基于超声辅助加工的超声振动系统优化设计及试验

摘要

随着科技发展，各种特种加工技术已成为制造业研究的热点。在功率超声工艺广泛应用的背景下，设计出性能优良的超声振动系统，可以大大提高其加工效率。为了设计出高性能的超声振动系统，需要在理论分析计算的基础上借助于有限元软件进行振动性能分析仿真及优化设计。本文的主要内容如下:
　　 本文首先概述了超声加工技术的产生及工艺优势，分析了超声加工技术、超声振动系统及超声辅助加工的国内外研究现状，进而论述了本论文选题依据及研究意义。
　　 论述了超声加工、超声辅助加工的原理、特点，分析了超声振动系统各组成部分以及其设计的理论基础，阐述了超声振动系统的优化设计理论。
　　 对超声振动系统(包括压电换能器、变幅杆、工具头)进行ANSYS动力学分析;把ANSYS参数化优化设计方法应用到超声振动系统的优化设计中，论述了ANSYS的参数化优化设计技术对超声振动系统进行优化设计的方法和步骤，并对压电换能器和带负载的变幅杆进行了优化设计。
　　 完善超声辅助加工系统，采用压电换能器、数字超声发生器的超声装置，可自动反馈、跟踪超声振动加工系统的固有频率变化，保证系统在共振频率点附近工作;用激光微位移传感器验证优化前后振动系统振幅变化情况，经过优化的振动系统可以获得更大的端面振幅，此后的试验都是基于优化后的振动系统。
　　 应用于超声微精加工的工具电极尺寸微小，制作精度要求高、难度大，本论文设计需多种截形(轴、微齿轮)电极工具头，采用平动反拷、套料等微细电火花及精密微细线切割等组合电加工技术，制作各种工具电极，满足超声辅助加工试验要求。在不同材料(硬质合金YB151和YG8、单晶硅片、压电陶瓷)上进行单一微细超声加工，实验表明超声加工是实现非金属硬脆材料表面微结构加工的一种有效方法，加工硬质合金效率较低，电极损耗大，但精度较高。进行多参数(脉冲电压、电解方式、振幅等)超声辅助电解加工对比试验与分析，实验结果表明:超声辅助加工的效率、表面质量均优于单一超声加工，且工具电极损耗小，加工表面质量好;同步电解加工在保持一定加工效率的基础上，具有更好的加工精度和表面质量;在同一电解条件下，指数形变幅杆比圆锥形加工微齿轮的加工效率要高，指数形变幅杆设计较为复杂且制作比较困难，但其加工过程表现出良好的稳定性，这对于尺寸微小、精度要求很高的微细加工是非常重要的。
　　 最后对超声振动系统的优化设计进行了分析总结，提出现有系统存在问题及完善的措施，并对后续研究工作提出了设想和展望。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超声加工的产生及国内外研究现状

1．2．1 超声加工的产生

1．2．2 超声加工发展的研究概况

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 研究主要内容

1．4 本章小结

第二章 超声振动系统的优化设计理论及辅助加工试验技术

2．1 超声加工概述

2．1．1 超声加工原理

2．1．2 超声加工分类及特点

2．1．3 超声波加工的应用

2．2 超声振动系统的组成部分

2．2．1 超声换能器及其结构

2．2．2 变幅杆及其选用原则

2．2．3 工具

2．2．4 振动系统的连接

2．3 超声振动系统的设计理论

2．3．1 压电换能器的理论及计算

2．3．2 变幅杆的理论与设计计算

2．3．3 工具头的设计理论

2．4 有限元方法介绍

2．4．1 有限元方法简介

2．4．2 优化方法介绍

2．4．3 优化设计步骤

2．5 超声辅助加工的试验技术

2．5．1 超声辅助电解加工材料去除机理

2．5．2 超声辅助电解加工试验原理

2．5．3 加工参数测量分析

2．6 本章小结

第三章 超声振动系统的动力学分析及优化

3．1 压电换能器的动力学分析

3．1．1 夹心式换能器各部分参数

3．1．2 换能器的模态分析

3．1．3 换能器的谐响应分析

3．2 变幅杆的动力学分析

3．2．1 指数形变幅杆动力学分析

3．2．2 圆锥形变幅杆动力学分析

3．2．3 指数形与圆锥形变幅杆对比

3．3 带工具头的变幅杆分析

3．4 超声振动系统的优化设计

3．4．1 换能器的优化

3．4．2 变幅杆连接工具头后的优化

3．5 本章小结

第四章 超声辅助试验及结果分析

4．1 系统组成及试验步骤

4．1．1 系统组成

4．1．2 试验步骤

4．2 试验结果的影响参数

4．2．1 试验工件材料

4．2．2 工作液

4．2．3 阴极工具头振动频率及振幅

4．2．4 超声共振点的保持情况

4．2．5 进给压力

4．3 工具电极的制作

4．3．1 工具电极总体加工

4．3．2 工具电极端面加工

4．4 试验方案

4．4．1 优化前后振动系统振幅的试验

4．4．3 超声辅助加工试验

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要研究工作与创新点

5．1．1 研究工作总结

5．1．2 主要创新点

5．2 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

声明