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超声辅助钻削装置的研制及实验分析

王宇辰  
【摘要】:SiCp/Al复合材料具有强度高、密度低、耐高温、耐磨损等优异的物理性能和力学性能,在航空航天、国防军事等领域得到了广泛的应用。但是由于Si Cp/Al复合材料抗冲击性差、脆性大、强度高、机械切削性差,加工过程中极易出现刀具磨损严重甚至刀具折断的现象。所以攻克其加工技术以提高制造基础,对于提高我国的国防军事能力有着重要的影响与意义。超声振动辅助加工技术是针对硬脆材料而发明出的一种特种加工方式,超声辅助钻削就是在普通钻削的基础上给刀具附加轴向超声振动,这种加工方式可以明显降低切削力、提高加工效率、并有效降低表面粗糙度和提升刀具寿命,因此被认为是一种加工硬脆材料的有效方法。但是,目前成熟的商用超声加工机床主要来源于国外进口,且价格昂贵,我国对超声加工机床的探索还处于初级阶段。因此,研制一种稳定可靠、性能优秀的超声辅助加工系统,对于实现硬脆材料的高效切削,提高我国工艺制造基础有着重要的意义。本文以超声辅助钻削加工装置为研究对象,并对研制成功的装置进行实验验证与研究,具体完成的工作内容和研究成果如下:(1)针对传统超声加工系统总体长度过长以及机械损耗大的问题,根据波动方程,设计出了谐振频率为20k Hz的一体式超声换能器,并通过有限元仿真软件对换能器进行模态分析。对换能器的制造工艺提出了一些具体要求,测量得到超声换能器的谐振频率为20916Hz,通过激光测振仪测量换能器输出端振幅可达14.2μm,满足加工要求。(2)针对超声辅助加工中接触式导电滑环的电能传输方式存在的缺点与不足,进行非接触式电能传输装置的设计,并对磁芯结构与耦合系数的关系进行了电磁仿真。对不同气隙下原副边线圈的耦合系数进行测量,验证了仿真结果的正确性。(3)为了提高非接触式电能传输装置的电能传递效率,消除电路中的无功功率损耗,基于超声换能器的等效电路模型和非接触式电能传输装置的互感模型,进行原副边电路的补偿设计,提出了四种电路补偿方式并推导出了补偿元件计算公式。通过试验可知补偿后的原边电路达到谐振状态,并使电能传递效率得到了显著提高。(4)为了验证所研制的超声辅助加工装置的钻削性能,进行超声辅助钻孔和传统钻孔对比实验,结果显示超声辅助钻削所产生的轴向力和孔内表面粗糙度均明显小于传统钻削。(5)设计超声辅助钻削加工正交实验,研究后得出了影响轴向力的主次要因素,并得到了超声辅助钻削加工的最优切削参数组合。


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