谢荣[1]2000年在《超声波铣削三维陶瓷工件的原理及装备研究》文中研究说明对于工程陶瓷这样的脆硬、不导电材料超声波加工具有特殊的意义。超声波加工不会给工件带来热伤害和明显的残余应力。这一点对干脆性材料的应用是极为重要的。 本论文阐述了超声波加工的基本原理、材料切削机理、加工参数对切削速度、刀具损耗和加工工件精度的影响。在综合国内外超声波加工技术最新发展的基础上，提出了基于分层制造思想，超声波仿铣加工技术。该方法利用简单截面形状的工具和工具轴向等损耗特性，实现工程陶瓷的高精度三维型面的超声波旋转加工，具有重大的理论价值和良好的应用前景。 为了实现超声波仿铣加工，初步设计了超声波数控仿铣加工机床。该机床利用PCL832控制卡实现工业控制PC机对交流伺服系统的控制。PCL832控制卡为三轴位置伺服控制卡，可以同时驱动三个交流伺服电机工作。该机床能够实现Z轴加工压力的闭环控制；X、Y轴坐标的数控联动；Z轴坐标的在线检测以及补偿。
王大伟[2]2009年在《非导电超硬材料电火花铣削机床的研究》文中指出辅助电极法电火花加工技术是本课题组在对非导电超硬材料电火花加工技术及其机理研究的基础上,开发的一种新的加工方法。该方法是利用指状辅助电极两极间电火花放电通道中的能量进行蚀除加工的,能够对非导电超硬材料进行复杂曲面的铣削加工,该技术是非导电超硬材料电火花加工方法的一项重大突破,对加速非导电超硬材料的推广应用具有重要意义。分析辅助电极法非导电超硬材料电火花铣削加工的特殊加工机理和工作条件,根据其对工作台的速度性能、力学性能以及定位精度等的特殊要求,分析计算出了工作台的工作参数,设计出了非导电超硬材料电火花铣削机床的传动进给机构,并利用Pro/E进行了三维仿真。根据机床的特殊工作状况建立了滚珠丝杠传动过程中的温度场和热变形的数学模型,考虑丝杠导程引起表面积变化及螺母移动对温度场的影响,应用有限元软件进行仿真,总结出滚珠丝杠传动过程中的温度场的分布规律以及温度对丝杠变形的影响关系。根据对辅助电极法电火花铣削加工理论的分析,设计了可以夹持辅助电极进行振动和旋转的主轴结构,利用电磁理论对电磁振动结构进行了理论分析;设计出了主轴内冲液结构,在旋转主轴与振动刀具的连接处进行了密封结构设计和分析;设计出了能够适应不同电极半径且可以自密封的电极夹持结构,以及辅助电极送电及绝缘系统。利用Pro/E进行了三维辅助设计,并利用分析软件ANSYS对电主轴进行了温度场建模和仿真分析。完成了铣削刀具的理论分析和设计,确定了刀具的选材及制造方法,研究开发出了能够充当导电介质的物质,设计出了加工实验装置,确定了NaOH溶液作为导电介质的电火花铣削加工,在此基础上设计打孔实验,对影响加工速度的参数以及加工条件进行了探索,进行了沟槽铣削加工实验,验证了辅助电极法进行非导电超硬材料曲面铣削加工的可行性。
方亚英[3]2002年在《超声波分层铣削机床数控系统的开发》文中研究指明工程陶瓷在电子、冶金、化工、机械、能源、航空航天等众多领域得到了广泛应用，可是它的加工却十分困难。从原理上讲，超声波加工是解决工程陶瓷加工难题最有潜力的技术之一，然而目前传统超声波成型加工处于十分落后的状态，它采用“形状拷贝原理”，仅靠配重来调节加工压力和进给量等重要工艺参数，加工精度和加工效率都很低，而且只能用于一维加工中。 为了改变这一现状，本文在普通超声波旋转加工中引入分层制造的思想，提出了“超声波分层铣削加工”的技术路线。在此基础上，以DOS为平台开发了一个基于PC机的2.5轴开放式数控系统。 论文首先介绍了数控三维超声波旋转分层铣削加工的原理，之后采用开放式、模块化结构设计了基于PC机的数控系统的硬件部分。在完成2.5维数控功能的基础上，该系统使用压力传感器实时检测工具和工件之间的加工压力，并以此压力信号对Z轴实施反馈控制，以保持加工中的压力恒定。最后本文采用前后台控制模式和模块化结构，用C语言开发了完成数控系统功能的软件，并通过了调试。 该数控系统的研制完成使加工三维复杂型面的工程陶瓷零件成为可能，为进一步研究超声波分层铣削加工的工艺规律提供基础实验条件。
