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引用论文

殷森, 鲍岩, 潘延安, 董志刚, 金洙吉, 康仁科. 具有多级放大功能的超声椭圆振动切削装置的设计[J]. 机械工程学报, 2022, 58(11): 260-268.

YIN Sen, BAO Yan, PAN Yanan, DONG Zhigang, JIN Zhuji, KANG Renke. Development of Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting Device with Multi-stage Amplification Function[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(11): 260-268.

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超声椭圆振动切削可有效降低刀具磨损，提高零件表面加工质量，被广泛的应用于难加工材料的超精密加工。为充分发挥超声椭圆振动切削中刀-工完全分离的优势，刀具的振动速度应大于切削速度，而刀具的振动速度与超声振动的频率和振幅成正比。因此，提高超声椭圆振动切削装置的输出振幅和频率，突破超声椭圆振动切削中切削速度的限制，提高切削加工效率，对于超声椭圆振动切削的机理研究和工业推广应用具有重要的意义。

大连理工大学的殷森、鲍岩、潘延安、董志刚、金洙吉和康仁科在《机械工程学报》2022年11期发表了《具有多级放大功能的超声椭圆振动切削装置的设计》一文。

本文通过对压电陶瓷堆激励的超声振动进行多次放大，设计了具有大振幅输出的超声椭圆振动切削装置：首先，利用解析法设计阶梯型纵向振动夹心式压电换能器，实现了对振幅的第一次放大；之后，基于Timoshenko理论，考虑转动惯量及剪切形变，以提高计算精度，设计了两段等频率、等阶次及等截面，但不同截面面积的弯曲振动变幅杆，将其组合为阶梯式弯曲振动复合变幅杆，实现了对振幅的第二次放大。结合及有限元模态分析仿真，验证了设计方法的便捷性和准确性。最后，将两个纵向振动换能器分别安装在阶梯式弯曲振动变幅杆的x方向和z方向的波峰位置处进行激励，使其处于双弯曲振动模态，且两相弯曲振动的方向互相垂直。通过调整两个激励的相位差，从而在安装在弯曲振动变幅杆前端的金刚石刀具上合成超声椭圆振动，并通过有限元瞬态动力学分析进行了验证。

结论

本文结合理论计算和有限元仿真，设计了一种具有多级放大功能的超声椭圆振动切削装置，并利用该装置对纯铁工件进行了超声椭圆振动切削，并得出以下结论：

（1）采用数值解析法设计了阶梯式纵向振动换能器，并利用有限元压电耦合仿真进行验证，实现了对超声振动进行第一次放大；结合Timoshenko理论和有限元仿真，考虑了转动惯量及剪切形变的影响，简便设计了一种阶梯式弯曲振动变幅杆，实现对超声振动的第二次放大。

（2）基于椭圆振动轨迹的合成原理，分析了超声椭圆振动切削装置的双弯曲振动模态的实现方法，利用有限元瞬态动力学分析验证了椭圆轨迹的输出。

（3）对超声椭圆振动切削装置进行振动性能测试，谐振频率为35.3 kHz，最大振幅为8 μm，可有效提高切削加工效率；利用该装置实现了纯铁平面工件的超精密加工，分析了振幅和切削速度对表面粗糙度的影响规律，也验证了设计的超声椭圆振动切削装置的性能，对超声椭圆振动切削技术的推广和应用，具有重要的意义。

网格划分及激励施加位置

超声椭圆振动切削装置

自研超声椭圆振动发生器

振幅测定原理

前景与应用

本文设计了一种具有较大振幅输出的超声椭圆振动切削装置，不仅可用于实现基于金刚石刀具的纯铁等黑色金属的超精密加工，还可有效改善硬脆难加工材料的切削加工性能，有效降低切削力与热，提高刀具使用寿命。更重要的是，较大的输出振幅可有效提高刀具的振动速度，突破切削速度的限制，不仅可提高切削加工效率，更可以降低对机床性能的要求和依赖，有利于实现超声椭圆振动切削技术的推广和应用。

主创简介

殷森，1992年生，博士研究生，就读于大连理工大学机械工程学院，研究方向为难加工材料超声辅助加工技术与装备。

鲍岩，1988年生，毕业于大连理工大学，博士，大连理工大学副教授，硕士生导师。大连理工大学高性能精密制造科研创新团队成员，研究方向为精密超精密加工技术、难加工材料超声辅助加工、弱刚性构件精密加工理论与技术。

