一种逆变式超声焊接电源频率跟踪技术

作为一种材料加工方法,超声焊接技术的应用日益广泛.针对超声焊接过程中超声换能器谐振频率发生漂移的问题,提出了一种基于AT89S52单片机、脉宽调制(PWM)型控制芯片SG3525A和数字电位器的逆变式超声焊接电源频率自动跟踪技术.介绍了超声焊接电源主电路和频率跟踪电路的工作原理以及所用器件的功能,并给出了超声焊接电源频率跟踪子程序的流程.与传统电路相比,所设计的频率跟踪电路具有简单、新颖、实用等优点.     

超声电源频率跟踪电路的改进

介绍了传统频率跟踪电路在超声电源中的应用,简要分析它们存在的优、缺点,对现有的检相电路进行改进,提出了一种由PIC18F458单片机控制和检相电路相结合的频率自动跟踪电路,提高了电源系统的稳定性,实现超声高效加工并获得了良好的加工效果.     

金刚石拉丝模超声加工自动频率跟踪系统设计

在分析金刚石拉丝模超声加工原理的基础上,讨论了超声频率自动跟踪的必要性,提出了基于模拟锁相环技术的频率跟踪电源系统的设计。通过外围硬件电路检测辨别换能器两端电压和电流信号的相位差方向,控制CD4046锁相环输出频率的大小,使换能器的工作频率始终在谐振频率点。在加载不同长度工具针负载的情况下,对自动跟踪电源系统进行压电阻抗分析测试,实验结果表明,该系统具有良好的频率跟踪性能。     

硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望

硬脆材料具有高强度、高硬度、低密度等特点,用传统方式加工时损伤大、效率低,而超声辅助磨削具有磨削力小、加工质量优等优点,在硬脆材料加工领域具有独特优势。从不同振动维数及振动方向与磨削表面位置关系的角度出发,总结了不同类型超声辅助磨削加工的机理及特性,在此基础上探讨了硬脆材料超声辅助磨削的延性域加工机理、超声振动参数与磨削用量匹配性的研究现状,并对今后超声辅助磨削领域应重点关注的研究方向进行了展望。      

超声波焊接电源频率跟踪与调节

超声波电源是超声波焊接的关键设备,其频率跟踪速度、功率调节性能和输出振幅稳定性等直接影响金属的焊接质量。针对模拟锁相式金属用超声焊接电源频率跟踪速度慢、负载突变时易失锁等缺点,研制出一种基于PI-DDS控制的精密金属用超声波焊接电源。实验结果表明,所设计的金属用超声波焊接电源能实现对换能器谐振频率的毫秒级自动跟踪,频率周期分辨率高达0.1 Hz。同时移相调功方式能使电源在0~1.5 kW内实现输出功率的连续可调,可用于小型有色金属薄件的焊接。     

基于谐振频率约束的超声磨削负载自适应控制系统设计

为了实现负载自适应超声磨削,建立了基于谐振频率约束的智能自适应控制系统。对该智能系统的控制原理、控制算法以及控制效果进行研究。采用力电类比等效理论,建立了超声磨削系统等效电路模型,推导了超声磨削系统的谐振频率方程。通过理论计算和实验分析了负载对超声磨削系统谐振频率的影响规律。依据负载对谐振频率的影响特性,开发了基于谐振频率反馈的超声磨削模糊控制器,并在Siemens数控机床上进行测试实验。实验结果表明:谐振频率控制误差为1.2%,磨削力波动范围控制在5 N以内。系统控制稳定、鲁棒性好,能有效提高磨削加工质量和效率,减少磨具磨损。     

一种新型功率超声电源

将先进的电子元器件应用于金刚石拉丝模加工用的超声电源,利用有源功率因数校正技术、谐振原理及锁相环技术等,开发了谐振网络、半桥功率放大器、频率自动跟踪网络。应用结果表明,新型超声电源的电能利用率、加工效率大幅提高,谐波电流分量及由此引起的对电网的污染明显减小。     

工件作超声振动时的磨削特性研究

磨削是加工硬脆性材料并获得高加工精度的常用工艺,加工过程中表面质量与材料的去除率是一对矛盾,超声振动的引入在很大程度上缓解了这一矛盾。对工件作超声振动的磨削加工特性进行了试验及理论分析,从工件振动的等效硬度特性角度分析了磨削力比降低的原因,并对其进行了量化计算。该结果对超声辅助磨削加工硬脆材料具有现实的指导意义。     

单电源驱动双超声压缩振子的系统研制

传统的单超声电源一般只能驱动单个超声振子,根据实际情况需要,提出了采用单个超声电源同时驱动两个超声振子的新方法。在测试和比较单个超声换能器和双超声换能器的阻抗特性的基础上,进行了基于FPGA的双超声压缩系统的电源设计,设计了电源的硬件电路及以FPGA为核心的控制系统。该控制系统采用最大电流法和相位差法相结合的方法实现频率自动跟踪功能。通过双超声、单超声和无超声压缩生物质的对比实验,验证了该电源能很好地驱动双超声振子有效、稳定地工作,双超声压缩效果优于单超声和无超声压缩。     

