纵-扭复合振动超声深滚表面粗糙度研究

将纵-扭复合振动超声加工与常规深滚加工工艺相耦合,创建纵-扭复合振动超声深滚加工工艺,并对其加工原理进行阐述。理论分析了超声振动对表面粗糙度的影响;采用单因素试验法对6061-T6铝合金轴件进行常规深滚与纵-扭复合振动超声深滚处理,研究深滚工艺参数对工件表面粗糙度的影响。试验结果表明:在相同的工艺参数下,辅助纵-扭复合振动后,超声深滚所获得的表面粗糙度Ra值均小于常规深滚,且在设定参数范围内,静压力对表面粗糙度的影响最为显著,最高降低约50%。     

纵-扭复合振动超声深滚加工表面形貌研究

将纵-扭复合超声振动引入到传统深滚加工中,创建纵-扭复合振动超声深滚加工工艺,阐述其加工原理;分析其滚压过程;建立其表面形成模型并理论分析表面形貌形成机理;试验对比研究两种滚压方式下工件表面的微观形貌。试验结果表明:在相同的工艺参数下,辅助纵-扭复合振动后,工件的表面微观形貌优于传统深滚加工所获得,试验结果与理论分析结果相吻合。     

纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值分析

为研究平面试件在纵-扭复合振动超声深滚加工后材料应力分布及变化规律,采用有限元方法对Q345钢进行了纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值模拟。首先分析了加工后试件材料各应力分量沿深度方向的分布情况,然后研究了静压力、滚压速度、振幅和相位差对加工后材料残余应力的影响规律。结果表明:经纵-扭复合振动超声深滚加工后材料表层残余应力分布较均匀,表面为压应力,压应力沿试件深度方向先增后减;试件最大残余压应力及最大横向残余压应力深度和残余压应力层深度随静压力的增大而增大,随滚压速度的增大而减小,而表面残余压应力和最大纵向残余压应力深度无显著变化;试件横向残余压应力层深度随振幅的增加小幅度地增大,但最大残余压应力幅值和深度和纵向残余压应力层深度几无变化;相位差对残余应力影响可忽略不计。     

纵-扭复合振动超声深滚加工工艺试验

采用正交试验法对Q235钢端面进行了纵-扭复合振动超声深滚加工,探索了工艺参数对表面粗糙度和显微硬度的影响,并基于试验结果构建了表面粗糙度和显微硬度的预测模型。试验结果表明：经纵-扭复合振动超声深滚加工后,工件表面粗糙度值显著减小,而显微硬度有大幅提高;表面粗糙度值随静压力增大先增后减,随进给量的增大而急剧增大,而随滚压速度的增大变化不明显,且进给量对表面粗糙度的影响最显著;显微硬度随静压力的增大而提高,随进给量和滚压速度的增大有微小波动,且静压力对显微硬度的影响最显著;基于t-检验与相关系数计算结果发现,进给量与静压力的交互作用对表面粗糙度的影响最大,而静压力与滚压速度的交互作用对显微硬度的影响最大。基于正交试验结果和预测模型获得了最优工艺参数,两者的结果接近,表明预测模型可靠。     

工程陶瓷纵扭复合超声振动螺旋磨削 制孔表面质量研究

针对工程陶瓷传统磨削制孔存在表面质量较差等问题,对超声振动辅助加工及螺旋加工的工艺优势进行了归纳分析,提出了纵扭复合超声振动螺旋磨削制孔的加工方法。利用超声加工机床和白光干涉仪及马尔表面轮廓仪,对纵扭复合超声加工、纵向超声加工和普通磨削加工对孔表面质量的影响情况进行了研究;并进一步探究了施加纵扭复合超声振动后超声振幅、螺距、主轴转速、螺旋进给速度对加工孔表面质量的影响规律。研究结果表明:相比纵向超声加工和普通加工,纵扭复合超声加工有利于提高制孔表面质量;纵扭超声螺旋磨削加工超声振幅、螺距对孔底和孔壁表面粗糙度的影响趋势相似,主轴转速及螺旋进给速度对两者表面粗糙度的影响趋势总体上相反。     

对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统设计与分析

为解决目前齿轮超声滚压强化因设备的限制及振动的单一性导致强化效率低、作用范围小等问题,提出了一种新的对滚式齿轮纵扭复合超声滚压系统,包括纵扭复合变幅杆及与之匹配的工具齿轮.基于理论计算的方法推导出圆锥形复合变幅杆频率方程,求得相关设计参数.在圆锥段开螺旋槽并装配齿轮,利用有限元分析方法研究纵扭复合振动、计算齿面处纵扭复...     

