● 摘要
碳纤维复合材料由于其优越的性能，被广泛地应用于各工业领域。然而，碳纤维复合材料的加工工艺一直是个难点问题。本文在大量调研国内外碳纤维材料加工现状的基础上，确定了采用超声加工的方式来加工该种材料。超声振动系统作为超声加工的主要装置，其性能的优劣对于超声加工效果起着至关重要的作用。通过调研国内外超声加工装置的研究现状，针对碳纤维复合材料（C/SiC）的铣削加工，研制了一套旋转超声振动铣削加工装置。
首先，分析了超声振动装置的国内外研究现状，详细介绍了超声加工机床、超声振动系统的国内外研究进展，指出了目前国内外研究的不足。其次，应用声学理论、机电等效法，并结合有限元分析的方法，分别对换能器和变幅杆进行了设计。在设计变幅杆时，考虑到工具的尺寸结构对变幅杆性能的影响，采用理论计算与仿真分析相结合的方法，设计出了带有工具头的纵振和扭振超声变幅杆。初步探究了纵扭共振变幅杆的设计理念。根据设计结果，研制出了换能器和纵振变幅杆，并对其性能进行了测试。再次，基于目前超声振动系统普遍存在的普适性差的问题，针对整波长超声振动系统，推导了超声适配器的数学模型，通过仿真分析的形式对该数学模型进行了验证。最后，基于以上的设计结果，构建了超声振动系统整机模型。利用有限元软件对系统进行了动力学分析。搭建了超声振动系统物理样机，对样机进行了阻抗测试。设计了超声振动系统的连接机构、散热机构以及信号传输机构。对装配后的整机系统进行了动平衡测试。
为测试研制的旋转超声振动系统的工作性能，首先测试了系统的超声振幅，通过调整超声电源的输出功率，将系统的输出振幅进行了量化。在此基础上，针对C/SiC的铣削加工，进行了超声与非超声的对比试验，分析了二者在切削力以及表面加工质量上的差异；另外，通过设计试验，分析了超声加工中各参数（转速、进给、切深、振幅）对切削力的影响。