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旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工系统设计与试验

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旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工系统设计与试验

作者：丁翔扬州大学

学位级别：硕士

随着科技进步和制造技术飞速发展,对材料性能和零部件制造质量提出了更高的要求。高强度钢、复合材料、各种复杂结构件应用不断增加,传统加工在加工此类零件时通常会出现难加工、加工效率低、刀具损耗高等问题。特种加工及其复合加工技... 详细信息

随着科技进步和制造技术飞速发展,对材料性能和零部件制造质量提出了更高的要求。高强度钢、复合材料、各种复杂结构件应用不断增加,传统加工在加工此类零件时通常会出现难加工、加工效率低、刀具损耗高等问题。特种加工及其复合加工技术通过放电、电解、超声、激光等特殊作用能量,可对各种难加工材料零部件进行高效高精加工。本文将旋转超声、机械、电解、放电等多能量场有机融合,进行旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工技术研究,主要研究内容如下:(1)分析旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工实现方式和加工机理;在此基础上,设计加工系统,设计Z轴伺服进给机构,可控制Z轴向进给;设计旋转超声振动装置,设计超声振动系统及其供电方式,对超声振动系统尺寸进行理论设计;设计径向超声装置,可实现二维超声振动;设计电解-放电装置;设计多轴进给机构;构建旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工系统,可以实现X、Y、Z、C的四轴联动展成加工;设计参数检测装置,对径向超声振幅进行检测,设计电导率补偿方案。(2)运用ANSYS软件,对理论设计的超声换能器、变幅杆和超声振动系统进行结构动力学分析,当共振频率19.8kHz时,系统理论最大输出振幅为40μm;并对超声振动系统进行经优化设计,优化结果,当共振频率19.8kHz时,最大输出振幅为43μm,验证ANSYS优化振动系统尺寸参数的优势,用激光微位移传感器实测35μm,满足超声复合/辅助电解-放电展成加工需求。(3)设计试验方案,对高硅铝合金材料进行磨削加工、旋转超声及其复合/辅助电解-放电展成加工试验,验证复合/辅助电解-放电方式可有效提高加工效率,设计不同电压下硬质合金旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工试验,探究电压对复合/辅助电解-放电展成加工的影响,发现电压达到8V时,电流杂散腐蚀现象严重,2V-6V为理想加工电压;对高硅铝合金进行侧面展成加工试验,验证旋转超声复合/辅助电解-放电侧面展成加工的加工优势;对铝基碳化硅进行一维和二维旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工试验,验证了二维超声复合/辅助电解-放电展成加工稳定性更高,可有效提升加工效率;对金属基陶瓷增强材料进行一维和二维旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工试验,发现通过二维旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工工艺,表面粗糙度Ra从4.8μm降到了 3.4μm,验证了二维复合/辅助电解-放电展成加工方式的技术优势。

关键词：旋转超声径向超声电解-放电系统设计试验研究

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旋转超声-低频复合振动钻孔技术研究

振动．测试与诊断 2020年第2期40卷 297-302,419页

作者：孟庆荣侯书军李慨曲云霞陈涛河北工业大学机械工程学院天津300130

针对旋转超声钻用于建筑装修时,噪声小而效率偏低的问题,笔者进行了振动钻机构原理创新与试验研究。首先,搭建了高低频复合旋转超声的试验振动样机,可以实现稳定的高低频复合轴向振动钻孔作业;其次,以黏土砖为对象,进行了钻孔效率试验... 详细信息

针对旋转超声钻用于建筑装修时,噪声小而效率偏低的问题,笔者进行了振动钻机构原理创新与试验研究。首先,搭建了高低频复合旋转超声的试验振动样机,可以实现稳定的高低频复合轴向振动钻孔作业;其次,以黏土砖为对象,进行了钻孔效率试验与振动分析,低频振动的引入,虽然使超声锤击工件表面的时间缩短了80%,但在进给力基本不变的条件下,钻孔速度提高了一倍左右,噪声仍可控制在60dB(A);最后,结合振动特性分析可以推断,在高低频复合振动钻孔过程中,超声振动主要负责对脆性材料的破碎作业,而低频振动主要负责将破碎后形成的颗粒快速离开切削区,从而提高钻进速度。因此,高低频复合振动钻进新原理,可以发挥高频振动与低频振动的优势,有望发展为一类新型钻孔装备。

