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异形超声加工系统结构设计与研究

异形超声加工系统结构设计与研究

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作者：王羿天津大学

学位级别：硕士

超声振动辅助加工作为一种复合加工方式被广泛应用于硬脆材料以及难加工材料的加工当中。超声辅助加工具有减小切削力、提高表面质量、延长刀具使用寿命、易于排屑等优势。但同时超声加工中工具的振形和振动方向会直接影响到加工的质量... 详细信息

超声振动辅助加工作为一种复合加工方式被广泛应用于硬脆材料以及难加工材料的加工当中。超声辅助加工具有减小切削力、提高表面质量、延长刀具使用寿命、易于排屑等优势。但同时超声加工中工具的振形和振动方向会直接影响到加工的质量,而振形和方向又受到超声变幅杆和加工刀具自身的影响。因此,本文针对不同的实际问题设计出了不同的基于夹心式换能器的二维或三维方向上振动的超声变幅杆,并通过实际加工发现螺旋结构刀具同样会影响超声振动的方向从而影响加工结果。本文的研究工作主要包括:(1)由于超声振动车削加工装置在加工深凹形自由曲面时,超声变幅杆会与工件发生干涉,因此提出了异形超声变幅杆的设计方式。并采用三维建模与有限元分析相结合的方法,优化了异形变幅杆的结构尺寸。(2)由于异形变幅杆的特殊形式,可以通过单一纵向振动产成超声椭圆振动,进而避免了一维超声振动过程中,金刚石刀具与工件发生碰撞和刮擦等问题。并且通过改变振动频率可以改变椭圆振动的方向,以满足实际的加工需求。最后通过实验验证了异形变幅杆超声辅助车削的有效性。(3)通过旋转超声辅助钻削和磨削实验,发现加工刀具结构会直接影响超声辅助加工的结果,并随频率的变化而变化。尤其是螺旋结构刀具,在其顶端施加一个轴向振动,会在刀具端部形成纵-扭超声振动。(4)对螺旋结构刀具进行有限元分析,发现刀具随着频率的变化振动的方向也会发生变化,方向由一三象限转变为二四象限。而这种变化会影响刀具切削时的实际切削角度。此外,在切削刃上建立局部坐标系,发现切削刃上任意一点所在切削截面可以看成是一个椭圆振动切削,因此可以利用椭圆车削模型进行进一步解释。(5)由于目前旋转超声辅助磨削加工大多基于一维轴向振动,因此在磨削工件侧表面时,超声振动效果并不明显。因此,提出纵-扭旋转超声辅助加工装置,通过改变超声变幅杆结构实现从一维纵向超声振动向三维纵-扭超声振动的转变。(6)利用三维建模与有限元分析相结合的方式对斜槽型纵-扭超声变幅杆进行设计优化,并从理论上分析了纵-扭超声振动磨削可以有效地延长刀具使用寿命,提高表面粗糙度的原因。最后通过实验验证了纵-扭超声磨削加工可以有效降低侧表面加工时的磨削力。

关键词：异形变幅杆椭圆振动螺旋结构刀具纵-扭超声振动

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