二維超聲振動輔助多線切割機理與試驗研究.pdf

1、近年來硬脆材料，尤其是非金屬、非導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)體等材料，例如玻璃、各種石材、寶石和硅晶體等，他們的硬度、脆性、耐磨性、抗蝕性和抗氧化性等都比較高，由于這些獨特的性質(zhì)，這些特殊材料在軍用及民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的對加工要求也越來越高。因此，尋求一種高效率高質(zhì)量的切割方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。固結(jié)磨料線切割技術(shù)相對比于游離磨料線切割技術(shù)，具有效率高、切片薄、省材料和加工表面損傷小等優(yōu)點。相關(guān)的研究和實驗指出，施加超聲振動切割

2、的效率可提高2～3倍左右，并且可以提高切割精度和工具壽命。因此，本文提出了一種基于二維超聲振動輔助下的電鍍金剛石線切割技術(shù)（在工件上施加一個與切線平行的切向超聲振動和一個豎直方向的超聲振動）。
　　本文以超聲振動理論、壓痕斷裂力學、脆塑性加工理論等為理論基礎(chǔ)，研究超聲振動對磨粒運動軌跡的影響，分析臨界切削厚度，探討脆塑性加工轉(zhuǎn)變的條件，建立脆塑性加工材料去除率模型，從理論上證明施加二維超聲振動能夠提高切割效率，改善表面質(zhì)量。并利用

3、自制的多線切割模擬機和二維超聲振動臺來進行實驗驗證。
　　本文通過理論推導(dǎo)、模擬仿真、設(shè)備研制和實驗分析等手段，對二維超聲輔助多線切割技術(shù)進行了研究，其主要工作和成果如下:
　　(1)推導(dǎo)出二維超聲振動多線切割磨粒的運動方程，利用Matlab軟件進行模擬仿真，分析二維超聲振動多線切割中單顆磨粒的運動軌跡，并研究其表面創(chuàng)成機理，從理論上證明二維超聲振動線切割優(yōu)于普通線切割和一維超聲振動線切割。
　　(2)以壓痕斷裂力學、

4、脆塑性去除機理為基礎(chǔ)，建立單顆磨粒切削模型，并對切割過程中的脆塑性去除機理進行分析，給出單顆磨粒臨界切削厚度模型以及切割過程中的最大切削厚度，建立二維超聲振動線切割脆塑去除轉(zhuǎn)變的臨界條件，并且推導(dǎo)出了二維超聲振動線切割的材料去除率模型，通過仿真得出，同時施加徑向和切向兩個振動時，材料去除率達到最佳。
　　(3)根據(jù)超聲振動輔助多線切割加工的總體方案設(shè)計，對超聲波電源進行選型，超聲波換能器、超聲波變幅桿以及超聲波振動臺的材料選擇和結(jié)

5、構(gòu)設(shè)計，最后加工并做出實體進行裝配，為后續(xù)的多線切割加工實驗做準備。
　　(4)對超聲波變幅桿以及超聲波振動臺進行模擬仿真研究、用Solidworks對變幅桿以及振動臺進行建模并導(dǎo)入ANSYS進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，通過模態(tài)分析確定變幅桿的固有頻率，將變幅桿受到的載荷看成是隨時間變化的簡諧載荷并進行諧響應(yīng)分析，分析變幅桿頻率及振幅從而判斷是否符合設(shè)計要求。通過對振動臺進行模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析判斷振動臺傳遞振幅的效果以及對工件上

6、的振幅值進行模擬，并引用測振實驗數(shù)據(jù)對模擬仿真的結(jié)果進行驗證。
　　(5)通過實驗手段研究加工中各主要工藝參數(shù)（線鋸走線速度、進給速度、超聲振動幅度等）與工件材料去除速率、表面質(zhì)量、線鋸磨損的關(guān)系。探究超聲振動對電鍍金剛石線鋸鋸切加工的影響，從中總結(jié)工藝規(guī)律和特點。
　　本文所研究的二維超聲振動輔助多線切割技術(shù)，從理論上和實驗上都說明能有效的提高切割效率，改善表面加工質(zhì)量，并能一定程度上提高鋸絲的壽命。因此，將其應(yīng)用到實際工