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。     

超声变幅杆的设计及有限元分析

超声变幅杆在超声加工中的应用日益广泛。结合超声变幅杆理论,采用ANSYS10．0对变幅杆进行了模态分析和参数修正,在此基础土,设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、谐振频率为60kHz的半波长圆锥形变幅杆,并进行了相关实验。实验结果表明,利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆,其谐振频率与模态分析值非常接近,为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。     

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。     

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。     

超声波振动车削

随着科学技术和生产技术的日益发展,金属切削加工技术也在不断前进。超声波振动车削象等离子加热切削、导磁切削、导电切削、低温切削等许多利用物理或化学作用与金属切削加工相结合的新切削加工方法一样,是一项崭新的金属切削加工技术。超声波振动车削不是再沿用改善刀具几何角度、改变刀具材料和改进刀具结构等措施来改善切削过程,而是通过超声波发生器、换能器、变幅杆、刀杆等谐振系统及装置,使车刀高频小振幅Z向     

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。     

功率超声加工关键技术的研究进展

功率超声加工是现代超声技术的重要组成部分,在新型材料加工上有着广阔的应用前景.简要介绍超声加工技术的发展,着重讨论了超声加工技术中超声波电源、超声换能器、变幅杆和工具等关键技术的研究现状,最后结合作者近几年的研究成果,提出超声加工技术的发展趋势.     

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。     

超声椭圆振动切削难加工材料的研究进展

超声椭圆振动切削具有断续切削特性的切削优势,已成为国内外研究及应用的热点,尤其适用于脆性材料、复合材料等难加工材料的高性能制造加工领域。目前该技术的机理及对难加工材料的适配工艺方面仍不成熟,需要进一步地探索和实践。通过超声椭圆振动切削机理、特性以及对加工表面质量影响因素的分析,阐明了其在加工中低切削温度、低切削力、低损伤、高尺寸精度以及良好表面完整性的独特优势,综述了在塑性材料、脆性材料、复合材料等难加工材料领域的应用,为后续研究超声椭圆振动切削技术提供了参考。     

超声椭圆振动车削的切削特性

为了深入研究超声椭圆振动切削特性及其应用前景,通过建立超声椭圆振动切削模型,根据运动学方程,分析和推导出了切削占空比、振纹高度、振动频率、振幅之间的关系,揭示了超声椭圆振动车削表面粗糙度、加工精度、加工效率之间的相互关系。通过切削力和表面粗糙度试验对推导出来的结果进行了验证,试验结果表明有效减小切削力是超声椭圆振动切削加工应用的主要优势。     

超声加工技术的应用及其发展趋势

对超声振动切削加工的起源及发展历程进行了回顾,概括了超声加工技术的应用;根据超声加工技术由一维到二维、由单一到复合等方面,阐述了其发展趋势。     

超声振动特性在磨削加工系统中的应用

将超声振动特性应用于磨削加工系统中变幅杆的设计,利用振动模态分析和谐振响应分析方法,研究了超声磨削谐振系统和变幅杆的动态特性,确定了变幅杆的共振频率及在该频率下的谐振响应状态,求出了变幅杆自由端面在谐振状态下的振幅,由此获得了变幅杆的振幅放大系数。据此设计了最佳形状的变幅杆,并通过仿真分析验证了其设计合理性。     

多边体超声切边声学系统研究

为了实现多边体的超精密加工,设计了多边体超声切边声学系统,利用解析法设计了变幅杆的结构尺寸及其性能参数,并采用ANSYS软件对变幅杆—工具系统进行了有限元仿真。利用HP4294A阻抗分析仪对超声切边声学系统进行了实验测试。实验结果表明测得的谐振频率符合设计要求,该声学系统可成功应用于实际生产。     

