基于断裂力学的Nomex蜂窝复合材料超声切割机理研究

Nomex蜂窝复合材料的超声切割技术克服了传统高速铣削中存在的工件固持困难、加工粉尘大等问题。基于断裂力学研究Nomex蜂窝复合材料的超声切割机理,为超声切割工艺参数优化以及超声波声学主轴的优化设计提供理论依据。根据直刃刀超声切割Nomex蜂窝复合材料加工工艺,建立直刃刀的运动学方程,分析得到超声切割断续加工过程中直刃刀与材料相互作用时间关系;应用断裂力学理论,引入动态应力强度因子建立蜂窝复合材料的断裂韧性模型,研究超声切割作用下蜂窝复合材料的微观断裂过程,根据直刃刀位移和裂纹扩展的关系模型,分析切削力的影响因素,并进行仿真研究。研制了超声切割工艺试验台,对蜂窝复合材料进行了有超声和无超声切割加工的对比试验,试验结果显示超声切割显著地减小了切削力,也证实了冲击产生的微裂纹扩展是蜂窝复合材料在直刃刀超声切割作用下,切割力减小的主要原因。理论分析和试验研究表明基于断裂力学的Nomex蜂窝复合材料超声切割机理研究具有有效性和合理性。     

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。     

圆柱圆锥复合型变幅杆的有限元分析

变幅杆是超声波加工中一个重要的组成部分,为了把变幅杆振幅放大和有效的把声能传递给负载,就需要对其进行动力学分析。但复合型变幅杆的截面变化复杂,传统的分析方法求解起来比较困难,甚至有些是无法求解的。通过采用有限元的分析方法,对复合型变幅杆进行模态分析找出在超声波发生器的激振频率范围内的共振频率。在此频率下对变幅杆输入端施加一个随时间按正弦规律变化的振幅,进行谐响应分析得出在输出端的振幅,从而得到变幅杆的放大比。并可求解出变幅杆在承受随时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响应,保证了变幅杆可靠有效的工作,从而提高了超声波加工效率。     

圆柱圆锥型变幅杆的设计

超声波加工广泛用于玻璃、陶瓷等硬脆性材料,其重要部件——变幅杆直接影响着加工效率。为了有效地将振幅放大并传递到工具头,就需要对变幅杆进行设计和计算。当变幅杆的固有频率等于工作频率时,变幅杆的振幅达到最大,这时对于圆柱圆锥复合型变幅杆可利用波动方程分别求解出圆柱段和圆锥段的共振长度,从而计算出整个变幅杆的长度。     

Nomex蜂窝芯超声加工工艺及编程技术研究

针对Nomex蜂窝芯复合材料特殊的结构及力学性能,从超声系统组成与加工原理出发,介绍了数控超声切割技术,分析了其独特的加工优势,重点对Nomex蜂窝芯蜂窝复合材料超声切割加工工艺展开研究,为Nomex蜂窝复合材料件加工工艺规划提供了参考,研究了超声切割Nomex蜂窝芯结构件数控编程技术的关键问题,通过对采用所制定的超声切割加工工艺对实际生产加工的现场数据进行收集分析,得出结论:与常规的数控机床加工Nomex蜂窝复合材料蜂窝芯相比,加工效率提升32%,产品合格率提升12%,基本无粉尘污染。     

刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统阻抗特性的影响

针对刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统的影响,利用四端网络法,将压电换能器与变幅杆结合在一起,提出了声学系统的整体设计方程,得出了负载与声学系统阻抗特性的关系式。利用有限元软件对声学系统进行模态分析及谐响应分析,并利用阻抗分析仪和激光位移传感器对声学系统的阻抗﹑谐振频率和输出振幅进行检测。仿真和实验结果表明：随着刀具负载的增大,声学系统的阻抗值增大,谐振频率减小,但仿真与实验得出的输出振幅与理论分析不同,这是由于刀具的放大作用造成的。研究结果对声学系统的设计及实际应用有指导意义。     

