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车削超声辅助加工系统研发与其在复合材料加工中运用

收藏本文 2024-03-04 点赞:15617 浏览:62506 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:碳纤维复合材料在航空航天、国防军工、汽车、高速列车,以及体育与医疗器械等领域的运用越来越广泛。特别是用于航空航天领域的碳纤维复合材料复杂结构件和零部件的加工制造,对加工精度、质量和效率提出了很高的要求,传统机械加工策略和加工工具难以满足碳纤维复合材料的加工要求。超声辅助加工在降低切削力、提升表面加工质量和延长刀具寿命等方面具有优势,是适用于碳纤维复合材料加工的一种最为重要的策略。本论文围绕超声辅助加工系统的关键技术开展相关探讨,研制超声辅助车削加工装置和超声辅助磨削加工机床,并分别针对三维编织C/C复合材料和CFRP复合材料开展超声辅助车削和超声辅助磨削加工试验,浅析超声辅助加工碳纤维复合材料的加工性能和加工效果。本论文的主要探讨内容和探讨成果如下:(1)针对不同加工方式和不同工具形式,探讨超声辅助加工变幅杆的设计策略。根据纵向振动的动力学论述和薄圆盘振动论述,分别建立超声辅助车削变幅杆以及采取小工具和大工具的超声辅助磨削变幅杆的设计策略。在此基础上,设计和研制适用于超声辅助车削和磨削加工的变幅杆。通过有限元浅析和实际测试对所研制的超声变幅杆的振动性能进行探讨,验证所建立的设计策略的正确性。(2)针对旋转超声辅助加工对电能传输的需求和接触式电能传输中有着的不足,探讨非接触式电能传输单元的设计策略。主要设计非接触式变压器,浅析非接触式电能传输单元的匹配拓扑及特点,探讨非接触式电能传输单元的匹配质量评价策略和谐振条件等。研制适用于旋转超声辅助加工的非接触式电能传输单元,并对其在额定功率下的传输性能进行测试,结果表明:在转速0~6000r·min-1范围内,随着转速的增加,非接触式电能传输单元的传输效率减小,且传输效率的减小率也逐渐变小(3)根据超声辅助加工对超声电源的要求,研制适用于超声辅助加工的数字式智能超声电源。主要设计采取AD9850的高精度超声信号产生电路及其制约程序、基于效率较高的丁类功放电路的超声电源的功放电路、采取IR2110和半桥开关电路相结合的功放驱动电路。基于非接触传输单元原边电压和电流相位差为零的频率跟踪原理,设计采取MLT04模拟乘法器的频率跟踪电路及其制约程序。对研制的超声电源功率输出性能和频率跟踪性能进行测试。(4)运用研制的超声振动系统,开发超声辅助车削装置。并运用所开发的装置进行超声辅助车削三维编织C/C复合材料的加工试验,根据三维编织C/C复合材料具有很强的非均质性和各向异性的特点,浅析在不同径向位置超声辅助车削C/C复合材料加工表面不同周向位置的纤维分布特点,揭示C/C复合材料超声辅助车削加工表面形成机理,探讨不同径向位置加工表面不同周向位置的表面质量变化规律,为C/C复合材料超声辅助车削表面质量评价提供了依据。进行超声辅助车削与普通车削三维编织C/C复合材料的比较试验,结果表明:超声辅助车削C/C复合材料可以显著提升表面质量,以及降低切削力、切削温度和刀具磨损等。(5)运用研制的超声振动系统和非接触式超声电能传输技术研发超声辅助磨削机床,并进行超声辅助磨削CFRP复合材料的加工试验。通过观察浅析CFRP复合材料加工后的表面形貌、切屑形貌和砂轮表面形貌,揭示超声辅助磨削加工碳纤维复合材料的加工机理。进行超声辅助磨削与普通磨削CFRP复合材料的比较试验,结果表明:超声辅助磨削可以显著降低磨削力,获得较好的表面质量,减少砂轮表面堵塞;超声辅助磨削加工的磨削力和表面粗糙度随加工时间的增大率,以及砂轮表面裸露磨粒密度随加工时间的减小率等显著小于普通磨削加工。关键词:复合材料论文超声辅助加工论文车削论文磨削论文非接触式电能传输论文

