碳纤维复合材料具有密度低、耐磨耐腐蚀性强、抗拉强度高、导电导热性好等优点,在航空航天、汽车建筑、日常生活等领域应用较广,人们对碳纤维复合材料产品的需求量增大,且更追求其多样化。碳纤维复合材料硬度和刚度高且具有各向异性等问题,极难加工,传统方法不能满足加工要求,电火花和激光加工极易破坏碳纤维复合材料零件的表面质量。综上所述,本设计以超声波切割碳纤维复合材料为研究对象,对整体装置进行设计和搭建,重点研究两种声学系统和动态特性,通过实验进行验证设计的可行性,主要内容及成果如下:(1)碳纤维复合材料超声波切割装置系统设计。首先,依据工业机器人技术和超声波加工方法,设计出超声波切割机器人,并设计六自由度工作台作为零件放置平台;其次,根据超声波切割原理,设计出超声波切割主轴;最后,进行整体装置搭建。(2)20kHz和40kHz声学系统研究。依据压电效应原理和等效电路法,建立换能器频率参数模型,设计换能器结构;基于变截面频率方程和解析法,建立复合式变幅杆参数模型,设计两种频率下变幅杆结构,运用Workbench对两种变幅杆进行仿真分析;依据变幅杆结构,设计两种声学系统下尖形刀的结构并仿真分析;对两种频率下声学系统所适用的工作范围做出概述,确定本次设计采用20kHz振动频率;对带有尖形直刀的变幅杆进行仿真分析。结果表明:对刀具仿真分析,最大变形量均小于8μm,满足加工要求;对变幅杆仿真分析,当频率为20.436kHz时,误差为2.18%,当频率为40.425kHz时,误差为1.06%,变幅杆设计可行;对带有刀具变幅杆仿真分析,当频率为20.103kHz时,误差为0.52%,声学系统设计可行,为振幅检测和阻抗分析实验提供理论依据。(3)碳纤维复合材料超声波切割动态特性与机理研究。一方面,建立动力学模型,理论验证声学系统设计是否可行;另一方面,依据碳纤维复合材料力学特性,探究影响工件表面质量的因素。结果表明:超声波切割具有周期性,超声波切割力小于普通切割力,从动力学角度验证声学系统设计可行。切割机理为探究表面质量的影响因素实验奠定理论基础。(4)碳纤维复合材料超声波切割实验研究。依据声学系统仿真分析,进行尖形刀长短对振幅的影响和声学系统阻抗分析实验;基于切割机理,进行实验探究影响碳纤维复合材料表面粗糙度的四个主要因素。实验结果表明:振幅随刀具长度增加而增大;当频率为20.160kHz时,误差为0.8%,声学系统设计可行;当切割速度v=30m/min,切割深度ap=0.2mm,进给量f=0.02mm,振幅A=40μm时,切割效果最佳;加工后,表面平整无毛刺、无污染、质量好,超声波切割碳纤维复合材料具有可性行。