关键词：旋转超声低频振动钻孔效率排屑机理噪声

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氧化铝陶瓷旋转超声铣磨加工表面粗糙度研究

矿冶工程 2022年第4期42卷 130-133,138页

作者：王磊董金善杨林娟南通职业大学机械工程学院江苏南通226007 南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京211816

通过氧化铝陶瓷普通铣磨与旋转超声铣磨加工对比试验,分析了加工工件表面粗糙度随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度以及砂轮粒度的变化规律。结果表明:超声功率由0增大至90 W时,工件表面粗糙度下降,表面形貌得到改善;随着砂轮... 详细信息

通过氧化铝陶瓷普通铣磨与旋转超声铣磨加工对比试验,分析了加工工件表面粗糙度随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度以及砂轮粒度的变化规律。结果表明:超声功率由0增大至90 W时,工件表面粗糙度下降,表面形貌得到改善;随着砂轮线速度增大、进给速度和铣磨深度减小,旋转超声铣磨和普通铣磨工件表面粗糙度均呈下降趋势,在砂轮线速度1.09~5.49 m/s、进给速度100~550 mm/min、铣磨深度7~22μm条件下,旋转超声铣磨相比于普通铣磨的表面粗糙度最大降幅19.3%。相比于80^(#)砂轮,170^(#)砂轮旋转超声铣磨后的表面粗糙度最大降幅23.1%,表面形貌相对更好。

关键词：旋转超声氧化铝陶瓷表面粗糙度工艺参数砂轮粒度铣磨加工

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氧化铝陶瓷旋转超声铣磨加工磨削力研究

矿冶工程 2023年第6期43卷 153-156页

作者：王磊董金善杨林娟南通职业大学机械工程学院江苏南通226007 南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京211816

以氧化铝陶瓷为加工对象,采用小直径电镀砂轮进行了旋转超声铣磨和普通铣磨加工试验,分析了铣磨氧化铝陶瓷时的磨削力随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度的变化规律。结果表明,在其他铣磨参数不变时,超声功率由0 W增大至90 W,... 详细信息

以氧化铝陶瓷为加工对象,采用小直径电镀砂轮进行了旋转超声铣磨和普通铣磨加工试验,分析了铣磨氧化铝陶瓷时的磨削力随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度的变化规律。结果表明,在其他铣磨参数不变时,超声功率由0 W增大至90 W,磨削力呈下降趋势,表面形貌得到显著改善。随着砂轮线速度增大、进给速度和铣磨深度减小,旋转超声铣磨和普通铣磨时的磨削力均呈下降趋势。在试验加工参数范围内,旋转超声铣磨的磨削力均低于普通铣磨时,且旋转超声铣磨时最大可降低法向磨削力24.17%、切向磨削力23.30%。

关键词：旋转超声电镀砂轮铣磨氧化铝陶瓷磨削力超声功率工艺参数

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GFRP旋转超声孔加工仿真及工艺研究

GFRP旋转超声孔加工仿真及工艺研究

作者：朱卓志盐城工学院

学位级别：硕士

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。GFRP在工程应用时,常需要根据工件的装配要求进行二次孔加工。由于材料的力学性能呈... 详细信息

