超聲磨削裝置設(shè)計

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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（英文翻譯） 題目：Ultrasonic vibration pulse electro-discharge machining of holes in engineering ceramics 院系：機械與動力工程系 班級：08機制2班 姓名：寧 超 學(xué)號：0828070057 指導(dǎo)教師 ：閆艷燕 在工程陶瓷制品中的孔的超聲波振動脈沖電子放電加工 賈治新 張建華 艾星 機械工程學(xué)系，山東科技大學(xué)，濟南250014；中華人民共和國，1994，4，27日收到 摘要 在本文中，超聲波振動脈沖電子放電加工（UVPEDM）技術(shù)已經(jīng)在工程陶瓷制品中孔的制造中逐步顯示出來。描述UVPEDM的原理如下。在UVPEDM技術(shù)中的脈沖放電是由工具電極的超聲振動產(chǎn)生的，而不是由傳統(tǒng)電子放電加工中的特殊脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的。工具電極的超聲振動也能使一個使缺口平整，在獲得材料的高的移除率上這個技術(shù)也已經(jīng)北證實。 1.緒論 隨著機械行業(yè)朝著高精度高效率和高自動化的快速發(fā)展，需要在高溫度和在苛刻的環(huán)境條件下的操作機械。明顯地，金屬材料不能滿足那些要求，因此，種類繁多的有更優(yōu)越性能的新類型的非金屬材料像工程陶瓷這種的。例如：在最近20年，越來越多的這類型的材料被使用在電子機械產(chǎn)品中。 在陶瓷制品的許多應(yīng)用中，鉆孔需求是平穩(wěn)增長的。目前，有若干鉆孔技術(shù)是可供使用的，包括：機械鉆孔，超聲波加工（USM）,電子放電加工（EDM）,激光束加工（LBM）,電子波加工（EBM）和其他方法。在陶瓷制品中孔的機械鉆削呈現(xiàn)有若干問題和表面磨光，工件壽命有關(guān)，LBM和EBM通常產(chǎn)生擁有漏斗的形狀的孔，梨形狀的孔的直接輪廓很難被獲得。USM產(chǎn)生有更好表面質(zhì)量的孔，然而材料的移除率（MRR）是非常低的。自從它在50年前被拉薩恩庫和拉匝恩庫發(fā)現(xiàn)以來，EDM在制造業(yè)王國中已經(jīng)變得越來月重要。近些年來，已經(jīng)成功證明：當(dāng)它們的電阻系數(shù)低于100歐姆［1-----3］，EDM可以被用到陶瓷制品中。EDM的一個不好的性能是：它在開環(huán)電路的周期瞬間低效率放電，產(chǎn)生短路，形成弓形脈沖［4］，當(dāng)他們在鉆削深孔時這種狀況更加嚴重。這篇文章表明：超聲波振動脈沖電子放電加工技術(shù)是為了在陶瓷制品中產(chǎn)生孔，學(xué)習(xí)的目的是為了減少設(shè)備損耗，增加放電效率和再次得到更高的MRR. 2.超聲振動脈沖電子放電加工的原理 在傳統(tǒng)的EDM中，當(dāng)在兩電極間加上施加電壓時，冷電子的噴射發(fā)生，這相應(yīng)的在一個特定區(qū)域產(chǎn)生了一個離子化的狀態(tài)。在被給出的電壓中，電離結(jié)束在一個從陰極開始的一個特定的距離上。由絕緣體顯示有一個相當(dāng)可觀的能削弱電離處理過程的能力等等，它們產(chǎn)生了電離，電壓的增長擴充了電離的區(qū)域。在一個特殊的時刻，電離狀態(tài)變得充分，是電荷從陰極向陽極的流動。 當(dāng)電壓保持不變時，如果兩極靠的更近時，可獲得相似的現(xiàn)象，這個現(xiàn)象正在被UVPEDM應(yīng)用。 在UVPEDM技術(shù)中，機械工具的使用是超聲波鉆孔機器。圖表一顯示了設(shè)備的原理圖。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生了一個高頻的電信號（17----25KHZ），這個信號被變換器轉(zhuǎn)化為同頻率的機械電壓信號。一個和恩角擴大了振幅和用工具轉(zhuǎn)化它。工件和工具被連接在DC源上正極和負電極上。 圖表一 圖二 圖二顯示了在UVPEDM[5]中的放電過程。在工件和工具之間，應(yīng)用一個精確的電壓加在缺口上，產(chǎn)生了一個電子區(qū)域。最初，被非傳導(dǎo)性的流體（流出來的水）連接時，這個電極是絕緣的，因此沒有電流產(chǎn)生。隨著工具的超聲波振動，工具的前表面移動朝著工件表面下降和導(dǎo)電區(qū)域相應(yīng)的增加，導(dǎo)致導(dǎo)電區(qū)域產(chǎn)生極小懸浮物質(zhì)和在缺口中形成電橋（圖2b）.當(dāng)缺口到達一個非常精密非常小的尺寸時，它導(dǎo)致衰弱或在非傳導(dǎo)性液體中的離子化（圖2C）;電壓下降到一個穩(wěn)定的值時，電壓增加到了操作員制定的那個值，產(chǎn)生了等離子體和在信道周圍形成了蒸汽泡沫（圖2（e））.因為工具的前表面從工件表面的快速移走，電壓開始增加，電流開始下降。當(dāng)缺口到達一個精準的大的形狀時，放電信道被迅速的瓦解了（圖2（g））.這個過程再次開始，當(dāng)工具朝著工件再次下移時。 簡要地說，在UVPEDM中，當(dāng)電壓被加到工件和工具間時，放電過程形成。這被他們其中之一的機械振動控制，放電的形成會周期性的產(chǎn)生和消失。 3.實驗的過程 在圖一中顯示了實驗的建立，做這個實驗用的是J93025超聲波機械，發(fā)電機有250w的電能輸出和一個在17---25KHZ周期性變化的頻率。