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。     

超声振动去毛刺工具头的设计及振动特性分析

针对深孔、盲孔、交叉孔等难加工位置处毛刺的去除需求,对超声振动去毛刺系统进行了研究。分析了超声振动去毛刺系统的组成结构,对纵扭复合超声振动去毛刺工具头进行了设计,利用ANSYS对其振动特性进行了分析,对其结构进行了优化,最后给出了合适的超声振动去毛刺工具头结构,为超声振动去毛刺系统的进一步研究打下了基础。     

螺旋沟槽参数对纵-扭变幅杆振动分量的影响

为更好地探究纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆材料加工中的优势,提出一种新型扭转振动测评方法,设计纵-扭复合超声变幅杆。首先,理论推导了螺旋沟槽结构的纵-扭模态转换,揭示了纵、扭振动分量对变幅杆振动轨迹的影响;然后,在有限元分析中定义了扭纵分量比j,并分析了螺旋沟槽数目n、螺旋角度θ和槽宽d等参数对扭纵分量比j的影响规律。结果表明:扭纵分量比j随螺旋沟槽数目n及槽宽d的增加而变大,随螺旋角度θ的增加而先变大后减小,并利用正交参数的极差分析法得到各参数对其影响力度大小的主次。通过实验验证了有限元分析结果。     

非均匀介质超声铣削系统振动特性研究

采用纵扭复合超声振动铣削进行加工时,由于加工中心等空间受限场合对超声振动系统的尺寸限制,利用四分之一波长理论设计集换能器和复合变幅杆为一体的非均匀介质超声振动变幅系统,在变幅杆部分设计螺旋槽结构实现纵扭共振,并研究纵扭模态转换理论。对非均匀介质变幅系统进行有限元分析,仿真结果表明纵振系统固有频率理论值与仿真值接近,偏差仅为0.245%;对螺旋槽结构进行仿真发现槽深对其对超声变幅系统固有频率、扭纵幅值比例影响较大,螺旋角的影响次之,槽宽影响最小,振动系统测试实验表明固有频率和扭纵幅值比的仿真结果与实验结果变化趋势一致。分别对TC4钛合金和C/C碳纤维进行纵扭超声振动铣削和传统铣削实验对比,结果显示相对于传统铣削,在纵扭超声振动铣削加工中两组材料表面粗糙度值Ra分别下降78%和47%。纵扭复合非均匀介质超声振动铣削系统结构简单紧凑、振动幅值和方向可控性较好,采用纵扭超声振动铣削能有效提高工件表面加工质量。     

面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计

针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆。根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律。研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求。     

纵扭超声振动电火花微小孔加工研究

针对传统电火花机床加工微小孔时效率较低、深径比较小等问题,提出了将纵扭超声振动与传统电火花加工技术相结合的微小孔加工方案,设计了纵扭超声振动系统,进行了无超声振动铜块微小孔极限深度加工、纵扭超声振动铜块和铝合金块微小孔极限深度加工实验。结果表明:纵扭超声振动的引入提高了微小孔加工的深径比,同时也提高了加工速度,减少毛刺的产生。     

纵扭超声铣削残余应力三维有限元仿真与试验

针对钛合金等航空难加工材料,提出采用纵扭复合超声振动辅助铣削的加工方法以实现压应力抗疲劳制造。根据侧铣-顺铣加工特性,基于热力耦合作用建立了钛合金铣削等效三维有限元仿真模型,有效提高了计算效率,实现了刀具作为载体的纵扭超声振动仿真。根据铣削残余应力的形成机理,通过机械应力和热应力的加载-释放,完成了加工残余应力的仿真。利用所建立的有限元模型,从切削力、切削温度以及加工残余应力角度出发,对比分析了传统铣削和纵扭超声铣削的差异性,得出纵扭超声振动能够有效降低切削力和切削温度,增大表面压应力值和压应力层深度。通过试验对纵扭超声铣削等效模型进行了验证,结果表明所建立的三维有限元模型能够以较高的精度对切削力、切削温度和加工残余应力进行预测;进一步通过数值模拟研究了刀具几何参数以及超声表征参数对加工残余应力的影响规律,为实现钛合金的压应力制造奠定了基础。     

利用导波传输实现二维高频超声振动

为简化二维超声椭圆振动结构,提高刀尖振动响应精度,利用导波具备单向动态刚度特性,研制了利用导波线传导超声振动的高频二维振动装置。该装置由101.96 kHz的纵振换能器和纵-弯复合振动工具头组成,用导波线将换能器和振动工具头连接起来,通过两路激励电源输出相位差的调节,能够获得相应的二维振动轨迹,并利用有限元仿真模态分析对该装置进行结构优化,确定最优结构。对整体二维振动装置振动特性检测结果表明,振动工具头前端的刀尖能产生一个0.4 mm振幅的纵-弯复合振动。该装置可以应用于超精密切削,如航空航天、军事、电子和光学等需要高精度或难加工零部件的加工。     

