第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
随着航天武器系统的发展及武器性能轻量化、高强度等指标的提升，尤其对于复杂承力结构件，在设计过程中逐渐开始采用性能更高的复合材料。碳化硅颗粒增强型铝基复合材料（以下简称 SiCp/Al）具有比强度和比模量高、耐高温、耐磨损等优异的机械物理性能，能够满足武器工作高稳定性的要求。然而在 SiCp/Al 复合材料的机械加工过程中，孔的加工是非常重要的一道工序，其加工精度和表面质量要求越来越高。但由于 SiCp/Al 材料加工中抗冲击性差、脆性大、机械切削性差、加工中极易出现刀具折断及零件崩边/裂纹现象，因此攻克其加工技术以提高制造基础显得尤为迫切。
目前孔的精密与特种加工工艺有很多种，主要分为电火花加工，激光加工和超声辅助加工等。电火花加工加工效率低、表面粗糙度差，加工区排屑和散热困难，且工件材料会受到一定限制；激光加工虽然比传统机械加工效率高，但设备成本高昂、孔表面的圆度比较差，限制了其大规模应用[1]。而超声辅助加工凭借切削力小、加工效率高、有效降低表面粗糙度和提升刀具寿命，特别是在深小孔加工中具有优势，所以超声辅助加工被认为是加工硬脆材料的有效方法[2-4]。
超声辅助加工作为加工硬脆材料的一种特种加工方式，其原理是在传统加工过程中在刀具上附加超声振动。例如在超声辅助钻削[5]中，刀具以恒力或恒速的方式向工件进给，刀具绕主轴高速旋转的同时，又沿着刀具轴向方向做超声频率振动，这种加工方式改变了传统钻削加工的连续性切削机理。在超声辅助钻削加工过程中，钻头与工件发生周期性的分离与接触，并且刀具的前角和后角会发生周期性的变化，这使得超声辅助钻削加工技术在硬脆材料的加工中获得优越的工艺效果。
...................
1.2 超声辅助加工装置的组成
一般来讲，超声辅助加工装置主要由超声波发生器（超声电源）、电能传输装置、超声刀柄、超声换能器、超声变幅杆和刀具组成。
超声波发生器是超声加工系统的激励源，它将生活中频率为 50Hz、电压为 220V 或380V 的交流电通过整流滤波和高频逆变电路，转换为可以驱动超声换能器的高频率电信号。
电能传输装置的作用是将超声波发生器产生的电能传递到超声换能器，其按传递方式可分为接触式导电滑环和非接触式电磁感应两种供电方式。由于机床工作时主轴高速旋转，所以与超声波发生器连接的部分需要靠工装夹具固定在机床上，与换能器连接的部分要固定在刀柄上随主轴一起高速旋转。
超声换能器作为超声振动系统的核心，由压电陶瓷、前后盖板、预紧螺栓、电极片和绝缘套筒组成，预紧螺栓的作用是将上述几部分紧密地连接在一起。这种结构的压电陶瓷换能器是由法国物理学家郎之万提出来的，又可称为郎之万换能器[9]。压电陶瓷通过逆压电效应，可以把高频电信号转换为高频机械振动，是超声振动系统的推动级。
超声变幅杆，又称超声变速杆或超声聚能器，是超声振动系统的重要组成部分。超声变幅杆通常是一种横截面为圆形的变截面金属杆，其长度一般为半波长或四分之一波长，在波节（节面）处的振幅为零，所以可以在节面处设计法兰盘，用来与超声刀柄装配和固定。当工作频率在 20kHz 范围内超声换能器的输出端产生的振幅只有几微米，而在大功率超声加工中所需的振幅大约为几十到几百微米[10]，由于超声波通过任意截面的能量是不变的，截面积越小的地方能量密度就越大，所以必须借助变幅杆将机械振动质点的位移振幅和运动速度进行放大，并将超声振动能量聚集到较小的截面上，产生聚能作用。同时变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间进行阻抗补偿，使超声振动能量更有效地从超声换能器向负载传递。
..........................
