超声辅助锉削加工系统的设计研究北大核心

为了避免加工过程中碳/碳化硅复合材料的异形、深腔燃烧室构件出现分层、撕裂和毛刺等缺陷,提出一种超声辅助锉削加工系统。首先基于多级放大原理,应用传输矩阵法,推导了多级变幅杆的频率方程,并利用MATLAB7.1软件对该频率方程进行求解,实现了多级变幅杆的超声振动;基于薄板弯曲振动原理,应用ANSYS Workbench软件对带有直槽的锉削刀具进行结构优化设计,实现了锉削刀具的超声振动;之后,分别对设计和制造出的超声辅助锉削系统进行有限元分析与振动特性测试,结果显示二者与理论分析结果较好的一致性,谐振频率的误差在0.68%~1.75%。最后,利用研制的超声锉削系统对超声速推进器燃烧室进行切削试验,获得了较好的加工效果。     

基于ABAQUS超声振动钻削系统变幅杆模态分析

超声振动钻削是孔精密加工的新技术,其系统中的变幅杆对孔的加工具有重要影响。首先介绍了变幅杆的工作原理,之后应用ABAQUS软件对变幅杆进行三维建模和模态分析,根据分析结果得到变幅杆最佳振型频率。最后,在有与无超声振动辅助下钻削45号钢,对比分析孔加工质量。通过结果分析,在最佳振型频率下,孔表面质量更好。     

高温合金超声振动钻削系统设计及试验研究

高温合金在普通钻削中加工困难,不容易获得好的表面质量,超声振动钻削方法可以改善孔的加工质量。首先,对超声振动钻削孔加工的工作原理进行介绍,之后设计装置并对其中的变幅杆进行三维建模,应用ABAQUS软件平台,对超声振动钻削的变幅杆进行模态分析,生成了各阶频率下的模态阵型,得出最优频率。最后,在最优频率下,对高温合金材料进行超声振动钻削实际加工。研究结果表明,和普通钻削相比,超声振动钻削可以使高温合金孔表面粗糙度降低,表面质量较好。     

超声振动车削中复合变幅杆的设计与研究

为了解决单一形状的变幅杆有时无法满足超声振动车削中实际需要的问题,运用传输矩阵法推导了一种三段式复合变幅杆空载时的频率方程和放大系数一般公式;依据公式结合matlab软件完成了该三段式复合变幅杆的设计。应用有限元仿真软件Ansys对该复合变幅杆进行模态分析和谐响应分析,通过比较验证了传输矩阵法计算的准确性。最后,利用该仿真软件研究了车削刀具对变幅杆共振频率的影响并对变幅杆的尺寸进行了修正以使其满足超声振动车削的实际需要。以上的分析计算为超声振动车削变幅杆的设计修正及车削刀具的选用提供了理论依据。     

超声辅助枪钻钻削系统的设计和分析

针对枪钻在钻削塑性金属材料时,易形成连续不断的切屑,周期性堵塞排屑,甚至导致钻杆被扭断,严重影响孔加工的表面质量,提出对枪钻整体施加超声纵向振动的方案。通过对枪钻施加超声纵向振动,实现枪钻钻削时的周期性断屑,提高枪钻的寿命和孔加工的质量。利用传输矩阵法设计出超声辅助枪钻钻削机构中的换能器、变幅杆、旋转夹具以及刀具,通过SolidWorks软件建模,并应用ANSYS Workbench软件对设计的结构进行模态和谐振分析,验证了超声钻削机构设计的准确性。     

具有复合型工具的超声加工声学系统设计

针对传统加工硬脆材料和复合材料时,会产生加工难度高、加工效率低、加工质量差等问题,对旋转超声加工技术加工硬脆材料和复合材料时采用的具有复合型工具的旋转超声加工声学系统进行了研究。阐述了旋转超声加工的工作机理;运用Pro/E软件对新型旋转超声加工声学系统进行了结构设计;选定夹心式压电换能器,根据四端网络法、放大系数方程和频率方程设计出了1/4波长的新型复合变幅杆,依据等效质量法设计出了新型电镀金刚石复合刀具;利用ANSYS Workbench软件对新型复合变幅杆和新型复合刀具进行了模态分析,得出了模型最优解;通过硬脆材料实验对该超声加工的声学系统进行了验证。研究结果表明:变幅杆和刀具在频率20k Hz左右时振幅达到最大,是理想振型;该声学系统的设计可以满足加工硬脆材料和复合材料的要求。     

