超声波加工适合于加工硬脆材料,可以加工复杂的三维型腔,而传统的超声波加工需要制作与被加工型腔凸凹相反的工具,所以工具制作非常复杂,工具的加工成本高、周期长而且存在加工过程中工具磨损严重等问题,严重影响着加工的精度和效率。 超声波铣削是一种新兴的超声波加工工艺,它利用简单形状工具,基于快速原型中分层制造思想,采用分层去除方法加工硬脆材料,具有工具制作简单,工具与工件间宏观作用力小,工具损耗能够得到补偿,可实现复杂三维轮廓的加工等特点,是具有开发前景的超声波加工技术。本文在系统总结了国内外大量文献资料的基础上,通过实验研究与理论分析相结合的方法,利用自行改装的超声波铣削加工机床进行了超声波铣削加工实验,对超声波铣削加工机理与工艺进行了深入研究,丰富和完善了超声波加工技术现有的理论成果。 在传统超声波加工工艺规律研究的基础上,探索了在工具作高频振动和旋转运动以及机床进给三种运动综合作用下超声波铣削加工的材料去除机理。加工过程中材料的去除同时具有冲击、磨蚀和空化三种作用,由于工具的旋转运动和机床进给运动,为压痕裂纹的产生和扩展提供了有利条件,从而使得脆性材料的裂纹产生与扩展可能性增加,材料去除率增大。基于压痕断裂理论,建立了的超声波铣削加工材料去除率理论模型,从模型可以看出材料去除率与加工静压力、磨料尺寸、浓度、工具尺寸、工件材料性能等参数有关。 变幅杆的频率方程是变幅杆几何尺寸合理化设计的主要依据,针对现有的复合变幅杆理论公式只能表示出相邻两端杆间的关系,无法对各部分进行全面分析的问题,从变截面的杆的波动方程出发,利用四端网络法,推导出带圆锥和指数过渡段的阶梯形复合变幅杆的频率方程和放大倍数通用公式,该公式能够表示出复合变幅杆三段间的关系,便于复合变幅杆的设计和性能分析。同时,设计并制作了圆锥和指数过渡的阶梯形复合变幅杆,实验表明,其他条件不变,改变复合变幅杆小端圆柱部分的长度L₃,对其频率值影响很大,L₃长度减小,频率值增大,可以此对变幅杆进行适当的修正。 研究了工具尺寸及材料性质对变幅杆固有频率和放大系数的影响,实验表明,随着工具长度、直径的增加,变幅杆频率f呈下降趋势,欲使变幅杆安装工具后频率保持不变,可适当减小变幅杆末端长度再安装工具。推导出安装简单工具后复合变幅杆谐振频率、振幅等性能的通用公式,为变幅杆及其加工工具的设计、制作提供了理论依据。 最后,利用改装的超声波数控加工机床进行了超声数控钻孔的实验研究,对超声波数控钻孔中存在崩边现象、工具损耗严重、加工效率较低等问题提出了改善措施。分析了超声波铣削加工中工具损耗现象以及损耗产生的原因和机理,实验研究了各种加工参数对工具损耗的影响。通过分析比较得出,按运动轨迹长度进行工具纵向损耗补偿的方