【摘 要】
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超声椭圆振动切削(Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting,UEVC)中刀尖椭圆轨迹被认为是影响切屑与表面粗糙度的重要因素之一,决定加工表面质量的好坏。然而,现阶段刀尖椭圆轨迹控制和切削机理的研究尚未成熟。尽管国内外许多学者相继设计UEVC装置研究激振频率、振幅等引起的刀尖椭圆轨迹变化对切削的影响,但是这些UEVC装置多采用刚性连接,造成双路耦合效率低;同时装
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超声椭圆振动切削(Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting,UEVC)中刀尖椭圆轨迹被认为是影响切屑与表面粗糙度的重要因素之一,决定加工表面质量的好坏。然而,现阶段刀尖椭圆轨迹控制和切削机理的研究尚未成熟。尽管国内外许多学者相继设计UEVC装置研究激振频率、振幅等引起的刀尖椭圆轨迹变化对切削的影响,但是这些UEVC装置多采用刚性连接,造成双路耦合效率低;同时装置较少采用正交设计,较难控制刀尖椭圆轨迹且激振频率主要集中在60KHz以下。综上所述,开发一套60KHz以上激振频率的正交且柔性输出UEVC装置,实现较大振幅和易于控制的刀尖椭圆轨迹,并进行刀尖椭圆振动轨迹变化的切削实验是当前研究的重点。本文主要研究内容如下:(1)基于导波传输技术研究柔性导波带的纯正交UEVC装置。通过动力学原理建立柔性导波带的动力响应模型,分析横向和纵向导波带正交信号传输的耦合机理;同时深入探讨多股小横截面组成的导波带组与单股横截面相同导波带的频率阻抗特性。研究表明正交的柔性导波带可以实现信号相互独立传输,具有较强的负载解耦能力;相对单股横截面相同的导波带,采用多股导波带组具有降低系统阻抗、提高传输功率等优势。通过该理论研究和有限元优化设计,实现激振频率为96.8KHz的二维纯正交导波UEVC装置开发。(2)研究纯正交导波UEVC装置刀尖椭圆轨迹控制和切削机理。通过分析刀尖椭圆轨迹变化的基本参数振幅和相位差,建立刀尖椭圆轨迹偏转控制模型;并基于该模型完成有限元的切削机理研究。切削仿真结果表明,同时调节振幅和相位差,偏转角20°和70°时切削力较小;仅改变相位差,相位差60°-75°时切削力较小。此外,与常规切削(Conventional Cutting,CC)的有限元对比验证了UEVC降低切削力、减小切屑厚度等优良的切削特性。(3)二维纯正交导波UEVC装置性能及刀尖椭圆轨迹偏转测试。测试结果显示,两个方向的换能器谐振频率仅相差0.03%,实现同频激励,获得0.54μm振幅输出,并且实测变相位差刀尖椭圆轨迹偏转与理论模型一致性较高。(4)搭建精密加工平台,完成切削实验研究及验证。其中变相位差刀尖椭圆轨迹偏转变化切削实验表明,相位差60°的切削效果最好。借助超精密机床复合高频UEVC技术加工了微棱镜微结构。通过以上研究完成了刀尖椭圆振动轨迹变化控制和对超精密加工表面质量影响机理探讨,获得最佳切削工艺参数,实现微棱镜微结构基本无毛刺加工。本文的研究结果对超声椭圆振动切削系统设计和超精密加工具有理论意义和工程应用价值。
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