纵扭共振旋转超声加工关键理论及应用

旋转超声加工技术具有良好的高精度和高效特性，近年来在精密及超精密机械加工中开始不断应用。但是目前的旋转超声加工，振动模态大多采用单一的纵向振动模态，其运动特性、动态冲击特性限制了加工范围和形式。而纵扭共振旋转超声切削加工，工具输出振动是纵扭振动模态，加工系统轴向及扭转动态刚度同时提高，工具振动的运动轨迹及动力冲击去除特性克服了单一轴向振动旋转超声加工的不足，能够实现真正意义的超声铣削加工，可以更进一步地提高加工效率、加工精度。目前对纵扭振动旋转超声切削的理论及应用研究甚少，实现大功率的纵扭共振输出模态，是纵扭共振旋转超声加工技术的关键。本课题是对纵扭共振旋转超声加工装置的研究，研究纵振声波模态如何形成螺旋传播模态, 使传振杆产生纵扭超声共振。应用这种方法研究出旋转超声振动加工装置实现对高强度金属、脆性材料和弹性材料的精密加工。

传统单向纵振形式旋转超声加工是纵振输出形式，工具的输出振动方向与其旋转方向垂直，其运动及材料动力冲击去除过程限制了可切削加工的材料或只使用固结磨粒和游离磨粒的加工方式。由于单向振动加工在旋转加工中,振动方向与切削方向不能保证完全一致，切削方向动态刚度与传统一样，只有轴向刚度大幅提高。利用双向超声切削加工具有更好的加工性能，是精密和超精密加工中重要的加工手段之一。单一激励振动模态转换为纵扭共振模态不存在分两个方向激励振动耦合的问题，具有结构简单可实现大功率振动输出的优点，但国内外关于其利用单一振动转换为双向振动的的设计理论和加工的机理还存在空白。本课题首先基于应力波传播与耦合理论探讨实现纵扭共振的方法，建立纵扭共振转换模型，利用纵振换能器与斜槽扭振环结合实现纵扭共振输出，推导出圆环斜槽扭振杆的理论设计公式，解决了纵扭共振系统设计的关键问题。其次，针对纵扭共振加工系统在系统动力和加工去除机理等方面，进行了系统运动、动力建模，通过理论及实验验证了纵扭共振加工可多维提升系统刚度，提出了稳态切削力与动态切削力的概念并根据切削力模型导出了力比关系。第三，基于纵扭振动超声切削过程的冲击特性，在微切削状态下等效斜冲击模型建立了振动切削冲击过程接触表面的三维动态应力模型。据此推导了脆性材料在加工过程的去除模型，为深入研究去除机理奠定了理论基础。第四，在系统松耦合电能传输、工具连接最佳振动耦合方式等方面综合分析，研制出纵扭超声共振加工装置。第五，基于搭建的纵扭共振加工平台，重点开展了表面微细结构加工，研究了切削方向表面形貌形成的机理和极限粗糙度与工艺参数的关系。针对碳纤维增强材料研究了纵扭共振钻孔和铣削加工中纤维的冲击切削断裂机理。本课题研究成果填补了国内外在纵扭共振加工系统设计及切削机理领域存在的一些基本理论空白，对推动纵扭共振加工的发展具有重要的意义。研究结果：申报国家发明专利2项，授权发明专利2项，发表论文24篇，其中EI检索9篇，SCI检索1篇(含会议论文）。