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《大连理工大学》 2006年
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超声波铣削加工原理及相关技术研究

冯冬菊  
【摘要】:超声波加工适合于加工硬脆材料,可以加工复杂的三维型腔,而传统的超声波加工需要制作与被加工型腔凸凹相反的工具,所以工具制作非常复杂,工具的加工成本高、周期长而且存在加工过程中工具磨损严重等问题,严重影响着加工的精度和效率。 超声波铣削是一种新兴的超声波加工工艺,它利用简单形状工具,基于快速原型中分层制造思想,采用分层去除方法加工硬脆材料,具有工具制作简单,工具与工件间宏观作用力小,工具损耗能够得到补偿,可实现复杂三维轮廓的加工等特点,是具有开发前景的超声波加工技术。本文在系统总结了国内外大量文献资料的基础上,通过实验研究与理论分析相结合的方法,利用自行改装的超声波铣削加工机床进行了超声波铣削加工实验,对超声波铣削加工机理与工艺进行了深入研究,丰富和完善了超声波加工技术现有的理论成果。 在传统超声波加工工艺规律研究的基础上,探索了在工具作高频振动和旋转运动以及机床进给三种运动综合作用下超声波铣削加工的材料去除机理。加工过程中材料的去除同时具有冲击、磨蚀和空化三种作用,由于工具的旋转运动和机床进给运动,为压痕裂纹的产生和扩展提供了有利条件,从而使得脆性材料的裂纹产生与扩展可能性增加,材料去除率增大。基于压痕断裂理论,建立了的超声波铣削加工材料去除率理论模型,从模型可以看出材料去除率与加工静压力、磨料尺寸、浓度、工具尺寸、工件材料性能等参数有关。 变幅杆的频率方程是变幅杆几何尺寸合理化设计的主要依据,针对现有的复合变幅杆理论公式只能表示出相邻两端杆间的关系,无法对各部分进行全面分析的问题,从变截面的杆的波动方程出发,利用四端网络法,推导出带圆锥和指数过渡段的阶梯形复合变幅杆的频率方程和放大倍数通用公式,该公式能够表示出复合变幅杆三段间的关系,便于复合变幅杆的设计和性能分析。同时,设计并制作了圆锥和指数过渡的阶梯形复合变幅杆,实验表明,其他条件不变,改变复合变幅杆小端圆柱部分的长度L_3,对其频率值影响很大,L_3长度减小,频率值增大,可以此对变幅杆进行适当的修正。 研究了工具尺寸及材料性质对变幅杆固有频率和放大系数的影响,实验表明,随着工具长度、直径的增加,变幅杆频率f呈下降趋势,欲使变幅杆安装工具后频率保持不变,可适当减小变幅杆末端长度再安装工具。推导出安装简单工具后复合变幅杆谐振频率、振幅等性能的通用公式,为变幅杆及其加工工具的设计、制作提供了理论依据。 最后,利用改装的超声波数控加工机床进行了超声数控钻孔的实验研究,对超声波数控钻孔中存在崩边现象、工具损耗严重、加工效率较低等问题提出了改善措施。分析了超声波铣削加工中工具损耗现象以及损耗产生的原因和机理,实验研究了各种加工参数对工具损耗的影响。通过分析比较得出,按运动轨迹长度进行工具纵向损耗补偿的方
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TG54

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张向慧;旋转超声加工振动系统设计及关键技术的研究[D];北京林业大学;2011年
2 郑建新;陶瓷型面的数控展成蠕动进给超声磨削技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 安成明;微细超声加工装置及基础工艺的研究[D];大连理工大学;2010年
2 李英华;基于旋转行波的超声抛光振子理论及实验研究[D];辽宁工业大学;2011年
3 肖令权;异形光学元件加工技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 张冠英;杯形工具变幅杆振动系统研制[D];大连理工大学;2012年
5 魏士亮;Si_3N_4陶瓷超声旋转磨削加工过程技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
6 高飞;微细旋转超声加工机理及相关技术研究[D];上海交通大学;2013年
7 任国园;超声振动高速铣削刀具系统稳定性的研究[D];河南理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 于思远,赵艳红,刘殿通;超声磨削加工工程陶瓷小孔的实验研究[J];电加工与模具;2001年04期
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 张宇民,韩杰才,赫晓东,杜善义;快速成形技术在陶瓷领域中的应用[J];材料工程;1999年11期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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8 张桂香;赵庆志;;超声铣削加工控制系统的研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
9 纪仁杰;刘永红;于丽丽;李小朋;;电火花磨削非导电工程陶瓷试验研究[A];2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集[C];2007年
10 裴景玉;邓容;胡德金;;微细电火花加工的底面轮廓模型及定长补偿方法[A];2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵明利;多频率超声辅助磨削纳米氧化锆陶瓷表面/亚表面损伤机理研究[D];河南理工大学;2010年
2 秦娜;旋转超声波磨削制孔的切削力建模与试验研究[D];大连理工大学;2011年
3 张向慧;旋转超声加工振动系统设计及关键技术的研究[D];北京林业大学;2011年
4 许龙;模式转换型功率超声振动系统的设计及优化[D];陕西师范大学;2011年
5 董春杰;超声振动辅助电火花放电表面强化技术及机理研究[D];山东大学;2011年
6 李敏毅;铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量[D];华南理工大学;2011年
7 张华;喷射液束电解—激光复合加工的基础研究[D];南京航空航天大学;2009年
8 朱昌平;流体中低浓度异质物含量的超声检测原理与应用研究[D];中国矿业大学;2010年
