SiCf/SiC超聲振動(dòng)輔助車削加工裝置的刀柄設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

徐勝利，王園園，劉即元

（1.西安超克能超聲技術(shù)研究院有限公司，西安 710077；2.中國(guó)航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，西安 710021）

0 引言

SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，它保留了SiC 陶瓷耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1-3]；同時(shí)，由于SiC 纖維增強(qiáng)和增韌作用，克服了SiC 陶瓷斷裂韌性較低、易發(fā)生災(zāi)難性損毀等缺點(diǎn)，顯著提高了材料使用溫度，增強(qiáng)了材料可靠性，減輕了結(jié)構(gòu)體質(zhì)量，在航空航天、能源、交通等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4-6]。

SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，是一種典型的各向異性難加工材料[7-8]。二次加工是SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料及其構(gòu)件制備過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，尤其是隨著實(shí)際服役環(huán)境的日益苛刻，SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超精細(xì)加工的要求越來(lái)越高，加工質(zhì)量的高低將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和服役性能。目前，針對(duì)SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件精密加工問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)手段（如常規(guī)機(jī)械加工、高壓水射流、電火花加工、長(zhǎng)脈沖激光加工等）都存在一定的缺陷，容易在材料表面產(chǎn)生毛刺、撕裂、纖維拔出/崩邊、微裂紋等缺陷，嚴(yán)重制約了加工質(zhì)量與加工精度[9-13]。

超聲振動(dòng)輔助切削技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工的基礎(chǔ)上引入超聲頻的機(jī)械振動(dòng)，改變加工機(jī)理，使刀具獲得較大的沖擊加速度（約為重力加速度的104～105倍），利用超聲波的定向、高能量密度、空化、沖擊、粉碎等綜合效應(yīng)進(jìn)行加工的高效切削技術(shù)[14-16]。超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)能夠降低切削力和切削溫度、減緩刀具磨損、延長(zhǎng)刀具壽命，改善材料的可加工性并提高加工表面質(zhì)量，被認(rèn)為是一種極具潛力的特種加工技術(shù)，適宜于鈦合金、陶瓷、玻璃、CFRP、陶瓷基復(fù)合材料等硬脆性難加工材料的切削加工[17-19]。

目前，超聲振動(dòng)輔助加工硬件多以磨削、銑削、鉆削為主，車削裝置的研究鮮有報(bào)道。段忠福[20]通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合數(shù)值分析，確定了縱向振動(dòng)車削方案，設(shè)計(jì)了20 kHz 超聲波縱向振動(dòng)車刀，刀桿材料采用45 號(hào)鋼，刀桿尺寸為240 mm×240 mm×260 mm；同時(shí)，以45 號(hào)鋼為試驗(yàn)材料進(jìn)行正交試驗(yàn)，驗(yàn)證了振幅、切削速度與切削力的關(guān)系，驗(yàn)證了切削熱分布的規(guī)律；并對(duì)超聲波振動(dòng)切削45號(hào)鋼的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)比了超聲振動(dòng)車削與普通車削的功率、表面粗糙度、切削力等，試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)車削可以降低切削力，表面粗糙度在振動(dòng)車削條件下明顯減小。周浩琰[21]以304 不銹鋼為研究對(duì)象，基于變截面桿波動(dòng)方程推導(dǎo)出變幅桿頻率方程，利用頻率方程計(jì)算出了圓錐形變幅桿的共振長(zhǎng)度，通過(guò)正交分析表優(yōu)化了對(duì)稱型刀桿的尺寸，并對(duì)加工裝配的超聲橢圓振子進(jìn)行了振動(dòng)性能測(cè)試，振子諧振頻率與設(shè)計(jì)誤差在0.2%以內(nèi)；最后，通過(guò)4 組單因素試驗(yàn)，探究了不同切削速度、切削深度、進(jìn)給量、電壓對(duì)不銹鋼材料加工表面形貌及表面粗糙度影響，結(jié)果表明：在相同切削參數(shù)下，橢圓振動(dòng)切削效果明顯優(yōu)于普通車削，且在低切削速度、小切削深度、小進(jìn)給量下，橢圓振動(dòng)切削效果更好，說(shuō)明橢圓振動(dòng)車削更適合精加工。

