旋转超声磨削装置结构设计 25页

'超声磨削装置旋转超声磨削装置结构设计1绪论1.1超声的发展史超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来讲，人耳可以听到的声波的频率范围约为16~20KHz。因此，人们常把高于20KHz的声波称为超声波。而在实际应用种，有些超声技术使用的频率可能在16KHz以下。早在1830年，为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率，F.Savart曾用一个多齿的轮首次产生了频率为2x104HZ的超声，但人们一般却认为，首次有效产生高频声的，应是1876年F.Galton的气哨实验。第一次世界大战期间，P.Langevin发明了石英晶体换能器，用来在水中发射和接收频率较低的超声波，开始了人类真正科学的开展超声技术的研究。超声具有许多独特的性质和优点，如频率高、波长短、在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性、并在液体介质中传播时可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。因此，近年来，随着科学技术的发展，超声技术发展极为迅速，应用领域非常广泛。目前，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域，在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。1.2超声加工的原理及特点旋转超声磨削的加工原理如图1-1所示，其中，压电陶瓷换能器用于将从外部接入的高频电振荡信号（由220V或380V的交流电经超声波发生器转换而成）转换为超声频机械振动；由于压电陶瓷换能器产生的振幅较小（大约有5μm），一般不能满足需求，需用变幅杆将换能器的振动振幅放大后（振幅为20～30μm）再传至磨削工具，磨削工具在由电机驱动做旋转运动的同时也做纵向超声振动，其振动方向如下图中的箭头所示。变幅杆超声波发生器超声换能器磨削工具工件超声振动方向图1-1旋转超声磨削的原理25 超声磨削装置加工过程中，磨削工具既做旋转运动又做纵向超声振动，磨粒直接作用在工件上，可以看出，磨粒与工件是永久性接触的，不存在速度与工件表面分离的特点，因此文中所研究的旋转超声磨削并没有脱离传统的机械磨削。并可知磨削工具上的单颗磨粒在磨削平面上的运动轨迹为纵向的正弦运动和砂轮线速度横向的直线运动的合成运动轨迹，因此相对于普通磨削（无超声振动），磨粒在工件表面刻划出的痕迹较长。研究表明，旋转超声磨削既能保留传统磨削的较好的磨削特性，又能大幅度提高加工效率，且能有效改善不锈钢、复合材料等难加工材料磨削表面质量。国际生产工程学会在第42届CIRP大会上，将超声振动应用于磨削加工作为下一代精密加工的发展方向之一。旋转超声加工是在传统超声加工基础上发展而来的。它与传统超声加工的不同之处在于：工具在做超声振动的同时附加了旋转运动，从而使工具上的磨粒不断冲击和划擦工件表面。因此可以说，旋转超声加工是一种将传统的超声技术和传统机械加工相结合的方法。目前，旋转超声加工主要应用于超声钻孔、套料、超声螺纹加工、超声铣削以及超声磨削加工等几个方面。国内外研究结果表明，由于这种加工方法把传统加工的一些优良性能与工具的超声频振动结合在一起，与常规钻孔和采用游离磨料的传统超声加工方法相比，具有以下特点：1）加工速度快。例如，在光学玻璃上加工直径为6mm的孔，加工速度可达100mm/min以上。同样条件下，旋转超声加工RUM加工速度是传统USM的10倍，是传统磨削的6~10倍。2）超声振动减小了工具与加工表面的磨擦系数，切削力小，排屑通畅。钻孔加工时，不需退刀排屑，可一次进刀完成，易实现机械化。3）由于所需的切削力小，可在工件的边、角处钻孔，而不产生破裂。4）对材料的适应性广。可用于脆性材料（如玻璃、石英、陶瓷、YAG激光晶体、碳纤维复合材料等）的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工等。特别适用于深小孔和细长棒套料（已在玻璃上加工出直径为1.6mm，深100mm以上的孔）。5）可大大提高加工精度和改善表面质量，而且工具磨损减小，使用寿命延长。1.3工程陶瓷材料的使用价值及加工技术陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。因为原料的成分混杂和产品的性能波动大，仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等)，而不适用于工业用途。现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能，通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料，主要用于高温和腐蚀介质环境，是现代材料科学发展最活跃的领域之一下面对现代技术陶瓷三个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作一简单介绍。一、结构陶瓷25 超声磨削装置同金属材料相比，陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3)，因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类;氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化错、莫来石和钦酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题，原料价格低廉，生产工艺简单。