刀具尺寸对超声切割系统振动性能影响的研究

根据蜂窝结构板发泡胶的特性,确定了低温条件下超声切割的切割方案。设计了30 kHz超声变幅杆并使用Ansys进行模态分析,验证了变幅杆的振动性能。以刀尖角与刃角为变量,设计了9组不同尺寸的直刃尖刀。采用仿真与实验相结合的方法,研究了不同尺寸的刀具对变幅杆与刀具组合体的共振频率、振幅放大系数、刀尖温度的影响,对切割发泡胶的刀具的选择和优化具有指导意义。     

超声波滚压光整加工技术机理研究

超声表面滚压光整加工是一种新兴超声辅助表面改性技术,能够促使表面层晶粒纳米化,可显著降低材料的表面粗糙度值,改善表面应力分布,增强其耐磨、耐腐蚀性。研究了超声滚压加工机理及并建立力学模型。对超声加工系统各关键组成部分进行剖析,重点对超声变幅杆的结构进行了理论上的分析及设计,利用ANSYS有限元分析软件对变幅杆进行了模态与谐响应分析,验证了理论设计的合理性。确定了满足超声波滚压加工模式的本构模型,利用ABAQUS对超声滚压冲击过程做有限元模拟分析。     

复合变幅杆有限元分析

变幅杆是超声波加工中的一个重要部件.在采用四端网络设计的复合多阶变幅杆的基础上,采用ANSYS对其进行有限元分析,验证其设计的准确性,对所设计的变幅杆进行优化,确定了变幅杆的最终结构,得出谐振频率和放大系数,使变幅杆更符合实际要求.     

超声变幅杆的模态分析和谐响应分析

运用有限元方法对四种变幅杆进行了模态分析和谐响应分析,研究了超声加工中变幅杆的动态性能,找出了变幅杆的固有频率,并在变幅杆达到谐振状态的条件下,求出了变幅杆的位移节点、放大系数、应力应变极大点位置.结论表明,有限元分析结果与理论分析结果符合较好,对工程实际中变幅杆的设计与研究具有较高的参考价值.     

Nomex蜂窝芯直刃尖刀超声切割表面微观形貌特征

Nomex蜂窝芯是典型的难加工材料,具有高比强度,比刚度及各向异性的特点。超声辅助切割是蜂窝芯复合材料的一种高效加工方法,可以得到比高速铣削更好的加工质量。但是在超声切割加工过程中依然会存在不同程度的纤维拔出,酚醛清漆层剥落等加工缺陷特征。为了研究其微观形貌特征,采用纵切,斜切,横切三种方式切割蜂窝芯,并对蜂窝芯的加工形貌进行观测。根据微观形貌在蜂窝芯壁上的位置,分别归纳为酚醛清漆层、热压芳纶纸层和蜂窝壁的形貌。研究超声刀具加工参数对材料破损形貌特征的影响。结果表明在10 μm到30 μm范围内提高超声刀具振幅,在500 mm/min到3 500 mm/min范围内降低进给时会降低蜂窝芯加工过程中的酚醛清漆层剥落的几率。     

纵扭超声变幅杆的优化设计研究

为了减少纵扭超声加工过程中能量的损失,文中从纵扭超声振动中纵向振动与扭转振动中的同一变幅杆中同频共振条件出发,基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析模块,利用ANSYS优化设计方法对变幅杆结构与尺寸进行优化,设计出在同一变幅杆中纵向振动与扭转振动有共同位移节点,同时变幅杆满足许用应力且具较大振幅放大倍数。通过ANSYS仿真验证在共同节点处可对纵扭超声变幅杆进行固定。     

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。     

超声切割铝蜂窝试验研究

超声切割技术作为快速发展的加工工艺,越来越广泛地应用于复合材料的加工,尤其是以纸蜂窝材料为代表的弱刚度复合材料。开展了超声切割铝蜂窝试验研究,通过分析不同振幅、不同进给速度下的切割力、超声切割后蜂窝工件的宏观和微观形貌,验证了超声切割铝蜂窝的可行性和优势。试验结果显示,超声切割后蜂窝宏观结构无明显破坏,无明显毛刺毛边产生,提高超声振幅和进给速度可以改善蜂窝切割后微观表面形貌;刀具的超声振动可以显著减小切割力,且在相同进给速度下随着超声振幅的提高,切割力变小;在相同超声振幅下随着进给速度的提高,切割力变大,但变化幅度较小。通过对超声切割铝蜂窝过程的受力分析,讨论了超声振幅、进给速度的变化对切割力的影响规律,并与试验结果进行对比,从理论上分析了造成超声切割力规律性变化的内在原因。     

