超声复合电加工振动系统特性分析与试验

摘要

特种加工是解决如高温合金、硬质合金、金刚石等难加工材料及异形面的一种有效加工方法，随着科学技术进步，传统机械切削加工已不能够满足工程中逐渐增加的难加工材料、异形面零部件的加工的要求，特种加工的应用越来越广泛，其研究与应用已成为国际制造业的热点问题。
　　本文概述超声加工、电解加工和电火花加工的特点与应用，介绍超声复合电加工国内外研究、发展及应用现状，分析了超声复合电加工的技术优势，探讨了超声复合电加工仍存在的技术问题:振动系统的特性对于超声复合电加工效率和精度有重要的影响，如振动系统设计的不合理，振动过程常难以持续稳定，为解决这个问题，提出了本文主要研究内容。
　　通过ANSYS有限元方法，运用强大的多物理场耦合模块——压电耦合分析，分析了压电陶瓷晶堆片数、输入电压信号大小、输出振动位移幅值和晶堆固有频率之间的相互影响关系;对指数形变幅杆与换能器组合的振动装置（简称指数形超声振动装置）以及圆锥形变幅杆与换能器组合的振动装置（简称圆锥形超声振动装置）的振动特性进行动力学分析（包括模态分析和谐响应分析）。施加交变电压，激励超声振动，通过ANSYS后处理模块得到了电压幅值分布、应力变化、节点和最大应力点及振动装置工具头端面振动幅值等参数。用高频精密激光微位移传感器实测超声工具头端面振幅，在相同参数条件下，对有限元分析结果与实测结果进行分析对比，探讨了两者结果偏差的原因;分析了阶梯形变幅杆及换能器组合的振动装置（简称阶梯形超声振动装置）的最大应力点和位移节点的有限元值与理论计算值误差较大的原因，以及截面突变处过渡圆弧存在的必要性;最后对指数形超声振动装置进行参数化优化设计，优化超声振动系统结构，用于后续试验研究。本章研究成果对优化超声振动系统的设计有重要理论指导意义。
　　构建微细同步超声复合电加工系统，包括超声振动装置的优化设计，电解和同步斩波电源的完善，电解电流测量分析装置、磁悬浮工作台进给装置、振动幅值在线监测系统和精度测量装置的构建，利用自行研制的同步斩波电源，可将脉冲电解电源的“开、断”和超声振动协同一致;采用微细放电及微细线切割组合方法，制作多种微细工具阴极，最后完成超声复合电加工试验系统构建。
　　使用经过优化设计的超声振动系统，采用低幅值、高频脉冲电压（小于6V）进行基础复合电加工试验，在此基础上利用低质量分数的硝酸钠电解液并掺入纳米金刚石粉，对硬质合金材料YT15、YG8和YBD151进行超声放电-电解加工试验，得出超声振动、微火花放电、电解作用的复合能改善极间加工状态，进一步提高工件成形精度及加工效率的结论。
　　最后对超声复合电加工系统振动装置有限元分析结果和试验结果进行总结，提出进一步完善系统构造措施，为建立多效协同效应的在线参数实时调控复合电加工系统提出了设想和展望。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 超声复合电加工技术的发展

1．1．1 超声加工技术

1．1．2 电解加工技术

1．1．3 电火花加工技术

1．1．4 超声复合电加工技术

1．2 微细超声复合加工技术的发展

1．2．1 微细超声加工技术

1．2．2 微细电解加工技术

1．2．3 微细电火花加工技术

1．2．4 微细超声电解加工技术

1．2．5 微细超声电火花加工技术

1．3 论文选题依据及研究主要内容

1．3．1 选题依据

1．3．2 论文的主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 超声复合电加工系统振动装置的设计与分析

2．1 超声复合电加工系统的换能器原理与设计

2．1．1 压电振子的原理与压电方程

2．1．2 夹心式压电换能器的特点

2．1．3 压电换能器分类、材料与设计要求

2．1．4 超声复合电加工系统压电换能器的理论与参数计算

2．2 超声复合电加工系统的变幅杆理论与计算

2．2．1 超声加工用变幅杆的设计参数

2．2．2 变截面的细长杆理论

2．2．3 三种类型变幅杆的参数计算

2．3 超声复合电加工系统的工具阴极原理与设计

2．4 超声振动装置的有限元分析

2．4．1 超声振动装置的模态分析

2．4．2 超声振动装置的谐响应分析

2．4．3 超声振动装置的优化设计

2．4．4 超声振动装置的设计方法

2．5 本章小结

第三章 超声振动装置的动力学分析

3．1 压电陶瓷晶堆的有限元分析

3．1．1 压电陶瓷晶堆的建模

3．1．2 压电陶瓷晶堆的模态分析

3．1．3 压电陶瓷晶堆的谐响应分析

3．1．4 压电陶瓷晶堆输出位移量的影响因素

3．2 不同类型超声振动装置的动力学分析

3．2．1 指数形变幅杆与换能器组合的振动装置模态分析

3．2．2 指数形变幅杆与换能器组合的振动装置谐响应分析

3．2．3 圆锥形变幅杆与换能器组合的振动装置动力学分析

3．2．4 指数形和圆锥形超声振动装置的对比分析

3．2．5 两种超声加工用振动装置振幅测量与对比试验

3．3 阶梯形变幅杆与换能器组合的振动装置动力学分析

3．3．1 阶梯形超声振动装置的模态分析

3．3．2 阶梯形超声振动装置的谐响应分析

3．3．3 过渡圆弧对阶梯形超声振动装置的影响

3．4 指数形超声振动装置的优化设计

3．5 本章总结

第四章 超声复合电加工试验系统的构建

4．1 超声波发生器

4．2 变幅杆及换能器

4．3 微细电极的设计与制作

4．3．1 微细台阶圆孔凹槽形工具阴极设计与制作

4．3．2 微细阵列方形凸起工具阴极的设计与制作

4．3．3 微细针状工具阴极的设计与制作

4．4 电解和超声同步斩波电路装置

4．4．1 超声复合电加工同步斩波电源

4．4．2 复合加工工作液的选择

4．4．3 工件材料的选择

4．5 磁悬浮工作台进给装置

4．6 加工过程中参数的测量

4．6．1 电解电流测量分析装置

4．6．2 加工材料成形精度测量

4．7 本章小结

第五章 微细超声复合电加工试验与分析

5．1 微细超声复合电加工试验准备

5．2 试验方案

5．3 试验主要步骤

5．4 超声复合电加工基础试验

5．4．1 超声调制同步电火花加工试验

5．4．2 超声调制同步电解加工试验

5．5 超声调制放电-电解加工试验

5．5．1 圆环孔槽超声同步放电-电解加工试验

5．5．2 超声放电-电解加工电压幅值比较试验

5．5．3 针状阴极超声放电-电解加工圆孔试验

5．5．4 阵列方孔电极的超声放电-电解加工试验

5．6 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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