氧化铝和氧化错具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性，主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。氧化铝和氧化错主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平，但它在1400℃仍能保持这一强度水平，并且高温蠕变速率极低，因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹，因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低，无法单独作为受力元件，所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件，并已在陶瓷发动机上得到应用。2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起，因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力，并且能把这些性能的大部分保持到高温，这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难，必须在极高温度（1500～2500℃)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品，有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度(＞95%)，所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性，因此一直是陶瓷发动机的最重要材料，目前已经取代了许多超高合金钢部件。现有最佳超高合金钢的使用温度低于1100℃，而发动机燃料燃烧的温度在1300℃以上，因而普遍采用高压水强制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金钢后，燃烧温度可提高到1400℃以上，并且不需要水冷系统，这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。非氧化物陶瓷也广泛应用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本较高，但高温韧性、强度、硬度、蠕变抗力优异得多，并且刀具寿命长、允许切削速度高，因而在刀具市场占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无润滑陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。3、玻璃陶瓷25 超声磨削装置玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度，玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化，而陶瓷的软化温度同熔点很接近，因而陶瓷的机械性能和使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型，工艺简单而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能，它利用玻璃成型技术制造产品，然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁一铝一硅酸盐、锂一镁一铝一硅酸盐和钙一镁一铝一硅酸盐系列，它们常被用来制造耐高温和热冲击产品，如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用，如地板、装饰玻璃。二、陶瓷基复合材料复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种以上不同材料混合在一起制成的多相材料，它具有其中任何一相所不具备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低，使用时会产生不可预测的突然性断裂，陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷基复合材料主要有两类:氧化错相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。   氧化锆相变增韧复合材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其它陶瓷粉末(如氧化铝、氮化硅或莫来石)混合后制成的高韧性材料，其断裂韧性可以达到10Mpa，以上，而一般陶瓷的韧性仅有3Mpa左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多.所以它对基体具有强化作用;同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力，从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料，例如碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30Mpa以上，比烧结碳化硅的韧性提高十倍.但因为这类材料价格昂贵，目前仅在军械和航空航天领域得到应用。