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。     

基于ANSYS设计的旋转超声加工振动装置与试验

旋转超声加工是加工陶瓷等硬脆材料的有效方式。参数化设计了旋转超声加工振动装置模型(包括夹心式压电换能器、变幅杆和工具头),运用ANSYS压电分析模块对旋转超声振动装置进行模态分析与谐响应分析。结果表明:当频率为19.8 kHz时,变幅杆小端面输出振幅最大约为19.6μm,符合旋转超声加工的要求。构建了旋转超声加工振动系统,以陶瓷材料为试验对象,进行机械磨削与旋转超声加工对比试验,加工完成后得到了加工深度与表面粗糙度参数,表明采用旋转超声加工可以得到更理想的表面粗糙度和更高的材料去除率。     

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。     

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。     

带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析

设计了带加工工具的阶梯形超声变幅杆。鉴于传统的带有加工工具的超声变幅杆设计计算的不准确性,运用ANSYS Workbench软件,设计带有加工工具的超声变幅杆并进行模态分析,并在此基础上优化设计,运用阻抗分析仪验证设计结果的准确性,为设计带加工工具的阶梯形超声变幅杆提供了新思路。     

带有成形工具头的超声抛光变幅杆研究

模具内腔抛光是模具加工的瓶颈,为了解决手持式超声抛光机低效率、加工品质不容易保证的问题,拟采用可以更换不同成形工具头的自动超声抛光设备,这就需要研究加上不同工具头后对超声变幅杆的影响.基于变幅杆设计理论和有限元分析技术,深入研究了加上成形工具头后整个变幅杆的纵振频率的变化情况,研究结果表明小型成形工具头对于整个变幅杆的纵振频率的影响可以忽略不计.     

单一变幅杆的设计分析

超声变幅杆是超声加工设备中超声系统的重要组成部分之一。通过合理的设计,变幅杆才能将输入的振动放大合适的倍数后再传递出去。单一变幅杆在设计时需要考虑诸多问题。本文为了研究方便,设定变幅杆为理想状态,以此来分析变幅杆的性能参数。以圆锥变幅杆为例,分别讨论了变幅杆无负载条件下和有负载条件下的情况,并利用谐振方程进行了设计计算。本文还通过计算研究了简单形状的加工工具头对变幅杆的影响。通过定性分析讨论了变幅杆参数变化以及工具杆与变幅杆连为一体的利弊。     

超声变幅杆与工具杆连接定位结构分析及传递能耗研究

对旋转超声振动加工中变幅杆和工具杆的连接定位进行了力学和结构分析。并利用ABQUS软件,对连接结构在传递超声波能量过程中的能量损耗,进行了有限元模拟实验。从实验结果得出圆锥曲面在传递轴向纵波时,产生的热量这一能量损耗,主要是由于超声波斜入射形成驻波而形成。     

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。     

带有加工工具的超声复合变幅杆的优化设计

鉴于传统的带有加工工具的超声复合变幅杆求解方法的不准确性,运用有限元法,设计带有加工工具的复合变幅杆,并对其进行动力学分析,包括模态分析、谐振分析;并在此基础上进行优化设计。在保证其突变处工作应力在其材料许用应力范围的前提下,得到其固有频率等于工作频率时复合变幅杆的最佳放大倍数及谐振长度;运用有限元法,分析了工具头的长度,直径对于整个变幅杆谐振长度、放大倍数的影响,为设计更多的复杂形变幅杆提出了一种新的思路。     

旋转超声电解复合加工小孔的仿真加工

为研究旋转超声电解复合加工小孔的成型过程,进行了旋转超声电解复合加工小孔试验,得到了不同加工时间孔的截面,并根据试验参数,进行了基于ANSYS的二维仿真加工和三维仿真加工。对小孔的入口直径、底面直径和加工深度进行了对比分析,结果表明由于三维仿真加工中采用了管电极,并考虑了电解加工中阴极超声高频振动对电解液电导率的影响,故其仿真结果更加接近试验值,间接证明了旋转超声电解复合加工小孔三维仿真加工的可靠性,展示了不同时刻的三维加工型腔,为旋转超声电解复合加工的成型过程和成型规律的研究提供了参考。     

旋转超声钻削加工的研究现状及发展趋势

针对硬脆材料加工孔过程中出现的各种问题,选择一种有效的加工方法显得尤为重要.而旋转超声钻削加工已经成为一种有效的特种加工方法,其应用前景可观.综述了旋转超声加工技术的加工机理及发展历程,概述了国内外学者在硬脆材料工艺特性及装备研发等方面的研究成果,重点阐述了近年来国内外研究者在旋转超声钻削加工孔工艺特性方面的主要研究成...     