超声振动辅助ELID磨削淬硬12Cr2Ni4A合金钢表面特性的研究

目的 提高淬硬12Cr2Ni4A钢的加工质量,消除工件表面残余应力.方法 采用普通磨削(OG)、超声振动辅助磨削(UVAG)以及超声振动辅助ELID磨削(UVAEG)3种磨削方式,分别对淬硬12Cr2Ni4A合金钢进行加工,分析3种加工方式下被加工工件的表面粗糙度以及残余应力.结果 在超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削下,工件表面粗糙度都低于普通加工,而超声振动辅助ELID磨削后的工件表面质量最高,相对普通磨削加工,超声振动辅助ELID磨削后的表面粗糙度降低了66％,相对于超声振动辅助磨削,超声振动辅助ELID磨削后,表面粗糙度降低了约41％.对工件表面进行残余应力测定发现,普通磨削加工后工件表面为残余拉应力,而超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削后的工件表面都产生了残余压应力,超声振动辅助ELID磨削后,工件表面的残余压应力高于超声振动辅助磨削约30％.普通磨削加工中,随磨削深度的增加,残余拉应力一直变大,而超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削的残余压应力总体呈现减小的趋势.在磨削深度达到22.5μm后,超声振动辅助磨削加工表面的残余压应力转变为残余拉应力.在超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削后,随超声振幅的增大,表面残余压应力增大,超声振动辅助ELID磨削表面的残余压应力随占空比的增大而增大.结论 超声振动辅助ELID磨削加工后,能得到更小的表面粗糙度及更大的表面残余压应力.     

基于STM32的超声电源研制

介绍了一种基于STM32的超声电源,其利用DDS芯片直接合成需要的PWM驱动波形,死区时间由单稳态触发器来调节,采用最大电流反馈跟踪及锁相跟踪相结合的方式来实现频率跟踪。通过调节STM32输出PWM信号的占空比,从而控制半桥变换器,使其保持功率恒定。实验表明,本电源具有跟踪精度高、成本低、工作稳定的特点。     

超声振动辅助微塑性成形系统设计与开发

针对微塑性成形工艺过程对位移、力等参数精确控制的要求,分析了超声振动辅助成形系统的设计要点,提出了关键设计参数。超声振动辅助微塑性成形系统由机床本体系统、超声振动系统和伺服控制系统等主要单元组成。机床本体设计参考四柱液压机结构形式,采用两端固支梁和压杆的简化模型,计算得到主要结构尺寸,并用ABAQUS验证其刚度。通过选用匹配的超声发生器和换能器,满足成形过程中的超声振动要求,利用理想变截面杆纵振波动方程设计变幅杆结构,并用ABAQUS进行变幅杆模态分析,确保设计振幅满足要求。伺服控制系统采用可编程多轴控制器PMAC卡控制伺服电机,通过光栅尺和力传感器反馈实现高精度的位置及成形压力控制。通过测试证明在纯铜压缩试验中叠加超声振动,成形压力显著降低,成形精度达到4μm。     

超声振动磨削放电复合加工SiCp／Al试验研究

针对SiCp／Al的加工,提出一种超声振动磨削放电复合加工的方法．从加工效率、加工稳定性及表面质量等方面与电火花加工进行了对比试验研究。分析了两种加工方法的脉冲宽度和峰值电流对加工速度和表面粗糙度的影响,结果表明：电火花加工的表面粗糙度平均值为尺04．5μm,超声振动磨削放电复合加工的表面粗糙度平均值为Ra2μm：超声振动磨削放电复合加工的稳定性比电火花加工好,但加工速度较低。通过扫描电镜对两种加工方法下零件表面形貌和重熔层进行了观测,对试件表面进行了X射线衍射分析,表明采用超声振动磨削放电复合加工SiCp／Al复合材料可获得较好的表面质量。     

A new two-dimensional ultrasonic assisted grinding (2D-UAG) method and its fundamental performance in monocrystal silicon machining

