杯形砂轮旋转超声磨削SiCp/Al复合材料表面微观形貌预测与试验

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作者 邱俊宇 秦慧斌 +1 位作者 冯毅 贺牧 《机械科学与技术》 北大核心 2025年第1期67-74,共8页

SiCp/Al复合材料具有优异的综合性能,在高科技制造领域得到了广泛应用,但其硬度高、加工困难。杯形砂轮旋转超声磨削常被用来端磨硬脆材料表面,但大尺寸杯形砂轮的谐振模态多样、加工机理复杂,凭经验难以预判磨削后工件的表面微观形貌... SiCp/Al复合材料具有优异的综合性能,在高科技制造领域得到了广泛应用,但其硬度高、加工困难。杯形砂轮旋转超声磨削常被用来端磨硬脆材料表面,但大尺寸杯形砂轮的谐振模态多样、加工机理复杂,凭经验难以预判磨削后工件的表面微观形貌和粗糙度。为此,该文基于数值模拟方法,以杯形砂轮磨粒随机分布为原则,在MATLAB中建立了数值仿真模型,推导了旋转超声磨削磨粒的运动方程,预测了磨削试件的表面微观形貌与粗糙度。最后,以SiCp/Al复合材料为磨削对象,对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的有效性。该方法可为杯形砂轮旋转超声磨削最优化参数的选择提供参考,并实现高质量、高效率和低成本的磨削。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 SICP/AL复合材料 仿真 表面形貌 表面粗糙度

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基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌 被引量：1

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作者 孙永国 王伟 +2 位作者 李文知 魏恒举 魏士亮 《金刚石与磨料磨具工程》 CAS 北大核心 2024年第3期382-390,共9页

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱... 为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 Si_(3)N_(4)陶瓷 分形维数 多重分形谱 微观形貌

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旋转超声磨削加工中影响磨具寿命的结构参数优化 被引量：12

3

作者 荆君涛 刘运凤 +1 位作者 李占杰 饶小双 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第4期972-979,共8页

为了提高陶瓷基零部件的旋转超声磨削加工精度,降低磨具磨损造成的加工误差,建立了超声振动磨具寿命与磨粒粒度、浓度、磨具内圆直径等结构参数间关系的数学模型,对影响超声振动磨具寿命的结构参数进行了优化。首先,基于响应曲面法,建... 为了提高陶瓷基零部件的旋转超声磨削加工精度,降低磨具磨损造成的加工误差,建立了超声振动磨具寿命与磨粒粒度、浓度、磨具内圆直径等结构参数间关系的数学模型,对影响超声振动磨具寿命的结构参数进行了优化。首先,基于响应曲面法,建立了青铜基超声振动磨具二阶寿命模型,通过Box-Behnken实验对超声振动磨具寿命模型进行了拟合。然后,通过有效性和显著性检验,验证了所建立的超声振动磨具寿命模型。最后,通过拟合影响因子与超声振动磨具寿命关系的响应曲面和等高线,分析了各因素对磨具寿命的交叉影响,并优化了磨具的结构参数。结果表明:当磨粒粒度为D98.85、浓度为77.36、磨具内圆直径为5.34mm时,去除体积为9 600mm3、致密度为85%的Si3N4陶瓷材料后,磨具磨损量只有0.006 9mm,显示优化后超声振动磨具寿命可以达到旋转超声精密磨削加工要求。 展开更多

关键词 旋转超声磨削加工 超声振动磨具 磨具寿命 响应曲面

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旋转超声磨削加工中刀具结合剂类型与加工性能的关系 被引量：8

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作者 刘运凤 荆君涛 李占杰 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第9期2021-2028,共8页

