● 摘要
碳纤维复合材料、先进陶瓷等材料在航空航天、汽车和医疗等领域的应用越来越多，而这种材料的机械加工性能并不理想，属于难加工材料。应用普通机械加工方法加工会出现各种问题，如纤维撕裂、纤维被拔出和陶瓷崩边等缺陷。此外，还存在刀具破坏严重、表面质量不理想等情况。针对复合材料加工中存在的以上困难，本文设计制作了半波长超声振动加工系统，该系统质量轻、体积小，对机床影响小，使用该系统进行了T700树脂基复合材料的超声振动加工工艺研究，得出了各个切削参数对加工效果的影响规律。
首先，对国内外超声振动加工装置进行了调研，指出了目前国内外相关研究的不足。结合解析法和有限元分析方法，设计并制作了1/2波长和1/4波长的夹心换能器，换能器阻抗分析结果表明它可以在设计频率附近产生共振；设计并制作了1/2波长和1/4波长超声变幅杆，对比了不同形状变幅杆性能的差异，对两种超声变幅杆进行模态分析结果显示，两种变幅杆各自的共振频率与设计值相一致；在此基础上对超声振动加工系统进行了装配，设计了两种不同的超声加工装置与机床的连接结构，以满足不同需求。
其次，研究了不同形式的导电滑环定子固定方式对超声振动加工系统的影响，根据超声系统的阻抗特性曲线选择了与之匹配的超声电源，将超声振动加工系统装夹在机床上后进行了装置的动平衡性能测试，结果显示系统的动平衡性能良好；设计了纵-扭复合超声振动加工系统，通过在变幅杆上做出螺旋槽，一部分纵向振动转换为扭转振动，从而产生扭转振动，有限元瞬态分析结果证实了设计的正确性；针对该种系统中普遍存在的频率简并问题进行了研究，得出了使系统实现纵-扭复合超声振动的外界激励的频率范围。
最后，分析了T700树脂基复合材料超声振动加工与普通加工中切削效果的异同，通过实际加工实验研究了超声电源功率、主轴转速、进给量等切削参数对T700树脂基复合材料切削力和表面完整性的影响。