超聲振動(dòng)輔助加工因具有減小切削力、降低切削溫度和改善加工表面質(zhì)量等優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于車(chē)削、鉆削、磨削等機(jī)械加工方式中,但是由于受到銑削加工特殊條件的限制,超聲振動(dòng)在銑削加工應(yīng)用中的發(fā)展比較緩慢。目前在超聲銑削加工領(lǐng)域的研究以超聲振動(dòng)工作臺(tái)和純縱向振動(dòng)刀具的方式為主,嚴(yán)重限制了超聲振動(dòng)輔助銑削加工的優(yōu)勢(shì),因此研究多維的、刀具振動(dòng)形式的超聲銑削加工方式具有重要意義。本課題針對(duì)于超聲銑削加工,研究在單一縱向振動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、且具有三維振動(dòng)軌跡的刀具振動(dòng)銑削系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上對(duì)縱扭共振超聲銑削加工的切削過(guò)程特性進(jìn)行解析,研究其加工特性。最后利用縱扭超聲銑削加工系統(tǒng)對(duì)弱剛度結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工,研究其對(duì)弱剛度結(jié)構(gòu)件加工的性能。在不影響機(jī)床主軸正常運(yùn)行的情況下,為將具有多維超聲振動(dòng)的銑削刀具應(yīng)用在普通銑削機(jī)床上,本文首先提出了一種具有共用縱向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的縱扭共振超聲換能器設(shè)計(jì)方法;基于聲波的傳播與反射理論,研究了縱扭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在縱向振動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生縱向和扭轉(zhuǎn)方向激振力和力矩的機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了縱扭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu);基于等效電路法和有限元法設(shè)計(jì)了刀具振動(dòng)銑削用的縱扭共振超聲換能器的結(jié)構(gòu);通過(guò)阻抗測(cè)試、有限元分析以及試驗(yàn)測(cè)試的方式對(duì)超聲換能器的頻率特性、振動(dòng)特性以及節(jié)點(diǎn)特性進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)激光測(cè)位移檢測(cè)得到了換能器的縱向振動(dòng)幅值和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值,為后續(xù)分析縱扭超聲銑削加工過(guò)程奠定基礎(chǔ)。為了給高速旋轉(zhuǎn)的縱扭共振超聲換能器進(jìn)行供電,以松耦合變壓器原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了原邊和副邊線(xiàn)圈可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)且副邊線(xiàn)圈電感與負(fù)載換能器能相互進(jìn)行電路補(bǔ)償?shù)臒o(wú)線(xiàn)電能傳輸單元;通過(guò)理論計(jì)算和電路仿真的方式,研究了不同電路補(bǔ)償方式對(duì)無(wú)線(xiàn)供電單元的電能傳遞效率、輸入輸出的電壓幅值及波形的影響,并以此為基礎(chǔ)制定在不同條件下選擇電路補(bǔ)償方式的原則�；诳v扭共振超聲換能器的電學(xué)特性,選擇了合適的電路補(bǔ)償方式對(duì)換能器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電。以縱扭超聲銑削刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和刀具空載時(shí)間為研究對(duì)象,研究了縱扭超聲振動(dòng)對(duì)銑削加工過(guò)程產(chǎn)生的影響。首先建立了縱扭共振超聲振動(dòng)銑削加工刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型,將螺旋銑刀切削刃以及三維的刀尖軌跡沿刀具切削方向展開(kāi)得到二維平面內(nèi)的切削刃以及刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡,并以此展開(kāi)的切削刃及其運(yùn)動(dòng)軌跡分析縱扭共振超聲銑削加工相對(duì)于純縱向振動(dòng)超聲加工和普通銑削加工之間的區(qū)別;通過(guò)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型,結(jié)合二維平面內(nèi)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡幾何圖形,建立了單一超聲振動(dòng)周期內(nèi)切削過(guò)程中刀具空載時(shí)間的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)該數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)不同銑削加工參數(shù)以及超聲振動(dòng)參數(shù)下超聲銑削加工過(guò)程中的空載時(shí)間;以縱扭超聲銑削刀具運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過(guò)有限元仿真的方式研究了縱扭超聲振動(dòng)對(duì)銑削加工過(guò)程中切削力的減小作用以及空載時(shí)間與超聲加工過(guò)程中切削力減小作用之間的關(guān)系,為縱扭超聲銑削加工時(shí)切削參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。為考察縱扭超聲振動(dòng)銑削對(duì)于弱剛度結(jié)構(gòu)件的加工性能,本文首先基于機(jī)械振動(dòng)理論,以縱扭共振超聲銑削刀具空載時(shí)間數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),研究了弱剛度結(jié)構(gòu)件在銑削加工過(guò)程中的剛度強(qiáng)化效應(yīng),建立了弱剛度結(jié)構(gòu)件超聲銑削加工時(shí)等效剛度的數(shù)學(xué)模型,以薄板結(jié)構(gòu)為例通過(guò)有限元仿真和銑削加工試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了超聲銑削加工對(duì)提高弱剛度結(jié)構(gòu)等效剛度的作用;建立了縱扭共振超聲振動(dòng)銑削加工動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)半離散法求出了縱扭共振超聲銑削加工的穩(wěn)定性葉瓣圖,并預(yù)測(cè)了不同銑削加工參數(shù)以及超聲振動(dòng)參數(shù)下弱剛度結(jié)構(gòu)銑削加工時(shí)的穩(wěn)定性;以薄板結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行了縱扭超聲銑削加工試驗(yàn),并通過(guò)檢測(cè)加工過(guò)程中結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)加速度、切削力以及薄板振動(dòng)位移來(lái)驗(yàn)證了縱扭共振超聲銑削加工對(duì)于弱剛度加工過(guò)程的改善作用。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TG54;TG663
【部分圖文】：