另一引人注目的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体.其强度和模量接近材料的理论值，极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用，主要体系有碳化硅晶须一氧化铝一氧化铅、碳化硅晶须一氧化铝和碳化硅晶须一氮化硅。三、功能陶瓷功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷，已经具有极高的产业化程度。下面简介几类主要功能陶瓷的性能。1、导电性能陶瓷材料具有非常广泛的导电区间，从绝缘体到半导体、超导体。大多数陶瓷具有优异的电绝缘性，因而被广泛用于电绝缘体。半导体分为电子型和离子型半导体，以晶体管集成电路为代表的是电子型半导体。离子型半导体仅对某些特殊的带电离子具有传导作用，最具有代表性的是稳定氧化锆和β一氧化铝。稳定氧化钻仅对氧离子具有传导作用，主要产品有氧传感器(主要用来测定发动机的燃烧效率或钢水中氧浓度)、氧泵(从空气中获得纯氧)和燃料电池。β一氧化铝仅对钠离子具有传导作用，主要用来制造钠一硫电池，其特点是高效率、对环境无危害和可以反复充电。陶瓷超导体是近10年才发展起来的.它的临界超导转化温度在所有类超导体中最高，已经达到液氮温度以上。典型的陶瓷超导体为钇一钡一铜一氧系列材料，已经在计算机25 超声磨削装置、精密仪器领域得到广泛应用。2、介电性能   大多数陶瓷具有优异的介电性能，表现在其较高的介电常数和低介电损耗。介电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其它金属原子置换后，会得到具有不同介电性能的电介质。认酸钛基电介质的介电常数高达l000以上，而过去使用的云母小于10，所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体钟电状态，但当温度超过这一临界值时，电阻率突然增加到倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热元件。许多陶瓷，如错钛酸错，具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时，会产生一个相应的电信号，反之亦然，从而实现机械能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛，产品有压力传感元件、超声波发生器等。3、光学性能陶瓷在光学方面的应用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中随处可见.如涂料、陶瓷釉和珐琅。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面应用非常广泛。陶瓷也可被制造用来透过不同波长的光线，其中最重要的就是红外线透射陶瓷，它仅允许红外光线透过，被用来制造红外窗口，在武器、航空航天领域和高技术设备上得到广泛应用。这类材料的典型代表有硫化锌陶瓷和莫来石等.陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，典型代表有红宝石激光器和忆榴石激光器。光导纤维是现代通讯信号的主要传输媒介，它是用高纯二氧化硅制成的，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性，是金属信号传愉线无法比拟的。4、磁学性能金属和合金磁性材料具有电阻率低、损耗大的特性，尤其在高频下更是如此，已经无法满足现代科技发展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有电阻率高、损耗低、磁性范围广泛等特性.陶瓷磁性材料的代表为铁氧体一种含铁的复合氧化物。通过对成份的严格控制，可以制造出软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。软磁材料的磁导率高，饱和磁感应强度大，磁损耗低.主要用于电感线圈、小型变压器、录音磁头等部件。典型的软磁材料有镍一锌、锰一锌和锂一锌铁氧体。硬磁材料的特性是剩磁大、矫顽力大、不易退磁，主要应用为永久磁体，代表材料为铁酸钡。由于脆性材料在韧性和强度方面相互之间差异较大，它的加工既不同于一般高脆性材料（金刚石）的纯断裂过程，又不同于金属材料的塑性剪切过程。常规加工中，材料以断裂去除为主，其加工机理的研究都是建立在断裂力学基础上；而在硬脆材料的超精密加工中，材料以塑性方式去除为主，材料的去除机理是从微观角度来分析研究。现在许多国家都在致力于脆性材料超精密加工这方面的研究，尤其是近十几年来国外对脆性材料塑性域的超精密加工作了大量的研究。25 超声磨削装置采用金刚石磨粒砂轮对结构陶瓷材料进行磨削加工过程中产生的磨削热是影响被磨工件表面质量的重要因素。陶瓷材料在机械物理性能上的差异，以及磨削参数的选择，均对工件的表面磨削温度产生重要影响。林彬、于思远、徐燕申等对SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削温度进行了测量，通过实验得到了这两种材料表面磨削温度随磨削参数的变化规律，并对影响磨削温度的因素进行了分析。尚广庆、孙春华等通过对硬脆材料(玻璃)的切削试验，建立了硬脆材料的磨削模型，讨论了硬脆材料在磨粒作用下的塑性变形和断裂行为，通过对硬脆材料(玻璃)的切削试验，分析讨论了硬脆材料在力作用下的变形规律，认为当切深很小，材料所受围压力足够大时硬脆材料会发生塑性变形；硬脆材料的断裂行为与金属材料有着本质区别。