轉(zhuǎn)化器是磁致伸縮的堆鎳和冷卻水組成。同時，電子顯像管的能量是冷氣。和恩角產(chǎn)生一個振幅（波峰到波峰）最大是40微米。在那些實驗中，工具的振幅（波峰到波峰）是8------25微米。圖表1顯示了實驗的條件。氧化鋁陶瓷制品被用作工具， 圖二顯示了氧化鋁陶瓷制品的一些性能。 4.結(jié)果和討論 4.1在MRR上，所加電壓的影響 圖表三中顯示在MRR上施加電壓所產(chǎn)生的影響，當(dāng)所加電壓增加超過15--20V,瞬間發(fā)生的放電被觀察到和材料移除率的增加。當(dāng)所加的電壓超過80V，振幅為15微米的情況下（100V電壓，振幅為25微米），工件和工具之間形成電拱橋，應(yīng)該避免這樣的情況發(fā)生。 4.2 在MRR上工具電壓振幅的影響 在圖四中顯示了在MRR上工具電壓振幅的影響，可以看到隨著工具電壓的增加，材料移除率有明顯的增加。當(dāng)振幅在8微米以下（波峰到波峰），很難保證電子的放電過程。在放電期間，電流轉(zhuǎn)化為熱量，在等離子信道區(qū)域，工件表面產(chǎn)生特別強烈的熱，高溫引起了電極材料的熔化和氣化［6］，電極的熔化和氣化是腐蝕中最為常見的，并且這也是常規(guī)的解釋被模擬的樣本［7---9］。隨著電流的停止，離子信道的電壓迅猛消失，蒸汽泡沫引起更大的熱量，在電極表面熔化的液體流進了缺口然后爆炸。 然而，并不是所有的熔鑄的材料都可以被移除，因為表面張力，拉力強度，和在液體和固體間的粘結(jié)力。在UVPEDM中，隨著超聲波振動工具的使用，工具使缺口迅速的變化，一個高頻變化的應(yīng)力產(chǎn)生了。在缺口減小的階段，壓力是增加的。等離子信道的直徑增長是減小的。同時在缺口增大的階段，一個大應(yīng)力的減小開始了。在材料蒸發(fā)中增高應(yīng)該歸因到蒸汽溫度的下降。因此，當(dāng)然，產(chǎn)生了一個更好的熔鑄材料的噴出物，更小的熔鑄材料被再次拋出從電極的表面。除此之外，工具的超聲波振動顯示出了在作用缺口上碎片粒子的沉淀和產(chǎn)生了可見的懸浮物在非傳導(dǎo)性液體中，這改善了非傳導(dǎo)性液體的流通。這些特性充分增加了放電的流暢性，并且產(chǎn)生了一個高的MRR。 5結(jié)論： UVPEDM是工程學(xué)陶瓷制品中的鉆孔方法，它在步驟上非常簡單和易于達成，當(dāng)被操作時。并且是低的設(shè)備消耗。 通過實驗已經(jīng)證實了這個新的加工技術(shù)對獲得高的材料移除率有用。 參考文獻 ［1］N.F班德魯菲斯和A.M戈大拉，先進機械處理。3（1）（1988）127--153 ［2］N.F班德魯菲斯和A.M戈大拉。陶瓷制品。67（6）（1988）1048--1052 ［3］M.納卡木拉，I.機械科學(xué)。26（1991）6078----6082 ［4］P.K飛利浦，工具制造26（1991）6078-----6082 ［5］賈治新，艾星，張建華，精密加工17（1）（1995）1.5 ［6］張建華，艾星。IMCC廣東（1991.4A） ［7］R.喬尼Ann.（IRP21）（1972）39.40. ［8］D地比頓.MR.巴德，應(yīng)用物理66（1989.66.1989）4095.4013 ［9］AM戈德拉，陶瓷制造科學(xué)（1989）1396.1401 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 設(shè)計（論文） 課題名稱 超聲磨削裝置設(shè)計 學(xué)生姓名 院（系） 工學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 職 稱 教 授 學(xué) 歷 博 士 畢業(yè)設(shè)計（論文）要求： 1．要求在完成論文期間，態(tài)度端正，積極主動，大量查閱文獻資料。 2．按時完成畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，技術(shù)路線準確，可行。 3．繪制零件圖和裝配圖，圖紙量不少于1.5張A0圖紙。 4．完成畢業(yè)設(shè)計說明書，格式正確，要求字數(shù)不少于6000字。 5．完成電子文檔及PPT文檔，并打印裝訂成冊。 畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)： 1．超聲磨削裝置照片若干。 2．超聲磨削裝置的安裝在數(shù)控機床上。 3．要求完成超聲磨削裝置總圖及零件圖紙若干。 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作計劃： 1．2008年11月～12月：接受畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，查閱整理文獻資料； 2．2009年1月：確定課題設(shè)計方案； 3．2009年2月～4月：繪制設(shè)計圖紙及編寫設(shè)計說明書； 4．2009年5月10日之前：定稿打印，裝備畢業(yè)設(shè)計答辯。 