第1章 緒 論.1課題背景及研究目的隨著航空航天產(chǎn)品對(duì)性能的不斷追求，許多比強(qiáng)度高[1]、結(jié)構(gòu)剛度低如細(xì)長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)、深小孔結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)[2]、榫頭榫槽結(jié)構(gòu)等加工困難結(jié)用逐漸增多，并且這些剛度較弱的零件往往都是非常重要的部件，如發(fā)管、葉輪、天線(xiàn)罩等等。圖 1-1 所示為波音 787 所使用的兩種可以根據(jù)要求進(jìn)行互換使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，其零件中就包括很多的難加工的結(jié)構(gòu)如渦榫槽、渦輪榫頭、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽。這類(lèi)弱剛度零件的制造給加工帶來(lái)的挑戰(zhàn)，首先加工時(shí)由于受到切削力的作用，加工過(guò)程中零件的變形得加工誤差難以控制；其次加工過(guò)程中的振動(dòng)容易在動(dòng)態(tài)切削力的作用穩(wěn)定，發(fā)生再生性顫振現(xiàn)象，從而使得加工表面質(zhì)量急劇下降，甚至使過(guò)程不能繼續(xù)進(jìn)行。

工序多、工程復(fù)雜，并由于其本身是由多個(gè)扇形壓電陶瓷疊加而成，不整體，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、各扇形壓電陶瓷之間性能的協(xié)調(diào)性等等都沒(méi)的壓電陶瓷好。a) painting silver electrodes b) polarizing one areaa) 噴涂電極 b) 極化某個(gè)區(qū)域c) polarizing other areas d) erasing the electrodesc) 極化其他區(qū)域 d) 擦除電極

如圖1-3 所示，其研究中還指出了聲波在換能器內(nèi)部傳播的速度不僅取決于波的種類(lèi)以及材料的性能，還與變幅桿的半徑減小系數(shù)有關(guān)系，因此其提出可以通過(guò)修改變幅桿的半徑減小系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)換能器的縱振模態(tài)頻率和扭振模態(tài)頻率[25,-3-
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2871699