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因硬脆难加工材料具有耐高温、抗氧化及耐腐蚀等优异性能,适用于航空、航天、船舶等众多先进科技领域中。弱刚度大尺寸机械结构,例如薄壁零件、细长轴、深小孔等又是这些领域中的关键组成单元,传统机械加工方法在加工硬脆难加工材料时存在刀具磨损严重,工件表面质量较差等问题。加工弱刚度机械结构容易出现失稳,加工误差不易控制等问题,从而不能满足加工要求。本文以具有三维振动轨迹的纵扭共振超声铣刀为中心,对超声波发生器的硬件结构及频率追踪算法展开研究,同时建立纵扭共振超声铣削三维有限元模型,分析不同切削参数对纵扭共振超声铣削中切削力、工件表面切削温度及应力分布的影响规律。为了改善传统超声波发生器手动调频率且不能实时跟踪换能器谐振频率,导致加工过程不稳定等问题。首先针对超声波发生器的硬件结构进行设计。采用MOSFET全桥逆变电路、AD9850直接数字频率合成芯片、死区电路、IR2110驱动电路组成高频逆变模块,实现超声波发生器的高频输出及频率调节。为实现全程频率搜索与频率追踪功能,设计了换能器回路电流有效值检测电路、电压电流相位差检测电路及信号处理电路。为实现振幅恒定控制,采用BUCK斩波器与不控全桥整流堆组成调功整流模块。为了提高超声波发生器的频率追踪精度,加快输出响应速度,本文基于Matlab/Simulink软件平台搭建了超声振动系统数学模型,利用试凑法对传统PID控制参数进行整定。完成了以电压电流相位差作为反馈信号的PID控制算法仿真。同时设计了二维模糊PI控制器,完成了相位差模糊PI控制算法仿真,结果表明模糊PI控制具有较优异的输出响应特性。最后依据纵扭共振换能器阻抗特性及仿真结果编写了全程频率搜索算法、模糊PI控制频率追踪算法以及振幅恒定控制算法。为了确保纵扭共振超声铣削加工过程稳定进行,获得较为理想的工件表面质量,本文基于Abaqus软件对纵扭共振超声铣削加工过程进行三维有限元仿真,首先建立了工件与铣刀的三维简化模型,基于所建模型完成了对纵扭共振超声铣削、纯纵振超声铣削及传统铣削三种不同切削方式下切削力、工件表面切削温度及应力分布的对比仿真分析。其次为获取最优切削参数,完成了针对纵扭共振超声铣削的超声振动幅值、主轴转速及径向切削深度的单变量仿真分析。有限元仿真结果不仅可以作为纵扭共振超声铣削加工试验的对照依据,还可以为后续对纵扭共振切削的研究提供理论基础。