王顺钦[4]2014年在《钛合金径向超声振动铣削机理及表面质量研究》文中指出钛合金具有较高的比强度，优良的抗疲劳性和耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天工业中。然而，钛合金材料热导差、弹性模量小、化学活性高，导致在加工过程中存在切削温度高、粘刀现象严重、机床容易发生颤振等问题，使其成为一种典型的难加工材料。超声振动辅助切削将超声波信号引入到普通切削中，使刀具和工件发生间断性接触，从而达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。但由于铣削过程的复杂性，超声振动辅助铣削的研究相对较少，而且大多集中在轴向振动方面。为了探索径向超声振动铣削在钛合金加工中的可行性，本研究利用现有的设备，设计和组建了以工件为振动对象的钛合金径向超声振动铣削实验平台，对Ti-6Al-4V合金径向超声振动铣削机理和表面质量进行了研究。首先，通过理论计算和模态分析，确定了工件尺寸和共振频率。通过刀尖轨迹仿真，从运动学角度对振动铣削过程中刀-屑周期性分离的必要条件进行了研究。结果表明，切削速度小于振动速度的最大值，并且每齿进给量小于振幅的2倍是产生刀-屑分离的必要条件。其次，通过切削速度、进给量、切削深度、振动幅值的单因素实验，研究了普通铣削和径向超声振动铣削两种加工方法下切削力的变化规律。研究结果表明，径向超声振动铣削可以在一定范围内降低切削力的平均值，减小波动，增加系统稳定性。在刀-屑分离的条件之内，随着切削速度、进给量、切削深度等的增加，径向超声振动铣削的切削力增加相对缓慢，切削力改善明显；在刀-屑分离条件之外，仍然有小幅度的改善，但是改善程度较弱。再次，研究了径向超声振动铣削条件下，工件表面粗糙度的变化规律。通过切削实验，分析了表面粗糙度Ra随切削速度、进给量、切削深度和振动幅值的变化关系，结果表明，径向超声振动铣削对因切削参数增加引起的工件表面粗糙度Ra的增加有改善作用，对进给量增加引起的Ra的增加改善最为明显。最后，通过扫描电镜观察了工件和切屑微观形貌的变化。SEM分析表明，径向超声振动铣削对表面粗糙度的改善主要表现在划痕沟槽变浅且更加均匀、对材料的去除更加彻底。通过对切屑宏观形貌进行对比，发现切屑随振幅的增大而变均匀和碎小，更容易离开切削区，不易缠刀。通过理论和实验分析证明，超声振动铣削钛合金可以减小切削力，降低表面粗糙度，是一种切实可行的加工方法。
荆君涛[5]2008年在《陶瓷基复合材料零部件的复杂曲面加工技术研究》文中认为陶瓷基复合材料由于其优良的物理力学性能在切削工具、汽车、航空航天及仪器仪表等诸多领域都有广泛的应用前景。但由于陶瓷材料具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点,是典型的难加工材料。特别是陶瓷材料复杂曲面的加工是长期以来希望解决、而至今仍未解决好的难题。本文以航天领域广泛应用的陶瓷复合材料透波天线罩,发动机陶瓷关键部件等加工制造技术需求为背景,进行加工机理与工业生产工艺规范的研究。以获得一批达到工程应用的样件和一套陶瓷基复合材料零件加工制造的工艺规程。以压痕断裂力学理论为基础,从微观上分析了工件的裂纹产生、成核、生长直到剥落的整个陶瓷材料去除的过程。阐述了陶瓷基复合材料的切削机理,为硬脆材料的机械加工技术提供了理论依据。采用数学分析计算软件MATLAB/SIMULINK,对刀具与工件间作用力及其与刀具振动频率的关系进行了可视化研究,可获得工件加工过程的切削仿真结果。论文针对陶瓷基复合材料复杂曲面零件的多轴数控超声波振动铣削加工技术进行了研究,主要对刀具转速、进给速度、分层厚度、刀具振动频率等参数作正交试验及其数据分析,得到了工艺参数的最优组合,初步形成了陶瓷基复合材料零件加工制造的工艺规程。加工出的整流罩等典型样件的尺寸、位置精度、表面质量均满足设计要求。
