超聲輔助加工系統(tǒng)研發(fā)及其在復合材料加工中的應用.pdf

1、碳纖維復合材料在航空航天、國防軍工、汽車、高速列車，以及體育與醫(yī)療器械等領域的應用越來越廣泛。特別是用于航空航天領域的碳纖維復合材料復雜結構件和零部件的加工制造，對加工精度、質量和效率提出了很高的要求，傳統(tǒng)機械加工方法和加工工具難以滿足碳纖維復合材料的加工要求。超聲輔助加工在降低切削力、提高表面加工質量和延長刀具壽命等方面具有優(yōu)勢，是適用于碳纖維復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)的關鍵技術開展相關研究，研制超聲輔

2、助車削加工裝置和超聲輔助磨削加工機床，并分別針對三維編織C/C復合材料和CFRP復合材料開展超聲輔助車削和超聲輔助磨削加工試驗，分析超聲輔助加工碳纖維復合材料的加工性能和加工效果。本論文的主要研究內容和研究成果如下:
　　(1)針對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計方法。根據縱向振動的動力學理論和薄圓盤振動理論，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計方法。在此基礎上，設計和

3、研制適用于超聲輔助車削和磨削加工的變幅桿。通過有限元分析和實際測試對所研制的超聲變幅桿的振動性能進行研究，驗證所建立的設計方法的正確性。
　　(2)針對旋轉超聲輔助加工對電能傳輸的需求和接觸式電能傳輸中存在的問題，研究非接觸式電能傳輸單元的設計方法。主要設計非接觸式變壓器，分析非接觸式電能傳輸單元的匹配拓撲及特征，研究非接觸式電能傳輸單元的匹配質量評價方法和諧振條件等。研制適用于旋轉超聲輔助加工的非接觸式電能傳輸單元，并對其在額定

4、功率下的傳輸性能進行測試，結果表明:在轉速0～6000r·min-1范圍內，隨著轉速的增加，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)根據超聲輔助加工對超聲電源的要求，研制適用于超聲輔助加工的數字式智能超聲電源。主要設計采用AD9850的高精度超聲信號產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和半橋開關電路相結合的功放驅動電路?；诜墙佑|傳輸單元原邊電

5、壓和電流相位差為零的頻率跟蹤原理，設計采用MLT04模擬乘法器的頻率跟蹤電路及其控制程序。對研制的超聲電源功率輸出性能和頻率跟蹤性能進行測試。
　　(4)應用研制的超聲振動系統(tǒng)，開發(fā)超聲輔助車削裝置。并應用所開發(fā)的裝置進行超聲輔助車削三維編織C/C復合材料的加工試驗，根據三維編織C/C復合材料具有很強的非均質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復合材料超聲輔

6、助車削加工表面形成機理，研究不同徑向位置加工表面不同周向位置的表面質量變化規(guī)律，為C/C復合材料超聲輔助車削表面質量評價提供了依據。進行超聲輔助車削與普通車削三維編織C/C復合材料的對比試驗，結果表明:超聲輔助車削C/C復合材料可以顯著提高表面質量，以及降低切削力、切削溫度和刀具磨損等。
　　(5)應用研制的超聲振動系統(tǒng)和非接觸式超聲電能傳輸技術研發(fā)超聲輔助磨削機床，并進行超聲輔助磨削CFRP復合材料的加工試驗。通過觀察分析CFR