9 武剑;原油防蜡降粘超声波处理系统的关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 彭子龙;微细电火花沉积与去除可逆加工关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孔令志;纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究[D];河南理工大学;2010年
2 李义辉;超声无磨料内圆抛光声学系统及抛光工艺研究[D];河南理工大学;2010年
3 蒋建军;二维超声无磨料抛光工艺参数优选试验研究[D];河南理工大学;2010年
4 刘义付;二维超声无磨料抛光声学系统研究[D];河南理工大学;2010年
5 安成明;微细超声加工装置及基础工艺的研究[D];大连理工大学;2010年
6 祝超;KrF激光微细加工Al_2O_3陶瓷机理及试验研究[D];大连理工大学;2010年
7 李贺来;基于嵌入式系统控制的超声波除垢器的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
8 陈娟烈;旋转超声波加工机理的有限元分析[D];太原理工大学;2011年
9 张善理;基于DSP的大功率数字化超声波逆变电源[D];江南大学;2011年
10 吕状;三维网格模型编辑变形方法的研究与实现[D];西北大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 金德新;工具的横向振动对超声加工精度的影响[J];鞍山师范学院学报;2002年03期
2 杨继先,张永宏,杨素梅,郝利兵;超声振动磨削陶瓷深孔试验研究[J];兵器材料科学与工程;1998年03期
3 杨继先,郭伟光,杨素梅,张永宏;陶瓷材料超声振动车削实验研究[J];兵工学报;1995年01期
4 杨继先,张永宏,杨素梅,郭伟光,郝利兵;陶瓷深孔精密高效加工的新方法──超声振动磨削[J];兵工学报;1998年03期
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6 马春翔,社本英二,森肋俊道;超声波椭圆振动切削提高加工系统稳定性的研究[J];兵工学报;2004年06期
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8 梁志强;王西彬;吴勇波;栗勇;赵文祥;庞思勤;;超声振动辅助磨削技术的现状与新进展[J];兵工学报;2010年11期
9 王民,李南京,袁伟军,谢春柳,费仁元;铣削过程的计算机仿真及试验研究[J];北京工业大学学报;2003年03期
10 金菁,刘友和;合金钢电解超声复合抛光工艺的试验研究[J];表面工程;1995年01期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 王丹;康小明;顾琳;赵万生;;聚晶金刚石的微细电火花加工工艺试验[A];2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集[C];2007年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 沈学会;超声振动辅助铣削加工技术及机理研究[D];山东大学;2011年
2 刘世清;径向及径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器研究[D];陕西师范大学;2005年
3 王光庆;行波型超声波电机的若干关键问题研究[D];浙江大学;2006年
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5 曾伟民;旋转超声钻削先进陶瓷的基础研究[D];华侨大学;2006年
6 郑建新;陶瓷型面的数控展成蠕动进给超声磨削技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2007年
7 郑书友;旋转超声加工机床的研制及实验研究[D];华侨大学;2008年
8 祝锡晶;功率超声振动珩磨技术的基础与应用研究[D];南京航空航天大学;2007年
9 杨卫平;超声椭圆振动—化学机械复合抛光硅片技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2008年
10 宋清华;高速铣削稳定性及加工精度研究[D];山东大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 安成明;微细超声加工装置及基础工艺的研究[D];大连理工大学;2010年
2 吴岐山;液中喷气电火花铣削加工工艺与装置研究[D];上海交通大学;2011年
3 肖德贤;旋转超声波铣削加工技术的实验研究[D];大连理工大学;2004年
4 秦崴嵬;超声排水采气研究[D];西南石油学院;2004年
5 吴雪花;抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究[D];大连理工大学;2005年
6 陈延军;切削颤振系统动态特性分析[D];西北工业大学;2006年
7 杨超华;大截面超声变幅杆振动特性研究及设计软件开发[D];广东工业大学;2006年
8 丁学成;超声振动铣磨电主轴的研制[D];哈尔滨工业大学;2006年
9 刘波;抛光垫表面构造和组织对CMP影响效果的研究[D];大连理工大学;2006年
10 关亮;方环形直线驻波超声电机的研究[D];辽宁工学院;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 徐晓明;张向慧;;旋转超声换能器的建模与仿真[J];机械工程师;2014年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 马付建;超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D];大连理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋建军;二维超声无磨料抛光工艺参数优选试验研究[D];河南理工大学;2010年
2 穆希鹏;碳化钨微圆柱阵列的超声振动精密磨削加工工艺研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
3 赵旸;摩擦副表面微凹坑超声复合加工工艺研究[D];扬州大学;2008年
4 马春狮;微细超声波加工中工具损耗理论模型研究[D];大连理工大学;2012年
