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难加工材料复杂零件旋转超声辅助加工工艺与机理研究

作　者: 杜鹃
导　师: 张效栋
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 旋转超声加工 硬脆材料 崩边 有限元 超声铣削
分类号: TG663
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


陶瓷、硅、蓝宝石、高温合金等许多先进难加工材料在光学、半导体、航空航天等领域得到了广泛的应用。但这些材料往往加工起来非常困难,对其高效、高质量加工方法的研究一直是制造领域的研究热点。超声加工是加工此类材料的关键技术之一,具有加工效率高、生产成本低、易于实现大批量自动化生产等优点。本课题设计了旋转超声加工(Rotary Ultrasonic Machining RUM)附件装置,并把其安装在五轴加工机床上,为上述先进材料复杂零件的加工提供了可靠的平台。该加工装置不仅局限于钻孔和铣槽加工,还可加工形貌和结构更为复杂的先进材料零件。本文在总结分析硬脆材料加工诱导崩边断裂机理基础上,构建出了加工诱导崩边断裂三层次模型分析框架。并采用有限元方法对旋转超声钻孔和铣槽崩边断裂机理进行深入分析,提出分别采用增加辅助支撑和改善刀具路径方法来解决钻孔和铣槽崩边断裂问题。将此崩边断裂控制方法进一步推广到硬脆材料复杂零件加工上,并取得了较好的效果。除了研究硬脆材料的旋转超声磨削加工以外,本文对旋转超声铣削金属材料也进行了初步的探索。由于铣刀的螺旋结构,其振动形式与磨削完全不同,导致了其加工机理也具有一定的特殊性。实验表明,在一定条件下旋转超声铣削相比传统的铣削具有更小的切削力。为深入研究旋转超声铣削的机理,本文用Pro/E建立铣刀三维模型,构建了铣刀的通用刃线模型,采用有限元对铣刀进行模态和谐响应分析,为进一步优化刀具的参数提供了坚实的基础。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-14
  1.1 课题背景及意义  7-8
  1.2 难加工材料可加工性及特种加工技术  8
  1.3 旋转超声加工技术概述  8-10
    1.3.1 超声加工技术  8-9
    1.3.2 旋转超声加工技术  9-10
  1.4 超声加工若干问题  10-12
    1.4.1 超声加工基本原理  10-11
    1.4.2 振幅、频率与加工速度的关系  11
    1.4.3 超声加工机床及磨料悬浮液循环系统  11
    1.4.4 超声加工特点及应用  11-12
    1.4.5 超声加工工艺指标  12
  1.5 课题来源及主要研究内容  12-14
第二章 旋转超声加工装置系统设计  14-20
  2.1 引言  14
  2.2 旋转超声加工装置主体设计  14-17
    2.2.1 超声波发生器  14-15
    2.2.2 超声换能器  15-16
    2.2.3 变幅杆  16
    2.2.4 超声频率信号传输方式设计  16-17
  2.3 旋转超声加工装置与机床的集成  17-19
  2.4 本章总结  19-20
第三章 硬脆材料旋转超声加工工艺研究  20-38
  3.1 引言  20
  3.2 加工诱导崩边断裂机理分析的模型框架构建  20-22
  3.3 旋转超声钻孔崩边断裂机理及控制策略研究  22-28
    3.3.1 基于有限元分析的旋转超声钻孔崩边断裂机理  22-25
    3.3.2 旋转超声钻孔崩边断裂控制策略  25-28
  3.4 旋转超声铣槽崩边断裂机理及控制策略  28-33
    3.4.1 基于有限元分析的铣槽崩边机理及实验研究  28-31
    3.4.2 铣槽崩边控制策略  31-33
  3.5 复杂零件加工实例  33-36
  3.6 本章总结  36-38
第四章 旋转超声铣削切削力及表面粗糙度分析  38-48
  4.1 引言  38-39
  4.2 铝合金铣削实验设置  39-43
    4.2.1 实验条件  39
    4.2.2 铣削力数据分析处理过程  39-42
    4.2.3 表面粗糙度分析  42-43
  4.3 球头铣刀铣削钢材料实验设置  43-46
  4.4 本章总结  46-48
第五章 旋转超声铣削的机理研究  48-58
  5.1 引言  48
  5.2 铣刀的相关理论  48-50
  5.3 建立铣刀刀刃的通用数学模型  50-53
  5.4 平头铣刀的模态及谐响应分析  53-57
    5.4.1 平头铣刀Pro/E结构设计  53-54
    5.4.2 平头铣刀模态分析  54-56
    5.4.3 平头铣刀谐响应分析  56-57
  5.5 本章总结  57-58
第六章 结论与展望  58-60
  6.1 结论  58-59
  6.2 展望  59-60
参考文献  60-63
发表论文和科研情况说明  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 特种加工机床及其加工 > 超声波加工机床及其加工
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