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采用超声刀具的蜂窝芯零件数控加工工艺研究

采用超声刀具的蜂窝芯零件数控加工工艺研究

作者：穆东方杭州电子科技大学

学位级别：硕士

蜂窝复合材料由于其高比强度、高比刚度等优异性能,在航空航天等诸多领域具备较高的应用价值。超声加工作为复合材料加工领域中十分重要的一种加工方法,已经具有实际的应用价值,超声加工蜂窝复合材料具有表面质量好、切削力小等优势。... 详细信息

蜂窝复合材料由于其高比强度、高比刚度等优异性能,在航空航天等诸多领域具备较高的应用价值。超声加工作为复合材料加工领域中十分重要的一种加工方法,已经具有实际的应用价值,超声加工蜂窝复合材料具有表面质量好、切削力小等优势。国内对于超声加工技术还处于研究阶段,尤其是在针对超声加工蜂窝芯零件所使用的超声刀具展开的加工工艺部分的研究比较少,没有形成可靠、规范的工艺设计方法。本文针对超声加工所使用的专用超声刀具的结构特点和切削特点,开展了超声加工蜂窝芯零件的数控工艺研究:(1)开展超声加工蜂窝芯工艺规划研究。构建了体现航空航天领域蜂窝复合材料零件典型结构特点的零件模型;分析薄刃形超声切削专用刀具——直刃刀和圆盘刀的结构特点及其工艺特点;对使用等效刀具引起的直刃刀切削残留误差、过切误差、底刃加工误差进行分析。(2)开展超声圆盘刀加工工件表面形貌研究。通过对圆盘刀切削运动学建模,计算出圆盘刀刀刃扫掠面;分析圆盘刀超声加工工件表面形貌形成机理,构建加工表面形貌的残余高度模型;对圆盘刀加工过程中的前倾角、侧倾角、切削行距展开单因素和多因素交互作用分析,得到各工艺参数对残余高度的影响规律:残余高度随着切削行距的增大而增大;随着刀轴前倾角的增大,残余高度先出现最大值,随后快速减小,在减小的过程中会达到残余高度最小值,随后残余高度继续缓慢增大;残余高度随着侧倾角的增大而增大。(3)开展超声加工刀具轨迹规划研究。分析刀具轨迹规划中的关键参数:分析实际加工中超声刀具的刀位点和刀触点;根据V形工艺要求,计算直刃刀加工的切削行距;根据圆盘刀加工工艺中的断屑要求,得到圆盘刀加工中切削行距最大值的计算模型,指导切削行距的选择;根据实际加工中要求的离散精度,采用圆弧逼近局部轨迹计算走刀步长。采取基于参数映射的等参数刀具轨迹规划方法,对加工过程中直刃刀和圆盘刀存在的局部干涉现象提出了干涉判断方法,并提出刀具干涉的修正方法。(4)基于VERICUT的数控超声加工虚拟仿真。创建加工仿真环境,在加工仿真中针对刀具库中没有的超声刀具,结合刀具尺寸和切削误差分析设置等效替代刀具,验证圆盘刀加工残余高度模型的正确性;对典型蜂窝芯零件进行加工仿真,通过“自动比较”检验欠切和过切情况,验证超声加工刀具轨迹规划的合理性和可行性。

关键词：蜂窝复合材料超声加工超声刀具残余高度模型刀具轨迹规划

基于应变能密度理论的吸波蜂窝复合材料切削机理及超声刀具设计

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基于应变能密度理论的吸波蜂窝复合材料切削机理及超声刀具设计

作者：刘鑫杭州电子科技大学

学位级别：硕士

超声振动加工在航空复材零件制造中的应用越来越广泛,其加工系统核心部件-超声刀具作为一种正处于高速发展阶段的新型刀具,切削机理以及刀具设计方法尚未形成完整体系,进而导致现有蜂窝芯复材的超声刀具存在切削力大、切削温度高、纤维... 详细信息

