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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

作　者: 刘礼平
导　师: 房丰洲; 林彬
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 工程陶瓷旋转超声波加工机床附件化静压气浮导轨非接触电能传输在线监测
分类号: TG502.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-24
  1.1 引言  9-11
    1.1.1 传统超声波加工  9-10
    1.1.2 旋转超声波加工  10-11
  1.2 旋转超声波加工技术的发展概况  11-13
    1.2.1 旋转超声波加工技术国外发展现状  11-12
    1.2.2 旋转超声波加工技术国内发展现状  12-13
  1.3 旋转超声波加工机床的发展概况  13-21
    1.3.1 旋转超声波加工机床国外发展概况  14-18
    1.3.2 旋转超声波加工机床国内发展概况  18-21
  1.4 课题来源及主要研究内容  21-24
    1.4.1 课题来源  21-22
    1.4.2 论文主要研究内容  22-24
第二章空气静压导轨气浮工作台负载匹配系统研制  24-47
  2.1 旋转超声波加工负载匹配  24-25
  2.2 空气静压导轨气浮工作台结构设计  25-27
  2.3 气体润滑技术  27-31
    2.3.1 节流器选择  27-28
    2.3.2 气体润滑基本理论  28-31
  2.4 静压气浮工作台有限元分析  31-39
    2.4.1 FLUENT 有限元仿真  31-37
    2.4.2 实验结果与分析  37-39
  2.5 力监测系统  39-43
  2.6 力控制系统  43-45
  2.7 本章小结  45-47
第三章旋转式非接触电能传输系统研制  47-77
  3.1 柱面感应旋转式非接触电能传输原理  48-49
  3.2 柱面感应旋转式非接触电能传输集流环  49-52
    3.2.1 耦合材料选择  49-51
    3.2.2 柱面感应电能传输集流环结构设计  51-52
  3.3 仿真分析及实验验证  52-66
    3.3.1 有限元仿真模型的建立  52-53
    3.3.2 实验方案设计  53-55
    3.3.3 四种电能传输结构磁通对比分析  55-61
    3.3.4 四种电能传输结构涡流对比分析  61-63
    3.3.5 四种电能传输结构传递能量效率对比分析  63-66
  3.4 电路补偿结构分析  66-73
    3.4.1 互感电路模型  66-69
    3.4.2 补偿结构特性分析  69-72
    3.4.3 负载为换能器的补偿  72-73
  3.5 电路补偿有限元仿真及实验  73-76
  3.6 本章小结  76-77
第四章旋转超声波加工头的研制  77-87
  4.1 旋转超声波加工系统  77-78
  4.2 旋转超声波加工头结构设计  78-80
  4.3 换能器的选型  80-83
  4.4 变幅杆的动力学分析  83-86
    4.4.1 超声变幅杆的类型  83
    4.4.2 超声变幅杆设计方法  83
    4.4.3 有限元模型的建立  83-84
    4.4.4 有限元分析结果  84-86
  4.5 本章小结  86-87
第五章旋转超声波加工在线监测  87-102
  5.1 引言  87
  5.2 监测方法介绍  87-92
    5.2.1 振动监测  88
    5.2.2 声发射监测  88-92
  5.3 实验装置及实验条件  92-95
    5.3.1 实验室装置  92-94
    5.3.2 实验条件  94-95
  5.4 旋转超声波加工过程刀具磨损  95-97
  5.5 监测信号分析  97-101
    5.5.1 监测信号幅值分析  97-98
    5.5.2 监测信号频谱分析  98-99
    5.5.3 声发射监测信号的小波分析  99-101
  5.6 本章小节  101-102
第六章旋转超声波加工负载匹配实验  102-112
  6.1 引言  102
  6.2 圆珠滚子导轨气浮工作台负载匹配实验  102-104
  6.3 空气静压导轨气浮工作台负载匹配实验  104-110
    6.3.1 实验装置及实验条件  104-106
    6.3.2 实验结果  106-110
  6.4 本章小结  110-112
第七章结论与展望  112-115
  7.1 结论  112-113
  7.2 创新点  113
  7.3 展望  113-115
参考文献  115-128
发表论文和参加科研情况说明  128-130
致谢  130

基于机床附件化的旋转超声波加工关键技术研究

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