旋转超声辅助加工非接触式电能传输技术的研究

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1、旋转超声辅助加工非接触式电能传输技术的研究StudyonNon-contactPowerTransferTechnologyofRotaryUltrasonicMachining学科专业：仪器科学与技术研究生：段巍指导教师：房丰洲教授宫虎副研究员天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要旋转超声辅助加工是传统的机械加工与超声加工相结合得到的新型加工技术。与传统加工相比，旋转超声辅助加工具有切削力小、切削热少、加工精度与加工效率高等优势，被广泛用于单晶硅、工程陶瓷、硬质合金等硬脆材料和碳纤维等复合材料的加工上，具有广阔的应用前景。在旋转超声辅助加工过程中，刀具是随着机床主轴进行旋转

2、的，因此超声电源产生的信号无法通过有线的方式传递给超声振动结构。这个问题目前的解决方法主要有两种，即接触式和非接触式电能传输技术。接触式电能传输采用碳刷-滑环来实现能量传输，这种方式碳刷磨损快、发热量大、容易出现打火和接触不良的现象，限制了加工的效率与可靠性。国外更多使用的是非接触式的电能传输，这种传输方式基于电磁感应耦合原理，摆脱了接触式电能传输的不足之处。本文主要研究用于旋转超声辅助加工装置的非接触式电能传输技术，具体内容如下：（1）建立了非接触式电能传输系统的上、下级线圈和超声振动结构等效电路模型，在这个模型的基础上，分析了分别对上、下级线圈进行电路匹配的不同方式。（2）使用ANSY

3、S对非接触式电能传输结构进行有限元仿真，分析其磁感应强度分布与电能传输效率，并设计相关实验进行验证。以仿真为基础，根据加工的实际需要，设计了部分式非接触电能传输结构。（3）利用自主研发的旋转超声辅助加工装置，设计并实施了熊猫型保偏光纤预制棒深孔的超声加工实验，完成了方案设计和工艺优化。实验成功加工出深250mm、直径8mm的预应力孔，内孔表面粗糙度达到Ra0.8μm，证明了部分式非接触式电能传输结构能够用于实际加工。关键词：旋转超声辅助加工；非接触式电能传输；有限元仿真；保偏光纤IAbstractRotaryultrasonicmachiningtechnologyisthecombina

4、tionoftraditionalmachiningandultrasonicmachining.Comparedwithtraditionalmachining,rotaryultrasonicmachininghasmanyadvantages,suchaslesscuttingforce,lesscuttingheat,betteraccuracyandefficiency.ItiswildlyusedinmachiningofhardandbrittlematerialssuchasSi,ceramics,hardalloysandcompositematerials.Inrota

5、ryultrasonicmachining,thecuttingtoolisrotatingwiththespindle.Therefore,theultrasonicsignalproducedbythepowersupplycannotbetransferredbywire.Therearetwosolutionsinsolvingthisproblem,i.e.contactpowertransmissionandnon-contactpowertransmissiontechnology.Thecontactpowertransmissionusefrictionalcontact

6、withacarbonbrushandslipring.Thismethodiseasytoachievebuttherearelotsofproblems,suchasfastwear,highheat,sparksandpoorcontact.Previousresearchershadusednon-contactpowertransmissiontechnologybasedonthetheoryofelectromagneticcoupling.Thistechnologycanovercometheshortageofcontactpowertransmission.Thisp

7、aperintroducesthenon-contactpowertransmissionusinginrotaryultrasonicmachiningsystem.Themaincontentsareasfollows:(1)Weestablishedthemutualinductanceequivalentmodelofnon-contacttransformerandtheequivalentcircuitofv