ELID超声振动磨削技术开发及其实验研究

摘要

现代机械制造工业中，高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温的工程陶瓷已广泛应用于机械、汽车、宇航等众多领域。然而工程陶瓷具有极高的硬度和脆性，其加工成形十分困难，加工成本可达到整个陶瓷元件成本的80％~90%。因此如何高效率地获得超精密的加工表面质量，同时又降低其加工成本是该领域内一直亟待解决的主要问题。
　　目前对硬脆材料的精密超精密加工技术方面，超声精密加工技术和ELID镜面磨削技术应用较为广泛。ELID镜面磨削技术具有较高的加工精度，然而其成本较高，加工工艺较为复杂。如果能将超声波振动辅助引入到硬脆材料的加工技术中来，不仅能有效地提高陶瓷磨削表面精度，而且可以大幅地提高磨削效率。所以，将ELID精密磨削加工技术和超声振动辅助磨削技术相结合，即可形成一种新型的镜面磨削技术，在保证加工表面质量的前提下不仅可以提高加工效率，同时也大大降低硬脆材料的加工成本。
　　本文的主要工作和成果如下：
　　1、结合ELID的磨削加工的原理以及超声辅助加工的特点，对超声辅助ELID磨削进行理论研究。在对ELID电解原理以及单颗磨粒运动轨迹分析的基础上，建立了超声ELID复合磨削条件下的磨削力数学模型，探讨了超声波辅助对于ELID磨削力的影响。
　　2、根据超声辅助ELID磨削加工的总体方案设计，对超声波电源进行选型，超声波换能器、超声波变幅杆以及超声波振动台的材料选择和结构设计，开发制作了磨削用超声波振动台。
　　3、采用 Solidworks软件对变幅杆以及振动台进行建模并导入 ANSYS软件进行模态分析和谐响应分析，对超声波变幅杆以及超声波振动台进行模拟仿真研究。通过对振动台进行模态分析以及谐响应分析判断振动台传递振幅的效果以及对工件上的振幅值影响，根据测振实验数据对模拟仿真的结果进行验证。
　　4、搭建了超声辅助ELID磨削加工的实验装置，对加工过程中ELID电源参数、超声波电源参数、磨削参数进行磨削实验，研究探讨各因素对超声辅助ELID磨削加工切向磨削力的影响。
　　本文所开发设计的超声辅助ELID磨削加工工艺与技术将为硬脆材料超精密加工提供一种有效的新型加工方法，所提出的研究理论与实验将为今后这种新型加工工艺技术的实际应用提供有效的理论支持与帮助。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及课题研究意义

1.2 ELID加工基本原理

1.3 超声波加工技术

1.4 国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 ELID超声振动磨削技术的理论分析

2.1 引言

2.2 ELID超声振动磨削技术研究

2.3 ELID超声振动磨削技术磨削力模型的建立

2.4 磨削过程中有效的磨粒数

2.5 ELID对实际磨削深度的影响

2.6 磨削力模型的建立

2.7 本章小结

第3章 实验装置介绍以及超声波振动台设计

3.1 超声加工技术

3.2 超声波振动系统的总体方案设计

3.3 超声波换能器的设计及选型

3.4 超声波电源的设计要求及选型

3.5 超声波变幅杆的设计

3.6 超声波振动台的结构设计

3.7 本章小结

第4章 ELID超声振动台模拟仿真研究

4.1 有限元方法简介

4.2 变幅杆的作用

4.3 变幅杆有限元分析

4.4 振动台有限元分析

4.5 超声振动振幅实验分析

4.6 本章小结

第5章 ELID超声振动磨削实验研究

5.1 引言

5.2 实验条件及方案

5.3 磨削力测量结果分析

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.1 创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果