论文摘要
超声波加工是加工玻璃、工程陶瓷、石英、翡翠等硬脆材料的有效方法。旋转式超声波加工是在传统超声波加工的基础上发展起来的一种加工方法,它是在工具头上电镀(或烧结)立方氮化硼(或金刚石)磨料,并在工具作超声振动的同时附加了旋转运动,这就把立方氮化硼(或金刚石)工具的优良切削性能和工具的超声振动结合在一起。因此,旋转式超声波加工比传统超声波加工具有更高的加工效率和更好的表面质量,其应用范围越来越广。超声波加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成,其中变幅杆起着放大振幅的重要作用。但是传统型变幅杆应用范围受到较多限制,如阶梯型变幅杆放大系数较大,但是形状因数较小(一般都小于1)而圆锥形变幅杆形状因数较大,放大系数却较小,这些都限制了加工效率的提高。而且变幅杆的传统设计方法求解繁琐,适应性差。因此需要寻找一种新的设计方法,满足设计性能优良变幅杆的要求。本文以提高超声波加工效率和质量为出发点,利用大型有限元软件ANSYS优化设计出了具有较大振幅比与形状因数的新型超声变幅杆。在此基础上,对传统超声波加工和旋转式超声波加工在理论与实验方面进行了分析研究,主要研究内容有:1.在研究超声波加工机理的过程中,分别概括了传统超声波加工和旋转式超声波加工材料的去除机理的国内外研究现状,介绍了两种超声波加工系统的组成及设备的工作原理。2.利用大型通用有限元分析软件ANSYS,以三次样条曲线作为变幅杆轴截面的母线形状,采用二维轴对称建模代替三维实体建模的方式,在有限元动力学分析的基础上采用优化设计的方法设计出了一种在满足材料许用工作应力条件下,既有较好的形状因数又有较大放大系数的新型变幅杆,并对其进行了验证、修正与检测。3.根据工程陶瓷材料的压痕实验对超声波加工过程中冲击力及裂纹的形成进行了分析,分别建立了传统超声波加工和旋转式超声波加工硬脆材料的材料去除率模型,找出了两中加工方式中影响材料去除率的主要因素。4.利用设计出的新型变幅杆在超声波加工装置上分别对传统超声波加工和旋转式超声波加工机理做了试验研究,通过实验得出了两种加工方式中不同加工参数(静压力、磨料粒度、工具头磨料浓度、工具振幅、工具旋转速度)对材料去除率的影响规律,并且通过正交实验得出了两种加工方式的最优加工参数组合。
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