多功能数控超声加工机床设计

介绍了回转超声加工的原理,对多功能数控超声加工机床各组成部分的设计进行了详细的阐述,研制出的机床可以进行磨料冲击加工、超声磨削钻孔、超声铣削和超声雕刻四种超声加工试验,并在多功能机床上做了磨料冲击加工试验,以及超声磨削钻孔与非超声磨削钻孔加工的对比试验.     

辅以工具旋转的超声波加工方法的研究

结合传统超声波加工和超声旋转加工的特点,提出了一种适合于对硬脆材料进行大面积加工的新方法：辅以工具旋转的超声波加工,并推导了其材料去除模型。     

飞机紧固孔超声振动精密加工技术研究

针对飞机蒙皮复合材料与钛合金叠层(简称复钛叠层)紧固件大孔传统手工多步制孔加工中存在的工艺路线长、加工质量不高、刀具寿命低等问题,开展了超声精密制孔技术的研究,提出了超声振动套-铰-锪的新工艺方法,并研制了超声振动制孔工具系统。实验结果表明,超声振动套-铰-锪新工艺方法及振动制孔工具系统可以高质、高效、低成本加工复钛叠层紧固件大孔,能满足飞机复钛叠层紧固孔精密装配的工业要求。     

超声加工技术的应用现状及其发展趋势

根据近年来超声加工技术的发展状况,综述了超声加工技术的应用现状及其发展趋势。超声加工技术具有其极强的切削能力、极小的切削抗力、极细微的光整能力以及极高的强化能力。国内外学者对超声振动系统中的超声换能器和变幅杆进行研究,目的在于增加系统的功率与变幅杆的振幅,以及适用于特定的加工环境。超声加工技术以其工艺优势在难加工材料加工、深小孔加工、薄壁件加工、超声表面光整强化、超声焊接和磨粒冲击等加工领域获得越来越广泛的应用,并且其应用涉及半导体工业、高速列车、汽车制造、航空航天、光学元器件、医疗工业等产业领域。随着超声加工技术应用的日益普遍,超声复合加工、微细超声加工、旋转超声加工以及超声骨切削技术也将得到进一步的发展和运用。     

Mathematical model for cutting force in rotary ultrasonic face milling of brittle materials

Rotary ultrasonic machining of brittle materials, such as glass, ceramics, silicon, and sapphire, has been explored in a large number of experimental and theoretical investigations. Mechanistic models have been developed to predict the material removal rate or cutting force in the rotary ultrasonic machining of brittle materials. However, most merely describe the rotary ultrasonic machining process of drilling holes in brittle materials. There are no reports on the development of a cutting force model for flat surface rotary ultrasonic machining, i.e., rotary ultrasonic face milling. This paper presents a mathematical model for the cutting force in the rotary ultrasonic face milling of brittle materials under the assumption that brittle fracture removal is the primary mode of material removal. Verification experiments are conducted for the developed cutting force model and show that the trends of input variables for the cutting force agree well with the trends of the developed cutting force model. The developed cutting force model can be applied to evaluate the cutting force in the rotary ultrasonic face milling of brittle materials.     

Experimental investigation on the effects of thermomechanical loading on the vibrational stability during rotary ultrasonic machining

Ultrasonic vibration is assumed to be stable or unchangeable during the process of rotary ultrasonic machining (RUM) on brittle materials, neglecting the effects of different processing parameters. However, no experimental evidence has been reported to validate this assumption. In this study, the effect of thermomechanical load on the stability of ultrasonic amplitude during RUM was investigated by theoretical analysis and experimental procedures on quartz glass and sapphire. It was shown that the instability of ultrasonic amplitude during the machining process is mainly attributed to variation of resonant frequency under the implementation of thermomechanical load. The thermal effects of ultrasonic vibration decrease the resonant frequency of the ultrasonic machine, while mechanical loading during the machining process increases the resonant frequency. Furthermore, a higher feed rate or a harder material leads to a higher resonant frequency change. The variation of ultrasonic power can be used to review the validity of difference-neglected assumption when different values of processing variables, materials, or even machine tools are used during modeling. The results of this study should be well considered for future references when designing an ultrasonic machine.     

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。     

ROTARY ULTRASONIC MACHINING OF TITANIUM ALLOY: EFFECTS OF MACHINING VARIABLES

Titanium and its alloys are finding prime applications in industries due to their unique properties. However, the high cost of machining is one of the limiting factors for their widespread use. Tremendous efforts are being made to improve the existing machining processes, and new processes are being developed to reduce the machining cost in order to increase the titanium market. However, there is no report on the systematic study of the effects of machining variables on output parameters in rotary ultrasonic machining of titanium and its alloys. This paper presents an experimental study on rotary ultrasonic machining of a titanium alloy. The cutting force, material removal rate, and surface roughness (when using rotary ultrasonic machining) of a titanium alloy have been investigated using different machining variables.