超声振动加工在航空复材零件制造中的应用越来越广泛,其加工系统核心部件-超声刀具作为一种正处于高速发展阶段的新型刀具,切削机理以及刀具设计方法尚未形成完整体系,进而导致现有蜂窝芯复材的超声刀具存在切削力大、切削温度高、纤维拔出严重、加工效率低等问题,对于高密度吸波蜂窝芯复材更是无能为力。因此,本文采用理论分析、仿真优化与试验相结合的研究方法,分析不同刃型刀具切削吸波蜂窝芯材的断裂形式,引入应变能密度因子理论和裂纹扩展理论,开展刃型-工艺的匹配研究,基于能量消耗最小原则设计针对粗加工和精加工的两种吸波蜂窝专用超声盘类刀具。主要工作与成果如下:1、开展典型刃型盘类超声刀具切削吸波蜂窝复合材料的切削力建模及材料断裂形式分析。圆盘类刀具超声辅助的切削过程进行空间运动学的建模;建立吸波蜂窝胞元壁板划切刃型刀具的划切力模型,以及锯切刃型刀具的锯切力模型,揭示了两种典型刃型刀具的切削吸波蜂窝胞元壁板的机理,在划切作用形式下产生Ι-ΙΙ-ΙΙΙ型复合断裂,2、在锯切作用形式下产生Ι-ΙΙΙ型复合断裂,为后文建立划切与锯切断裂模式的应变能密度因子理论模型提供理论依据。3、提出了应变能密度因子的刀具切削材料消耗能量的评价方法。结合所建立的划切刃型和锯切刃型刀具的切削力模型和切削作用下的断裂类型,创新的引入应变能密度因子理论进行切削力差异性的机理分析。计算不同刃型切削作用产生裂纹的开裂角度,求得产生裂纹瞬间的最小应变能密度因子;对比不同刀具刃型切削材料的最小应变能密度因子,结果表明:锯切刃型适用于粗加工,划切刃型适用于精加工。4、针对吸波蜂窝复合材料高脆性浸渍、高刚度的特点,结合能量消耗最小原则和有限元仿真方法对刀具的参数进行优化,设计了适用于吸波蜂窝复合材料加工特性的新型超声锯切和划切刀具;根据刀具的振动特性与实际加工情况进行刀具涂层设计,减少摩擦力,提升刀具寿命。5、开展锯切刃型与划切刃型作用下材料断裂形式仿真及实验。分别借助ABAQUS有限元仿真与高速摄像实验对划切刃型和锯切刃型的不同切削作用形式进行验证,观测切削过程中吸波浸渍层裂纹的产生及开裂角度,验证应变能密度理论切削机理中开裂纹萌生角度的正确性。6、设计了两种刃型的新型超声刀具切削性能实验。进行了同种工艺类型下切削力、切削热、刀具磨损以及表面加工质量的切削性能测试实验。实验结果表明:平均切削力及切削热为改进前70%;抗磨损性能与表面加工质量都有了较大的提升。验证刀具设计方法的正确性以及所设计刀具性能的优异性。

关键词：吸波蜂窝复合材料超声振动切削超声刀具超声切削机理

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基于自动增益控制的超声刀具功率自适应电路

机械工程师 2020年第6期 45-46,49页

作者：贺提喜舒送华北水利水电大学机械学院郑州450045 国营芜湖机械厂安徽芜湖241007

介绍一种夹心式超声刀驱动电路。在实现自动频率追频功能的基础上,加入自动增益控制电路达到恒流驱动和功率自适应的功能,最大程度地保证换能器工作效率的要求。设计了自动增益控制电路和整个驱动电路,并通过实验进行了测试验证。

关键词：夹心式换能器超声刀具自动增益控制(AGC)

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基于锁相环法的夹心式超声刀具追频电路

安徽科技 2020年第4期 46-48页

作者：阚艳国营芜湖机械厂

本文设计了一款夹心式超声刀具的驱动电路系统,该驱动电路采用锁相环法实现自动频率追踪功能,以满足超声刀具等效的阻容感变量负载随外界条件的变化、工作频率随负载的不同而改变的要求;根据这一设计制作出了该电路,并对夹心式超声切割... 详细信息

本文设计了一款夹心式超声刀具的驱动电路系统,该驱动电路采用锁相环法实现自动频率追踪功能,以满足超声刀具等效的阻容感变量负载随外界条件的变化、工作频率随负载的不同而改变的要求;根据这一设计制作出了该电路,并对夹心式超声切割刀具进行了驱动实验测试。

关键词：夹心式换能器超声刀具锁相环(PLL)