5 郑腾飞;基于preston去除工艺模型的非球面数控抛光CAM研究[D];长春理工大学;2012年
6 魏士亮;Si_3N_4陶瓷超声旋转磨削加工过程技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
7 高飞;微细旋转超声加工机理及相关技术研究[D];上海交通大学;2013年
8 黄浩;超声辅助加工非接触式电能传输系统仿真分析[D];大连理工大学;2013年
9 曾凡冲;超声换能器的设计理论研究[D];北方工业大学;2013年
10 徐建立;流体在圆筒内的超声驱动原理及抛光应用研究[D];辽宁工业大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 张其馨,董惠娟,蔡鹤皋,张广玉,聂英华;超声发生器频率跟踪的控制[J];电加工;1997年06期
7 金长善,代树武,朱武,赵空勤;喷丝板超声波电火花磨料三元复合加工[J];电加工;1998年01期
8 狄士春,王振龙,刘维东,韦红雨,赵万生;电极等损耗微细电火花加工技术[J];电加工;1998年02期
9 刘殿通,于思远,刘金华,刘文芝,陈锡让;程控超声加工电源的频率跟踪和恒幅控制[J];电加工与模具;2000年02期
10 范国良,陈传梁;超声加工概况和未来展望[J];电加工;1994年06期
【相似文献】
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2 ;您的——千分表生产专家[J];现代制造;1997年04期
3 高洁;贺西平;胡静;;四端网络法统一变幅杆的性能参量[J];声学技术;2006年01期
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5 黄观尧;赫连岭;;超声振动车削[J];内蒙古工业大学学报(自然科学版);1990年01期
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7 卢泽生;杨亮;宋峥;;一种用于精密振动切削的超声振子的设计与实验研究[J];机床与液压;2007年08期
8 尚彦芝;蔡晓君;高钜;;变幅杆连接工艺对旋转超声加工质量影响的研究[J];新技术新工艺;2011年01期
9 李培繁;刘战锋;王天琦;;超声振动钻削系统中声振系统的试验研究[J];中国制造业信息化;2008年01期
10 黄仕彪;;圆锥形超声变幅杆的固有频率测试实验研究[J];现代机械;2008年03期
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1 缪新磊;朱永伟;张超凤;;超声加工中变幅杆动力学分析及其对比试验[A];第14届全国特种加工学术会议论文集[C];2011年
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3 胡皇印;张云电;林金钳;;超声珩磨声学系统关键技术研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
4 俞宏沛;楼成淦;仲林建;;高功率超声振动系统探讨[A];中国声学学会功率超声分会2009年学术年会论文集[C];2009年
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6 张建华;张勤河;牛宗伟;任升峰;;超声振动气中放电加工中变蝠杆的设计[A];第十届全国特种加工学术会议论文集[C];2003年
7 卢群;丘泰球;刘晓艳;罗登林;卢义刚;;超声物理效应影响细胞膜通透性的研究[A];2004年全国物理声学会议论文集[C];2004年
8 吴冰洁;云乃彰;朱永伟;;超声微细加工工具设计与制作研究[A];2005年中国机械工程学会年会第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
9 吴冰洁;云乃彰;朱永伟;;超声微细加工工具设计与制作研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
10 贺西平;武良丹;张小凤;;高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试[A];中国声学学会功率超声分会2005年学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑书友;旋转超声加工机床的研制及实验研究[D];华侨大学;2008年
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5 秦雷;宽波束水声发射换能器研究[D];北京邮电大学;2010年
6 丁仕燕;数控展成超声磨削陶瓷型面的基础研究[D];南京航空航天大学;2006年
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8 张辽远;电镀金刚石线锯超声波切割实验装置的研制和加工机理的研究[D];长春理工大学;2007年
9 杨亮;塑性材料超声振动精密切削技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
10 周衡志;纳米CeO_(2p)/Zn-4.5%Al-RE-Mg-Ti复合材料的高能超声制备及耐蚀性研究[D];南京航空航天大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 薛庚健;超声粉碎原理的探究与分析[D];太原理工大学;2013年
2 乔允涛;小孔特种加工理论及方法的试验研究[D];太原理工大学;2003年
3 冯步奇;大输出端面复合型变幅杆在超声喷丸中的实验研究[D];太原理工大学;2012年
4 辛雅宁;一种新型超声电源换能系统的研究设计[D];西北工业大学;2005年
5 余泽洋;超声波金属焊接频率跟踪仿真控制研究[D];广东工业大学;2005年
6 孟广军;基于UG的超声振动CAD系统研究与开发[D];青岛科技大学;2005年
7 赵莉;基于有限元的超声波加工中变幅杆的动力学分析与设计[D];太原理工大学;2005年
8 高洁;超声变幅杆的优化设计及声学特性分析[D];陕西师范大学;2006年
9 张宇;超声辅助珩齿装置的设计理论与振动实验研究[D];太原理工大学;2007年
10 杨志斌;旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究[D];太原理工大学;2008年
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