硬脆材料在磨削过程中形成很多相互交贯的裂纹，使切屑呈粉碎状并在被切削表而留下许多裂纹。1.4超声加工陶瓷的意义及前景为了满足科技发展需要，越来越多的科技工作者致力于超声加工的研究，并取得了显著的成果：日本富士工业公司已经开发出“FUM一1”超声波振动切削装置，通过对机床主轴施加扭转振动，可改善加工表面粗糙度和提高加工精度。该装置是利用超声波使机床主轴产生2.7KHz的微小扭转振动，以增加刀具刀尖与工件的接触次数，从而获得在高速慢走刀下才能得到的高质量加工表面。在第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35超声振动加工机床，该机床主轴转速3000～40000r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra小于0.2μm，可加工0.3mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。尽管如此，由于各种客观条件的限制，迄今为止对于超声加工，特别是旋转超声加工的加工机理、工艺规律和加工稳定性等的研究还处于早期的探索阶段，而对旋转超声磨削加工的研究更是凤毛麟角。而有研究表明，在超声加工中，旋转超声磨削具有加工时磨削力小、加工效率高、精度高、工具磨损小以及对加工材料适应广等优点，也是复合材料、不锈钢等难加工材料比较理想的加工方法。因此得到高度的重视,发展潜力是相当巨大的25 超声磨削装置2设计说明书2.1超声磨削装置的结构设计2.1.1超声加工设备及其组成部分设计的旋转超声磨削装置结构，它由无刷电机、碳刷铜环、超声波发生器、装置外壳、压电陶瓷换能器、轴承、变幅杆、前法兰、磨削工具、主轴、装置底座等零部件组成，磨削工具右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。电机与主轴是通过联轴器连接的，而主轴与变幅杆是通过变幅杆上的前法兰连接的，虽然在设计时将前法兰设计在振动节面（变幅杆中质点位移振幅为零的面）位置，但考虑到施加负载或工具磨损后，换能器振动频率将会发生变化，从而导致连接处有微弱振动，因此在主轴端面加一橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。磨削工具是通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上的，其具有结构简单、拆卸方便等优点。该装置能以附件的形式安装在数控机床上，也可通过变换装置底座安装在普通机床上，进行常见表面、甚至一些较复杂型面的旋转超声磨削加工。工作时，由电机（其转速是通过外带的电机变频调速器调节）通过联轴器驱动主轴以及与之连接在一起的变幅杆和磨削工具旋转；同时在外部超声波发生器的激励下，压电陶瓷换能器产生高频机械振动，其振幅在经过变幅杆进行放大后，作用于磨削工具上。这样磨削工具既具有旋转运动，也具有轴向超声振动，从而可实现旋转超声加工。2.1.2初步结构设计超声磨削装置要与XKA714型数控立式床身铣床联接，装置要座于铣床的铣头。因为加工需要，所以本装置一直处在高速运转的状态。结合变幅杆的工作机理如下图（图2-1），因此变幅杆与主轴的连接处，需要更稳定，防止装置在加工过程中产生震动的现象。以下为初步的几种结构：结构设计一25 超声磨削装置图中：1—电机；2—联轴器；3—轴承外圈端盖；4—轴承内圈端盖；5—集电环；6—电刷；7—压电陶瓷；8—变幅杆。结构设计二图中：1—电机；2—带轮；3—皮带；4—集电环螺母；5—集电环；6—电刷；7—压电陶瓷。结构设计三图中：1—电机；2—集电环；3—轴承外端盖。结构设计四25 超声磨削装置12345678图中：1—电机；2—联轴器；3—碳刷；4—轴承座；5—主轴；6—轴承；7—变幅杆；8—工具棒；2.1.3结构的比较以上四图为四种结构，结构方案一、三、四的整体结构相似，均采用的是电机加联轴器，而结构方案二采用的是电机和皮带轮。总的来说，结构方案一、三、四的整体尺寸相对结构方案二而言要小的多，这对减轻装置的重量大有意义。结构方案一中内部两个轴承之间用轴承衬套固定内外圈，但是当压电陶瓷开始振动时，轴承衬套由于是用钢料制成的，是刚性的，因此两个轴承会随着压电陶瓷的振动而振动。不难想象轴承在约20000Hz的高频下，以大加速度振动，结果是一会儿时间轴承就烧坏掉了。还有振动经轴承端盖将振动传到整个装置，产生很大的噪声进而对环境造成污染。因此本装置就必须要解决振动对轴承的影响问题。结构方案一、三与结构方案四相比，前两者的装配较方便，但是，电机与轴的同轴度很难保证，在高速旋转下同轴度如果没发保证的话，轴承会很快磨损，装置的工作状态就会呈现出恶性循环，轴就会摆动。如此一来装置的加工精度就没法保证了，本装置的精密加工就失去了意义。再者如果同轴度不好，轴的速度也不会达到较高速度。这也没法实现高速磨削的目的。结构方案四中联轴器处于电机座的内部，轴座和电机座之间的同轴度靠两者之间的定位销来保证，这样就可以避免上述问题的出现。结构方案二为电机加皮带轮，整体上显得系统所占空间较大。轴受到较大的弯矩作用，因此在设计中要注意轴径是否有足够的弯矩强度，同时还要注意是否有足够的刚性。如果刚性不足的话，那么轴就会被拉弯，轴的另一端就会出现摆角，装置的加工精度也就没法保证了。结构方案四中的电机座是整个装置的支撑，电机仅仅是靠其端部四个螺钉来固定的，因此看来电机座后面的大部分对电机不起支撑作用，多余的材料就增加了系统的重量。而且装置整体看来显得前小后大，前面薄弱刚性不足，后面材料过多，笨重有余。从审美的观点来看也显得不够美观。25 超声磨削装置结构方案一、二、三的共同缺点是，三者的轴座内径一样大小，没有出现阶梯变化。