在超聲振動(dòng)輔助車削研究方面，馬付建等[22]采用3種刀具進(jìn)行了三維編織碳纖維復(fù)合材料的普通車削和超聲輔助車削試驗(yàn)，研究表明超聲輔助車削相比于普通車削中的主切削力、進(jìn)給力和背向力均有所降低，整體減小約34%，并且有效提高了表面質(zhì)量，延長(zhǎng)了刀具使用壽命。張國(guó)華等[23]采用金屬切削理論對(duì)橢圓振動(dòng)車削過(guò)程及三維切削模型進(jìn)行了分析，表明相鄰兩轉(zhuǎn)之間的相位差對(duì)車削表面形貌有著重要的影響，且切削表面幾何形貌是進(jìn)給刀紋和切向振動(dòng)產(chǎn)生的振紋彼此削弱、共同作用而成。Ma等[24]基于常規(guī)車削和超聲振動(dòng)輔助車削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用二維超聲振動(dòng)車削鋁棒時(shí)，加工精度可以提高98%。Tong 等[25]采用單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)研究了超聲橢圓振動(dòng)車削對(duì)鋁合金表面形貌的影響，表明超聲振幅和進(jìn)給速度對(duì)表面形貌的影響顯著；且在高頻振動(dòng)的作用下，刀具的后刀面對(duì)加工表面具有熨壓和修整的作用。切削過(guò)程中刀具切屑分離、刀具的斷續(xù)切削作用，提高了表面質(zhì)量。鞠偉華[26]通過(guò)開(kāi)展普通銑削、超聲輔助銑削、普通車削、超聲輔助車削、鉆孔加工、線切割等多種加工方法進(jìn)行試驗(yàn)，以表面粗糙度、表面形貌、加工效率、尺寸精度等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)C/C 復(fù)合材料加工適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助加工有利于減小工件表面粗糙度，且可降低加工過(guò)程中的磨損和切削力。

綜上，本文圍繞SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料、超聲波特性、車削刀柄結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)、研制適合于SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的超聲車削刀柄，并對(duì)車削刀柄進(jìn)行檢測(cè)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)車削刀柄進(jìn)行車削性能測(cè)試，通過(guò)設(shè)計(jì)SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)，考察和分析振動(dòng)頻率和超聲振幅對(duì)樣件加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 超聲振動(dòng)輔助車削刀柄設(shè)計(jì)

超聲振動(dòng)輔助車削刀柄設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，對(duì)整個(gè)刀柄而言最重要的零部件是變幅桿及換能器。合理的變幅桿及換能器設(shè)計(jì)能夠使得車削刀柄輸出理想的穩(wěn)定超聲振動(dòng)，故主要針對(duì)變幅桿及換能器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1.1 換能器

1.1.1 頻率方程

超聲波換能器是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，在工作過(guò)程中，通過(guò)超聲波換能器將超聲波發(fā)生器輸出的超聲頻電能轉(zhuǎn)換為超聲頻的機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)超聲變幅桿傳輸?shù)降毒?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲加工。等截面圓柱前后蓋夾心式壓電換能器頻率方程如公式（1）所示，依據(jù)2 個(gè)頻率方程，對(duì)換能器的形狀、尺寸和共振頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中：lc1為左邊1/4 波長(zhǎng)陶瓷片長(zhǎng)度；lc2為右邊1/4 波長(zhǎng)陶瓷片長(zhǎng)度；k1和l1、k2和l2分別為前后蓋板材料的波數(shù)和長(zhǎng)度；S為壓電陶瓷的截面積；ρ為壓電晶堆密度；ce為壓電晶堆聲速；ke為壓電波數(shù)；Xm1和Xm2分別為左、右側(cè)壓電晶堆負(fù)載阻抗；ρ1、c1、S1分別為換能器中壓電陶瓷后蓋板的密度、聲速和截面積；ρ2、c2、S2分別為換能器中壓電陶瓷前蓋板的密度、聲速和截面積。

首先，利用電路理論，進(jìn)行一系列變換，求出換能器的等效輸入電阻抗。其次，令換能器的輸入阻抗中阻抗部分等于0，由此就可以得出換能器的頻率方程。最后，根據(jù)換能器的具體尺寸，求解頻率方程，得出換能器的共振頻率。

