答辩博士：陈玉荣
指导教师：苏宏华 教授
论文题目：旋转超声振动辅助加工系统的关键技术研究
答辩委员会：
主席：谭业发 教授 中国人民解放军陆军工程大学
委员：杨年宝 研究员 南京晨光集团有限责任公司
徐九华 教授 南京航空航天大学
陈 燕 教授 南京航空航天大学
丁文锋 教授 南京航空航天大学
赵建社 教授 南京航空航天大学
苏宏华 教授 南京航空航天大学
秘书：张全利 副教授 南京航空航天大学
时间： 2021年09月11日15:00
地点：南京航空航天大学浦口先进制造研究院会议室
学位论文简介：
工程陶瓷等硬脆材料的加工效率、加工质量和加工成本问题一直是工业界与学术界需要攻克的难题。国内外已有研究表明，超声振动辅助磨削加工可以显著提高硬脆材料的加工效率和工具寿命，降低生产成本。但是针对超声振动加工装置工业化的应用、以及超声振动辅助磨削的机理尚存在诸多不明确的问题。有鉴于此，本文首先研制了适用于超声振动刀柄装置工业化应用的专用超声电源，研究了工具材料、结构和磨削力负载对实际振幅的影响，并分析了实际振幅对端面磨削加工质量的影响；在此基础上，研制了纵扭复合超声振动刀柄，探索了扭转振动对纵扭复合超声振动辅助加工磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响规律。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）针对超声振动刀柄的电学特性，研制了可以自动识别超声振动刀柄谐振频率的超声电源，分析了电路模块的组成与工作原理，阐明了关键电子元件对超声电源工作性能的影响。基于研制的超声电源样机，对装夹不同工具的超声振动刀柄进行谐振频率自动识别研究，通过对比超声元件分析仪所测的谐振频率来评价超声电源识别频率的精度和稳定性。
（2）基于一维振动理论，建立了工具结构尺寸、密度和弹性模量与谐振频率之间关系的数学模型，利用仿真与试验相结合的方法，分析了工具材料和结构对谐振频率和振幅的影响。提出了采用电涡流传感器实时测量超声振动辅助磨削加工过程中工具实际振幅的测试方法，研究了磨削力负载对实际振幅的影响，阐明了实际振幅在磨削加工SiC陶瓷中的重要性，为超声振动加工工艺振幅参数的选取提供了参考。
（3）基于模态转换理论，建立了纵扭复合超声振子斜槽尺寸与纵/扭振幅比、相位差之间关系的数学模型，探索了各斜槽参数的变化对纵/扭振幅比和相位差的影响规律；利用灵敏度分析方法确定了影响纵/扭振幅比的斜槽主要参数，并对主要影响参数进行了优化；对比研究了理论数学模型、有限元仿真优化和试验测试的纵/扭振幅比误差，验证了理论数学模型和优化方法的可靠性。
（4）在相同侧面磨削参数下，研究了普通磨削、纵向超声振动辅助磨削、纵扭复合超声振动辅助磨削三种磨削形式下的单颗磨粒的运动轨迹变化；对比分析了在三种磨削方式下磨削参数对磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响，阐明了扭转振动在超声振动辅助磨削加工中的作用。
主要创新点如下：
（1）研制了适用于超声振动刀柄谐振频率自动识别的专用超声电源，解决了装夹不同工具后超声振动刀柄谐振频率的自动识别问题，为超声振动刀柄装置在工业生产加工中的批量使用提供了可行性。
（2）提出了一种可以实时测量超声振动辅助磨削加工中工具实际振幅的测量方法，探明了磨削力载荷对振幅衰减的影响，为超声振幅辅助加工工艺中振幅参数的选取提供了依据。
（3）基于实际振幅测量方法，阐明了超声振动辅助端面磨削时表面粗糙度恶化的原因，解决了超声振动辅助端面磨削是否会恶化表面粗糙度的争议问题。
（4）建立了纵扭复合超声振动刀柄斜槽结构尺寸的设计和优化方法，解决了斜槽式纵扭复合振动换能器设计的盲目性和纵/扭振幅比的不确定性问题，为斜槽式纵扭复合超声振子的设计提供了理论方法和依据。
