旋转超声磨削工具系统的性能提升研究

作     者：周瑞峰 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦慧斌

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：旋转超声磨削 Mindlin理论 复合变幅器 旋转精度 动平衡 

摘      要：硬脆性材料具有脆性大、硬度高、抗氧化和耐腐蚀等优点,广泛应用于光伏发电、电子、光学、仪表仪器和航空航天等领域。但选用传统的磨削技术对该材料进行精加工时,易出现表面微裂纹、微破碎等问题。近年来,发展迅速的旋转超声磨削技术在硬脆材料的精加工领域内解决了许多问题。本文通过旋转超声磨削谐振系统的设计和工具系统结构的设计及改进,研制了一套可以安装于加工中心的旋转超声磨削工具系统,并对其进行性能测试。结合旋转超声磨削工具系统的结构,通过添加平衡螺钉进行动平衡调节的理论分析,为下一步的磨削试验做准备。本文的主要研究内容如下:本文选用平行砂轮、复合变幅杆和超声换能器设计了超声谐振系统。基于Mindlin中厚板理论和复合变幅杆的纵振理论,建立了平行砂轮复合变幅器的理论模型,并进行理论推导,完成了平行砂轮复合变幅器计算工具的开发,通过计算工具求解了平行砂轮复合变幅器的参数,利用有限元分析软件进行仿真验证,验证设计方法的可靠性。针对旋转超声磨削工具系统旋转精度低的问题,将组成工具系统零部件的结构进行改进设计,对BT40刀柄套筒、复合变幅杆的法兰位置进行结构改进,利用有限元仿真分析软件分析了改进前后对超声谐振系统的影响,完成其零部件的尺寸设计。并通过提升工具系统零部件间的配合精度,达到提升其旋转精度的目标。为进行旋转超声磨削工具系统的动平衡,建立相应的动力学模型,分析了其不平衡的情况,通过添加平衡螺钉来调整工具系统的动平衡,并对平衡螺钉的调节位置进行理论分析求解,依据ISO-1940平衡等级标准,得到旋转超声磨削工具系统允许的最大不平衡量,为其动平衡的调节提供理论基础。为测试旋转超声磨削工具系统的性能,加工其零部件进行了工具系统装配,对超声谐振系统进行阻抗分析试验、超声谐振试验,验证超声谐振系统的稳定性和理论设计方法的正确性;并对旋转超声磨削工具系统及其零部件进行精度测量,为下一步进行磨削试验做准备。