A new two-dimensional (i.e., elliptical) ultrasonic assisted grinding (UAG) technique is proposed to achieve high material removal rate and high surface quality in the machining of hard and brittle materials such as monocrystal silicon. In this method, the workpiece attached on an elliptical ultrasonic vibrator is ground with a resin bond diamond grinding wheel under the presence of elliptical ultrasonic vibration. The elliptical ultrasonic vibrator is produced by bonding a piezoelectric ceramic device (PZT) on a metal elastic body (stainless steel, SUS304) and its detailed structure/dimensions are determined by FEM (finite element method) analysis. When two alternating current voltages with a phase difference are applied to the PZT at the same frequency that is close to the resonant frequency of the longitudinal mode and bending mode of vibrator, two ultrasonic vibrations are generated simultaneously, and the synthesis of the vibrations results in an elliptical motion on the end face of the vibrator. If the phase difference is set at 0° or 180°, two kinds of one-dimensional ultrasonic vibrations, i.e., axial or vertical vibrations, can be obtained. Grinding experiments are carried out involving monocrystal silicon to confirm the performance of the proposed elliptical UAG. In addition, grinding experiments under the presence of the axial and vertical ultrasonic vibrations and the absence of ultrasonic vibrations, i.e., conventional grinding, are also carried out for comparison. The obtained results show that: (1) compared with conventional grinding, the axial ultrasonic vibration results in greatest improvement in the work surface quality and a slight reduction in the grinding forces; (2) under the vertical ultrasonic vibration, the grinding forces are decreased significantly but the surface roughness is increased slightly; (3) elliptical ultrasonic vibration leads to the significant reduction of both the surface roughness and grinding forces. These indicate that the high efficiency and high-quality grinding of monocrystal silicon can be performed with the proposed two-dimensional ultrasonic assisted grinding technique.     

超声振动辅助磨削弧区的单颗磨粒切厚特征

为准确描述超声振动下的单颗磨粒切厚特征,实测多层金属结合剂金刚石砂轮表面的相邻2颗磨粒的周向间距以及磨粒出刃高度;依据超声振动辅助磨削的磨粒运动轨迹方程及相邻磨粒运动轨迹干涉理论,采用等分线法,利用MATLAB软件求解磨粒在完整接触弧区的单颗磨粒切厚值,并分析各主要参数对单颗磨粒切厚特征的影响。结果表明:相邻磨粒间距、相邻磨粒高度差对单颗磨粒切厚的影响均呈线性变化;单颗磨粒切厚随超声振幅的增大而线性增大,且随超声振动频率的增大而阶段性变化;超声振动辅助磨削的单颗磨粒切厚特征受砂轮转速、磨削深度的影响较大,受工件进给速度的影响相对较小。      

三维超声辅助平面磨削力研究

三维超声辅助磨削力的研究一直是超声加工领域的空白,本研究首先以三维超声辅助平面磨削力为研究对象,从宏观力学角度进行分析,建立了三维超声辅助平面磨削力的数学模型,并分析在不同磨削参数下磨削力的变化情况,最后进行了试验验证。研究结果表明:在一定条件下,三维超声辅助平面磨削下的磨削力小于二维超声辅助平面磨削力,约下降20%;随砂轮转速的增大,磨削力下降,且当砂轮转速大于3000 r/min时,磨削力下降明显;随着进给速度与磨削深度的增加,磨削力增加明显;实验验证同模型分析一致。      

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

cBN砂轮超声振动修整表面地貌实验研究

对cBN砂轮进行了超声振动辅助机械修整试验,研究了砂轮修整后表面地貌特征及砂轮表面静态有效磨粒数。实验结果表明,超声振动辅助修整的cBN砂轮表面的磨粒突出高度随振动频率增大而增大;砂轮表面静态有效磨粒数随着修整导程和修整深度的增加而减少。选择合理的修整参数,采用超声振动修整技术能够获得较理想的cBN砂轮表面。     

An experimental investigation of system matching in ultrasonic vibration assisted grinding for titanium

This paper presents a fundamental investigation of the system matching mechanisms involved in ultrasonic vibration assisted grinding (UAG) of titanium processing. The effects of system matching on grinding force and surface roughness are studied experimentally. The design of experiments and experimental equipment are described in detail. In this investigation, a five-variable four-level fractional factorial design is used to conduct experiments. The experiments are employed to reveal the main effects as well as the interaction effects of the ultrasonic parameters on the process outputs such as material removal rate (MRR), grinding force, surface topography and surface roughness. Experimental results showing that the application of system matching in UAG can improve the work piece grinding quality.     

Energy aspects and workpiece surface characteristics in ultrasonic-assisted cylindrical grinding of alumina–zirconia ceramics

Ultrasonic assisted grinding is a novel method for improving the grinding process of difficult-to-cut materials. In the present research a novel setup has been designed and manufactured for utilizing ultrasonic vibrations in external cylindrical grinding. The designed ultrasonic head vibrates a rotating workpiece in axial direction. An alumina–zirconia ceramic (AZ90) has been selected as the workpiece material. Energy aspects and workpiece surface characteristics of ultrasonic assisted cylindrical grinding (UACG) and conventional cylindrical grinding (CG) processes have been analytically modeled and corresponding grinding experiments have been performed. The combined kinematics of the cylindrical plunge grinding process and axial ultrasonic vibrations provide a unique surface treatment conditions, which leads to reduced peak heights and increased valley depths of the surface topography. The main axial vibration mode provides the overlap of the adjacent cutting traces and consequently smoothens the surface topography in cylindrical plunge grinding. It has been analytically and experimentally shown that, applying ultrasonic vibrations, grinding energy can be reduced up to more than 35% depending on the process parameters. The surface characteristics of the ground workpieces have been investigated in terms of four surface roughness parameters and the roundness error.