首先这样的结构看上去比较简单，但是在实际情况中是不实用的，轴孔的加工长度较长，其精度难以保证。再者轴可能会出现轴向的窜动，这对加工工件当然是有害的。作为电源供给装置，集电环的作用是很重要的。如图所示：图中：1—结构方案一中的集电环；2—为结构方案二、三、四中的集电环；结构一中集电环是在轴上先图有绝缘层，然后再在上面镀上金属层，这种方案制造工艺复杂，而且其可靠性难以得到保证，同时也增加了制造成本。而二、三、四方案中采用通常电机使用的集电环，可以在厂家定做，其质量能够得到保证，相对于前者当然较为可靠。故二、三、四结构中的集电环较好。结构一中压电陶瓷处于两轴承之间，在这样的结构中超声振动经过轴承的阻碍使其很难传到工具杆上，而二、三结构中压电陶瓷处于外部，没有轴承的阻碍，因此超声振动很容易传到工具杆上，而不至在还未传出时超声振动能量就消耗了很多。结构一、三是电机加联轴器将转动传到工具杆上，而结构二是电机加带轮将转动传到工具杆上。由于结构二采用带轮结构，因此轴将承受的不仅仅有转矩作用而且还有弯矩作用，故二中轴承分布为一边两个，其作用是可以减小单个轴承所承受的径向力，从而达到延长轴承寿命的作用。外圈轴向紧固的常用方法有：用嵌入外沟槽内的孔用弹性挡圈，用于轴向力不大且需减小轴承装置尺寸时；用轴向弹性挡圈嵌入轴承外圈的的止动槽内紧固，用于带有止动槽的深沟球轴承，当外壳不便设凸肩且外壳为剖分式结构式时；用轴承盖紧固，用于高转速及很大向心力时的各类向心、推力和向心推力轴承；用螺纹环紧固，用于轴承转速高、轴向载荷大，而不适于使用轴承端盖紧固的情况。结构一、二中轴承外端盖是一样的类型，结构三、四为螺纹环的形式25 超声磨削装置两种结构方案中的轴承端的作用是一样的，即固定轴承的作用，除此之外还有密封、防尘等作用。结构三、四中的轴承外端盖适于高速旋转的轴承。结构一、三与结构二相比其所占空间较后者要小一些，当然起重量也较后者轻一些。2.1.4最后结构的确定总的来说上的几种结构方案各有各的优缺点，最终结构方案是综合上面几种结构方案中的可取之处，同时弥补其不足之点而成的。如下图为最终所确定的结构方案。12345678图中：1—电机；2—联轴器；3—碳刷；4—轴承座；5—主轴；6—轴承；7—变幅杆；8—工具棒；装置采用的是电机加联轴器结构。轴壳和电机座壳的材料均为铸铁，铸铁的优点是其铸造性能很好，而且铸铁还具有消震性能，通常机床的床身、底座均用铸铁铸造。铣床连接座采用铸钢，因为其机械强度高，而铸铁材料的抗拉强度很低，因此不采用铸铁材料。25 超声磨削装置滚动轴承与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力，功率消耗少，启动容易等优点。深沟球轴承主要承受径向载荷，有时承受小的轴向载荷。当摩擦系数最小，在高转速时也可用来承受纯轴向载荷。但是其承载能力是少量的轴向载荷。角接触球轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷，且能在较高速下正常工作，其承受轴向载荷的能力与接触角α有关，接触角大的承受轴向载荷的能力也高。在本设计中选取的是接触角α为40˙。由于振动装置在轴向方向上的超声振动很大，会引起机床磨削装置的振动，而影响整个加工系统的稳定性，加工精度和系统的使用性能，使用寿命等。因此，设计时加有隔振元件。装置的振动最好不传到轴的外部，因此在最终结构中靠近变幅杆一边轴承的左右两侧，内外圈都加有防震垫圈。这样防震垫圈就对系统的振动起到阻隔作用。装置铣床联接座与铣床联接，开始采用的是六角头螺栓，后来发现，由于联接座的结构所限制，扳手拧的角度很小，因此最后采用了内六角圆柱头螺钉。这样一来，拧螺钉时可在360º范围内拧动，故工作效率大为提高。电环螺母在随轴作高速旋转的过程中很容易变松，其后果是集电环轴向移动，从而电刷无法与其接触，压电陶瓷也就得不到电，振动没法继续，更有甚者集电环在移动过程中破碎，危及轴承。因此集电环螺母是不可松动的，在其上加有紧定螺钉是防止其松动的有效方法。由于本装置的轴径太小选不到标准的联轴器，所以只得按非标准件一样来加工。联轴器上的柱销孔的加工的位置精度要求也十分严格。联轴器左右两半也必须配钻、配铰，才能达到装配要求。集最终结构方案相对于前面的几种初步结构方案来说，结构上有所改进，但或许还有其他地方有待改进。2.2装置中的各部件的设计及校核2.2.1电机的计算与选择1.磨削力计算磨削过程中，由于磨粒的作用以及砂轮表面上有效的状况异常复杂，因而要想建立一个十分切合实际的陶瓷磨削力数学模型非常困难。在此选用陶瓷磨削力的经验公式。磨削速度单位m/s，工件速度单位m/min，被吃刀量单位mm。在本装置设计中，转速n约为8000rpm,工具杆端部砂轮直径为d12mm。则磨削速度m/s25 超声磨削装置在此算一下集电环处的线速度：集电环的直径为DΦ50mm；=26.18m/s工件速度选用约30m/s。在此算出三种典型的陶瓷材料磨削力的大小。对于陶瓷径向力切向力将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：径向力17.63N切向力3.925N对于陶瓷径向力切向力将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：径向力17.038N切向力4.084N对于陶瓷径向力切向力将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：径向力18.565N25 超声磨削装置切向力4.150N下图是磨削力程序所的的结果，图中Fn1、Ft1是作为工件材料时的磨削力；Fn2、Ft2是作为工件材料时的磨削力；Fn3、Ft3是作为工件材料时的磨削力，磨削力的单位是N。