分别有金属蜂窝材料、玻璃布蜂窝材料、纸蜂。早期的夹芯材料是二战期间德国为了减轻飞机质量而产生的，了飞机的质量，增强了飞机的弯曲性能。而 NOMEX 蜂窝复合材料之一，是一种间位芳纶纤维复合材料，如图 1.1 所示。一般是流程较为繁琐，需要经过一系列复杂的制备工序，包括涂胶、叠

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（3）存在粉尘污染。高速铣削加工 NOMEX 蜂窝复合材料是通过将多余胚料打碎的方式进行加工，因此加工过程中会产生大量粉尘，污染了加工环境，严重影响了人体的健康。图1.2 超声切割声学系统原理图

【参考文献】