基于LinuxCNC的非标刀具磨床数控系统研究

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基于LinuxCNC的非标刀具磨床数控系统研究

作者：高鹏杭州电子科技大学

学位级别：硕士

超声刀具是蜂窝芯材料超声切削加工系统中的关键因素,其制造精度直接影响超声切削加工质量与效率。超声刀具制造过程中的刃磨工艺是影响刀具质量的关键环节,目前国内超声刀具的制造工艺尚不成熟,主要依赖昂贵的进口刀具,这种现状严重制... 详细信息

超声刀具是蜂窝芯材料超声切削加工系统中的关键因素,其制造精度直接影响超声切削加工质量与效率。超声刀具制造过程中的刃磨工艺是影响刀具质量的关键环节,目前国内超声刀具的制造工艺尚不成熟,主要依赖昂贵的进口刀具,这种现状严重制约着我国蜂窝芯材料超声切削加工技术的发展。由于超声刀具结构形面复杂的特殊性,导致无法在传统手工工具磨床进行精准磨削,而现有普通数控刀具磨床的数控系统主要针对市面上主流的标准刀具刃形定向设计,不适用于超声非标刀具的数控刃磨。因此,迫切需要开展超声非标刀具的磨床数控系统研究,提升国内非标复杂刃面数控磨削技术的水平,进而推动新型切削加工方法以及配套切削刀具的研究与发展。论文主要工作内容如下:1.非标刀具磨床数控系统方案设计。根据现有刀具磨床数控系统的调研,基于开放式全软件数控系统的控制理念,以及对超声非标刀具刃面磨削需求特点的分析,提出了Linux CNC数控软件+Ether CAT运动控制卡的新型刀具磨床数控系统控制方案。2.超声非标刀具磨削姿态建模及轨迹规划研究。分析了超声刀具磨削型面成型原理,建立了碗型砂轮端面磨削几何模型,并结合匕首刀和圆盘刀的刃面特点及关键几何参数,进行了匕首刀和圆盘刀磨削姿态建模及轨迹规划研究。3.集成图形参数化编程功能的磨削数控系统开发。基于Linux CNC开发平台,根据超声非标刀具的磨削姿态及轨迹,实现了超声刀具轨迹规划功能;对硬件抽象层HAL进行了针对性的文件配置,完成硬件系统和软件系统的连接;利用Py Qt和Linux CNC构建了人机交互界面,实现了全新的图形参数化编程的人机交互形式;形成了一套开放的、可扩展的且操作简单、方便的超声刀具磨床数控软件。最后以匕首刀为例进行了磨削实验,验证了数控系统参数化编程以及刀具磨削姿态建模及轨迹规划的正确性。

关键词：超声刀具刀具磨床数控系统轨迹规划 LinuxCNC 人机交互界面

直刃尖刀形状对超声辅助切削系统振动性能的影响

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航空制造技术 2016年第22期59卷 52-57页

作者：吴鑫董志刚康仁科朱祥龙王毅丹刘津廷大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

基于超声振动设计理论并结合超声振动变幅杆,设计了一种用于弱刚度材料超声辅助切割的直刃尖刀。建立了直刃尖刀和超声振动系统一体的有限元模型,系统分析了直刃尖刀刀体长度、厚度参数对超声振动系统谐振频率、振幅放大倍数和刀具纵向... 详细信息

基于超声振动设计理论并结合超声振动变幅杆,设计了一种用于弱刚度材料超声辅助切割的直刃尖刀。建立了直刃尖刀和超声振动系统一体的有限元模型,系统分析了直刃尖刀刀体长度、厚度参数对超声振动系统谐振频率、振幅放大倍数和刀具纵向振幅的影响,探讨了刀具横向和侧向振幅沿刀具轴线方向的分布规律。针对特定的超声振动系统,确定了综合性能最优的刀具参数。研制了具有不同形状参数的去刃模拟刀具,并安装于同一超声振动系统进行测试,对仿真分析结论进行验证,理论分析与试验结果相一致。根据理论分析确定的最佳参数研制了直刃尖刀并测试了其振动性能。研究结论对超声辅助切削加工的直刃刀尖的研制提供了理论指导。

关键词：超声刀具仿真分析刀具形状振动性能