论文部分内容阅读
由于NOMEX蜂窝复合材料具有高比强度和比刚度等优良特性,目前已被广泛应用于航空航天等领域。然而,对于蜂窝复合材料的加工,国外大量机床厂商开发了超声切割设备,已广泛用于航空航天制造企业,加工质量和效率较高。而国内还局限于传统高速铣削加工,加工质量和效率不佳且大量的粉尘会造成环境问题,难以适应航空航天工业要求。此外,国内对超声切割机床的采购价格昂贵,在设备使用和维护方面也受制于国外机床厂商,非常不利于我国航空航天事业的发展。因此,自主研发超声切割机床及相关装备,实现蜂窝复合材料超声切割设备的国产化,提高我国的特种加工装备制造水平,具有非常重要的意义。针对上述问题,本文开展了超声切割主轴及其声学系统的研究工作:通过对主轴的功能和结构要求分析,设计适用于NOMEX蜂窝复合材料超声切割加工的主轴系统;基于有限元法,设计与超声切割主轴相匹配的超声切割声学系统,并着重对声学系统的变幅杆部分进行分析和优化;通过实验对声学系统的谐振频率、阻抗特性和振幅等参数的测试,并观察切削表面质量,验证超声切割主轴及其声学系统设计的正确性和可行性。具体研究内容及成果如下:(1)对NOMEX蜂窝复合材料的特点及应用进行介绍,对NOMEX蜂窝复合材料的国内外加工现状及相关装备进行研究。(2)针对Nomex蜂窝复合材料加工对超声切割主轴在旋转精度、静刚度和抗振性方面的要求,设计了超声切割主轴的轴套部件结构;针对超声切割主轴对直刃刀具和圆盘刀具的控制要求,对主轴伺服电机进行参数计算和选型,设计了传动结构;对声学系统电信号传输装置进行设计,保证声学系统更换前后和加工过程中实现超声电信号的传输。(3)对超声波发生器和换能器进行介绍,并设计满足超声切割加工的换能器;基于ANSYS有限元分析法和替代法对超声切割直刃刀变幅杆进行设计和优化,得到直刃刀变幅杆的放大倍数和刀具输出振幅;对圆盘刀的空载变幅杆和带刀变幅杆通过有限元软件进行分析和与优化,得到圆盘刀变幅杆的振幅放大倍数和刀具输出振幅。(4)对声学系统进行谐振频率与阻抗特性分析实验,得到谐振频率和阻抗特性等相关参数;进行声学系统振幅测试,得到刀具输出振幅和变幅杆的放大倍数,验证了有限元分析的准确性;进行超声切割主轴试切实验,测量超声切割加工的切削力,并通过微观扫描观察切屑的表面质量,实验发现超声切割加工表面质量良好,切削力较小,满足使用要求。