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)具有比强度高和比模量大等特点,广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。GFRP在工程应用时,常需要根据工件的装配要求进行二次孔加工。由于材料的力学性能呈各向异性且层间连接强度差,制孔时容易出现毛刺、撕裂和分层等加工缺陷,严重影响工件的使用寿命。为提高制孔质量,采用旋转超声加工技术对GFRP进行套磨制孔理论和试验研究。主要的研究内容如下:(1)分析GFRP的材料力学特性和常见制孔损伤成因,制作新型薄壁金刚石套料钻并对其磨削性能进行试验研究。相较于常规麻花钻孔加工,新型套料钻磨削制孔方式可以大幅度降低钻削轴向力,有效减小孔出口处分层和撕裂损伤,使出口处分层比降低9.6%,制孔质量得到提升。新型套料钻磨损状况分析表明,钻头的自锐性好,加工性能稳定,使用寿命长,可满足GFRP孔加工需求。(2)基于Hashin损伤失效准则建立GFRP的有限元仿真模型,通过ABAQUS仿真软件对其套料钻孔加工过程仿真研究。对比相同参数下试验的钻削轴向力时程曲线图和仿真的轴向力变化趋势图,两者具有一致性,仿真结果可靠。仿真结果表明:轴向超声振动的引入可以抑制套料钻孔加工过程中撕裂和毛刺损伤产生,保持孔径边缘完整度,改善制孔质量。(3)分析旋转超声加工的运动学特性,建立钻削力数学模型,开展GFRP旋转超声孔加工试验研究并分析其工艺效果。试验结果表明,主轴转速提高或进给速度降低,钻削轴向力、孔壁表面粗糙度和出口分层损伤均呈现下降趋势。相对于常规加工,旋转超声孔加工技术能够有效降低钻削轴向力,降低幅度为20.1%,有效减少出口分层,分层比降低7.3%。同时,加工后工件的表面微观形貌表明,超声振动的引入能促使纤维断裂和树脂破碎,减少树脂的粘接涂覆现象,使纤维断口整洁平滑,制孔质量得到进一步提升。通过以上研究,分析旋转超声的运动学特性和材料去除机理,揭示了加工参数变化对的钻削轴向力和套磨制孔质量的影响规律,实现了GFRP的高质量孔加工,为纤维增强树脂基类复合材料的孔加工难题提供了理论和技术支持,具有重要的工程应用价值。

关键词： GFRP 金刚石套料钻旋转超声有限元仿真制孔质量

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二维旋转超声复合电解加工系统设计与试验

二维旋转超声复合电解加工系统设计与试验

作者：季乾旭扬州大学

学位级别：硕士

随着军事、宇航、生物医药、仿生学等新技术的飞速发展,对机械制造业提出了更高、更新的挑战。各类难加工材料和异形曲面零部件在机械、汽车、生物、航空、军事等行业得到广泛应用。由于此类零部件加工难度大,加工要求高,传统机械加工... 详细信息

随着军事、宇航、生物医药、仿生学等新技术的飞速发展,对机械制造业提出了更高、更新的挑战。各类难加工材料和异形曲面零部件在机械、汽车、生物、航空、军事等行业得到广泛应用。由于此类零部件加工难度大,加工要求高,传统机械加工方式难以实现其精密高效加工。近二十年来,新型先进特种加工及其复合加工方法不断涌现,因其可不受材料硬度影响,加工作用力小（或无）,工具损耗低（或无）,在难加工材料和异形曲面零部件加工中得到重要应用。旋转超声复合电解加工将旋转超声、超声效应和电解作用有机结合,可克服单一超声、超声复合电解技术的局限性,实现多技术复合优势,本文在此研究基础上,进一步提出二维旋转超声复合电解加工新方法,即旋转轴向超声与径向超声复合形成二维旋转超声,与脉冲电解协同作用形成二维旋转超声复合电解加工新方法,可实现对难加工材料、异形曲面零部件的精密高效加工。本文主要研究内容如下:1、分析旋转超声复合电解加工过程各作用效应,对旋转超声加工、超声复合电解加工进行机理分析,分别建立其材料去除效率模型,探究影响其加工效率的因素。以旋转超声加工和超声复合电解加工的材料去除原理和效率模型为基础,推导出旋转超声复合电解加工的材料去除效率模型,得到影响其加工效率的因素:主轴旋转速度n、超声频率f、超声振幅A、脉冲电压U、电解液电导率σ以及微细磨料颗粒的尺寸和硬度等;分析与协调超声作用参数和电解作用参数的耦合关系,优化匹配各加工作用参数,对二维旋转超声（轴向和径向）复合电解技术进行加工成形机理分析探讨。2、设计旋转超声复合电解加工系统总体方案,构建旋转超声复合电解加工系统,对旋转超声振动系统各组件进行理论分析和结构设计,即完成旋转超声电主轴、压电超声换能器、超声变幅杆和工具电极的设计;设计径向超声（二维）振动装置,完善轴向和径向复合的二维旋转超声复合电解加工系统;设计多轴联动进给及控制系统,旋转超声电主轴在Z轴可作伺服进给运动,工作台可在X、Y方向作直线进给运动;设计柔性超声加工夹具;最后给出超声振动参数及加工件的检测方案,包括超声振动参数、加工过程电参数、电解液电导率及加工件精度与表面形貌等测量。3、使用WORKBENCH对旋转超声振动系统进行模态分析和谐响应分析。通过ANSYS使用命令流编程对压电式超声换能器、阶梯型超声加工变幅杆进行模态分析和谐响应分析。由于工具电极存在特定尺寸,于是引入一定尺寸的工具电极,对新的超声振动系统整体构造建模,利用ANSYS执行必要的优化分析,进行振动系统的参数调整,得到适当超声振幅,从而验证所设计的超声振动系统可以满足旋转超声复合电解加工需要。4、完善二维旋转超声复合电解加工试验系统,分析加工进给与超声振动方式结合方案,设计试验方案。对压电陶瓷（PZT）、高速钢（W18Cr4V）进行不同加工方法试验探究,验证了旋转超声及旋转超声复合电解加工的技术优势;对紫铜（Cu）进行旋转超声复合电解加工试验,证明电解作用增强能有效提高加工效率;对硬质合金（YT15）进行不同电解电压旋转超声复合电解加工试验,证明随电压增加,加工效率显著提高;对轴承钢（Cr15）进行一维旋转超声复合电解展成切割和二维旋转超声复合电解展成切割加工试验,证明后者切割沟槽效率与精度更好;对颗粒增强陶瓷（SiCp/Al）进行不同加工方式、不同电解电压、不同电解液的二维旋转超声复合电解加工试验,二维旋转超声复合电解加工的凹槽有更高的精度和更光滑的平面及边缘,且加工效率更高,验证了二维旋转超声复合电解加工的优势。

