纵扭复合超声振子设计优化与SiC陶瓷磨削实验

【摘要】：SiC等硬脆材料由于其优异的物理化学性能近年来在航天航空、机械冶金、化工等工业领域有着越来越广泛的应用。然而由于硬脆材料具有硬度高、脆性大等特性,使用传统磨削方法往往很难保证其加工质量和加工效率。进一步提高其加工效率和加工质量成为加工领域必须解决的难题。近年来,超声振动的引入使得磨削加工有了很大突破。已有大量研究表明,一维纵向超声振动磨削较传统磨削在加工质量上有了很大程度的改善。随着对超声磨削研究的进一步深入,二维振动形式的纵扭复合超声振动磨削被提出来。针对纵扭复合超声振动磨削,本文主要开展了以下研究工作:(1)开展纵扭复合振动条件下磨粒运动学研究。从机械振动动力学角度出发,建立斜槽式纵扭复合振动的数学模型,求解该数学模型下的动力学方程,得出单激励下纵扭复合振动的轨迹方程,利用MATLAB软件对建立的磨粒运动轨迹方程进行编程,绘制单颗磨粒在纵扭共振条件下磨粒空间运动曲线,分析其运动特点,为解释纵扭复合超声振动加工机制提供理论基础,并从理论上论证斜槽结构对轴向振动转换的可行性。(2)设计并优化纵扭复合超声振子。根据换能器设计理论设计出25kHz的一维轴向振动换能器,并基于灵敏度分析理论找到斜槽结构中的敏感尺寸参数并将其做为设计变量,以扭转振幅和纵振振幅之比做为优化目标进行优化,得到最优的斜槽式纵扭复合振动超声振子结构,对优化后的超声振子进行性能测试,检验其振动性能。(3)进行纵扭复合超声振动磨削加工工艺特性实验。将自行设计的斜槽式纵扭复合超声振子装配制成超声振动刀柄,开展对SiC陶瓷材料的磨削加工工艺特性实验研究,以普通磨削和纵向超声振动磨削为参照,在相同的超声参数和磨削参数下,从磨削力、加工微观形貌和表面粗糙度方面对比纵扭复合超声振动磨削的加工特点。