潘延安，1990年生，博士研究生，就读于大连理工大学机械工程学院，研究方向为难加工材料超精密加工技术与装备。

董志刚，1980年生，毕业于大连理工大学，博士，大连理工大学教授、博士生导师。国家“高层次人才特殊支持计划”青年拔尖人才、辽宁“兴辽英才计划”青年拔尖人才、科技部十四五重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项专家。获国家技术国家技术发明二等奖1项。研究方向为航空难加工材料高效加工技术、精密超精密加工技术与装备。

金洙吉，1967年生，毕业于哈尔滨工业大学，博士，大连理工大学教授、博士生导师。获教育部技术发明一等奖1项，航天部科技进步三等奖2项。研究方向为精密与超精密加工技术、难加工材料高效加工技术、特种加工及其控制技术。

团队带头人介绍

康仁科，1962年生，毕业于西北工业大学，博士，大连理工大学教授、博士生导师。大连理工大学机械工程学院学术委员会主任，精密/特种加工与微制造教育部国防重点实验室主任。享受国务院特殊津贴专家，辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才，辽宁省高等学校优秀人才。国家重点研发计划项目首席，基础加强重点项目首席。获国家技术发明一等奖1项、国家技术发明二等奖1项。研究方向为精密超精密加工技术与装备、半导体制造工艺与装备、特种/复合加工技术。国际磨粒技术学会（International Committee of Abrasive Technology, ICAT）委员，中国机械工程学会极端制造分会副主任、生产工程分会常务委员、微纳米制造技术分会常务委员，中国机械工程学会生产工程分会磨粒加工技术专业委员会副主任、切削加工专业委员会常委委员、精密工程与微纳技术专业委员会常委委员，中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员会副主任，中国机械工程学会摩擦学分会微纳制造摩擦学专业委员会常务委员，中国机械工业金属切削刀具协会切削先进制造技术研究会常务理事、对外学术交流工作委员会副主任、切削先进制造技术研究会自动化加工技术与系统委员会副主任。

团队研究方向介绍

课题组在康仁科教授的带领下，多年来一直致力于半导体基片超精密加工和难加工材料复杂曲面零件精密高效加工技术与装备的研究，主要多种半导体基片超精密磨削抛光技术与装备，航空航天构件螺旋铣孔技术与装备，难加工材料构件超声磨削/切削技术与装备，蜂窝材料的超声振动切割技术与装备。

实验室或者课题组在研项目和获得的研究成果

课题组承担国防部科学挑战专题“难加工金属材料微量去除调控方法和高精度高完整性表面加工方法(TZ2018006-0101-01)”，负责人为本文主要作者董志刚，围绕难加工金属材料复杂曲面高精度高质量成形机理和工艺方法，自主研发了大振幅的高效超声椭圆振动切削装置，揭示了在超声椭圆振动切削条件下难加工金属材料的微量去除机理，实现了钨合金、纯铁高陡度复杂曲面的精密加工。

超声椭圆振动切削加工的钨合金高陡度复杂曲面

超声椭圆振动切削加工的纯铁球壳复杂曲面

实验室或者课题组特色（技术、实验设备等）

课题组在康仁科教授的带领下，多年来一直致力于半导体基片超精密加工和难加工材料复杂曲面零件精密高效加工技术与装备方面的研究，取得系统研究成果，荣获2019年度国家技术发明二等奖：大尺寸硅片超精密磨削技术和装备（排名第一）。近期，课题组的两项成果“航空航天构件螺旋铣孔技术与装备”和“难加工材料构件超声磨削技术与装备”，通过了机械工业联合会组织的成果鉴定。

承担了国家重点研发计划项目、基础加强计划重点项目、“973计划”项目课题、“863计划”项目课题、国家科技重大专项课题、国家自然科学基金重大研究计划集成项目课题和重点项目，国家自然科学基金重大项目课题、重点项目和面上项目、国防基础科研核科学挑战专题项目、总装预研项目、装发领域基金、教育部联合基金以及企业委托项目等。

部分在研项目：

1.国家重点研发计划项目：极端工况高稳定性大型天线反射面板的材料结构一体化精密制造， 2019YFA0708900 ， 2020-2025 ，项目负责人（首席）；

2.基础加强重点项目： *** 构件精密制造， 2020-2024 ，项目负责人（首席）；

国家自然科学基金重大项目课题：晶圆减薄装备整机精度生成与损伤理论，51991372，2020-2024，负责人。

作者：殷森

责任编辑：李娜

责任校对：金程

审核：张强

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