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硬脆材料异形面超声微精加工工艺研究

作　者: 张磊
导　师: 朱永伟
学　校: 扬州大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微细超声加工硬脆材料异形面加工机理工艺研究
分类号: TG663
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 105次
引　用: 2次
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内容摘要

超声加工是硬脆材料(特别是非导电硬脆材料)成形加工的一种有效方法。本文概述了超声加工技术的发展概况和国内外研究现状,阐述其技术优势与局限性。本文探讨了超声加工机理,分析了超声空化作用及其对超声加工材料去除率、加工精度和表面粗糙度的影响规律;在解析有关超声加工材料去除速度的Miller、Shaw数学模型基础上,提出一种新的超声加工材料去除率的数学模型,论述超声加工材料去除速度M v的影响因素,同时从机理上论证各加工参数对超声加工速度、表面粗糙度和加工质量的影响规律。设计并制作了阶梯形和特殊指数形两种变幅杆,可满足不同材料超声加工对超声振动振幅的要求;介绍了三种超声加工机的基本工作原理,分析了微位移工作台的组成、蠕动进给及稳定进给压力的原理;给出了微细超声加工效率、精度及表面精度的测量方法;构建并完善了微细超声加工系统。微细工具头尺寸微小,精度要求高,制作难度大,其设计与制作是微细超声加工的关键技术。本文设计微细轴、微细孔、微细筋槽、阶梯孔、微轴阵列(圆形、方形、菱形)等多种端面形状工具头,采用微细电火花线切割、电火花“反拷+平动”放电等组合电加工成功制作出各种工具头,满足异形面微细超声加工试验要求。进行了微细孔超声加工不同进给压力试验,工件与工具间微接触压力有一最佳值,此时加工速度达最高;不同磨料阶梯轴超声加工特性试验及分析表明,磨粒粒度及硬度影响加工效率与精度,但不同粒度磨粒需对应合理的进给压力与超声振幅,才能达到高精度、高效率;进行不同材料微细孔、微细筋、窄槽和阵列微凹坑微细超声加工试验,试验表明材料的加工精度、表面质量及加工效率和材料特性密切相关,材料的强度和断裂韧性越高,在超声波高频振动撞击及空化作用下,表层去除脆裂较小,加工精度和表面质量越高,加工速度越低;超声加工是硬脆非金属材料异形面微细加工的一种有效方法,具有很高的加工效率、精度及表面质量。本文同时对不同特性材料异形面(压电陶瓷、合金钢、硬质合金等)进行超声加工及超声复合电解加工试验比较,试验表明超声复合电解加工对硬质合金等硬韧导电材料有更小的工具损耗,更高的加工效率,更好的加工精度与表面质量。最后,针对加工试验中出现的主要问题进行了分析总结,并对后续研究工作提出了设想和展望。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 超声加工技术的发展概况  10-11
  1.2 超声加工技术的应用及加工实例  11-16
    1.2.1 磨料的冲击超声加工  12-14
    1.2.2 超声复合加工  14-16
  1.3 微细加工技术概况  16-18
  1.4 超声微细加工发展概况  18-20
  1.5 本论文研究目的和研究内容  20-21
    1.5.1 研究目的  20
    1.5.2 研究内容  20-21
  1.6 本章小结  21-22
第二章微细超声加工机理分析与探讨  22-36
  2.1 超声加工的基本原理  22
  2.2 超声加工的优缺点  22-23
    2.2.1 超声加工的优点  22-23
    2.2.2 超声加工的缺点  23
  2.3 超声加工工件去除形式  23
  2.4 超声波的空化现象以及在超声加工中的作用  23-26
    2.4.1 超声波的空化现象  23-24
    2.4.2 超声加工中的空化作用  24-26
  2.5 超声加工机理的数学建模  26-35
    2.5.1 超声加工机理  26-30
    2.5.2 加工材料去除率的数学建模  30-31
    2.5.3 超声频率和振幅对加工速度的影响  31-32
    2.5.4 工作压力对加工速度的影响  32
    2.5.5 工具和工件材料的性质对加工速度的影响  32
    2.5.6 磨料对加工速度的影响  32-33
    2.5.7 磨料悬浮液对加工速度的影响  33-34
    2.5.8 影响超声加工精度和表面质量的因素  34-35
  2.6 本章小结  35-36
第三章超声微精加工试验系统构建与完善  36-51
  3.1 超声研磨机  36-37
  3.2 精密集成超声加工机  37-38
  3.3 设计构建微细超声加工装置  38-48
    3.3.1 超声波发生器  38-39
    3.3.2 超声波换能器  39-40
    3.3.3 超声变幅杆的设计及制作  40-46
    3.3.4 工作台进给运动单元  46-48
    3.3.5 磨料工作液的供给  48
  3.4 测量与检测装置  48-50
    3.4.1 精度测量  48
    3.4.2 加工速度的测量  48-49
    3.4.3 微位移的测量与控制  49
    3.4.4 超声振幅的测量  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章微结构工具头设计与制作  51-59
  4.1 微细工具头材料选择  51
  4.2 制作微细工具的技术要求  51-52
  4.3 微细工具长度设计及形状的选择  52
  4.4 微细工具头的设计制作  52-58
    4.4.1 微细轴工具头的制作  53
    4.4.2 微细沟槽工具头的制作  53-54
    4.4.3 微细米字型筋工具头的制作  54
    4.4.4 微细台阶圆孔工具头制作  54-55
    4.4.5 圆形微凸起工具头的制作  55-56
    4.4.6 正方形、菱形微凸起工具的制作  56-57
    4.4.7 微细内外齿轮的工具头制作  57-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章加工试验及结果分析  59-76
  5.1 微细超声加工试验准备  59-60
    5.1.1 主要试验设备  59
    5.1.2 试验参数选择  59
    5.1.3 试验工件材料  59-60
    5.1.4 磨料悬浮液的选择和供给  60
  5.2 试验方案  60-72
    5.2.1 不同工具形状微细超声加工试验  60-62
    5.2.2 不同进给压力微细孔加工试验  62
    5.2.3 选择不同磨料加工试验  62-63
    5.2.4 试验不同变幅杆对加工速度的影响试验  63-64
    5.2.5 圆孔台阶凹槽工具超声加工试验  64-65
    5.2.6 不同材料微细孔超声加工试验  65-66
    5.2.7 微细筋成形试验  66-67
    5.2.8 微细槽成形试验  67-68
    5.2.9 阵列微凹坑超声加工试验  68-70
    5.2.10 不同材料超声微齿轮加工试验  70-71
    5.2.11 传感器压电陶瓷片超声加工应用试验  71-72
  5.3 超声复合电加工试验  72-75
    5.3.1 超声研磨机复合电解加工试验  72
    5.3.2 精密超声加工机复合电解加工试验  72-73
    5.3.3 微细超声复合电解加工试验  73-75
  5.4 本章小结  75-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 工作结论  76
  6.2 工作展望  76-78
参考文献  78-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83

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