具有复合型工具的超声加工声学系统设计北大核心

针对传统加工硬脆材料和复合材料时,会产生加工难度高、加工效率低、加工质量差等问题,对旋转超声加工技术加工硬脆材料和复合材料时采用的具有复合型工具的旋转超声加工声学系统进行了研究。阐述了旋转超声加工的工作机理;运用Pro/E软件对新型旋转超声加工声学系统进行了结构设计;选定夹心式压电换能器,根据四端网络法、放大系数方程和频率方程设计出了1/4波长的新型复合变幅杆,依据等效质量法设计出了新型电镀金刚石复合刀具;利用ANSYS Workbench软件对新型复合变幅杆和新型复合刀具进行了模态分析,得出了模型最优解;通过硬脆材料实验对该超声加工的声学系统进行了验证。研究结果表明:变幅杆和刀具在频率20k Hz左右时振幅达到最大,是理想振型;该声学系统的设计可以满足加工硬脆材料和复合材料的要求。     

超声辅助冲击强化装置及复合变幅杆优化设计

基于超声喷丸原理设计制作了利用伺服系统进行数控进给的旋转辅助超声冲击强化装置;利用波动方程和传统复合变幅杆设计理论,设计了圆锥复合变幅杆,用ANSYS软件对其进行了模态分析、谐响应分析和动力学分析。用该装置对镁合金试件表面进行冲击强化试验。结果表明,旋转辅助有利于提高试件表面冲击覆盖率;经ANSYS分析优化后的变幅杆结构合理,阻抗分析结果显示振动性能较好;在输入端直径相同的情况下,放大系数和最大应力值随着变幅杆过渡段长度的增大而不断减小。     

超声珩齿指数型变幅器的动力学特性

超声振动可以有效地减小珩磨力,超声空化现象与切削液的共同作用对珩磨轮实现实时动态清洗,从而减小珩磨轮堵塞、提高加工效率,超声和珩齿进行复合加工是一种应用前景良好的齿轮精加工方法.超声珩齿的加工对象--齿轮,是一类特殊负载(直径大,厚度小),且对振动系统的加工频率影响大,在超声振动系统设计时,必须将变幅杆和齿轮组成变幅器进行全面考虑.鉴于此,根据应力耦合,将齿轮作为圆盘,采用指数型变幅杆,推导频率方程,对变幅杆的设计长度和变幅器振动频率进行数值分析,发现变幅杆的共振频率恰好是变幅器的失谐频率,变幅器的共振频率与变幅杆的固有频率也不相同,这能够为超声珩齿变幅器的设计提供理论依据.     

超声珩齿复合变幅器设计及其动力学研究

在超声珩齿加工中,由变幅杆和被加工齿轮组成的变幅器的设计是一项关键技术,探索新型变幅器显得非常重要。基于变截面复合变幅杆纵向振动波动方程和中厚圆环板弯曲振动位移方程,根据复合变幅杆与中厚圆环组成的超声珩齿复合变幅器的非谐振性和边界条件,推导了系统的谐振频率方程,利用数值计算对设计参数、谐振频率、变幅杆及圆环振幅分布等进行研究,同时分析了变幅器几何参数对系统谐振频率的影响。结果表明,有限元分析结果与理论计算结果和实验测试基本一致,系统谐振频率随复合变幅杆各段长度的增加而减小;当复合变幅杆大小端半径比和各段长度保持不变时,系统谐振频率随两端半径成比例地增加而增加;其他参数不变时随圆环厚径比地增加而增加,其结论不仅证实了非谐振理论的正确性,而且为超声珩齿变幅器的设计和应用提供了理论依据。     

超声珩齿加工工件对谐振频率影响的研究

将超声珩齿加工变幅杆和被加工齿轮组成的超声振动系统简化为变幅器,基于圆锥形变幅杆和环盘(被加工齿轮)组成变幅器的频率方程,导出齿轮半径、厚度变化对谐振频率的影响,以及变幅杆的调整规律,并运用有限元分析的方法对设计结果进行了验证,从而为变幅杆及工作频率的设计选择提供了依据。     

超声珩齿弯曲振动变幅器的位移特性

超声振动可以有效地减小珩磨力,超声空化现象与切削液的共同作用可以对珩磨轮实现实时动态清洗,从而减小珩磨轮堵塞,提高加工效率,因此超声和珩齿的复合加工是一种应用前景良好的齿轮精加工方法.超声珩齿的加工对象--齿轮,直径大,厚度小,是一类特殊负载,且对振动系统的加工频率影响大,所以在超声振动系统设计时,必须将变幅杆和齿轮全面考虑建立动力学方程.为此,将齿轮简化为圆盘,加工过程中齿轮作只有圆节线的弯曲振动,采用圆锥型变幅杆,推导变幅杆和圆盘组成的变幅器的频率方程,并利用它设计了变幅器,对变幅器动力学参数的数值计算、有限元分析及试验测量结果一致.通过计算变幅器中变幅杆和圆盘各自独立的谐振频率,发现与变幅器的谐振频率误差较大,说明变幅器设计时必须同时考虑变幅杆和圆盘的相互作用,否则设计的变幅器谐振频率误差过大.     

超声复合变幅杆的设计与研究

在轴向超声振动钻削中,要实现整个声振系统的谐振,变幅杆的设计至关重要.为此就超声复合变幅杆的结构进行分析,设计制造出用于小直径超声振动钻削的复合变幅杆,并应用该变幅杆进行声振系统的试振,试振证明效果良好,能满足小直径深孔超声振动钻削的要求.     

