超聲輔助加工系統(tǒng)研發(fā)及其在復(fù)合材料加工中的應(yīng)用.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料在航空航天、國(guó)防軍工、汽車、高速列車，以及體育與醫(yī)療器械等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。特別是用于航空航天領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和零部件的加工制造，對(duì)加工精度、質(zhì)量和效率提出了很高的要求，傳統(tǒng)機(jī)械加工方法和加工工具難以滿足碳纖維復(fù)合材料的加工要求。超聲輔助加工在降低切削力、提高表面加工質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命等方面具有優(yōu)勢(shì)，是適用于碳纖維復(fù)合材料加工的一種最為重要的方法。本文圍繞超聲輔助加工系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展相關(guān)研究，研制超聲輔

2、助車削加工裝置和超聲輔助磨削加工機(jī)床，并分別針對(duì)三維編織C/C復(fù)合材料和CFRP復(fù)合材料開展超聲輔助車削和超聲輔助磨削加工試驗(yàn)，分析超聲輔助加工碳纖維復(fù)合材料的加工性能和加工效果。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　(1)針對(duì)不同加工方式和不同工具形式，研究超聲輔助加工變幅桿的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)縱向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論和薄圓盤振動(dòng)理論，分別建立超聲輔助車削變幅桿以及采用小工具和大工具的超聲輔助磨削變幅桿的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和

3、研制適用于超聲輔助車削和磨削加工的變幅桿。通過(guò)有限元分析和實(shí)際測(cè)試對(duì)所研制的超聲變幅桿的振動(dòng)性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證所建立的設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　(2)針對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工對(duì)電能傳輸?shù)男枨蠛徒佑|式電能傳輸中存在的問(wèn)題，研究非接觸式電能傳輸單元的設(shè)計(jì)方法。主要設(shè)計(jì)非接觸式變壓器，分析非接觸式電能傳輸單元的匹配拓?fù)浼疤卣?，研究非接觸式電能傳輸單元的匹配質(zhì)量評(píng)價(jià)方法和諧振條件等。研制適用于旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工的非接觸式電能傳輸單元，并對(duì)其在額定

4、功率下的傳輸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)速0～6000r·min-1范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，非接觸式電能傳輸單元的傳輸效率減小，且傳輸效率的減小率也逐漸變小。
　　(3)根據(jù)超聲輔助加工對(duì)超聲電源的要求，研制適用于超聲輔助加工的數(shù)字式智能超聲電源。主要設(shè)計(jì)采用AD9850的高精度超聲信號(hào)產(chǎn)生電路及其控制程序、基于效率較高的丁類功放電路的超聲電源的功放電路、采用IR2110和半橋開關(guān)電路相結(jié)合的功放驅(qū)動(dòng)電路。基于非接觸傳輸單元原邊電

5、壓和電流相位差為零的頻率跟蹤原理，設(shè)計(jì)采用MLT04模擬乘法器的頻率跟蹤電路及其控制程序。對(duì)研制的超聲電源功率輸出性能和頻率跟蹤性能進(jìn)行測(cè)試。
　　(4)應(yīng)用研制的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，開發(fā)超聲輔助車削裝置。并應(yīng)用所開發(fā)的裝置進(jìn)行超聲輔助車削三維編織C/C復(fù)合材料的加工試驗(yàn)，根據(jù)三維編織C/C復(fù)合材料具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性和各向異性的特征，分析在不同徑向位置超聲輔助車削C/C復(fù)合材料加工表面不同周向位置的纖維分布特征，揭示C/C復(fù)合材料超聲輔

6、助車削加工表面形成機(jī)理，研究不同徑向位置加工表面不同周向位置的表面質(zhì)量變化規(guī)律，為C/C復(fù)合材料超聲輔助車削表面質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。進(jìn)行超聲輔助車削與普通車削三維編織C/C復(fù)合材料的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明:超聲輔助車削C/C復(fù)合材料可以顯著提高表面質(zhì)量，以及降低切削力、切削溫度和刀具磨損等。
　　(5)應(yīng)用研制的超聲振動(dòng)系統(tǒng)和非接觸式超聲電能傳輸技術(shù)研發(fā)超聲輔助磨削機(jī)床，并進(jìn)行超聲輔助磨削CFRP復(fù)合材料的加工試驗(yàn)。通過(guò)觀察分析CFR