    摘要4-6

    Abstract6-9

    目录9-13

    CONTENTS13-18

    图表目录18-23

    主要符号表23-26

    1 绪论26-48

    1.1 课题背景26-34

    1.1.1 碳纤维复合材料及其运用26-30

    1.1.2 碳纤维复合材料加工技术30-32

    1.1.3 超声辅助加工技术及其运用32-34

    1.2 国内外相关领域探讨近况34-45

    1.2.1 超声辅助加工系统探讨近况34-41

    1.2.2 复合材料超声辅助加工探讨近况41-45

    1.3 论文的探讨作用及主要探讨内容45-48

    1.3.1 论文的探讨作用45-46

    1.3.2 论文的主要探讨内容46-48

    2 超声辅助加工变幅杆设计与研制48-83

    2.1 超声变幅杆设计论述48-52

    2.1.1 细长杆纵振论述48-49

    2.1.2 薄圆盘振动论述49-52

    2.2 超声辅助车削变幅杆设计与研制52-62

    2.2.1 超声辅助车削变幅杆设计要求52

    2.2.2 超声辅助车削变幅杆设计策略52-54

    2.2.3 超声辅助车削变幅杆设计结果与浅析54-59

    2.2.4 超声辅助车削变幅杆的研制结果及振动性能测试59-62

    2.3 采取小工具的超声辅助磨削变幅杆设计与研制62-71

    2.3.1 采取小工具的超声辅助磨削变幅杆设计要求62-63

    2.3.2 采取小工具的超声辅助磨削变幅杆设计策略63-65

    2.3.3 采取小工具的超声辅助磨削变幅杆设计结果与浅析65-69

    2.3.4 采取小工具的超声辅助磨削变幅杆的研制结果与振动性能测试69-71

    2.4 采取大工具的超声辅助磨削变幅杆设计与研制71-81

    2.4.1 采取大工具的超声辅助磨削变幅杆设计要求71-72

    2.4.2 采取大工具的超声辅助磨削变幅杆设计策略72-75

    2.4.3 采取大工具的超声辅助磨削变幅杆设计结果与浅析75-80

    2.4.4 采取大工具的超声辅助磨削变幅杆的研制结果与振动性能测试80-81

    2.5 本章小结81-83

    3 超声辅助加工的非接触式电能传输单元设计与研制83-106

    3.1 非接触式电能传输单元的组成与工作原理83-84

    3.1.1 非接触式电能传输单元的组成83-84

    3.1.2 非接触式电能传输单元工作原理84

    3.2 非接触式电能传输单元设计原理84-94

    3.2.1 非接触式变压器设计84-86

    3.2.2 非接触式电能传输单元匹配及匹配质量评价86-93

    3.2.3 非接触式电能传输单元的系统谐振93-94

    3.3 非接触式电能传输单元设计94-100

    3.3.1 非接触式电能传输单元设计策略94-97

    3.3.2 非接触式电能传输单元设计结果97-100

    3.4 非接触式电能传输单元的研制结果与性能试验100-104

    3.4.1 非接触式电能传输单元研制结果100-101

    3.4.2 非接触式电能传输单元性能试验101-104

    3.5 本章小结104-106

    4 超声辅助加工的数字超声电源设计与开发106-130

    4.1 超声电源总体设计106-107

    4.1.1 超声电源的设计要求106

    4.1.2 超声电源的总体设计案例106-107

    4.2 超声信号产生模块设计107-111

    4.2.1 基于AD9850的超声信号产生电路107-109

    4.2.2 超声信号产生电路的制约程序109-111

    4.3 功率放大电路及其驱动电路设计111-116

    4.3.1 功率放大电路设计111-114

    4.3.2 功放驱动电路设计114-116

    4.4 频率跟踪技术探讨116-124

    4.4.1 频率跟踪原理116-118

    4.4.2 频率跟踪实现策略118-124

    4.5 超声电源的研制及性能试验124-128

    4.5.1 超声电源的研制124-125

    4.5.2 超声电源性能测试125-128

    4.6 本章小结128-130

    5 C/C复合材料超声辅助车削加工试验探讨130-147

    5.1 超声辅助车削加工试验条件130-131

    5.2 超声辅助车削加工表面质量试验131-138

    5.2.1 超声辅助车削加工表面分类131-133

    5.2.2 超声辅助车削加工表面质量试验条件133-134

    5.2.3 超声辅助车削加工表面质量试验结果及浅析134-138

    5.3 超声辅助车削加工切削力试验138-141

    5.3.1 超声辅助车削加工切削力试验条件138-139

    5.3.2 超声辅助车削加工切削力试验结果及浅析139-141

    5.4 超声辅助车削加工温度试验141-143

    5.4.1 超声辅助车削加工温度试验条件141-142

    5.4.2 超声辅助车削温度试验结果及浅析142-143

    5.5 超声辅助车削加工刀具磨损试验143-145

    5.5.1 超声辅助车削加工刀具磨损试验条件143-144

    5.5.2 超声辅助车削刀具磨损试验结果及浅析144-145

    5.6 本章小结145-147

    6 CFRP复合材料超声辅助磨削加工试验探讨147-170

    6.1 超声辅助磨削加工机床研制147-151

    6.1.1 超声辅助磨削加工机床总体设计147

    6.1.2 机械系统设计147-148

    6.1.3 电气制约系统设计148-149

    6.1.4 气液系统设计149

    6.1.5 超声辅助磨削加工机床研制结果149-151

    6.2 超声辅助磨削C/C复合材料磨削力试验151-156

    6.2.1 磨削力试验条件151-152

    6.2.2 磨削力试验结果及浅析152-156

    6.3 超声辅助磨削表面粗糙度试验156-157

    6.3.1 超声辅助磨削表面粗糙度试验条件156

    6.3.2 超声辅助磨削表面粗糙度试验结果及浅析156-157

    6.4 超声辅助磨削加工机理157-163

    6.4.1 超声辅助磨削加工表面形貌157-160

    6.4.2 超声辅助磨削切屑形貌160-161

    6.4.3 砂轮表面形貌161-163

    6.5 超声辅助磨削性能探讨163-168

    6.5.1 超声辅助磨削力随加工时间变化163-164

    6.5.2 超声辅助磨削表面粗糙度随加工时间变化164-165

    6.5.3 砂轮表面裸露磨粒随加工时间变化165-168

    6.6 本章小结168-170

    7 结论与展望170-173

    7.1 结论170-171

    7.2 展望171-173

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