要算最大扭矩，因此取用陶瓷的磨削力来算装置所受的扭矩。扭矩：0.093由此可以看出本装置的磨削力极其产生的扭矩都很小。2.电机所需功率的计算每分钟金属磨除量Z可用下式计算：查表得：工件速度砂轮轴向进给：mm（为砂轮的宽度,取其宽度为10mm）mm外圆功率消耗取吃刀量=0.016mm则kw联轴器和轴承的机械效率、为0.99、0.98。则总的机械效率为可得电机需提供的功率为：25 超声磨削装置选用55ZWN-70型无刷直流电机，额定功率200-700瓦,额定转速2000-30000rpm，额定转矩10000-80000g·cm。2.2.2变幅杆的设计一般情况下，超声换能器辐射面的振动幅度在20kHz范围内只有几微米。而在高声强超声应用中，如超声加工、超声焊接、超声乳化、超声成形、超声雾化和某些超声外科设备及超声疲劳实验等应用中，辐射面的振动幅度一般需要到几十甚至几百微米。而只有工具端部达到一定的振幅才能提高加工效率，而振幅的增大可以通过以下三种方式获得：1.增大输入电功率。在压电陶瓷材料的线性工作范围内，提高超声换能器的工作电压，即增大输入电功率，也可以增大换能器的输出振速或位移振幅。但是，增大输入电功率以后，在换能器输出顶端的振速振幅获得提高的同时，换能器尾端振速振幅也得到几乎相同比例的提高，整个振动系统的前后振速比没有得到根本改善。此外大功率，长时间持续工作会使换能器发热，温度升高，带来一系列的不良后果，所以增大输入电功率时就要充分注意这些问题。2.提高整个系统的效率。系统的效率，包括使超声发生器与换能器的阻抗匹配，换能器振子与超声变幅杆之间的阻抗匹配，以及换能器振子本身的效率。对于超声发生器与换能器之间的匹配，一般利用匹配变压器和匹配电感线圈。前者使超声发生器输出阻抗与换能器的阻抗部分匹配，后者是因为一般压电换能器为容性抗分量，将电感线圈并联或串联接入，使其在工作频率上形成回路谐振，以消除无功损失。应当注意，这种大振幅超声换能器机械品质因数比较高，在谐振频率上大功率驱动时，阻抗发生变化，频率漂移，应当在设计超声发生器时考虑设置频率跟踪系统。3.在换能器振子前端加接变幅杆。超声变幅杆的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。第一种方法不能改变换能器前后的振速比，效率低，而且持续的工作会引起换能器发热，导致换能器工作效率及功率容量严重下降。第二种方法虽然可以提高输出振幅，但导致换能器、超声波发生器的设计变的相当复杂，但由于缺少变幅杆的放大作用，输出振幅依然很小。相对来说。第三种方法可以获得较大的输出振幅，而且变幅杆还起到阻抗变换的作用，以在换能器和声负载间进行阻抗匹配，使能量有效的传输。因此，为满足加工需求，本实验装置采用在换能器与工具间增加变幅杆的方法进行振幅放大。在功率超声的应用中，人们根据实际需要研究出了各种类型的变幅杆，比较常用的有：指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形变幅杆，这些都为单一变幅杆。25 超声磨削装置后来，为改善变幅杆的某些性能，人们研制出了各种组合型变幅杆，此类变幅杆往往是由两种或两种以上的杆或单一变幅杆组合而成。在很多功率超声应用中，如超声加工、超声焊接等等，需要尽可能大放大系数，单一变幅杆根本不能满足需求，因此需要采用复合变幅杆或者多级单一变幅杆组合。为尽力提高放大系数，从而提高超声加工的效率，并综合考虑变幅杆的设计、制造等因素，本实验装置采用由圆柱形和圆锥形变幅杆组合而成的复合型变幅杆，且此变幅杆两段采用不同截面、不同材料的杆件。变幅杆一方面是在时变载荷作用下工作，另一方面在传递和放大超声波的振动能量的同时会产生温升。因此，要求变幅杆材料应该满足以下要求:1.在工作频率范围内材料的损耗小，材料的疲劳强度高，而声阻抗率小；2.易于机械加工，当负载为液体时还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀，抗酸性；3.变幅杆材料应锻造，纤维伸长方向应与声传输线一致，以提高变幅杆的抗疲劳性能及声学性能。常用的变幅杆材料有铝合金、钛合金和45号钢等。超声变幅杆的设计方法主要有两种：一是根据变幅杆实际需要的特定性能，来设计变幅杆满足波动方程的外形函数；二是根据一些随坐标有规律变化的外形函数来得出波动方程的解，并由此计算出变幅杆的各种性能参量。以下为变幅杆的加工：1.变幅杆和工具头连接时，对各个连接部分之间的同轴度要求比较高。2.整个振动系统的连接部分应接触紧密，不但可以减少磨削工具的跳动，还可以减少超声能量的损失，使磨削工具可靠工作。故应提高有关零件的加工精度，特别是接触表面的加工精度否。必要时，需在螺纹连接处应涂以凡士林，绝不可存在空气间隙，因为超声波通过空气时会很快衰减。3.按照波动的合成原理，当系统处在共振状态时，只有在此驻波节点平面内，从单方向入射波和反方向反射波引起的质点位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始终为零。例如换能器长度1/2处的中间截面上的任何点，即为静止不动的波节点，以后向两端处振幅即逐渐增大，到换能器与变幅杆交界面上振幅为最大，称波腹点。以后振幅又逐渐减小再次出现波节点，到工具端面处再次出现振幅更大的波腹点。因此换能器、变幅杆或整个振动系统应选择在振幅为零的驻波节点固定，故需要在节面处加工出连接法兰。2.2.3压电陶瓷的选择超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。在超声加工中，是将电信号转换成机械振动信号，此转换有两种物理效应可以应用：A：磁致伸缩效应；B：压电效应的逆效应。