实验分析了硬脆材料旋转超声磨削过程中刀具结合剂类型对加工性能的影响以便提高加工精度和加工表面的完整性。首先,采用能谱分析研究了铁基、陶瓷基和青铜基3种超声振动刀具中结合剂与金刚石颗粒的把持形式,并根据相同加工工艺条件下... 实验分析了硬脆材料旋转超声磨削过程中刀具结合剂类型对加工性能的影响以便提高加工精度和加工表面的完整性。首先,采用能谱分析研究了铁基、陶瓷基和青铜基3种超声振动刀具中结合剂与金刚石颗粒的把持形式,并根据相同加工工艺条件下刀具磨损形式确定了把持力大小。然后,结合超声振动刀具特性,通过旋转超声磨削加工实验研究刀具结合剂类型与切削力、刀具磨损量、加工表面完整性的关系,并对实验结果进行了分析。实验结果表明:相对于陶瓷基和青铜基结合剂超声振动刀具,铁基结合剂超声振动刀具把持力最大,Z轴切削力平均值最小(为46.8N);加工18 000mm3材料后,刀具轴向磨损量最小(为0.1mm);而陶瓷基结合剂超声振动刀具加工表面质量最好,表面粗糙度最大值为21.79μm。结果证实铁基超声振动刀具适用于粗加工,陶瓷基超声振动刀具则适用于精加工。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 超声振动刀具 结合剂 把持力 加工性能

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旋转超声磨削装置的研制 被引量：9

5

作者 肖永军 杨卫平 +1 位作者 李尧忠 刘瑞 《制造技术与机床》 CSCD 北大核心 2007年第6期70-72,共3页

在叙述旋转超声磨削技术的基本原理及其工艺特点的基础上,较系统地介绍了旋转超声磨削装置的设计。设计出的旋转超声磨削装置可通过其底座安装在适合的机床上,配合一定的控制设备,即可对ZrO_2、AL_2O_3等难加工材料进行旋转超声磨削加工。

关键词 旋转超声磨削 研制 超声振动系统

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RB-SiC亚表面损伤检测及其旋转超声磨削亚表面损伤特征 被引量：5

6

作者 秦娜 郑亮 +1 位作者 刘亚龙 孔春雷 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第10期2714-2724,共11页

分别采用截面抛光法(包括以硅片作陪衬与以聚酯作陪衬两种形式)和界面黏接法检测了反应烧结碳化硅(Reaction Bonded SiC,RB-SiC)旋转超声磨削加工的亚表面损伤。为确定其中的最佳检测形式,采用表面破碎层深度、最大破碎层深度、平均裂... 分别采用截面抛光法(包括以硅片作陪衬与以聚酯作陪衬两种形式)和界面黏接法检测了反应烧结碳化硅(Reaction Bonded SiC,RB-SiC)旋转超声磨削加工的亚表面损伤。为确定其中的最佳检测形式,采用表面破碎层深度、最大破碎层深度、平均裂纹深度、最大裂纹深度4个亚表面损伤评价指标对两种方法分别检测到的RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤进行对比分析。结果显示:截面抛光法(硅片作陪衬)检测到的4个指标值依次为3.30μm、6.59μm、8.64μm、17.44μm;截面抛光法(聚酯作陪衬)检测到的4个指标值依次为5.71μm、14.33μm、15.36μm、54.82μm;而界面黏接法检测到的4个指标值依次为9.19μm、19.45μm、13.04μm、32.20μm。试验结果表明,截面抛光法(硅片作陪衬)检测的精度更高,检测的亚表面损伤更符合实际情况。最后,基于此方法,对旋转超声磨削RB-SiC材料的亚表面损伤特征进行了总结。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 反应烧结碳化硅(RB-SiC)材料 亚表面损伤 截面抛光法 界面黏接法

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TiBw网状增强钛基复合材料旋转超声磨削的磨削力模型 被引量：5

7

作者 董国军 王磊 高胜东 《金刚石与磨料磨具工程》 CAS 北大核心 2022年第1期97-103,共7页

针对TiBw网状增强钛基复合材料加工时表面质量差、加工过程不平稳等问题,开展其旋转超声磨削的法向磨削力研究。分析旋转超声磨削中的磨粒运动规律,建立旋转超声磨削TiBw网状增强钛基复合材料的法向磨削力模型,并通过单因素磨削试验对... 针对TiBw网状增强钛基复合材料加工时表面质量差、加工过程不平稳等问题,开展其旋转超声磨削的法向磨削力研究。分析旋转超声磨削中的磨粒运动规律,建立旋转超声磨削TiBw网状增强钛基复合材料的法向磨削力模型,并通过单因素磨削试验对模型进行验证。结果表明:在一定的主轴转速、进给速度、磨削深度及固定磨削宽度条件下,法向磨削力随主轴转速的增加而减小,随进给速度、磨削深度的增加而增大,且其磨削试验值与模型计算值的相对误差绝对值均在6%以内。模型很好地预测了TiBw网状增强钛基复合材料磨削时的法向磨削力,验证了预测模型的有效性。 展开更多