振幅对超声振动钻削力的影响研究

超声复合机械加工机理与普通切削加工有本质的区别。主要表现在超声加工是一种脉冲式切削加工,对延长刀具寿命、提高表面加工质量、改善刀具切削性能有很大意义。其本身的优良性能已经被国内外专家学者所认可。但是超声振动振幅的大小对孔的钻削质量和刀具寿命的影响非常重要。文中自行设计了一套超声复合钻削装置,且对超声钻削加工装置设计中存在的问题和关键工艺进行了分析,并对不同振幅对钻削力与扭矩的影响进行了对比研究。实验结果对超声加工有一定的指导作用。     

齿轮超声加工技术的研究综述与展望

齿轮超声加工相对于齿轮传统加工可以提高生产效率、延长刀具寿命、改善齿轮表面质量和齿形精度。结合功率超声振动加工特性和应用现状,阐明了齿轮超声加工研究与应用的必要性。详细论述了超声振动滚齿、研齿、齿轮电化学加工、珩齿的加工机理,实验研究与工艺效果。对齿轮超声加工机理材料去除模型研究、振动系统设计、新型刀具设计、生产应用等方面做出了展望。     

Finite element modeling of ultrasonic-assisted turning: cutting force and heat generation

Abstract

Adding ultrasonic vibrations to conventional turning can improve the process in terms of cutting force, surface finish and so on. One of the most important factors in machining is the heat generation during the cutting process. In ultrasonic-assisted turning (UAT) the tool tip also vibrates at very high frequency and this sinusoidal motion causes complexity in heat modeling of the cutting system. Modeling and simulation of cutting processes can help to understand the nature of process and provides information to select optimum conditions and machining parameters. In this article, a finite element model has been developed for predicting tool tip temperature in UAT. The effect of machining parameters including cutting speed, feed rate and amplitude of vibration on the tool tip temperature has been investigated. In order to simplify the machining process, the cutting experiment has been carried out in dry condition. The results showed that by applying ultrasonic vibration to the cutting tool, the tool tip flash temperature increases but in some condition its average value could be less than the conventional machining.     

超声波加工中变幅杆的设计方法分析

变幅杆是超声加工振动系统中的一个重要组成部件。利用ANSYS软件对圆柱圆锥复合型变幅杆进行了模型建立、单元选择和网格划分,并通过谐响应分析得出变幅杆输出端面产生的位移响应。分析可知有限元法能有效提高所设计的变幅杆的整体性和适应性。     

Design of ultrasonic elliptical vibration cutting system for tungsten heavy alloy

Nanoscale surface roughness of tungsten heavy alloy components is required in the nuclear industry and precision instruments. In this study, a high-performance ultrasonic elliptical vibration cutting (UEVC) system is developed to solve the precision machining problem of tungsten heavy alloy. A new design method of stepped bending vibration horn based on Timoshenko’s theory is first proposed, and its design process is greatly simplified. The arrangement and working principle of piezoelectric transducers on the ultrasonic vibrator using the fifth resonant mode of bending are analyzed to realize the dual-bending vibration modes. A cutting tool is installed at the end of the ultrasonic vibration unit to output the ultrasonic elliptical vibration locus, which is verified by finite element method. The vibration unit can display different three-degree-of-freedom (3-DOF) UEVC characteristics by adjusting the corresponding position of the unit and workpiece. A dual-channel ultrasonic power supply is developed to excite the ultrasonic vibration unit, which makes the UEVC system present the resonant frequency of 41 kHz and the maximum amplitude of 14.2 μm. Different microtopography and surface roughness are obtained by the cutting experiments of tungsten heavy alloy hemispherical workpiece with the UEVC system, which validates the proposed design’s technical capability and provides optimization basis for further improving the machining quality of the curved surface components of tungsten heavy alloy.     

国外刀具材料的发展近况

近年来,国外切削刀具材料发展迅速,尤其是随着涂层技术的不断发展,金属切除率一直呈直线上升,制造业的生产效率大大提高。切削刀具材料正逐渐向高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和新型难加工材料加工的方向发展。