功率超聲夾心式復(fù)合換能器基本上都是半波長(zhǎng)振子，半波長(zhǎng)振子在振動(dòng)時(shí)，換能器的兩端振動(dòng)位移最大，而在換能器內(nèi)部的某個(gè)位置，存在一個(gè)振動(dòng)位移為0 的截面，稱為節(jié)面。換能器的位移節(jié)面是一個(gè)非常重要的概念，必須精確確定，以便于和外界連接及固定換能器位移節(jié)面的位置是由換能器的前后蓋板及壓電陶瓷晶堆的材料參數(shù)、幾何尺寸、形狀和頻率所決定。因此，在設(shè)計(jì)夾心式壓電換能器時(shí)，假如將此位移節(jié)面作為一個(gè)分界面，把整個(gè)換能器看成是由2 個(gè)1/4 波長(zhǎng)的振子組成，就可以利用這2個(gè)1/4波長(zhǎng)的振子各求出其頻率方程，從而可以得出換能器的整個(gè)頻率方程。

1.1.2 結(jié)構(gòu)及壓電晶堆

換能器采用金屬端蓋-壓電晶堆-金屬端蓋的夾心壓電式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小，質(zhì)量較輕，容易獲得大的能量密度，可以令壓電陶瓷產(chǎn)生縱向振動(dòng)并且產(chǎn)生較低的共振頻率。設(shè)計(jì)時(shí)，首先從換能器的設(shè)計(jì)理論出發(fā)，利用變截面桿的波動(dòng)方程以及傳輸線性理論進(jìn)行分析，且需要對(duì)邊界條件提出必要的假設(shè)。其次，將換能器長(zhǎng)度與聲波長(zhǎng)度相比較，且令換能器橫向尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，可以分析其機(jī)械振動(dòng)方程并且畫出其電路狀態(tài)方程。通常尺寸設(shè)計(jì)選用解析法，并且利用等效電路法得出其相對(duì)應(yīng)的等效電路圖。等效電路中存在有各種等效阻抗，其電學(xué)參數(shù)均為換能器工作在諧振頻率下理論計(jì)算而來(lái)。

為了使輸出功率達(dá)到最大，需要使用多片壓電陶瓷來(lái)滿足超聲加工的需求。用電極片將壓電陶瓷片以及金屬蓋板隔開(kāi)，電極片通常采用彈性和導(dǎo)電性能良好的銅片或者鎳片，電極片通常與壓電圓環(huán)通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠合而成，將壓電陶瓷和電極片視為一個(gè)整體，統(tǒng)稱壓電晶堆。壓電陶瓷晶堆作為換能器的振動(dòng)發(fā)出源，在設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。

通常換能器由多個(gè)壓電陶瓷圓環(huán)同極相接的方式堆疊而成，這種方式稱為機(jī)械串聯(lián)而電路并聯(lián)的方式。壓電陶瓷的直徑應(yīng)當(dāng)小于1/4 聲波波長(zhǎng)，否則會(huì)產(chǎn)生其他模式的振動(dòng)。選擇自研換能器專用功率型CKN-GN-8 系列壓電陶瓷圓環(huán)，工作頻率為20、30、33 kHz，分別對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷圓環(huán)型號(hào)為CKN-GN-8-2050A、CKNGN-8-3050A、CKN-GN-8-3350A，根據(jù)加工要求將換能器功率設(shè)計(jì)為500～1200 W，壓電陶瓷圓環(huán)片數(shù)量設(shè)計(jì)為2片一組或4片一組。此外，電極片選用具有較高的耐蝕性和耐磨損的磷青銅材料，厚度為0.35 mm。

1.1.3 端蓋

由于換能器的諧振頻率受端蓋材料尺寸的影響極大，其前后端蓋不僅可以用作電極，還可以改變其參數(shù)變化來(lái)調(diào)節(jié)諧振頻率，提高換能器諧振性能，保持較好的導(dǎo)熱性能，使換能器工作時(shí)可以發(fā)揮其最大功效。

夾心式換能器前后端蓋應(yīng)滿足以下選用原則：在換能器工作頻率范圍內(nèi)應(yīng)考慮選用內(nèi)部及外部損耗最低的材料，考慮其在工作環(huán)境中的使用壽命，考慮其性價(jià)比且便于加工。為了提高換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，在設(shè)計(jì)時(shí)前后端蓋選用不同的金屬，為了使超聲能量沿著軸線從前端蓋發(fā)射出去，功率超聲中的縱向振動(dòng)換能器通常設(shè)計(jì)為前后端蓋均為等截面圓柱形，可以有效減少換能器后表面輻射的聲功率，如圖2所示。