第 2 章 超声振动加工系统总体设计与分析
2.1 超声换能器的设计
传统的换能器主要由前后金属盖板、压电陶瓷、预紧螺栓、电极片和绝缘套筒组成，在结构上为半波长。由于换能器辐射面产生的输出振幅一般只有几微米，为了使输出端振幅最大，换能器的前盖板通常还要接一级半波长变幅杆，从而达到放大振幅和振速的目的，这使得超声振动系统至少为一个波长，由于这种超声振动系统的整体长度比较长，增大了系统工作时的机械损耗，降低了能量的传递效率，限制了机床主轴的最大转速。
作为机床附件化的超声辅助加工系统，我们往往希望系统的总长度越小越好，这对装置的动平衡以及刀具头的同轴度是有益的。所以采用变幅杆和前盖板相结合的方式，也就是说将前盖板做成变幅杆的形状，使之具有放大振幅与振速的功能，这样换能器在结构上就变成了二分之一波长，如图 2-1 所示，本课题所设计的换能器就是这样的结构，可称之为一体式超声换能器。
图 2-1 一体式超声换能器
2.2 基于有限元的超声换能器模态分析
模态是指结构系统振动时的固有频率（谐振频率），任意物体或结构往往具有多个模态，每一个模态都具有相应的固有频率、阻尼比和模态振型。为了使换能器输出振幅最大，超声振动加工系统需要工作在谐振状态，整个振动系统的谐振频率和该频率下的振型是研究的关键。
首先将在 SolidWorks 中建立好的换能器三维模型导入 ANSYS workbench 中，然后定义材料声学属性，如表 2-1：
表 2-1 换能器材料的声学特性
第 3 章 非接触式电能传输装置设计与分析............................24
3.1 非接触式电能传输装置的组成与工作原理 ................................ 24
3.2 非接触式电能传输装置的设计................................. 25
第 4 章 超声辅助加工系统的电路补偿...................................32
4.1 超声振动加工系统的电路模型................................... 32
4.1.1 超声换能器的等效电路模型........................... 32
4.1.2 非接触式电能传输装置的互感模型............................. 33
第 5 章 超声辅助钻削装置的实验研究...............................41
5.1 超声辅助钻削实验条件...................................... 41
5.2 超声辅助钻削与传统钻削 SiCp/Al 对比实验 ....................... 42
第 5 章 超声辅助钻削装置的实验研究
5.1 超声辅助钻削实验条件
实验采用的机床为普江 XH-715B 数控立式加工中心，如图 5-1 所示。主轴最高转速为8000 转/分钟，刀柄型号为 BT-40，X 轴、Y 轴、Z 轴的最大位移分别为 800mm、500mm、500mm。超声辅助加工装置及切削力的采集使用的设备 IMLCFX6 台式测力装置。
图 5-1 实验机床与加工现场
第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本文以超声辅助钻削加工装置为研究对象，分别对超声换能器、非接触式电能传输装置做了理论设计与仿真，并对研制成功的装置进行了实验与研究，具体完成的工作内容和研究成果总结如下：
（1）对压电陶瓷的工作原理进行了理论研究，根据波动方程，设计出了谐振频率为20kHz 的一体式超声换能器，换能器总体长度为二分之一波长，并通过有限元仿真软件对换能器进行模态分析，验证了理论公式的正确性。另一方面，对换能器的制造和装配工艺提出了一些具体要求，通过装配实验研究了预紧力对换能器谐振频率及电学性能的影响，随着预紧力的增加，谐振频率逐渐增大，并最终稳定在 20kHz 附近。经过老化后超声换能器的谐振频率为 20916Hz，与设计频率的误差为 4.58%。将超声电源接在换能器两端，使换能器处于谐振工作状态，通过激光测振仪测量换能器振幅可达 μm，满足加工要求。
（2）基于松耦合变压器的原理，对非接触式电能传输装置的原副边磁芯进行设计，并对磁芯结构与耦合系数的关系进行了电磁仿真，结论如下：随着圆心角的增大，耦合程度逐渐升高，最大磁通密度没明显改变；随着气隙的增大，耦合程度逐渐降低，最大磁通密度受气隙影响较大；随着窗口深度的增大，耦合程度逐渐降低，最大磁通密度升高。通过在二维磁场中的仿真可以得知，槽越深，漏磁就越大，耦合系数自然会减小。制造出原副边磁芯后，对不同气隙下原副边线圈的耦合系数进行测量，验证了仿真结果的正确性。
（3）为了提高非接触式电能传输装置的电能传递效率，降低甚至消除电路中的无功功率损耗，基于超声换能器的等效电路模型和非接触式电能传输装置的互感模型，进行原副边电路的补偿设计，提出了四种电路补偿方式并推导出了补偿元件计算公式。本文选择原边串联电容、副边串联电容的补偿方式，搭建了电路补偿实验平台，补偿后的电路达到谐振状态，换能器两端电压提高了 7.29 倍，副边电流大约提高了 11.14 倍，电能传递效率提高到了 21.386%。
参考文献（略）