关键词：旋转超声复合电解加工加工机理系统设计试验探究

硬韧难加工材料旋转超声复合电解加工系统设计与试验

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硬韧难加工材料旋转超声复合电解加工系统设计与试验

作者：邹翔扬州大学

学位级别：硕士

由于科学技术越来越向着高精度、小型化产品发展,同时由于硬、韧等难加工材料的大量采用,特种加工技术已成为现代化制造重点研究方向。超声复合电解加工不受材料硬度、力学性能等影响,是加工硬、韧等难加工材料有效加工方法,而旋转超声... 详细信息

由于科学技术越来越向着高精度、小型化产品发展,同时由于硬、韧等难加工材料的大量采用,特种加工技术已成为现代化制造重点研究方向。超声复合电解加工不受材料硬度、力学性能等影响,是加工硬、韧等难加工材料有效加工方法,而旋转超声复合电解加工技术,能进一步提高加工效率、精度与加工质量。本文对旋转超声复合电解加工系统进行设计、分析与试验研究,本文的主要内容如下:首先对拷贝式超声加工、电解及放电加工、超声复合/辅助加工、旋转超声加工和多维旋转超声加工的特点和应用进行综合论述,分析其在国内外的研究现状,在此基础上,进一步提出“旋转超声复合电解加工方法”,阐述其技术特点及优势。分析旋转超声复合电解加工机理,依据振动动力学理论,分析、求解工作台在超声振动激励下的位移情况;基于脆性材料去除理论,建立旋转超声加工材料去除率模型,基于法拉第电解定律,建立超声复合电解加工材料去除率模型,分析探讨旋转超声复合电解加工过程中各参数对材料去除率的影响规律;研究旋转超声和电解作用之间的相互关系,推导出旋转超声复合电解加工材料去除率模型,分析各能量场之间的相互作用。对旋转超声复合电解加工系统整体和各组成部分进行分析设计,包括旋转超声主轴、压电换能器、超声变幅杆、工具电极和多维超声振动装置等单元,构建试验要求所需的旋转超声电解加工试验平台。运用ANSYS的Workbench压电分析功能,分析压电陶瓷片组、压电换能器、指数形变幅杆和阶梯形变幅杆的动力学特性;研究压电陶瓷片组数和加载电压与输出振幅、装置固有频率的关系;分析指数形和阶梯形超声振动装置在Workbench后处理得到的位移节点、应力极大点等参数,与理论计算值相比较,验算分析的合理性;对指数形变幅杆进行优化,提高超声振动装置输出振幅,对优化后的超声振动装置输出振幅检测,与ANSYS分析结果对比,确保设计的超声振动装置达到旋转超声复合电解加工系统的技术要求。进行旋转超声复合电解加工系统的参数检测设计,包括超声振幅的检测、电信号的检测、电解液参数的检测和加工深度的检测,制作不同形状工具电极,完善旋转超声复合电解加工系统,设计加工对比试验方案。对不同金属和非金属硬、韧材料进行拷贝式超声加工对比试验,表明超声加工可以有效加工硬、韧材料,但金属材料加工效率较低;对压电陶瓷(PZT)、高硅铝合金和高速钢(W18Cr4V)进行一维旋转超声复合电解加工对比试验,表明旋转超声复合电解加工可以提高加工效率,增大超声振幅和电解电压可以提高加工效率,但电压越大,杂散腐蚀越严重,加工质量降低;对轴承钢(Cr15)和金属基增强陶瓷(Al基)进行二维旋转超声复合电解加工对比试验,试验表明二维超声相比一维超声能够加工更精细的表面,加工效率可同时提高。

