尖形切割刀超声波声学系统研究

【摘要】Nomex蜂窝材料作为一种具有代表性的复合材料，因其密度小，高比刚度和强度，性能稳定和绝缘性好等众多优越性能被航天航空、建筑和汽车等领域广泛使用。但由于Nomex蜂窝材料特殊的蜂窝状结构和材料基体，在加工时可切削性差导致各种加工质量问题。而超声波切割技术的引入对提高Nomex蜂窝材料的加工质量有显著效果。超声波切割具有切割力小，切割质量好，不粘刀无粉尘和加工效率高等优点。超声波切割刀是超声波切割技术具有优越性的主要因素之一。因此研究一种超声波切割设备，主要是声学系统，是非常具有实用意义的。针对Nomex蜂窝材料的粗加工，本文提出了一种超声波切割主轴设计方案，并设计研究了一种尖形切割刀超声波声学系统，主要内容分为六个部分。第一章，介绍了Nomex蜂窝材料的特性与加工方法，以及国内外蜂窝材料的研究发展现状；介绍了超声波切割技术、超声波切割刀具和超声波切割主轴三方面的国内外研究状况。在此基础上说明本文的研究意义，并阐述主要研究内容。第二章，首先分析了Nomex蜂窝材料的动力学响应。其次根据现有超声波主轴特点设计了一种蜂窝材料超声波切割主轴，包括主轴总体结构设计、轴承和电机等零部件的设计分析。从这两方面对蜂窝材料超声波切割技术做了简要研究。第三章，讨论了超声波声学系统的设计方法，并设计了一种谐振频率为20kHz的尖形切割刀超声波声学系统，包括压电换能器和复合变幅杆的理论分析、参数设计和三维建模，以及超声波尖形切割刀的结构形状设计和动力学模型分析。第四章，介绍了有限元分析法，分析了模态分析和谐响应分析的理论模型，并用ANSYSWorkbench软件对尖形切割刀超声波声学系统进行了有限元分析：1.研究刀具几何尺寸对固有频率的影响，找到具有理想振型和固有频率的尖形刀几何尺寸。2.对两种复合变幅杆和尖形刀组合体的模态分析和谐响应分析，研究谐振频率下所设计的变幅杆和尖形刀组合体的动态特性。第五章，利用激光位移传感器CD5系列测试系统测量了自行研制的超声波尖形切割刀的在20kHz谐振频率下的振幅，验证刀具设计的实用性。第六章，总结论文的主要研究内容，并对Nomex蜂窝材料超声波切割技术和尖形切割刀超声波声学系统的进一步研究工作进行了探讨与展望。
【作者】沈莹镔；
【导师】张云电；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】Nomex蜂窝材料；超声波切割主轴；声学系统；尖形切割刀；有限元分析；

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