张兵[6]2010年在《超声车铣声学系统研究》文中提出超声车铣技术在加工微小复杂形状的硬脆材料零件中具有重要的作用。对于克服普通车铣的表面振纹、大惯量、低加工精度,实现微细超声扭转车铣,具有非常重要的意义。纵扭共振复合振动模式下的超声车铣不仅有助于提高空间利用率和降低成本,而且容易达到高速加工和高精度运动控制。对于声学系统大功率、小惯量纵扭共振的研究为超声多模式加工提供了理论基础。鉴于超声车铣的优越性,本文旨在开发一套适合超声波车铣机床的超声车铣装置。该系统为微小复杂形状的硬脆材料产品开发高效率、超精密加工的超声波车铣机床打下基础。本文主要的研究内容如下:第1章:从超声车铣的研究现状出发,详细介绍了车铣和超声加工的国内外研究现状。并对车铣的主要研究内容和车铣复合加工中心进行了阐述。介绍超声单一振动发展历史和成就的同时简述了复合模态超声振动的研究现状和应用领域。提出本文的主要研究内容和研究目的。第2章:结合现有的实验条件和要实现的目标,设计了一套超声车铣装置。超声车铣装置包括:超声波发生器、超声车铣声学系统、连接固定装置、高速轴承、驱动传动装置等。并对各装置之间的高要求配合做了一定的研究。第3章:重点研究了超声车铣的关键部件—圆环斜槽传振杆;并对圆环斜槽传振杆的传振原理,共振频率方程和具体30kHz圆环斜槽传振杆理论计算进行了阐述;同时对圆环斜槽传振杆的两种加工方法—电火花成型加工和电火花轨迹加工进行了概述,并对比了两种加工方法优缺点。第4章:基于对30kHz圆环斜槽传振杆理论计算的数据,对其三维建模;利用ANSYS有限元分析软对理论建模的圆环斜槽传振杆进行了有限元分析,对其纵扭转换和力学特性进行了仿真。同时用精密阻抗分析仪对超声车铣声学系统进行了测试,并把有限元分析结果和测试结果进行对比。第5章:对超声车铣进行运动学方面的分析。分析超声车铣运动学运动特性,给出了超声车铣下的切向速度表达式。并对正交超声车铣进行了运动分析和动态分析。为下一步超声车铣实验提供理论基础。
张向慧[7]2011年在《旋转超声加工振动系统设计及关键技术的研究》文中研究说明随着脆硬材料及复合材料日益增长的加工需求,新型旋转超声加工方法能够适用于现代生产的需求,但其设计及其关键技术(超声波发生器与超声振动系统)的研究,到目前为止国内尚没有形成完善的设计理论和分析方法体系。其中旋转超声振动系统是旋转超声加工的关键与核心,其研究的必要性和重要性是非常迫切的。本论文运用纵振理论对超声振动系统的换能器、变幅杆、工具杆进行结构设计,设计了半波长的阶梯形的超声换能器,设计带有三种不同工具杆的旋转超声振动系统,并运用四端网络法推导出复杂的旋转超声振动系统的各个结合处的振速和应力分布,以便能够对其进行性能分析。利用ANSYS有限元分析分别对所设计换能器、变幅杆和振动系统进行模态分析与谐振分析,仿真结果得到换能器的各阶振动模态,并得到其谐振频率20228Hz,其幅值也达到旋转超声加工要求的振幅10μm以上。带有三种不同工具头的超声振动系统都能实现纵振振动,其谐振频率分别为20.251kHz、20.324kHz、20.438kHz时发生纵振,并且三种纵振的频率误差范围分别为1.255%;1.62%；2.19%。随着工具头直径的减小,频率误差范围有所增加,设计误差均小于5%,在允许的误差设计范围之内,完全可以满足工程设计的需要。本文对设计的三种工具杆及其振动系统进行了有限元分析和实验研究,分别对不同材料：普通玻璃、K9光学玻璃、陶瓷氧化铝、氧化锆进行了铣削和钻孔的工艺实验。实验结果表明：旋转超声能够很好加工玻璃、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。随着进给速度和切削深度的增加,切削效率也随之提高,但切削抗力也增加；工具旋转速度越高,切削抗力越小。氧化铝陶瓷的无超声加工实验表明：有超声的材料切除率是无超声加工的5倍。加工氧化铝陶瓷,随着切深和刀具进给速度的增加,表面粗糙度的值也增加。工具头金刚石的粒度越细,切削抗力也越大。金刚石粒度为100#,进给速度是40mm/min,切削抗力为2.3kg；如果金刚石粒度为120#,进给速度是30mm/min,切削抗力达到最大值4.5kg,所以金刚石粒度大小直接影响切削用量的选择。本文所设计的超声振动系统能够很好加工玻璃和陶瓷等硬脆材料,并且切削效率很高,充分证明旋转超声加工是硬脆难加工材料的一种非常有效的加工方法。
