氧化鋯陶瓷超聲旋轉(zhuǎn)鉆削振動系統(tǒng)改進設(shè)計及實驗研究.pdf

1、陶瓷等硬脆性材料具有優(yōu)良的物理和機械性能，但其高硬度和高脆性使得這些材料的加工變得困難。超聲旋轉(zhuǎn)加工是一種幾乎適用于各種硬脆性材料的高效加工的方法。本文針對超聲旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)中存在的問題，進行了振動系統(tǒng)的設(shè)計以及氧化鋯陶瓷的實驗研究。本文完成的理論分析對企業(yè)機床中超聲旋轉(zhuǎn)鉆削振動系統(tǒng)的設(shè)計具有良好的指導(dǎo)作用，對降低加工切削力與工具磨損的工藝參數(shù)的選取提供參考。本文的主要研究方法及結(jié)論如下：
　　（1）根據(jù)振動系統(tǒng)的各組成部分對材料的

2、特殊要求選擇合適的材料，并運用一維縱振理論對該振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做初步的理論設(shè)計，確定各部分的尺寸形狀，建立振動系統(tǒng)（夾心式換能器-兩級階梯型一體式變幅桿-工具）的三維模型，為動力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)，設(shè)計的振動系統(tǒng)的諧振頻率為40kHz。
　?。?）采用ANSYS軟件進行振動系統(tǒng)的動力學(xué)分析（模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析），并采用基于頻率靈敏度的方法對其頻率進行優(yōu)化，主要針對其諧振頻率、節(jié)點位置以及振幅進行分析。結(jié)果顯示：其諧振頻率為40.05k

3、Hz，與理論設(shè)計值相比，誤差僅為0.125％；節(jié)點位置分別處于安裝環(huán)的位置以及靠近工具夾持位置；在施加驅(qū)動電壓為150V時，振幅可達到6.5μm，滿足設(shè)計的要求。
　?。?）采用安捷倫阻抗分析儀進行阻抗測試，驗證該振動系統(tǒng)工作頻率的仿真結(jié)果。結(jié)果表明：超聲振動系統(tǒng)的阻抗曲線和相位曲線比較平滑，沒有雜波，其諧振頻率為39.74kHz，與仿真分析的結(jié)果相比，誤差為0.77%，符合設(shè)計要求。
　?。?）運用激光干涉原理搭建振幅測試

4、平臺，對振動系統(tǒng)的振動幅度進行測試，結(jié)果表明：在固定的工具外露長度（20mm）下，其超聲振幅在一定的范圍內(nèi)隨著諧振電壓的不斷增加而增大，并幾乎呈線性關(guān)系，最大振幅可達到8.08μm。安裝環(huán)處的振動僅為磨頭端部振動的1.87%，可忽略不計；壓帽處的振動僅為磨頭端部振動的3.12%，相比于單節(jié)點的振動系統(tǒng)（壓帽處的振動為磨頭端部振動的37.5%）縮小近10倍。設(shè)計的振動系統(tǒng)的性能能滿足預(yù)期設(shè)計的要求。
　?。?）以超聲能量、主軸轉(zhuǎn)速和

5、進給速度作為實驗研究的工藝參數(shù)，以切削力、工具磨損量作為評價指標(biāo)對氧化鋁陶瓷材料進行孔加工實驗，采用激光共聚焦顯微鏡觀察工具表面的形貌，探討超聲旋轉(zhuǎn)加工中工具磨損機理。結(jié)果表明：針對氧化鋯陶瓷材料，超聲旋轉(zhuǎn)加工方法相比傳統(tǒng)的加工方法能有效地降低切削力并減少工具的磨損量；在超聲旋轉(zhuǎn)加工的過程中，隨著加工孔數(shù)的不斷增加，最大切削力呈現(xiàn)先逐漸增大再緩慢減小的趨勢，并且在一定范圍內(nèi)，工具磨損量會隨著超聲能量、主軸轉(zhuǎn)速以及進給速度的增加而增加，其