纵扭共振超声深滚加工机理研究

纵扭共振超声深滚加工是借鉴常规的纵向振动超声深滚加工和纵扭共振超声加工尤其是纵扭共振超声电机的设计理念而提出的一项新加工技术探索，其特点是既保证了超声深滚加工所产生的大深度高值残余压应力，适量的加工硬化和金属表面纳米化，又利用了纵扭共振的复合振动特性来进一步提高零件的加工质量。研究超声波在变形体中的传播规律与特性，设计基于工具头的纵扭共振超声声学系统，掌握复合振动模式超声声学系统设计关键技术；研究纵扭共振超声深滚加工表面强化机理和表面纳米化机理，并在此理论基础上，以典型低刚度难加工零件为加工对象，利用响应曲面法进行工艺参数优化试验，掌握纵扭共振超声深滚加工机理和工艺规律，建立纵扭共振超声深滚加工过程动态耦合数学模型，为提高机械装备中部分关键零件的加工质量、进而提高整机寿命提供一种新的表面强化技术。

本课题通过集成常规的纵向振动超声深滚加工技术和纵扭共振超声加工技术，提出纵扭共振超声深滚加工，并从声学系统、加工机理和参数优化三方面进行探索。基于声波传播理论，研究了带开斜槽传振杆的阶梯形复合变幅杆几何结构参数对变幅杆纵扭共振固有频率的影响规律，给出了单激励纵扭共振阶梯形复合变幅杆的设计方法；基于变截面杆一维纵向振动和扭转振动理论，给出圆锥形复合变幅杆纵向振动和扭转振动的频率方程及其振动特性参数，确定了单激励纵扭共振圆锥形复合变幅杆的设计方法；基于声波传播理论，提出了榫卯结构组合变幅杆，数值算例表明该结构可以实现单激励纵扭共振。基于纵扭共振超声深滚加工的运动学分析，创建了平面/轴类工件的纵扭共振超声深滚加工运动学模型，给出了振动参数和滚压工艺参数对纵扭共振超声深滚加工中滚轮接触弧上质点运动规律的影响，为纵扭共振声学系统设计和滚压质量与效率研究提供了理论支撑；基于纵扭共振超声深滚加工运动学分析和振动理论，建立了纵扭共振超声深滚加工表面形成模型和表面粗糙度几何模型，给出了纵扭共振超声深滚加工表面粗糙度的影响因素及影响规律，厘清了纵扭共振超声深滚加工表面微观形貌的形成机理；基于压痕力学模型和Hertz无摩擦弹性体之间撞击的经典理论，建立了纵扭共振超声深滚加工残余应力理论模型，给出了纵扭共振超声深滚加工残余压应力的影响因素及影响规律。通过单因素试验，进行了滚压后表面粗糙度、显微硬度和表面形貌的测试分析，厘清了各工艺参数对加工质量的影响规律，试验结果表明相对于普通滚压加工，纵扭共振超声深滚加工可获得更优的加工质量；通过正交试验，获得了基于表面粗糙度和显微硬度的最优工艺参数。基于正交-曲面响应法，创建了表面粗糙度和显微硬度的预测数学模型。本项目不仅提供了一种新型的表面强化与光整加工工艺，还可为其他二维复合超声加工技术研究提供借鉴。