基于有限元的双激励二维超声振动切削装置设计

摘要

二维超声振动切削作为一种先进制造技术，有着比普通切削更好的切削效果，尤其在难加工材料方面，如光学玻璃、单晶硅、陶瓷和不锈钢等材料，其切削优势更为明显。但是也有需要改进和提高之处，比如振动系统的运动耦合误差较大，为了解决这一不足和继续增强其性能优势。本文将致力于双激励二维超声椭圆振动切削装置的研究，其研究主要内容和成果如下:
　　(1)设计一种垂直型的双纵向超声椭圆振动切削装置，通过特制的柔性金属机构连接两组纵向复合式换能器。根据纵向复合式换能器的节面位置设计一套夹具系统。
　　(2)运用解析法确定了换能器和变幅杆的结构尺寸。在此设计基础上，利有限元分析方法对双纵向超声椭圆振动系统做了模态分析和谐响应分析，得到了能满足振型、节点位置、频率要求的系统模型。谐响应分析结果表明:1）该系统能够合成超声波椭圆轨迹;2）刀具输出与换能器输入的两相振动相位差非常接近;3）通过调节激励信号的相位差可以改变超声波椭圆轨迹的形状。
　　(3)利用阻抗分析仪和激光测振仪对超声振子进行了性能测量，得到了符合设计要求的二维超声椭圆振动系统，取正交的两组纵向复合式换能器的真实谐振频率的平均值48900Hz作为振动系统输入的激励频率。
　　(4)针对黄铜和普通玻璃两种材料分别做了超声椭圆振动切削试验和未加超声试验，结果显示，二维超声椭圆振动切削效果明显好于普通切削，且当激励相位差为60°时，切削效果最好。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 超声椭圆振动切削技术发展概况

1．2．1 超声椭圆振动切削技术的产生

1．2．2 国内外超声椭圆振动切削发展概况

1．3 课题的来源和意义及主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 课题的意义

1．3．3 主要研究内容

第2章 二维超声椭圆振动切削装置设计

2．1 整体结构方案设计

2．1．1 超声椭圆振动实现方式

2．1．2 刀具椭圆轨迹的形成条件

2．2 超声换能器

2．2．1 纵向压电换能器工作原理

2．2．2 纵向压电换能器半波结构特征及选用

2．2．3 纵向压电换能器机构设计

2．2．4 纵向压电换能器材料选择

2．3 解析法设计换能器

2．3．1 换能器简化结构

2．3．2 纵向压电换能器主要设计参数

2．3．3 任意变截面杆振动方程及其解

2．3．4 均匀等截面杆振动方程及其解

2．3．5 变截面圆锥形杆振动方程及其解

2．3．5 压电陶瓷晶堆尺寸设计

2．3．6 四分之一波长换能器振子长度计算

2．3．7 变幅杆尺寸计算

2．4 工具设计

2．4．1 矩形薄板设计

2．4．2 刀座设计

2．5 超声椭圆振动切削装置整体结构

2．6 本章小结

第3章 有限元分析设计超声椭圆振动系统

3．1．1 模态分析理论基础

3．1．2 谐响应分析理论基础

3．2 纵向压电换能器模态分析

3．2．1 无预应力螺杆换能器模态分析

3．2．2 有预应力螺杆换能器模态分析

3．3 双纵向超声椭圆振动系统模态分析

3．3．1 导入创建几何体并划分网格

3．3．2 设置求解项求解

3．4 双纵向超声椭圆振动系统谐响应分析

3．4．1 谐响应分析过程

3．4．2 两相激励相位差对两相振动相位差的影响

3．5 谐响应结果图形绘制

3．5．1 MATLAB二维图形绘制

3．5．2 Plot指令

3．5．3 数据导入并生成二维曲线的过程

3．5．4 图形迭绘

3．6 本章小结

第4章 超声椭圆振动系统性能测量

4．1 压电换能器动态等效电路

4．2 性能测量

4．2．1 阻抗分析

4．2．2 振幅电压检测

4．3 本章小结

第5章 切削试验

5．1 切削试验准备

5．2 刨削试验

5．3 本章小结

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间科研成果情况