圖2 換能器示意

前端蓋的材料一般選用鈦合金、鎂合金和鋁合金等輕金屬，后端蓋則選用銅、合金鋼和45號(hào)鋼等重金屬。從聲波能量的傳輸性能上分析，鈦合金的確要優(yōu)于后兩者，但使用鈦合金的經(jīng)濟(jì)成本高、加工難度大；而鎂合金的耐蝕性差，強(qiáng)度較低；鋁合金中的硬鋁（2A12）具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和機(jī)加工性好且廉價(jià)等特點(diǎn)，是前端蓋理想的材料；45號(hào)鋼因聲阻抗大、材料來(lái)源廣泛和加工難度低等特點(diǎn)，是后端蓋材料的最佳選擇。因此，此類刀柄前端蓋材料為2A12硬鋁合金、后端蓋材料為45號(hào)鋼為最佳組合。

換能器在振動(dòng)過(guò)程中，存在軸向振幅為0 的面稱為位移節(jié)面，可以將換能器視作4 個(gè)部分組成，其中n=1、2、3、4 表示復(fù)合式壓電換能器各個(gè)組件的標(biāo)注，分別為節(jié)面右側(cè)壓電晶堆、前端蓋、節(jié)面左側(cè)壓電晶堆以及后端蓋。在設(shè)計(jì)時(shí)，選定壓電陶瓷片規(guī)格后，換能器的尺寸隨之確定。在給定設(shè)計(jì)頻率的情況下，根據(jù)頻率方程即可求出不同材料其余部分尺寸。

1.2 車削刀柄模態(tài)分析

借助ANSYS 有限元軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的20、30、33 kHz頻率段換能器及相應(yīng)的刀具進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖3所示。依據(jù)前期對(duì)碳化硅、氧化鋯、SiC 陶瓷等陶瓷類材料的加工經(jīng)驗(yàn)，模態(tài)分析時(shí)選用的刀具為55°的硬質(zhì)合金基體、PDC 鑲片的車刀片。在實(shí)際使用和安裝時(shí)需要固定超聲波換能器，在變幅桿的大小端過(guò)渡處設(shè)計(jì)節(jié)圓法蘭。由圖3 可知，在節(jié)圓盤處進(jìn)行位移約束，優(yōu)選出的換能器特征頻率分別為19 992、29 994、34 776 Hz；且刀具末端位移很大，晶堆和節(jié)圓盤處振幅基本為0，表明超聲振動(dòng)輔助車削刀柄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

圖3 車削刀柄模態(tài)分析

1.3 刀柄頻率振幅分析

對(duì)驗(yàn)證了的超聲振動(dòng)輔助車削刀柄實(shí)物硬件采用某公司UTD2102CEX 示波器進(jìn)行頻率檢驗(yàn)，測(cè)量超聲波頻率為20～40 kHz。采用如圖4 所示的激光測(cè)振儀對(duì)刀柄振幅進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)振儀位移分辨率為0.008 nm，頻率檢測(cè)區(qū)間為10～60 kHz。

圖4 激光測(cè)振儀

圖5 所示為超聲波發(fā)生器在3 個(gè)頻率段（20、30、33 kHz）的實(shí)測(cè)對(duì)比檢測(cè)。由圖可知，超聲波發(fā)生器的頻率和示波器顯示頻率一致，這表明超聲振動(dòng)輔助車削刀柄的超聲發(fā)生器頻率滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的振動(dòng)頻率，可以用于后續(xù)的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)。超聲刀柄振幅檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 超聲刀柄振幅檢測(cè)

圖5 車削刀柄頻率檢測(cè)

2 超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣件及設(shè)備

圖6 所示為車削用的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料筒狀樣件，原始尺寸為?100 mm×200 mm，壁厚為6 mm。對(duì)樣件進(jìn)行表面涂層去除，單邊光整量約為0.4 mm，現(xiàn)工件尺寸約為?97.7 mm×200 mm。

超聲振動(dòng)輔助車削光整及正式加工試驗(yàn)均采用PDC刀具（聚晶金剛石復(fù)合片），如圖7所示，具體幾何參數(shù)如表2所示；實(shí)驗(yàn)采用的超聲刀柄如圖8所示。

圖7 PDC車刀片

圖8 超聲車削刀柄

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量

超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)在HK63 型數(shù)控車床上進(jìn)行，如圖9 所示。車削過(guò)程中采用流水冷卻，冷卻液為全合成切削液，噴出時(shí)具有一定的沖擊壓力，如圖10所示。

圖9 HK63型數(shù)控車床

圖10 冷卻液

如表3 所示，首先在兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)，以車削表面質(zhì)量及刀具磨損情況作為衡量指標(biāo)，探索刀柄振動(dòng)頻率對(duì)SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工效果的影響，并對(duì)比分析得到合適的超聲車削頻率。在此基礎(chǔ)上，在兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，研究刀柄振幅對(duì)刀具磨損、加工質(zhì)量的影響，結(jié)果如表4所示。