蜂窝复合材料超声辅助切割工具设计

在蜂窝复合材料超声辅助切割系统设计中,针对大变幅系数超声变幅杆的设计及其与加工工具配合的问题,基于“代替法”,结合有限元评估技术,建立了超声变幅杆和加工刀具的连接结构设计方法。首先,基于超声辅助加工原理,设计了具有大变幅能力的阶梯-悬链型复合变幅杆。然后,基于“代替法”,研究变幅杆长度减小对变幅杆声学性能的影响规律。进而,基于有限元仿真技术,研究装配后声学系统的声学性能。最后,采用设计的超声辅助切割系统对蜂窝材料进行切割加工实验研究,发现切割面无毛刺,加工过程无粉尘产生,从而验证了设计的超声辅助切割声学系统的有效性。     

超声振动锉削加工C_f/SiC复合材料试验研究

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(Cf/Si C)复合材料是一种应用普遍的纤维增强陶瓷基复合材料。针对Cf/Si C复合材料复杂曲面难加工问题提出了超声振动锉削加工方法,建立数学模型分析其加工机理,设计可行性试验验证表明超声振动锉削相对于传统锉削加工方法,可以降低锉削力,提高加工表面质量。利用单因素试验研究了刀具粒度、超声功率、径向锉削深度及水平进给速度对锉削力和被加工件表面粗糙度的影响。结果表明:锉削力随超声振动功率的增大而减小,随锉削深度和进给速度的增加而增大,与理论模型推导结论吻合;超声振动功率的增加可以提高工件表面质量,而锉削深度和进给速度的增加则会降低表面质量。     

超声振动的挤滚压光整加工变幅特性分析及应用

提出了一种针对机械加工中轴类零件外圆表面加工的新型超声振动挤滚压式加工方法。介绍了超声振动挤滚压式强化的加工原理及特点;分析了该工艺的加工特性与超声换能的聚能作用;进一步从金属表面微观塑性变形机理等方面进行探索;同时利用数学模型建立变截面杆纵向振动的波动方程,推导出圆锥型复合变幅杆频率方程和放大系数的计算公式;阐述了变幅杆的变幅特性及其设计参数间相互的关系,并通过实例验证变幅杆的尺寸设计参数。结果表明,该方法能提高零件表面加工质量。     

超声电解复合加工装置的振动系统优化设计

为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统,设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程,分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型,得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计,得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明,有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义,缩短了设计周期,降低了设计成本,所设计的超声振动系统具有良好的性能。     

带中心孔的复合超声变幅杆设计及性能分析

带中心孔的变幅杆可以实现旋转超声加工的中心供冷却液或气体,具有良好的冷却和排屑效果。针对单一形状变幅杆难以实现大振幅的超声振动,对带中心孔的复合超声变幅杆的设计原理和方法进行研究。根据任意截面杆的波动方程,得到带中心孔单一形状变幅杆的传输方程和传输矩阵,并通过对总体四端网络的传输方程和传输矩阵的运算,推导出带中心孔的圆锥过渡复合变幅杆的频率方程和放大倍数的一般公式。根据推导出的频率方程,设计出典型的复合变幅杆,并对所设计的变幅杆进行频率测试,测得的变幅杆频率与理论计算频率的误差在5%以内。研究带中心孔的圆锥过渡复合变幅杆各段长度及中心孔直径对变幅杆频率的影响规律,为复合变幅杆设计和调整提供了理论依据。     

超声珩齿新型变幅器动力学特性研究

为解决超声珩齿振动系统的设计问题,将齿轮简化为厚环盘,基于变截面变幅杆纵向振动波动方程和中厚圆环板弯曲振动位移方程,根据中间有孔圆锥型变幅杆与中厚圆环组成的新型超声珩齿变幅器的非谐振性和边界条件,推导出了系统谐振频率方程,利用数值计算分析了变幅器的几何参数对系统谐振频率的影响。通过有限元分析得出变幅器的谐振频率与理论计算结果基本一致。在此基础上,对设计的变幅器进行了动力学试验,测得的动力学参数与理论结果一致,其结果不仅证实了非谐振理论的正确性,而且为超声珩齿变幅器的设计和应用提供了理论依据。     

圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现

为解决纵-扭复合振动超声加工中复合振动的实现难题,对单激励纵-扭复合振动圆锥形复合变幅杆展开研究。基于变截面杆一维纵向振动和扭转振动理论,推导出圆锥形复合变幅杆纵向振动和扭转振动的频率方程,并确定其振动特性参数。阐释了单激励下圆锥形复合变幅杆纵-扭复合振动的实现机理,并通过应用实例给予验证。理论计算、数值分析与测试结果表明,选择合适的几何结构参数,圆锥形复合变幅杆可以实现纵-扭复合振动。