纵扭共振超声铣削系统研制及其加工实验研究

发布时间：2020-11-05 13:29

　　 超声振动辅助加工因具有减小切削力、降低切削温度和改善加工表面质量等优异性能而广泛应用于车削、钻削、磨削等机械加工方式中,但是由于受到铣削加工特殊条件的限制,超声振动在铣削加工应用中的发展比较缓慢。目前在超声铣削加工领域的研究以超声振动工作台和纯纵向振动刀具的方式为主,严重限制了超声振动辅助铣削加工的优势,因此研究多维的、刀具振动形式的超声铣削加工方式具有重要意义。本课题针对于超声铣削加工,研究在单一纵向振动激励下产生纵向振动和扭转振动、且具有三维振动轨迹的刀具振动铣削系统,在此基础上对纵扭共振超声铣削加工的切削过程特性进行解析,研究其加工特性。最后利用纵扭超声铣削加工系统对弱刚度结构件进行加工,研究其对弱刚度结构件加工的性能。在不影响机床主轴正常运行的情况下,为将具有多维超声振动的铣削刀具应用在普通铣削机床上,本文首先提出了一种具有共用纵向振动与扭转振动节点的纵扭共振超声换能器设计方法;基于声波的传播与反射理论,研究了纵扭转换结构在纵向振动激励下产生纵向和扭转方向激振力和力矩的机理,并在此基础上设计了纵扭转换结构;基于等效电路法和有限元法设计了刀具振动铣削用的纵扭共振超声换能器的结构;通过阻抗测试、有限元分析以及试验测试的方式对超声换能器的频率特性、振动特性以及节点特性进行验证,通过激光测位移检测得到了换能器的纵向振动幅值和扭转振动幅值,为后续分析纵扭超声铣削加工过程奠定基础。为了给高速旋转的纵扭共振超声换能器进行供电,以松耦合变压器原理为基础设计了原边和副边线圈可以相对转动且副边线圈电感与负载换能器能相互进行电路补偿的无线电能传输单元;通过理论计算和电路仿真的方式,研究了不同电路补偿方式对无线供电单元的电能传递效率、输入输出的电压幅值及波形的影响,并以此为基础制定在不同条件下选择电路补偿方式的原则。基于纵扭共振超声换能器的电学特性,选择了合适的电路补偿方式对换能器进行无线供电。以纵扭超声铣削刀具的运动轨迹和刀具空载时间为研究对象,研究了纵扭超声振动对铣削加工过程产生的影响。首先建立了纵扭共振超声振动铣削加工刀尖运动轨迹的数学模型,将螺旋铣刀切削刃以及三维的刀尖轨迹沿刀具切削方向展开得到二维平面内的切削刃以及刀尖运动轨迹,并以此展开的切削刃及其运动轨迹分析纵扭共振超声铣削加工相对于纯纵向振动超声加工和普通铣削加工之间的区别;通过刀尖运动轨迹数学模型,结合二维平面内刀尖运动轨迹几何图形,建立了单一超声振动周期内切削过程中刀具空载时间的数学模型,并通过该数学模型预测不同铣削加工参数以及超声振动参数下超声铣削加工过程中的空载时间;以纵扭超声铣削刀具运动轨迹数学模型为基础,通过有限元仿真的方式研究了纵扭超声振动对铣削加工过程中切削力的减小作用以及空载时间与超声加工过程中切削力减小作用之间的关系,为纵扭超声铣削加工时切削参数的选择提供了依据。为考察纵扭超声振动铣削对于弱刚度结构件的加工性能,本文首先基于机械振动理论,以纵扭共振超声铣削刀具空载时间数学模型为基础,研究了弱刚度结构件在铣削加工过程中的刚度强化效应,建立了弱刚度结构件超声铣削加工时等效刚度的数学模型,以薄板结构为例通过有限元仿真和铣削加工试验的方式验证了超声铣削加工对提高弱刚度结构等效刚度的作用;建立了纵扭共振超声振动铣削加工动力学模型,通过半离散法求出了纵扭共振超声铣削加工的稳定性叶瓣图,并预测了不同铣削加工参数以及超声振动参数下弱刚度结构铣削加工时的稳定性;以薄板结构为例进行了纵扭超声铣削加工试验,并通过检测加工过程中结构上的振动加速度、切削力以及薄板振动位移来验证了纵扭共振超声铣削加工对于弱刚度加工过程的改善作用。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG54;TG663
【部分图文】：

第1章 绪 论.1课题背景及研究目的随着航空航天产品对性能的不断追求，许多比强度高[1]、结构刚度低如细长轴结构、深小孔结构、薄壁结构[2]、榫头榫槽结构等加工困难结用逐渐增多，并且这些刚度较弱的零件往往都是非常重要的部件，如发管、叶轮、天线罩等等。图 1-1 所示为波音 787 所使用的两种可以根据要求进行互换使用的发动机，其零件中就包括很多的难加工的结构如涡榫槽、涡轮榫头、发动机叶片榫槽。这类弱刚度零件的制造给加工带来的挑战，首先加工时由于受到切削力的作用，加工过程中零件的变形得加工误差难以控制；其次加工过程中的振动容易在动态切削力的作用稳定，发生再生性颤振现象，从而使得加工表面质量急剧下降，甚至使过程不能继续进行。

工序多、工程复杂，并由于其本身是由多个扇形压电陶瓷叠加而成，不整体，整体结构的稳定性、各扇形压电陶瓷之间性能的协调性等等都没的压电陶瓷好。a) painting silver electrodes b) polarizing one areaa) 喷涂电极 b) 极化某个区域c) polarizing other areas d) erasing the electrodesc) 极化其他区域 d) 擦除电极

如图1-3 所示，其研究中还指出了声波在换能器内部传播的速度不仅取决于波的种类以及材料的性能，还与变幅杆的半径减小系数有关系，因此其提出可以通过修改变幅杆的半径减小系数来调节换能器的纵振模态频率和扭振模态频率[25,-3-
【参考文献】

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本文编号：2871699