二維超聲振動(dòng)輔助多線切割機(jī)理與試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來硬脆材料，尤其是非金屬、非導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)體等材料，例如玻璃、各種石材、寶石和硅晶體等，他們的硬度、脆性、耐磨性、抗蝕性和抗氧化性等都比較高，由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，這些特殊材料在軍用及民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的對(duì)加工要求也越來越高。因此，尋求一種高效率高質(zhì)量的切割方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。固結(jié)磨料線切割技術(shù)相對(duì)比于游離磨料線切割技術(shù)，具有效率高、切片薄、省材料和加工表面損傷小等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)指出，施加超聲振動(dòng)切割

2、的效率可提高2～3倍左右，并且可以提高切割精度和工具壽命。因此，本文提出了一種基于二維超聲振動(dòng)輔助下的電鍍金剛石線切割技術(shù)（在工件上施加一個(gè)與切線平行的切向超聲振動(dòng)和一個(gè)豎直方向的超聲振動(dòng)）。
　　本文以超聲振動(dòng)理論、壓痕斷裂力學(xué)、脆塑性加工理論等為理論基礎(chǔ)，研究超聲振動(dòng)對(duì)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，分析臨界切削厚度，探討脆塑性加工轉(zhuǎn)變的條件，建立脆塑性加工材料去除率模型，從理論上證明施加二維超聲振動(dòng)能夠提高切割效率，改善表面質(zhì)量。并利用

3、自制的多線切割模擬機(jī)和二維超聲振動(dòng)臺(tái)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文通過理論推導(dǎo)、模擬仿真、設(shè)備研制和實(shí)驗(yàn)分析等手段，對(duì)二維超聲輔助多線切割技術(shù)進(jìn)行了研究，其主要工作和成果如下:
　　(1)推導(dǎo)出二維超聲振動(dòng)多線切割磨粒的運(yùn)動(dòng)方程，利用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真，分析二維超聲振動(dòng)多線切割中單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并研究其表面創(chuàng)成機(jī)理，從理論上證明二維超聲振動(dòng)線切割優(yōu)于普通線切割和一維超聲振動(dòng)線切割。
　　(2)以壓痕斷裂力學(xué)、

4、脆塑性去除機(jī)理為基礎(chǔ)，建立單顆磨粒切削模型，并對(duì)切割過程中的脆塑性去除機(jī)理進(jìn)行分析，給出單顆磨粒臨界切削厚度模型以及切割過程中的最大切削厚度，建立二維超聲振動(dòng)線切割脆塑去除轉(zhuǎn)變的臨界條件，并且推導(dǎo)出了二維超聲振動(dòng)線切割的材料去除率模型，通過仿真得出，同時(shí)施加徑向和切向兩個(gè)振動(dòng)時(shí)，材料去除率達(dá)到最佳。
　　(3)根據(jù)超聲振動(dòng)輔助多線切割加工的總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波電源進(jìn)行選型，超聲波換能器、超聲波變幅桿以及超聲波振動(dòng)臺(tái)的材料選擇和結(jié)

5、構(gòu)設(shè)計(jì)，最后加工并做出實(shí)體進(jìn)行裝配，為后續(xù)的多線切割加工實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。
　　(4)對(duì)超聲波變幅桿以及超聲波振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬仿真研究、用Solidworks對(duì)變幅桿以及振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行建模并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，通過模態(tài)分析確定變幅桿的固有頻率，將變幅桿受到的載荷看成是隨時(shí)間變化的簡(jiǎn)諧載荷并進(jìn)行諧響應(yīng)分析，分析變幅桿頻率及振幅從而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析判斷振動(dòng)臺(tái)傳遞振幅的效果以及對(duì)工件上

6、的振幅值進(jìn)行模擬，并引用測(cè)振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　(5)通過實(shí)驗(yàn)手段研究加工中各主要工藝參數(shù)（線鋸走線速度、進(jìn)給速度、超聲振動(dòng)幅度等）與工件材料去除速率、表面質(zhì)量、線鋸磨損的關(guān)系。探究超聲振動(dòng)對(duì)電鍍金剛石線鋸鋸切加工的影響，從中總結(jié)工藝規(guī)律和特點(diǎn)。
　　本文所研究的二維超聲振動(dòng)輔助多線切割技術(shù)，從理論上和實(shí)驗(yàn)上都說明能有效的提高切割效率，改善表面加工質(zhì)量，并能一定程度上提高鋸絲的壽命。因此，將其應(yīng)用到實(shí)際工