旋转超声加工用纵扭共振变幅杆的动力学分析

旋转超声振动加工在加工硬脆性复合材料方面应用越来越广,旋转超声振动系统性能的好坏直接影响超声加工的质量,而超声变幅杆是该系统中必不可少的结构器件。针对超声铣磨加工,设计了一种纵扭共振复合型变幅杆。计算了纵振圆锥—圆柱复合变幅杆的结构参数和功能参数,并与有限元分析结果做了比较。阐述了通过圆环斜槽来实现振型转换的基本原理,并通过有限元分析的方法,分析了斜槽的几何参数对变幅杆振动模态和性能参数的影响规律。     

超声纵-扭复合空心变幅杆的振动特性分析

超声纵-扭复合振动加工具有加工效率高、切削力及切削热量较低、可降低刀具磨损等优势,而纵-扭复合空心变幅杆可提供较好的冷却和排屑效果。利用四端网络法设计了圆锥过渡空心复合变幅杆,在其锥面开设螺旋沟槽作为"模态转换器",从而在变幅杆末端成功输出纵-扭复合振动。通过有限元仿真探究了螺旋沟槽数目n、螺旋沟槽角度θ及沟槽槽宽w对谐振频率f的影响规律及敏感度,结合中心孔直径d对变幅杆节点位置、谐振频率f、放大倍数m、扭纵分量比i等的影响规律,针对开设沟槽后频率偏移问题,提出一种谐振频率修正方法,并设计试验进行了验证。     

纵扭超声换能器设计及其性能测试研究

纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视,针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题,设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器,然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽,将一部分纵向振动转换为扭转振动;利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律,优选出最佳的螺旋槽参数;在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析,结果表明换能器能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差较小,振幅值满足一般加工要求;最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试,结果表明谐振频率与仿真值相差较小,纵振振幅9.4μm,扭振振幅5.3μm,能够适用于大部分的超声加工,也验证了设计方法的正确性。     

圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换

工具的复合振动在切削和焊接加工中能得到优于单向振动输出模态加工的质量,并可大幅提高加工效率和延长工具寿命.利用圆环斜槽传振杆可使单向模态的纵振换能器实现超声纵扭共振模态的输出.这种方法结构简单、使用方便,并具有很高的转换效率.研究从斜槽对应力波的反射作用原理出发,推出纵波在斜槽作用后的应力波应力状态.研究这种应力波在圆环斜槽传振杆中的传播形式,指出它是沿螺旋线传播的主应力波并推出了其传播声速.在此基础上,证明圆环斜槽传振杆存在纵扭共振模态,利用传输线等效电路导出传振杆的频率方程.通过分析圆环斜槽传振杆的振动特性,得出影响纵扭振动输出参数的因素.根据加工要求的振动输出参数,在实际应用中可准确地确定圆环斜槽传振杆的几何尺寸.有限元模态分析、试验结果与理论分析一致.     

纵-扭复合模式压电超声换能器设计分析

提出了一种螺旋槽纵-扭复合模式振动压电超声换能器结构,并对其纵-扭复合模式振动进行了理论分析。重点研究了螺旋槽的尺寸对换能器频率的影响,通过模拟分析发现螺旋槽的深度对换能器的共振频率影响比较大,并得到了纵扭共振时换能器的几何尺寸。理论模拟与试验结果吻合较好。     

超声纵扭辅助铣削高强铝合金表面润湿性能研究

针对超声辅助加工在工件表面形成微刻划表面可以提高高强铝合金表面的微结构性能的现象,进行了单激励旋转超声纵扭复合铣削表面微观结构的试验,基于水接触角理论和纵扭铣削运动学理论分析了加工参数对水接触角的影响;搭建了单激励超声纵扭铣削试验平台,采用正交试验法研究了不同加工参数对表面粗糙度、铣削力以及表面润湿性能的影响。结果表明：超声振幅为4μm时表面质量最佳,切削速度和进给量与表面粗糙度和水接触角呈正相关的关系;超声加工方式下的表面水接触角较普通方式更大,而在超声加工时低振幅加工比高振幅加工的表面水接触角大,当转速达到一定值时,高振幅和低振幅所加工的表面水接触角差别不大。合适的加工参数条件下超声纵扭加工方式可以降低加工表面的粗糙度,改变表面的润湿性。