因此目前所使用的换能器主要有两种：一种是磁致伸缩换能器；一种是压电换能器。下面对这两种换能器进行简要介绍：25 超声磨削装置1.磁致伸缩式换能器磁致伸缩换能器是基于某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效应而制成的一种机声转换发声器。磁致伸缩换能器在早期的超声波应用中较常使用，其优点是在工作条件变化很大的情况下，切削力变动以及振动系统自身的一些变化对工具的振动形态影响比较小，机械强度高。此外，由磁致伸缩换能器组成的工具振动系统使用安全可靠，调整方便；换能器使用寿命长；频率范围广，工具在磨损比较大的情况下，仍能找到谐振频率点；性能稳定，功率容量大。但磁致伸缩换能器的转换效率低，只有30%左右，发热较多，激发电路复杂以及材料的机械加工较困难，难于大批量工业生产等。任何磁滞伸缩材料都具有磁饱和现象，即当外加的磁场从小到大逐渐增大时，开始时应变随之增大，但当磁场增大到一定的程度以后，应变就不再增大，即出现了磁饱和现象。而且温度对磁滞伸缩材料的磁致伸缩效应具有大影响，随着温度的升高，磁滞伸缩效应逐渐减弱，当温度达到一定程度时，磁滞伸缩效应将完全消失。这也进一步限制了磁致伸缩换能器的应用。2.压电陶瓷换能器当把一定数量的砝码放在一些天然晶体上时，如石英、电气石等，在这些天然晶体的表面会产生一定数量的电荷，而且所产生的电荷的数量与砝码的重量成正比，这种现象称为压电效应。压电效应是可逆的，当在晶体表面加一定数量电荷时，晶体会发生变形，这就是压电逆效应。压电效应的存在具有一定阀值，当压电材料的温度超过该阀值时，压电效应便不再存在，这一临界温度称为压电材料的居里温度（或居里点）。天然压电晶体的居里温度一般是固定不变的，而人工压电晶体的居里温度可以通过成分、配方、及工艺等的改变而加以调整。压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。压电式换能器尺寸小，瞬时输出功率高，机械强度低，工作时所加电压较高。由于它的声电转换效率高，因此对振动系统的设计制造和调整精度的要求也高。压电陶瓷材料是目前超声研究及应用中极为常用的材料，其优点为：机电转换效率高，一般可达到80%左右；容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形及球形；通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器；造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广使用。其缺点在于：脆性大，抗张强度低，大面积元件成型较难以及超薄高频换能器不易加工等。综上所述，磁致伸缩换能器的主要缺陷在于高电能损失（例如涡流损失）和低能量利用率（-50%），这些损失表现为热，因此换能器必须水冷或空冷而且体积很大。与压电式的相比，它也不能产生高的振动强度。而压电换能器能量效率很高（可达90~96%），不需要任何冷却。不易于热损伤，更容易构建，也更适于旋转超声加工2.2.4轴强度的较核25 超声磨削装置进行轴的强度计算时，应根据轴的具体受载荷及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受扭矩的轴（传动轴），应按扭转强度计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应安弯矩强度计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯扭合成强度计算，需要时还应按疲劳强度条件进行计算。本装置按扭转强度计算，下图2-1即为装置中所用的轴。图2-1为轴主件轴的扭转强度条件为：实心轴的扭转强度可转化为：式中：—扭转切应力，单位为；—轴所受的扭矩，单位为；—轴的抗扭截面系数；单位为；—轴的转速，单位为r/min；—轴传递的功率，单位为KW；d—计算截面处轴的直径，单位为mm；—许用扭转应力，单位为。本装置轴的材料为20其许用扭转应力约为50。轴所受扭矩为：0.093；电机需提供的功率为：；最小的轴径d为：20mm；轴的转速n约为：10000rpm；25 超声磨削装置0.296<<50可以看出轴的扭转应力远小于许用扭转应力，因此此处满足扭转强度要求。轴1处有一段空心轴，其D为70mm,d为54mm；空心轴的强度条件为：=0.0000226828<50则此处轴的扭转强度也满足要求，由这两处可得此轴能够满足工作中的扭转强度要求。2.2.5键的校核平键联接传递转矩时，联接中各零件的受力情况如图所示。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被溃。除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度较核计算。对于导向平键联接，其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度较核计算。假定载荷在键的工作面上分布均匀，普通平键联接的强度条件为：式中：T—传递的转矩（T=F），单位为N;k—键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为平键的高度，单位mm；l—键的工作长度，单位mm，圆头平键l=L-b，平头平键l=L，这里L为键的公称长度，单位mm，b为键的宽度，单位mm；d—轴的直径，单位mm—键、轴、轮毂三者中最脆弱材料的许用挤压应力，单位,—键、轴、轮毂三者中最脆弱材料的许用应力，单位。轴所受扭矩=0.0627462本装置设计中选用的键为GB1096-90键C16×50（集电环与轴之间的键h=10）。