基于Mindlin理论的大负载纵弯谐振超声磨削变幅器设计与试验研究

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超声磨削加工是一种硬脆材料的精加工工艺,可大幅降低磨削力和磨削热,提高磨削精度和磨削效率。超声磨削加工设备是超声磨削加工的实际载体,而超声磨削变幅器设计的优劣又直接影响其加工效果,所以超声磨削变幅器设计方法具有重要的研究意义。目前超声磨削变幅器的设计理论多针对小负载刀具,变幅器材料均为单一材料,不适用于多材料、大负载的阶梯环盘砂轮,限制了大负载超声磨削变幅器的使用。本文基于Mindlin理论对纵弯谐振变幅器的振动模型进行了研究,提出了其理论设计方法,并开发了纵弯谐振变幅器设计软件。利用该设计方法设计了纵弯谐振模式超声磨削主轴。该研究可为大负载阶梯环盘砂轮的纵弯谐振变幅器的设计提供理论与试验依据。本文的研究工作主要有以下几个方面:(1)基于Mindlin理论推导了单环盘横向弯曲谐振的位移等物理量的表达式,根据环盘之间的连续条件和边界条件建立了阶梯环盘横向弯曲耦合振动模型。利用该模型求解了多个阶梯环盘横向弯曲谐振频率,并通过有限元仿真和谐振试验验证了其准确性。(2)结合变幅杆纵振和阶梯环盘横向弯曲谐振模型,利用环盘与变幅杆的连续条件,建立了纵弯谐振变幅器的振动模型,推导了相应的频率方程并研究了变幅器的谐振特性,提出了纵弯谐振变幅器的设计方法,通过理论求解、有限元仿真和谐振特性试验验证了纵弯谐振变幅器设计方法的有效性,为变幅器的设计提供了理论支持。(3)为提高设计效率,降低设计的理论门槛,基于MATLAB和ANSYS开发了超声磨削变幅器的设计软件。其设计模块可求解出变幅器的待设计尺寸,有限元分析辅助模块可自动编写并运行变幅器仿真分析命令流,得到有限元仿真结果作为设计依据。(4)设计了一种纵弯谐振超声磨削主轴。基于选择的换能器和砂轮,利用纵弯谐振变幅器设计方法设计其变幅器部分,并通过有限元分析对设计尺寸进行了修正和确定法兰盘位置。
摘要第5-6页
abstract第6-7页
1 绪论第11-22页
    1.1 研究背景第11页
    1.2 超声磨削工艺的特点和应用第11-13页
    1.3 超声磨削设备的研究现状第13-16页
    1.4 超声磨削变幅器的理论研究现状第16-19页
        1.4.1 环盘振动的研究第16-17页
        1.4.2 纵弯谐振变幅器的研究第17-19页
    1.5 目前研究存在的不足第19-20页
    1.6 研究意义与课题的来源第20-21页
    1.7 论文的主要研究内容第21-22页
2 多材料阶梯环盘横向弯曲耦合振动的研究与试验第22-37页
    2.1 Mindlin中厚板动力学理论第22-27页
        2.1.1 弹性动力学的基本方程第22-24页
        2.1.2 中厚板动力学理论的基本方程第24-25页
        2.1.3 环盘的圆柱坐标动力学方程第25-27页
    2.2 多材料阶梯环盘的分析模型第27-28页
    2.3 多材料阶梯环盘分析模型的频率方程第28-31页
    2.4 计算实例与有限元分析第31-34页
    2.5 谐振特性试验第34-35页
    2.6 本章小结第35-37页
3 纵弯谐振超声磨削变幅器的设计及其谐振特性研究第37-52页
    3.1 纵弯谐振超声磨削变幅器分析模型的建立第37-42页
    3.2 纵弯谐振超声磨削变幅器的设计第42-43页
    3.3 有限元分析与阻抗分析试验第43-47页
    3.4 纵弯谐振超声磨削变幅器的谐振特性第47-51页
    3.5 本章小结第51-52页
4 基于Matlab/GUI的超声磨削变幅器的设计工具第52-66页
    4.1 阶梯环盘横向弯曲耦合振动频率计算模块第52-55页
        4.1.1 频率计算模块功能设计第52-53页
        4.1.2 频率计算模块工作流程第53-54页
        4.1.3 频率计算模块图形用户界面设计第54-55页
    4.2 纵弯谐振变幅器设计模块第55-59页
        4.2.1 变幅器设计模块功能设计第56页
        4.2.2 变幅器设计模块工作流程第56-57页
        4.2.3 变幅器设计模块图形用户界面设计第57-59页
    4.3 纵弯谐振变幅器有限元分析辅助模块第59-65页
        4.3.1 有限元分析辅助模块结构第59-60页
        4.3.2 有限元分析辅助模块工作流程第60-62页
        4.3.3 有限元分析辅助模块图形用户界面设计第62-65页
    4.4 本章小结第65-66页
5 纵弯谐振超声磨削主轴设计第66-77页
    5.1 超声磨削主轴的主要构成第66-70页
        5.1.1 换能器第66-68页
        5.1.2 超声发生器第68-69页
        5.1.3 角接触球轴承第69页
        5.1.4 刀柄第69页
        5.1.5 金刚石砂轮第69-70页
    5.2 超声磨削变幅器的设计第70-75页
        5.2.1 变幅器的理论设计第70-71页
        5.2.2 法兰盘位置的设计第71-75页
    5.3 超声磨削主轴结构设计第75-76页
        5.3.1 超声振动系统设计第75页
        5.3.2 机械主轴结构设计第75-76页
    5.4 本章小结第76-77页
6 结论与展望第77-79页
    6.1 结论第77页
    6.2 创新点第77-78页
    6.3 展望第78-79页
参考文献第79-86页
致谢第86-87页
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果第87-88页
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