题目：高频超声椭圆振动车削系统与工艺研究

本文在低频（约20kHz）超声椭圆振动切削技术的研究基础上，为解决其在精密和超精密切削实际应用中所遇到的加工效率低以及对表面粗糙度具有负面影响的问题，以促进其在精密和超精密加工领域的广泛应用为目的，开展了对高频超声椭圆振动车削系统与工艺的研究。 在对超声椭圆振动切削过程进行理论分析的基础上，分析了超声椭圆振动切削对已加工表面粗糙度的影响规律，总结得出其在精密和超精密加工中对表面粗糙度具有负面影响的规律；对影响已加工表面粗糙度的因素进行了综合分析，得出高频超声椭圆振动切削在获得一定表面粗糙度条件下具有提高加工效率的结论。建立了一个超声椭圆振动切削模型，从切削占空比角度分析了超声椭圆振动切削降低切削力、提高加工精度的特性；对影响切削占空比的单因素进行了分析，总结得出在相同振幅条件下，切削占空比（表征平均切削力）与频率无关、和振纹高度（表征表面粗糙度）成正比关系，即在获得较低表面粗糙度时，超声椭圆振动切削降低切削力效果越明显。同时，从其降低切削力的优势出发，分析了高频超声椭圆振动切削在金刚石切削黑色金属、脆性材料的塑性切削和解决金刚石切削单晶硅时的化学反应问题等方面的应用前景。 以研制高频超声椭圆振动车削换能器为目的，分析了质点同时参与两个方向简谐振动时合成椭圆振动的条件及规律。在分析和研究夹心式（朗之万）超声换能器的基础上，分别研制了非对称式纵-弯双激励高频（约150kHz）超声椭圆振动换能器和准对称式双弯双激励高频（约200kHz）超声椭圆振动换能器。阐述了两种换能器的设计方法和手段，并对其特性进行了测量。对超声复合振动中的“局部共振现象”进行了研究，并在此基础上，成功研制了一种刀杆装卡式纵-弯双激励高频（约130kHz）超声椭圆振动换能器，详细介绍了其设计的方法和过程；对其进行了测试，并验证了“局部共振现象”的存在。对更高频率（10MHz以上）超声聚焦振动车削换能器进行了探索性研究。针对高频超声椭圆振动车削换能器驱动的需要，研制了一种新型的双路高频（20kHz~1MHz）超声电源，对其硬件基本构成和软件系统进行了阐述。该电源采用了DDS技术和嵌入式操作系统（salvo）控制技术，使得其对频率、相位和功率的控制全部实现数字控制，功率信号波形输出稳定，频谱纯净，分辨率高，操作方便灵活，可以存储10组用户设定数据。同时，通过对超声电源对换能器的激励特性研究，分析了高频超声椭圆振动精密和超精密切削中，超声电源性能对已加工表质量有直接影响的原因。为满足更高频率椭圆振动切削研究的需要，开发了一种新型实用的超声射频（10MHz~20MHz）电源，对电源基本硬件组成和设计过程进行了描述，并成功地将该射频电源用于超声聚焦生物微阵列的研究中。 进行了高频超声椭圆振动车削工艺试验。用自行研制的三种不同结构形式的高频超声椭圆振动车削系统进行切削力实验表明，较之普通车削方式，高频超声椭圆振动切削具有降低切削力的特点。加工精度实验表明，高频超声椭圆振动车削能有效提高弱刚度零件的加工形状精度。表面粗糙度实验表明，高频超声椭圆振动车削对精密和超精密车削已加工表面存在负面影响，但影响不大，基本上趋于一致，而且PCD刀具比天然单晶金刚石刀具（SPD）更趋于一致。对于有些对表面粗糙度要求极高的超精密切削场合，利用高频超声椭圆振动切削降低切削力的优点，可以采用刀尖圆弧半径较大的金刚石刀具来解决这个问题。进行了高频超声椭圆振动天然单晶金刚石微细切削细长轴的实验，结果表明其具有很强的微细切削能力。 对单晶硅进行了天然单晶金刚石高频椭圆振动精密切削实验。实验表明，在对表面粗糙度不恶化的前提下，一方面可以有效降低切削力，减弱金刚石和单晶硅的化学反应条件，延长刀具使用寿命；另一方面可有效提高其塑性切削深度，从而提高了加工效率。 本文开展的高频超声椭圆振动车削系统与工艺研究，将有力促进椭圆振动切削在精密和超精密切削领域中的应用。