魏士亮[8]2011年在《Si_3N_4陶瓷超声旋转磨削加工过程技术研究》文中研究指明Si_3N_4陶瓷材料具有优良的物理性能和化学性能，广泛应用于航空航天、化工设备、发动机、军事装备等领域。但是由于其高硬度和高脆性，采用传统的加工方式，加工效率普遍较低，而且被加工陶瓷构件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，导致陶瓷构件强度降低。高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层限制了陶瓷构件更广泛的应用。本文将超声旋转磨削加工技术应用到Si_3N_4陶瓷材料加工过程中。基于弹塑性力学和压痕断裂力学，对Si_3N_4陶瓷材料超声旋转磨削加工机理进行进一步理论分析；采用有限元软件ABAQUS中XFEM模块对加工机理仿真和验证；建立了Si_3N_4陶瓷材料超声旋转磨削加工过程中材料去除率与工艺参数之间数学模型，采用实验验证数学模型的正确性；最后，以Si_3N_4陶瓷材料单个叶片加工为例，将以上研究内容应用到实际加工工艺过程中，指导Si_3N_4陶瓷材料超声旋转磨削加工过程。通过以上研究，分析了Si_3N_4陶瓷材料超声旋转磨削加工过程中材料内部三维应力场；材料内部存在径向裂纹、中位裂纹和侧向裂纹；同时，确定了裂纹产生位置、裂纹生长及平衡条件和裂纹平衡状态下尺寸。加工过程中，材料去除有磨削去除和超声波振动去除两种模式，在不同工艺参数下，两种材料去除模式对总材料去除率影响不同；工艺参数越大，超声振动去除率越大。同时，采用超声旋转磨削加工技术对Si_3N_4陶瓷材料叶片加工，不仅提高了加工效率，降低了切削力，而且提高了零部件加工质量。
王岩[9]2015年在《轴向超声振动辅助磨削加工机理与试验研究》文中研究指明高温合金、功能陶瓷、复合材料等先进材料已经广泛应用于航空航天、船舶、核电、汽车、电子、医疗等领域。随着先进材料应用范围的迅速扩大,材料的加工问题接踵而来。先进材料加工技术包含了对金属、合金、陶瓷、复合材料等难加工材料的处理方法,是加工制造行业的核心技术。超声振动辅助加工技术作为一种精密、有效的先进材料加工方法,被越来越多的研究人员所关注。对超声振动辅助加工展开细致的研究,揭示超声振动辅助加工的原理是实现先进材料高效、精密加工的重要途径。超声振动辅助加工主要包含超声振动辅助磨削、车削、铣削、钻削等加工方式,分别具有不同的材料去除方式以及加工机理。其中超声振动辅助磨削具有广阔的应用前景,被广泛应用于工件表面成型以及材料去除等方面。从理论上研究超声振动辅助磨削的加工机理,对设计超声振动装备,优化超声加工工艺以及提高超声加工质量起着决定性的作用。目前对超声振动辅助磨削技术的工程应用已经成熟,而对加工机理的研究以及对超声振动系统与机床系统之间的匹配探索仍存在一些问题。为了解决超声振动辅助磨削加工中存在的一系列难题,本文进行了以下几方面的研究工作:1)研究并设计超声振动系统,设计超声变幅杆、超声专用刀具,对所设计的变幅杆进行有限元仿真,在实际应用中揭示超声振动系统的问题,从设计层面提出解决方案。2)研究轴向超声振动辅助磨削的加工机理,从运动学分析、磨粒轨迹运动模型、材料去除率模型、磨削力模型等角度开展了全面的理论研究。3)针对塑性材料超声振动辅助磨削加工,提出超声系统与机床系统的系统匹配概念。将超声振动系统的功能参数整合到加工过程当中,确定了超声加工的系统匹配模型,揭示了超声参数对磨削质量的影响规律。4)针对脆性材料超声振动辅助磨削加工工艺,从理论上描述脆性材料超声加工材料去除机理,提出脆性材料加工的系统匹配模型。解释了超声加工中磨削力以及表面形貌的形成机理,验证了超声加工的效果。5)针对C/SiC复合材料加工中的难点,使用超声振动锉削的方法加工工件,结合硬脆材料的超声加工机理研究,分析了表面损伤机理,描述了超声锉削加工的材料表面创成机制,并通过实验研究验证了理论的准确性。
