基于非接触能量传输的旋转超声波加工关键技术研究-机械制造及其自动化专业论文.docx

摘要旋转超声波加工是一种精密、高效的硬脆材料及复合材料加工方法，研制高 转速、高效、大功率旋转超声波加工设备是目前研究热点。相比于传统非旋转超 声波加工，旋转运动的加入使得超声能量传递与耦合变得复杂和困难，这大大限 制了旋转超声波加工技术应用。基于电磁感应的非接触能量传输方式能够替代传 统碳刷滑环为超声振子提供电能，这种非接触能量传输方式安全、稳定，且对转 速没有限制。相对于传统的紧耦合变压器，非接触电磁耦合器漏感大，耦合能力 较差，使其传输效率和传输功率受到了限制。其次，旋转超声波加工过程中切削 力的变化常引起振幅衰减，影响了超声加工效果。为解决以上问题，本文进行了以下几方面研究工作：1) 基于磁阻模型、漏感模型和互感模型，分析非接触电磁耦合器的耦合机 理，分析损耗的类型及产生的原因，优化非接触旋转电磁耦合器磁芯及线圈结构。2) 基于真实的超声振子电学特性，建立电路补偿拓扑结构，建立传输效率 与传输功率的数学模型，建立实现最大传输效率的补偿元件计算方法，理论和实 验研究补偿元件值及其等效内阻ESR对能量传输性能的影响规律和影响机制。 3) 基于最大传输效率的电路补偿前提下，建立传输效率、传输功率、电源 负载阻抗、补偿元件两端电压与线圈匝数的关系模型，分析线圈匝数对功率传输 性能的影响规律，进而建立控制电源负载阻抗和补偿元件两端电压的线圈匝数优 化方法，在兼顾效率的前提下，实现非接触供电超声振动系统的最大功率输出能力及功率传输的安全性。4)针对旋转超声波加工过程中切削力不恒定引起的振幅衰减问题，研究切 削力对超声振子电学参数的影响规律，研究切削力对传输效率、功率和功率因数 的影响规律和内在作用机制，给出能够实现输出功率随切削力增大而自适应增大 的电路补偿拓扑和补偿元件调试方法，针对线圈匝数优化后的电磁耦合器，进行 轴向切削力对能量传输性能影响的实验研究。5)进行不同功率极限的压电超声振子及不同补偿状态下的非接触电磁耦合 器温升实验研究，设计新型的超声波加工专用工具夹头，以实现超声能量的有效 传递和刀具的灵活更换；完成附件化非接触供电旋转超声波加工头的研制。关键词：旋转超声波加工；非接触能量传输；电路补偿；线圈匝数优化；切削力；振幅衰减；温升IABSTRACTRotaryultrasonicmachiningisaprecisionandefficientprocessingmethodof hardandbrittlematerialsandcomposites.Thedevelopmentofhighspeed,highefficiency,andhighpowerrotaryultrasonicmachiningequipmenthasbecomeahottopicatpresent.Comparedtothetraditionalnon-rotatingultrasonicmachining,therotarymotionofrotaryultrasonicmachiningmakesultrasonicenergytransfermorecomplicatedanddifficult,whichgreatlylimitstheapplicationoftherotaryultrasonicmachiningtechniques.Contactlessenergytransfer(CET)basedonelectromagneticinductioncanbereplacedwiththetraditionalslipringbrushesforprovidingelectricalpowertotheultrasonictransducer.Thiscontactlessenergytransfer(CET)issecurity,stability,andnorestrictionsofspeed.However,duetotheairgapexistinginprimaryand secondaryside, rotarytransformer has larger leakageinductance, poorercouplingcapacitycomparedtothetightlycoupledtransformer.Itstransmissionefficiencyandtransmissionpower is limited. Secondly, amplitude decaycausedbythe changecuttingforceofultrasonicmachiningaffectsthemachiningresults.Tosolvetheaboveproblems,followingaspect