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《天津大学》 2012年
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基于机床附件化的旋转超声波加工关键技术研究

刘礼平  
【摘要】:工程陶瓷广泛应用于航空航天、国防、电子、汽车、生物工程等领域,但陶瓷材料硬度高、脆性大等特点使其加工困难,旋转超声波加工作为一种精密、高效的工程陶瓷加工方法,受到了各国研究人员的广泛关注,实现旋转超声波加工头和负载匹配进给系统的机床附件化,进而促进旋转超声波加工技术的推广应用,是目前必须解决的关键技术问题。 传统的无刷式旋转超声波加工头存在能量传输效率低、传输能力小等问题;现有的机床附件化负载匹配进给系统有软件模式和硬件模式两种,软件模式存在操作和维修复杂、价格昂贵等缺点,硬件模式存在对旋转超声波加工力的变化反应不够灵敏等缺点。 为解决以上问题,本文研究设计一种机床附件化负载匹配进给系统,研究设计一种机床附件化的旋转超声波加工头,研制一种基于电磁感应的无刷式能量传输装置(集流环),并探讨旋转超声波加工过程中刀具磨损的在线监测方法。本文主要研究内容包括以下几方面: 1)研究并设计一种以空气静压导轨气浮工作台为核心的机床附件化负载匹配进给系统。基于气体润滑理论,利用有限元法和试验法对气浮导轨的承载力和承载刚度进行分析和测量,同时完成负载匹配进给系统的力监测和力控制系统。 2)基于电磁感应原理,研究设计一种用于旋转超声波加工头的非接触式能量传输集流环。利用有限元法对比分析四种集流环的工作性能,并进行实验验证。探讨集流环主、副边电路的补偿方法,提出了副边电路负载为换能器时电路的补偿方法,并进行了电路补偿的有限元仿真与实验研究。 3)研究设计一种以柱面感应集流环为核心部件的机床附件化旋转超声波加工头,利用有限元软件对变幅杆进行动力学分析和结构设计。 4)研制旋转超声波钻削SiC陶瓷实验台,利用压电力传感器、振动加速度传感器与声发射传感器在线监测加工过程,通过观测刀具表面形貌判断刀具磨损情况、分析刀具磨损机理,通过信号处理提取表征刀具磨损的信号特征。 5)进行旋转超声波加工负载匹配实验,通过观测工件被加工后的表面质量以及信号分析,验证气浮工作台负载匹配系统对工件的保护作用。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG502.3;TG663

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