黄秀秀[10]2015年在《NOMEX蜂窝复合材料直刃刀超声复合切割机理研究》文中提出由于NOMEX蜂窝复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、绝缘性能好等一系列优良特性，目前在航天航空领域已得到广泛应用。NOMEX蜂窝复合材料是一种典型的难加工纤维材料，传统的高速铣削加工时,材料表面容易出现基体开裂、毛刺、外形缺陷等现象，这些加工缺陷降低了结构件的使用性能，难以满足航空航天领域的应用需求。针对这些问题，近年来国内开始引进超声复合切割技术，但是由于该技术在国内起步较晚，目前对超声复合切割加工技术的研究还处于初级阶段，对蜂窝复合材料的加工研究仅限于铣削加工原理及加工工艺方面，对蜂窝复合材料的超声复合切割加工尚未进行系统化的从加工机理到加工工艺研究，以至于尚未能够实现蜂窝复合材料的高效、优质加工，这在一定程度上限制了其在航空领域的应用。针对此本文以直刃刀超声复合切割NOMEX蜂窝复合材料为研究对象，开展超声复合切割机理及加工工艺参数优化研究，主要研究内容与成果如下：（1）针对目前未形成完善的NOMEX蜂窝复合材料超声复合切割加工机理体系，本文基于直刃刀超声蜂窝复合材料运动学特性分析，应用动态断裂力学理论研究蜂窝复合材料超声复合切割微观断裂机理，研究表明加入超声振动后，振动冲击作用引起材料内部裂纹快速扩展，材料出现超前微观断裂，从而减小了切割力。并在此基础上，建立了切割力与工艺参数及刀具参数的关系理论模型，为工艺参数优化奠定理论基础。（2）针对当前NOMEX蜂窝复合材料超声切割加工中工艺参数具有盲目性以及加工质量、加工效率不理想问题，本文进行直刃刀有超声和无超声两种条件下切割NOMEX蜂窝复合材料的切割力试验研究。研究表明与普通切割加工相比，超声复合切割加工可以有效地降低切割力，获得较好的表面加工质量，具有突出加工优势；研究总结各切割参数及切割参数两两交互作用对切割力的影响，研究表明合理选择刀具摆角、刀具前倾角、切割深度工艺参数对减小切割力改善加工质量具有重要意义，并为工艺参数优化提供理论依据；研究结果很好地验证了建立的切割力理论模型正确性；（3）针对超声切割加工中切割参数如何合理选择一直没有得到很好的解决问题，本文以提高加工效率和加工质量为出发点，建立以切割力和材料去除率为优化目标函数，开展优化切割参数优化研究，应用一种结合了遗传算法的全局搜索寻优和非线性规划算法的局部寻优的优化算法进行切割参数的优化计算，获取最佳工艺参数。优化结果表明:优化工艺参数的结果与理论分析结果相一致，说明该优化结果的正确性，可为实际加工过程中的工艺参数的合理选择提供了一定的参考价值。
参考文献：
[1]. 超声波铣削三维陶瓷工件的原理及装备研究[D]. 谢荣. 大连理工大学. 2000
[2]. 非导电超硬材料电火花铣削机床的研究[D]. 王大伟. 中国石油大学. 2009
[3]. 超声波分层铣削机床数控系统的开发[D]. 方亚英. 大连理工大学. 2002
[4]. 钛合金径向超声振动铣削机理及表面质量研究[D]. 王顺钦. 南昌航空大学. 2014
[5]. 陶瓷基复合材料零部件的复杂曲面加工技术研究[D]. 荆君涛. 哈尔滨工程大学. 2008
[6]. 超声车铣声学系统研究[D]. 张兵. 杭州电子科技大学. 2010
[7]. 旋转超声加工振动系统设计及关键技术的研究[D]. 张向慧. 北京林业大学. 2011
[8]. Si_3N_4陶瓷超声旋转磨削加工过程技术研究[D]. 魏士亮. 哈尔滨工程大学. 2011
[9]. 轴向超声振动辅助磨削加工机理与试验研究[D]. 王岩. 天津大学. 2015
[10]. NOMEX蜂窝复合材料直刃刀超声复合切割机理研究[D]. 黄秀秀. 杭州电子科技大学. 2015
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