关键词：旋转超声电解加工系统设计 ANSYS分析试验研究

旋转超声辅助磁力研磨镍基合金参数优化设计及分析

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表面技术 2018年第11期47卷 274-280页

作者：曾加恒陈燕张科丙刘新龙陈宇辉辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的针对镍基高温合金进行旋转超声磁力研磨加工试验,通过响应面法分析主轴转速、超声频率、超声振幅、粒径交互作用对工件表面的影响。方法在磁力研磨基础上添加旋转超声高频轴向机械振动,通过磁性研磨粒子对工件表面的垂直冲击,增加... 详细信息

目的针对镍基高温合金进行旋转超声磁力研磨加工试验,通过响应面法分析主轴转速、超声频率、超声振幅、粒径交互作用对工件表面的影响。方法在磁力研磨基础上添加旋转超声高频轴向机械振动,通过磁性研磨粒子对工件表面的垂直冲击,增加研磨压力以及磁性研磨粒子的翻滚动作,完成旋转超声辅助磁力研磨,测定表面粗糙度、表面残余应力等性能参数。采用响应面法分析主轴转速、磁性研磨粒子粒径和超声频率的交互作用对试验的影响规律,拟合出最佳工艺参数条件。结果在试验条件下得出,主轴转速1000 r/min、磁性研磨粒子粒径250μm、超声频率19 kHz、超声振幅19μm的加工工艺组合效果最佳,并与响应面法优化参数后的结果相一致。根据优化参数进行试验,经过40min研磨加工后,Ra从加工前的3.2μm降至0.072μm,工件表面各位置粗糙度均匀,表面质量较好。工件内部残余拉应力从+51MPa转变为残余压应力-121 MPa。结论旋转超声辅助磁力研磨加工后,工件表面均匀性提高,原始工件表面的凹坑、凸起、表面微裂纹等缺陷被完全去除,表面形貌和表面质量较好。该工艺加工效率较高,工件内部可得到良好的应力状态。

关键词：旋转超声磁力研磨镍基合金响应面法参数优化

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旋转超声磨削硬质合金的表面质量实验研究

机械科学与技术 2012年第10期31卷 1584-1587页

作者：赵春阳宫虎房丰洲天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津微纳制造技术有限公司天津300457

本文使用4种不同粒度型号的金刚石砂轮分别对硬质合金YG8进行了有、无旋转超声的端面磨削实验,并利用超景深显微镜和白光干涉仪观测了这两种加工方式下的工件表面质量。实验结果表明:当采用粒度号较小的金刚石砂轮时,有旋转超声的工件... 详细信息

本文使用4种不同粒度型号的金刚石砂轮分别对硬质合金YG8进行了有、无旋转超声的端面磨削实验,并利用超景深显微镜和白光干涉仪观测了这两种加工方式下的工件表面质量。实验结果表明:当采用粒度号较小的金刚石砂轮时,有旋转超声的工件表面粗糙度要比无超声时的差;但对于粒度号较大的砂轮,有、无旋转超声所得到的工件表面粗糙度差异并不明显,甚至有旋转超声时的表面质量会略优于无旋转超声时的检测结果。相比于传统加工方式,旋转超声的使用可以明显减小被加工材料表面出现裂纹的几率。

关键词：旋转超声硬质合金表面粗糙度裂纹