● 摘要
椭圆超声波振动切削加工技术是近十年国际上刚刚提出的一种新型精密与超精密切削加工技术。这一技术是通过椭圆超声波振动系统使刀具的切削刃在完成通常的切削运动的同时，在特定的平面内产生椭圆运动轨迹的超声频率的振动。这样刀具相对于工件加工表面的运动就是切削加工运动和超声波椭圆振动的叠加。由于超声波椭圆振动的引入，从本质上改变了传统切削加工过程，产生了许多独特的优良的工艺性能， 它在精密与超精密加工领域和难加工材料的加工中有着广泛的应用前景。本文以促进这一新技术在航空航天制造领域的应用为目的，对椭圆超声波振动切削技术进行了系统的研究。内容包括椭圆超声波振动系统的研究和椭圆超声波振动切削工艺的研究两大部分。 现有的椭圆超声波振动系统大多采用两个具有一定相位差的振动信号来激励振动系统，从而获得所需的椭圆振动。 实践表明，在特定的结构下，振动系统在单一的振动信号激励下也可以产生椭圆振动，我们称之为单激励椭圆超声波振动。与双振源激励相比，单激励超声波椭圆振动具有结构简单等优点。在对椭圆振动产生的运动学和动力学条件分析的基础上，本文系统地分析了椭圆振动产生的机理，首次提出了基于不同机理的两种新型单激励椭圆振动系统结构，通过理论分析、有限元分析和实验研究初步揭示了两种结构产生椭圆振动的规律、振动特性。研究表明：采用单一弯曲振动激励的双弯曲复合型椭圆振动工作在准共振模式下，它建立在激励载荷分解的基础上；采用单一纵向激励的纵弯复合型椭圆振动工作在共振模式下, 它建立在振动模态转换的基础上。这就是单一激励产生椭圆振动的两种不同的机理。相比较而言，后者由于工作在共振模式下，因而可以得到较大的振动功率输出，在结构设计恰当时可以有很好的椭圆形状。根据上述研究构建的单激励超声波椭圆振动切削系统具有结构简单，调整使用方便等优点。 对椭圆超声振动切削的机理进行了理论研究，在对椭圆振动切削过程分析的基础上，归纳总结了椭圆超声振动切削的运动学特性；提出了新的动态切削力模型，并在此基础上建立了新椭圆振动切削动力学模型，从理论上揭示了椭圆超声振动切削提高切削过程的稳定性的机理。基于上述理论分析，应用本文提出的单激励纵弯复合型椭圆超声振动切削系统进行了椭圆超声振动切削加工与普通切削对的对比实验研究。本文把小波变换分析与传统的频谱分析技术相结合，提出了表面轮廓微观形貌的小波波谱分析法。应用这一方法对椭圆超声振动切削加工的表面轮廓微观构成进行了研究，提出了表面轮廓的三段小波波谱分离法。通过实验初步揭示了在一般的精密切削中工件表面微观形貌的波谱构成和椭圆振动切削对提高加工表面微观形貌精度的作用。证明椭圆振动切削可以明显地降低加工过程的低频振动在表面轮廓中产生的长波幅值，可以降低基本波长和短波长分量的幅值，降低中波部分的变动幅度，因而可以有效地降低表面粗糙度和几何形状误差，在超精密加工中具有广阔的应用前景。