GB1096-90键C8×30（联轴器右半与轴之间的键h=7）。25 超声磨削装置GB1096-90键C6×20（联轴器左半与轴之间的键h=6）。=300GB1096-90键C6×20的校核：0.12303<<300实际上该键所受扭矩为电刷的摩擦力所产生的，它远远小于轴所受的扭矩T，则GB1096-90键C6×20必符合要求。GB1096-90键C8×30的校核：0.04925<300则GB1096-90键C8×30也符合要求。GB1096-90键C16×50的校核：0.01087<300则GB1096-90键C16×50也符合要求25 超声磨削装置3.总结与展望3.1总结各种高性能材料诸如，复合材料、高强度钢、工程陶瓷以及硬质合金等，因有着令人瞩目的特性，如强度高、耐磨性，耐腐蚀性，抗压，不易变形及耐高温性等，在航空航天、船舶、核电、石油化工和汽车等工业中应用日趋广泛。这些材料加工时切削力大，温升高，刀具磨损严重，加工表面质量差，加工精度也难以提高。最突出的问题是加工困难，而旋转超声磨削是解决加工困难问题的有效的方法之一。它不仅保留了传统磨削的一些优良特性，又因加入超声振动后较大地提高加工效率，因此越来越受到科学工作者的重视。本文研制了一种新型的旋转超声磨削装置，并利用该装置进行了实验研究，取得了一定的成果：1.介绍了旋转超声磨削的原理，讨论分析了旋转超声磨削的材料去除机理。旋转超声磨削中材料去除机理具有冲击（磨具上的磨粒对工件表面的高频高速冲击）和磨蚀（磨削工具的旋转和进给运动可模型化为磨削过程）两种作用。2.根据旋转超声磨削的原理及系统的性能需求，分别对旋转超声磨削装置的核心部件——超声振动系统各部分进行了设计和计算，讨论了超声振动系统制作与装配时需注意的问题。其中，为解决因连接磨削工具和施加负载会导致系统失谐的难题，本文采取修整变幅杆和磨削工具长度来调整系统状态。3.设计并研制了新型旋转超声磨削装置。设计的磨削装置具有结构简单，体积小，成本低等特点。并能以附件的形式安装在数控机床或普通机床上，进行实现常见表面、甚至一些较复杂型面的超声磨削加工。4.对选定的试样进行了旋转超声磨削和传统磨削的对比实验研究，之后观察了试样表面微观形貌的SEM照片。结果表明：在相同的磨削条件下，超声磨削可以获得较光滑的加工表面，其磨削表面形貌优于传统磨削。传统磨削下磨粒切痕为沿着磨削方向上的单一直线；超声磨削下磨粒切削痕迹不再是单一斜率的直线，而是微小、密集的正弦曲线。3.2展望本文在磨削装置的设计研制及其实验研究方面取得了一定的成果，但有许多问题有待进一步深入研究和补充：1.在允许的范围内开展磨削工艺参数（诸如，磨削速度、进给量、背吃刀量、磨削压力、磨粒粒度等）对表面粗糙度、材料去除率和磨削力等加工指标的影响的研究，以深入研究旋转超声磨削的加工机理。2.尝试采用其它工件材料（如工程陶瓷、高强度钢等）、开展较复杂型面的超声磨削加工将成为进一步研究的方向。25 超声磨削装置3.对磨削后的材料进行晶相等分析，有助于解释磨削后的表面微观形貌，以进一步了解旋转超声磨削的加工机理。4.设计的旋转超声磨削装置的精度有待进一步提高。5.对整个加工过程进行跟踪控制，进行动态分析，在此基础上实现加工过程的计算机仿真也具有重要的意义。6.为使超声振动系统的设计更加简便合理，有必要测试超声振动系统的阻抗特性、测量工具端部输出的振幅并考察负载的施加究竟在多大程度影响到系统谐振频率。7.设计定制具有频率跟踪功能和输出功率、频率数字显示功能的超声波发生器，以研究超声参数（如超声频率、功率、振幅等）对加工指标的影响。25 超声磨削装置参考文献[1]中国农业机械化科学研究院编著实用机械设计手册中国农业机械出版社1985[2]濮良贵，纪名刚主编．机械设计．第七版．北京：高等教育出版社，2001[3]陈于萍，高晓康主编．互换性与测量技术．高等教育出版社，2004[4]刘魁敏，康志远主编．计算机绘图．机械工业出版社，2005[5]刘力主编．机械制图．高等教育出版社，2004[6]于永泗，齐民主编．机械工程材料．大连理工大学出版社，2004[7]陈日曜主编．金属切削原理．机械工业出版社，2000．6[8]国家教委高等教育司，北京市教育委员会编．高等教育出版社，1998．3[9]上海纺织共学院，哈尔滨工业大学，天津大学主编．机床设计手册．上海科学技术出版社，1979[10]刘鸿文主编．材料力学．高等教育出版社，1999．10[11]程碧秀等．实用中小电机手册．辽宁科学技术出版社，1987．12[12]王先逵主编．机械制造工艺学．机械工业出版社，2002．1[13]王特典．工程材料．东南大学出版社，1996．2[14]KraffKF．Wavemotioninelasticsolids．OhioStateUniversityPress,197525 超声磨削装置致谢值此论文完成之际，谨向在课题研究和论文撰写过程中指导和帮助过我的老师和同学们致以诚挚的谢意。本文是在导师杨卫平教授细致的指导和严格的要求下完成的。导师以深厚的理论功底和过人的科研智慧为学生指明了研究方向，渊博的知识、严谨的治学态度、开拓进取的精神和高度的责任心，传授给学生科学研究的方法，并且严格细致地纠正我论文中的疏漏之处，而他身先士卒的实干精神和一丝不苟的治学态度更是令我由衷的敬佩。在论文写作期间，无论在文字和内容上，导师都给了精心的指导，学生受益匪浅。至此学位论文完成之际，谨向杨卫平导师以及在大学四年里曾经教授于我、帮助于我的诸位老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！同时我也感谢与我为同一课题的曾世辉同学，对于我的帮助。涂敏2009年5月于江西农业大学25 超声磨削装置25'