针对普通短电弧加工排屑不畅引起的电极和工件之间形成颗粒桥造成短路、局部放电和二次放电等非正常放电现象,提出一种超声振动辅助短电弧加工的新方法来改善工件加工质量。通过实验对普通短电弧和复合加工后工件宏观特征和微观形貌进行对比。采用超景深显微镜、电子扫描显微镜等对加工后的表面形貌、粗糙度和元素能谱进行检测分析。结果表明两种特种加工技术耦合后的工件表面形貌发生了变化,其表面纹路在超声作用下呈现无序化、均匀化,电蚀凹坑和表面微裂纹数量显著减少,重铸层厚度深铣削加工下从93.06μm降低至25.39μm,表面粗糙度降低16%以上,同时材料表面元素发生了改性。这为短电弧技术改善加工质量、材料改性、技术耦合的发展提供了一种新的思路。

利用Ni25在H13热作模具钢表面进行激光熔覆实验。在保证其他参数不变,单一改变激光功率,无超声振动和同步超声振动的情况下分析功率对激光熔覆Ni25的影响。随着激光功率的增大,熔覆层表面浮渣越来越少,金属光泽越来越明显,同步超声时,在功率为1500W时,表面无任何浮渣,有清晰金属光泽;随着激光功率的增大,熔覆层高度降低,同时熔池深度及熔覆层宽度均增加,且在同步超声时,当功率为1500W时,熔池深度有继续较大幅度增加的趋势;激光功率增加,晶体组织越来越细小,由原来粗大的柱状晶变成了均匀细小的胞状晶,相同激光功率小,有超声振动的组织比无超声振动时更为细小,且晶界变得更小更清晰。激光功率在合理范围内增大,可有效改变熔覆层外观质量,并细化晶粒,且在同步超声振动时,随着激光功率的增加,细晶效果更为明显。

为了实现轻量化设计,航天器常采用复杂结构钛合金薄壁件作为承载、连接和定位元件,但是这类零件在切削过程中容易产生刀具磨损和变形,导致加工精度低,难以满足工作要求。基于钛合金薄壁件切削特性研究,采用超声振动金刚石车削方式控制切削力、装夹力引起的加工变形和残余应力,通过在线补偿修正刀具磨损误差;对壁厚(3~5)mm的典型星载钛合金薄壁件进行椭圆形超声振动切削,尺寸精度达到5μm,圆度误差为2.83μm,满足加工精度和稳定性要求。

针对传统枪式气钻钻削碳纤维复合材料时容易出现分层、毛刺、撕裂的问题,设计了一种应用于枪式气钻的超声辅助钻孔装置。通过传统解析法设计了一种阶梯型纵振超声换能器;利用PzFlex软件对超声换能器和装配了枪式气钻的换能器进行了有限元分析,结果表明两种状态下的换能器都能实现超声振动,换能器的谐振频率为33.904kHz,装配了枪式气钻的换能器的谐振频率为30.123kHz,仿真结构符合设计要求;最后对换能器进行谐振频率分析和振幅测试,结果表明换能器实际谐振频率与仿真值误差率为2.680%,纵向振幅为3μm;装配了枪式气钻的换能器实际谐振频率与仿真值误差率为7.619%,纵向振幅1.5μm;该振幅能够适用于大部分的超声加工。

针对流体磨料加工喷孔过程中的磨粒容易团聚并沉积、堵塞微小喷孔流道的问题。在磨料流加工中辅助超声振动,利用振动产生的空化效应使团聚的颗粒炸裂、分离,促进粘弹流体和磨粒的均匀混合,解决加工微喷孔加工过程易堵塞的难题。通过试验对比加超声振动与不加超声振动下的加工压力和喷孔的锥度变化等状态,分析超声空化效应的作用效果。结果表明空化效应产生的高压足以碎裂堵塞的磨粒团,施加超声振动时磨料加工压力降低,喷孔锥度增加;说明超声空化效应可以抑制喷孔堵塞。

采用单因素法制定试验方案,对原位合成法制备的钛基复合材料用PCD铣刀在超声振动和普通铣削工况下进行高速铣削试验,通过铣削力、表面微观形貌及粗糙度、刀具磨损形态和机理研究该材料的加工特性。结果表明超声振动铣削可以显著减小三向铣削力,原因是超声振动提高了系统的刚度。试验方案中存在着最佳铣削速度,在最佳铣削速度切削时会产生较小的切削力、适合的切削温度,有利于增强相被PCD刀具直接切断、晶须原位压入或向切削方向发生转动,从而在加工表面上明显减少微细划痕、犁沟、微孔洞、基体撕裂或熔融堆积等缺陷,获得纳米级的加工表面。PCD刀具前后刀面都没有月牙洼磨损产生,而是以犁沟状的磨损形态为主,机理是磨料磨损。

分别采用不同的施振功率、施振温度、冷却方式研究超声振动作用于7050铝合金凝固过程对铸锭宏观偏析的影响规律。通过实验分析得出超声振动产生的空化效应和声流效应对熔体凝固过程起主要作用,合理的超声工艺和冷却方式均能弱化偏析,不同的冷却条件下,超声处理的最佳功率值不同。

提出采用超声辅助振动工具阴极实现小初始加工间隙电解去毛刺加工。设计了一种安装在针阀体喷孔脉冲电流电解去毛刺试验装置的超声辅助振动阴极结构。对超声振动装置的超声波发生器和超声波振动系统进行了研究。通过针阀体喷孔电解去毛刺试验结果表明：超声辅助振动阴极结构有利于减小间隙误差,从而喷孔内入口处倒圆半径偏差得以减小,流量分散度有所降低。

针对超声物料输送中的轻微动态周期接触过程，采用电接触法与激光测振法相结合的测试技术测定超声微幅振动环境下振子与物料试件之间的间歇接触状态。考察了轮廓接触面积及接触界面法向接触刚度对动态接触过程的影响，最后讨论了振子振动特性对动态接触过程的影响。实验结果表明：接触界面上微凸体的纵向刚度差异是决定高频振子与试件接触与脱离的关键因素。

选取齿数为7/37和8/41两对准双曲面齿轮作为实验对象,在改造过的滚动检查机Y9550上进行齿轮的超声研磨加工,超声振动频率16kHz,超声研磨时间3min。然后由JD45+测量机测试超声研齿前后齿面上45个点的偏移误差,再通过齿长或齿高方向的齿面误差分别计算出螺旋角或压力角误差。最后对比振动加工前后的齿面误差、螺旋角误差和压力角误差,研究结果表明,超声振动研齿能在一定程度上消除齿轮的齿面误差,改善齿轮的接触区位置与形状,提高齿轮的齿面平滑度,提高齿轮的加工质量,但也不能够进行过度研磨。