宽刃超声波切割刀的研究与设计

针对传统切割方法对大尺寸脆性、粘性食品切割时,会产生碎屑、挤压变形等问题,对用于食品的20 kHz宽刃超声波切割刀的模型设计、刀具横向振动等方面进行了研究。根据复合变幅杆设计理论,确定了切割刀基本尺寸,通过在刀具特定位置上开槽的方法抑制了刀具横向振动。依照优化流程图,在ANSYS环境下对刀具进行了模态分析,得出了刀具模型最优解,使刀具在20 kHz频率左右刃口振动主要以纵向振动为主,刀具整体振型均匀;利用激光位移传感器对刀尖进行了振幅测量,发现刀具振型稳定;对上述宽刃超声波切割刀进行了面包切割实验。实验结果表明:该宽刃超声波切割刀进行食品切割时整体振型均匀,不会产生碎屑、挤压变形等问题。     

一种超声波振动钻床主轴设计

提出了用于微小孔加工的轴向超声波振动钻床主轴设计方案和主轴各部 分结构尺寸确 定方法,介绍了换能器、变幅杆设计原理     

蜂窝复合材料超声切割力建模及工艺参数选择研究

针对Nomex蜂窝复合材料超声切割加工因缺乏系统化的理论指导以及工艺参数选择的盲目性而导致导致工件加工质量差的问题,对蜂窝复合材料直刃刀超声切割力以及工艺参数的选择进行了研究,基于刀具运动学特性分析建立了超声切割力与工艺参数的关系理论模型。基于该模型,研究了施加超声波振动能量后引起切割力变化情况,基于该模型,通过运用Matlab软件仿真分析,研究了工艺参数对超声切割力的影响规律。研究结果表明,与普通加工相比,采用超声复合切割蜂窝复合材料可以有效地降低切割力。刀尖角、刀刃面夹角对切割力的影响较为显著,其次是前倾角,刀具摆角对切割力的影响最小,该结果为工艺合理选择及进一步优化奠定了较好的理论基础。     

直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯切削力分析

以直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯的简化模型为基础,建立基于脆性断裂力学理论的超声辅助切削动态力模型,并分情况讨论了刀具与材料间的相对运动关系。分析指出在不同振幅条件下,材料的切割破坏存在断续和连续两种形式,进而推导了切割过程中的切削力的理论公式。其中超声振幅、刀具前倾角、进给速度和超声频率等参数对材料切削力大小均有影响。在理论分析的基础上,开展了超声辅助切割Nomex蜂窝芯复合材料实验。试验结果表明,进给方向的超声振幅和刀具前倾角对切削力的影响较大：当进给方向的超声振幅从0到15 μm变化、刀具前倾角从15°到45°变化时,切削力均可降低70%~80%;进给速度和超声频率对于切削力影响较小：当进给速度从500到6000 mm/min变化12倍时,切削力仅变为1.5倍;超声频率35 kHz与15 kHz相比,切削力降低10%~30%。试验结果与理论分析结论一致。     

变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究

超声旋转加工是一种适用于脆硬材料加工的新技术,它强化了原加工过程,其加工效率随着材料脆性的增大而提高,实现了低耗能的目标。在超声旋转加工中,超声加工工具与变幅杆的连接对超声振动共振频率和超声波加工性能有很大影响。本文在深入研究旋转超声加工基本原理的基础上,分析了旋转超声加工时能量传递系统的关键制件-变幅杆和工具杆对超声加工精度的影响,并对变幅杆和工具杆制造工艺及连接的方法进行了初步研究。     

超声变幅杆的设计与性能分析

利用变幅杆的理论设计公式,通过计算机辅助设计,计算出复合型变幅杆的谐振长度及位移分布等;并利用有限元对变幅杆进行模态和谐振分析,得到的结果与理论值通过位移分布曲线,可以直现地看到满足正弦波曲线,其精度满足工程设计的需要.