关键词 TiBw网状增强钛基复合材料 旋转超声磨削 磨削力模型

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旋转超声磨削钛合金有限元仿真与试验研究 被引量：3

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作者 刘凡 秦娜 +1 位作者 牛健地 郑亮 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2017年第2期162-167,共6页

为了研究固结磨粒磨具的磨料粒度对旋转超声磨削钛合金磨削力的影响,采用随机空间平面切割正六面体的方法构建了具有实际磨粒几何特征的不规则多面体磨粒,并基于虚拟格子法建立了磨粒在磨具端面随机分布的多颗磨粒磨具模型。使用Deform... 为了研究固结磨粒磨具的磨料粒度对旋转超声磨削钛合金磨削力的影响,采用随机空间平面切割正六面体的方法构建了具有实际磨粒几何特征的不规则多面体磨粒,并基于虚拟格子法建立了磨粒在磨具端面随机分布的多颗磨粒磨具模型。使用Deform-3D软件构建了三维旋转超声磨削钛合金有限元模型,采用拉格朗日增量算法获得了多颗磨粒磨具旋转超声磨削钛合金Ti6Al4V的磨削力仿真值,得到了磨料粒度对磨削力的影响规律,并通过试验进行了验证。结果表明,旋转超声磨削钛合金磨削力随着磨料粒度的增大而减小,且试验结果和仿真结果具有一致性,说明了多颗磨粒磨具模型、旋转超声磨削有限元模型具有一定的准确性,为多颗磨粒磨具旋转超声磨削的相关研究提供了新的方法。 展开更多

关键词 多颗磨粒 虚拟格子法 旋转超声磨削 钛合金 有限元分析

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工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力研究 被引量：8

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作者 魏士亮 赵鸿 +1 位作者 薛开 荆君涛 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第8期976-981,共6页

为了解决由于工艺参数取值范围和实验次数有限而造成的实验结果局限性,对工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力进行了研究。在旋转超声磨削加工机理研究基础上,结合弹塑性力学和压痕断裂力学,采用动量定理和动能定理,推导了单个金刚石... 为了解决由于工艺参数取值范围和实验次数有限而造成的实验结果局限性,对工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力进行了研究。在旋转超声磨削加工机理研究基础上,结合弹塑性力学和压痕断裂力学,采用动量定理和动能定理,推导了单个金刚石端面加工和侧面加工切削力计算公式,并建立了工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力数学模型。最后通过实验对切削力数学模型进行验证,结果表明:切削力模型计算值与实验值误差低于8%,可满足工程应用,为工艺参数优化提供了依据。 展开更多

关键词 工程陶瓷 脆性域 旋转超声磨削加工 切削力 数学模型

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Si_3N_4陶瓷旋转超声磨削加工的表面摩擦特性 被引量：7

10

作者 荆君涛 冯平法 +1 位作者 魏士亮 王和旭 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第11期3200-3210,共11页

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响,分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系,并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性... 为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响,分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系,并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性,基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式,基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明:当初始表面轮廓分形维数分别为1.4,1.45,1.5和1.55时,摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验,研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律,分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明:产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点;温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点;当施加载荷为360N和往复频率为80Hz时,摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。 展开更多

关键词 SI3N4陶瓷 分形维数 摩擦特性 表面形貌控制 旋转超声磨削

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旋转超声磨削加工建模与仿真研究 被引量：4

11

作者 章涛 侯远 +2 位作者 徐静雯 葛正辉 朱永伟 《工具技术》 北大核心 2023年第4期70-78,共9页

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势,在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理,建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工... 旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势,在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理,建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序,对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟,并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明:主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响,n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积;详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律,并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。 展开更多

