变参数共振型高频刀具运动生成方法及装置的研究

【摘要】超声椭圆振动切削技术（EllipticalVibrationCutting，EVC）在改善黑色金属和硬脆材料等难加工材料的去除加工性方面具有其他加工方法无可比拟的优势，如延长金刚石刀具寿命、减小切削力、抑制刀具磨损、降低切削温度、提高加工效率、改善加工表面质量等，因而被认为是最具发展前途的一种超精密加工方法。超声椭圆振动切削装置是EVC技术的核心，为了提高超声椭圆振动切削装置对不同加工表面、不同工件材料和不同切削用量的适应能力，有必要研制一种振动参数和运动轨迹灵活可调的高频EVC装置，这对拓宽EVC技术的加工范围和实现EVC技术的实际应用有重要意义。本学位论文致力于研制一种振动参数灵活可调的共振型高频EVC装置，通过理论分析推导、有限元仿真、性能参数测试试验对所提出的参数可调共振型高频EVC装置进行验证。本文的主要内容包括：1）针对刀具做附加高频椭圆运动的三个主要参数：振动频率、幅值、椭圆位姿，分别提出其参数可调的方法，并着重分析了振动频率可调的途径，详细推导了接电负载压电陶瓷圆环晶片做厚度伸缩振动时的共振频率方程及其机电等效电路，并借助数值方法模拟了电负载对压电陶瓷晶片共振频率的影响，进一步阐明了电负载调频的物理机理，验证了采用接电负载的方法实现压电换能器共振频率调节的可行性。2）设计了一种由复合多频压电换能器构成的超声椭圆振动切削系统，采用两个正交放置的夹心式压电换能器构成EVC装置，考虑到两个压电换能器在结构上的对称性，借助等效电路法建立了单个换能器的频率方程，完成材料的选择、形状的设计以及尺寸参数的计算。利用接电负载的方法实现了压电换能器共振频率的调节，利用改变输入电压信号相位差的方法实现了椭圆位姿的调节，借助有限元方法对EVC装置进行了模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，有限元分析结果和设计计算结果具有良好的一致性，验证了设计方案的正确性；并针对所设计的多频压电换能器，设计相应的动态匹配网络，使信号发生器和压电换能器在每个工作频率上都能实现良好匹配。3）为了获得所设计的EVC装置的性能参数，在装置加工装配完成之后，利用传输线路法测试了装置的谐振频率，试验测量结果和理论计算值基本吻合：改变电负载L的值会影响压电换能器的谐振频率，且谐振频率随电感L的增大而减小。利用由信号发生器、功率放大器、MicroSenseTMII5300型电容位移传感器、PowerPMAC多轴运动控制卡、Siemens工控机、NewportRS4000气浮隔振台等组建的开环测试系统对EVC装置进行性能测试，获得了两个方向上的运动串扰情况，并测量了在各个谐振频率下装置输出端的位移响应；利用MATLAB拟合得到相应的椭圆运动轨迹，相比其他频率，在25.00KHz、29.41KHz以及40.98KHz的椭圆轨迹较为规整，并测量了工作频率为25.00KHz时，输出端合成的椭圆轨迹随着输入电压信号相位差变化规律，试验所得结果和理论分析吻合较好。
【作者】梁瑞霞；
【导师】周晓勤；刘强；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】超声椭圆振动切削；压电换能器；电负载；复合变幅杆；共振频率；

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