表3 超聲刀柄加工效果對(duì)比試驗(yàn)

表4 超聲振幅對(duì)刀具磨損的影響試驗(yàn)參數(shù)

車削實(shí)驗(yàn)后，采用如圖11 所示的IFM G4 InfiniteFocus System G4 全自動(dòng)掃描儀（主要參數(shù)如表5 所示）對(duì)樣件車削表面二維粗糙度Ra和三維粗糙度Sa進(jìn)行測(cè)量。

表5 全自動(dòng)掃描儀設(shè)備信息

圖11 IFM G4全自動(dòng)掃描儀

3 結(jié)果和討論

在表3工藝參數(shù)下，采用20、30、33 kHz頻率的超聲刀柄車削SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面粗糙度對(duì)比結(jié)果如圖12所示。由圖可知，在兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，頻率為33 kHz的超聲車削刀柄獲得了相對(duì)較低的表面粗糙度，加工效果最好。兩組車削試驗(yàn)所得三維表面粗糙度Sa均大于二維表面粗糙度Ra。這是因?yàn)镽a是沿著加工表面的某一個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，而Sa是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，包含了更多的加工表面信息，如纖維斷裂、基體裂紋、表面凹坑、孔洞缺陷等。尤其是橫向纖維束與縱向纖維束交界的位置，存在較多的制備孔洞缺陷。隨著加工深度的不斷增加，去除工件表面的材料之后將會(huì)暴露出更多的原始孔洞缺陷，這完全取決于材料制備工藝的成熟度?；w材料與增強(qiáng)纖維硬度上的大差異，也將使Sa測(cè)量值偏大，即基體材料在加工中相對(duì)更容易去除，存在SiC 基體的位置更易產(chǎn)生溝槽、凹坑等缺陷，導(dǎo)致車削表面整體質(zhì)量較低，如圖13所示。

圖12 不同頻率超聲刀柄的車削質(zhì)量

圖13 33 kHz超聲刀柄車削表面形貌

振動(dòng)頻率為33 kHz，在表4 工藝參數(shù)下的車削表面粗糙度結(jié)果如圖14所示。由圖可知，隨著超聲振幅的增大，2 組車削試驗(yàn)的車削表面粗糙度Ra和Sa均先減小后增大。超聲振幅為3 μm時(shí)，表面粗糙度最小。超聲振幅在改變實(shí)際切削深度的同時(shí)，還將影響工件表面的平整度。超聲振幅越大，工件表面的理論輪廓起伏越大，從而影響粗糙度水平。超聲振動(dòng)輔助作用在一定程度上可以減少表面損傷和降低表面粗糙度。因此，適當(dāng)提高超聲振幅有利于增強(qiáng)超聲振動(dòng)對(duì)表面損傷的抑制作用。

圖14 超聲振幅對(duì)表面質(zhì)量的影響

綜上所述，在進(jìn)行SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削加工時(shí)，合適的車削刀柄振動(dòng)頻率為33 kHz，超聲振幅為3 μm。同時(shí)，以上加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，研制的超聲振動(dòng)輔助車削刀柄可以進(jìn)行SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的車削加工，能夠改善材料的可加工性，提高加工表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料難加工問(wèn)題，開(kāi)展了SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削研究，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析，設(shè)計(jì)了車削刀柄變幅桿、換能器，研制了SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削刀柄，并對(duì)車削刀柄進(jìn)行了檢測(cè)和加工性能測(cè)試，主要結(jié)論如下。

（1）通過(guò)計(jì)算和分析，換能器采用金屬端蓋-壓電晶堆-金屬端蓋的夾心壓電式結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷圓環(huán)片數(shù)量設(shè)計(jì)為2片一組或4片一組，電極片選用具有較高耐蝕性和耐磨損的磷青銅材料，厚度為0.35 mm。

（2）通過(guò)有限元模態(tài)分析，優(yōu)選出的換能器特征頻率分別為19 992、29 994、34 776 Hz，刀具末端位移很大，晶堆和節(jié)圓盤處振幅基本為0；且超聲波發(fā)生器的頻率和示波器顯示頻率一致，表明車削刀柄的超聲發(fā)生器頻率滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助車削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)研制的車削刀柄可以應(yīng)用于SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的車削加工，推薦的刀柄振動(dòng)頻率為33 kHz，振幅為3 μm。