关键词 旋转超声磨削加工 数值建模 仿真研究 表面粗糙度

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旋转超声磨削加工技术研究进展 被引量：7

12

作者 朱旭 陈宏堃 +1 位作者 陈剑彬 沈剑云 《电加工与模具》 2018年第A01期9-14,共6页

旋转超声磨削加工是一种通过将金刚石砂轮复合超声频振动,从而提高对硬脆材料加工能力的特种加工方式,相比于传统磨削具有切削力小、切削热低等特点,已成功应用到光学玻璃、陶瓷及其复合材料的加工生产中。在简要概述了旋转超声磨削的... 旋转超声磨削加工是一种通过将金刚石砂轮复合超声频振动,从而提高对硬脆材料加工能力的特种加工方式,相比于传统磨削具有切削力小、切削热低等特点,已成功应用到光学玻璃、陶瓷及其复合材料的加工生产中。在简要概述了旋转超声磨削的基本原理和发展历程的基础上,主要总结了国内外学者及企业对旋转超声磨削加工装备的研究成果,并对未来旋转超声磨削的研究趋势进行展望。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 硬脆性材料 加工装备

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旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

13

作者 魏士亮 皮久 +1 位作者 张涛 李文知 《材料科学与工艺》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期10-17,共8页

热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误... 热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明:磨粒磨耗是旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷加工精度和加工质量提供指导。 展开更多

关键词 旋转超声磨削 金刚石磨具 磨损形式 磨损量 回归分析 表面粗糙度 SI3N4陶瓷

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旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究 被引量：9

14

作者 刘树良 陈涛 +1 位作者 魏宇祥 吴超群 《航空制造技术》 2016年第15期57-61,共5页

以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象,采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究。通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律,并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削... 以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象,采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究。通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律,并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削机理。试验结果表明:在超声磨削过程中提高主轴转速、减小进给速度,同时采用合适的切削深度和工具粒度,有助于获得高质量的加工表面;超声振动磨削和普通磨削后,工件表面均存在纤维丝断裂、剥离和凹坑等缺陷,超声振动磨削后的加工缺陷出现的程度和概率均较低,表面加工质量较好。 展开更多

关键词 碳纤维增强复合材料 旋转超声振动端面磨削 加工表面质量

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一种新型旋转超声复合磨削头的研制 被引量：2

15

作者 程学艳 林彬 《制造技术与机床》 CSCD 北大核心 2005年第4期80-81,共2页

介绍了传统超声波加工和旋转超声波加工的基本原理及特点,以及超声波加工机床的基本结构和缺陷。重点介绍了一种机床附件,它安装在普通机床上便可进行旋转超声波加工,这种新型旋转超声复合磨削头弥补了超声波加工专用机床的缺陷,会大大... 介绍了传统超声波加工和旋转超声波加工的基本原理及特点,以及超声波加工机床的基本结构和缺陷。重点介绍了一种机床附件,它安装在普通机床上便可进行旋转超声波加工,这种新型旋转超声复合磨削头弥补了超声波加工专用机床的缺陷,会大大促进硬脆材料及复合材料的发展。 展开更多

关键词 超声波 旋转超声复合磨削头 机床 复合材料

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超声旋转磨削中刀具结合剂对切削力影响研究 被引量：1

16

作者 刘运凤 赵鸿 +1 位作者 荆君涛 魏士亮 《金刚石与磨料磨具工程》 CAS 2012年第4期55-59,共5页

研究了超声旋转磨削加工陶瓷材料中金刚石刀具结合剂对其切削性能的影响。通过对单个金刚石颗粒在超声旋转磨削加工过程中的运动分析,推导出切削力理论公式;同时通过实验得到陶瓷基、铁基和青铜基三种结合剂刀具加工Si3N4工程陶瓷(致密... 研究了超声旋转磨削加工陶瓷材料中金刚石刀具结合剂对其切削性能的影响。通过对单个金刚石颗粒在超声旋转磨削加工过程中的运动分析,推导出切削力理论公式;同时通过实验得到陶瓷基、铁基和青铜基三种结合剂刀具加工Si3N4工程陶瓷(致密度70%)过程中X、Y、Z方向上的切削力。通过分析理论公式和试验数据,发现在超声旋转磨削加工过程中,刀具结合剂种类直接决定了刀具的磨损形式和磨损程度,是影响切削力大小的主要原因之一。 展开更多

关键词 超声旋转磨削加工 刀具结合剂 切削力 磨损形式

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旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

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作者 马彪 秦慧斌 +2 位作者 冯毅 白旭日 辛佳毅 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2023年第1期117-126,共10页

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器... 砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。 展开更多

关键词 旋转超声内圆磨削 砂轮变幅器 理论分析模型 频率方程 谐振特性分析

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