超声复合电解加工振动系统研制及材料去除效率研究

摘要

随着科技发展进步，高新技术产品不断向小型化、高精度化方向发展，同时新型材料的不断采用，使材料越来越难加工，加工精度与表面质量要求也越来越高。对于这些问题与要求，超声复合电解加工技术因具有精度高、表面质量好、效率高等独特复合技术优势，已成为高硬度、高韧性金属零件精微加工的一种重要方法。根据超声复合电解加工技术应用现状及存在问题，本文以“超声压电振动系统设计、优化、研制以及超声复合电解加工技术材料去除效率”作为研究内容。
　　论文分析超声振动系统的两种传统设计方法及存在问题，提出一种超声复合电解加工振动系统新设计方法。根据超声复合电解加工技术对超声振动系统的性能要求，利用超声振动理论，设计压电换能器、多种变幅杆和工具电极;理论分析、计算磁性悬浮恒接触力工作台在加工时的振动位移，与实际检测结果相比较，发现二者一致性很高且很小，加工中可忽略工作台的振动位移，简化分析与计算;另外，通过增大工作台刚度系数可使其振幅进一步减小，有利于加工过程稳定。
　　运用ANSYS压电耦合模块，研究压电换能器中压电陶瓷片组合与输出位移幅值之间的关系;对指数形和阶梯形超声振动系统进行动力学分析，从后处理中得到位移节点、应力极大点和振动系统工具电极端面的振幅等参数，将这些参数与理论计算值相比较，可得指数形超声振动系统吻合度最高;对指数形与阶梯形超声振动系统进行优化设计，根据优化数据制作超声振动系统（压电换能器、变幅杆、工具电极）;利用激光微位移传感器检测超声振动系统工具电极端面振幅，与有限元分析结果相比较，验证了基于超声复合电解加工技术研制的超声振动系统可很好满足各种性能要求。
　　基于压痕断裂力学，针对硬脆材料建立超声加工材料去除效率模型，分析材料去除率与各参数关系;根据法拉第定律建立硬韧导电材料在低电压、低电导率、高频脉冲电解加工时的材料去除效率模型，分析材料去除率与各加工参数的关系;研究单超声、脉冲电解两者间的相互作用关系，建立硬韧导电材料超声复合电解加工材料去除效率模型，分析超声、电解作用在复合加工过程中能量作用关系。
　　采用组合电加工技术制作多种截面工具电极，利用研制的超声振动复合电解加工系统，进行单超声加工，验证系统工作可靠、稳定以及材料特性对材料去除效率的影响规律;进行超声复合电解加工基础试验，得出不同加工参数（占空比、电导率、电压）对材料去除效率的影响规律，验证脉冲电解材料去除效率模型的有效性;通过单超声与超声复合电解加工对比试验，探讨单超声、脉冲电解与超声复合电解三者之间材料去除效率及能量作用关系。
　　论文最后对超声复合电解加工振动系统研制和试验研究进行总结，提出现有系统及去除效率模型的适用条件、存在问题及完善措施。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 特种加工特点及发展方向

1．2 超声与微细超声加工概况

1．2．1 超声与微细超声加工原理

1．2．2 超声与微细超声加工研究现状

1．3 电解与微细电解加工概况

1．3．1 电解加工的产生及特点

1．3．2 电解与微细电解加工研究现状

1．4 超声复合电解加工技术

1．4．1 超声复合电解加工原理

1．4．2 超声复合电解加工研究现状

1．5 论文研究依据及主要研究内容

1．5．1 选题依据

1．5．2 课题研究的主要内容

1．6 本章小结

第二章 超声振动系统设计及振动分析

2．1 超声振动系统设计方法概述

2．2 超声振动系统中换能器结构与设计

2．2．1 夹心式压电换能器结构

2．2．2 夹心式压电换能器参数计算

2．3 超声振动系统中变幅杆与工具电极设计

2．3．1 变幅杆的设计参数

2．3．2 工具电极的设计

2．4 两种类型变幅杆的参数计算

2．4．1 指数形变幅杆参数计算

2．4．2 阶梯形变幅杆参数计算

2．5 超声振动系统中工作台振动分析

2．5．1 工作台工作原理

2．5．2 工作台振动分析

2．6 本章小结

第三章 超声振动系统有限元分析、优化及制作

3．1 超声振动系统有限元分析简介

3．1．1 超声振动系统压电耦合分析介绍

3．1．2 超声振动系统动力学分析理论基础

3．1．3 超声振动系统优化过程

3．2 压电换能器有限元分析

3．2．1 压电换能器建模

3．2．2 压电换能器模态分析

3．2．3 压电换能器谐响应分析

3．2．4 压电换能器陶瓷片数与输出位移关系

3．3 指数形超声振动系统有限元分析

3．3．1 指数形超声振动系统建模

3．3．2 指数形超声振动系统模态分析

3．3．3 指数形超声振动系统谐响应分析

3．4 阶梯形超声振动系统有限元分析

3．4．1 阶梯形超声振动系统建模

3．4．2 阶梯形超声振动系统模态分析

3．4．3 阶梯形超声振动系统谐响应分析

3．5 超声振动系统优化设计

3．6 超声振动系统制作及振幅检测

3．6．1 超声振动系统制作

3．6．2 指数形和阶梯形超声振动系统振幅检测

3．7 本章小结

第四章 超声复合电解加工材料去除效率理论分析

4．1 超声加工材料去除效率模型建立

4．1．1 硬脆性材料压痕断裂模型

4．1．2 超声加工材料去除机理概述

4．1．3 建立超声加工材料去除效率模型

4．2 电解加工材料去除效率模型建立

4．2．1 直流电解加工基本原理

4．2．2 脉冲电解加工

4．2．3 建立脉冲电解加工材料去除效率模型

4．3 超声复合电解加工材料去除效率模型建立

4．3．1 超声复合电解加工材料去除原理

4．3．2 建立超声复合电解加工材料去除效率模型

4．4 本章小结

第五章 超声复合电解加工效率试验与分析

5．1 超声复合电解加工试验系统

5．2 试验方案与试验步骤

5．2．1 试验方案

5．2．2 试验步骤

5．3 工具电极端面制作

5．3．1 阵列圆形微凸起工具电极制作

5．3．2 微齿轮工具电极制作

5．3．3 阵列正方形微凸起工具电极制作

5．4 单超声加工试验

5．5 超声复合电解加工试验

5．5．1 脉宽对复合加工效率的影响

5．5．2 电解液质量分数对复合加工效率的影响

5．5．3 电压对复合加工效率的影响

5．6 单超声与超声复合电解加工对比试验

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

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