接受任務(wù)日期 2008 年 12 月 1 日 要求完成日期 2009 年 5 月 10 日 學(xué) 生 簽 名 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 院長（主任）簽名 年 月 日 編 號 20055026 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計材料 題 目 超聲磨削裝置設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 材 料 目 錄 序號 附 件 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計論文 1 2 零件圖紙 10 3 裝配圖 1 二〇〇九年五月 畢業(yè)論文題目 學(xué)校代碼：10410 序 號：055026 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 超聲磨削裝置設(shè)計 學(xué) 院： 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 二OO九年 五月 ii 超生磨削裝置 摘要 旋轉(zhuǎn)超聲磨削是在傳統(tǒng)機械磨削的基礎(chǔ)上，將超聲振動加入到磨削工具上的一種新型的復(fù)合加工方法。該方法不僅保留了傳統(tǒng)機械磨削的一些優(yōu)良特性，又因加入超聲振動后，能較大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、復(fù)合材料等難加工材料磨削表面質(zhì)量。本文旨在研制出旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置，該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機床上或普通機床上，進行常見表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。 關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)超聲磨削，工程陶瓷，碳刷， ultrasonic machining design? Abstract:Rotary ultrasonic grinding (RUG) is a new machining method which integrates rotary movement of traditional grinding with ultrasonic oscillation. This method can keep down some excellent grinding characters of Mechanical grinding, greatly enhance process rate and effectively improve the effect of grinding surface of difficult-to-cut materials (stainless steel and composite material and the like). The aim of this paper is that we design and manufacture the grinding device of rotary ultrasonic machining, This device can be installed on numerical control machine or common machine tool as an accessory and can carry out rotary ultrasonic grinding for usual surface and even some complicated surface. Keyword：rotary ultrasonic grinding, engineering? chinaware??, carbon? brush， 目 錄 前言 1 1 緒論. 2 1.1 超聲的發(fā)展史 2 1.2超聲加工的原理及特點 2 1.3工程陶瓷材料的使用價值及加工技術(shù) 3 1.4超聲加工的意義及前景 7 2 設(shè)計說明書 8 2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 2.1.1 超聲加工設(shè)備及其組成部分 8 2.1.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 2.1.3 結(jié)構(gòu)的比較 9 2.1.4 最后結(jié)構(gòu)的比較 11 2.2 裝置中的各部件的設(shè)計及校核 13 2.2.1 電機的計算與選擇 13 2.2.2 壓電陶瓷的選擇 16 2.2.3 軸強度的校核 17 2.2.4 鍵的校核 18 3 總結(jié)與展望 20 3.1 總結(jié) 20 3.2 展望 20 參考資料 22 致謝 23 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領(lǐng)域的需求，不銹鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷等難加工材料應(yīng)用日趨廣泛，而此類材料的特殊性能使其加工制造非常困難。例如，海洋結(jié)構(gòu)件普遍采用耐腐蝕的不銹鋼，而不銹鋼加工起來切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴重、加工硬化趨勢強等特點，使得不銹鋼切削過程中切削功率消耗大，切削溫度高，而且加工工件表面質(zhì)量較低。又如航空發(fā)動機重要零件如機匣、壓氣機風(fēng)扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進結(jié)構(gòu)材料，而鈦、鎳基合金材料切削加工性較差，主要表現(xiàn)在材料熱硬度和熱強度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易產(chǎn)生較大變形。航天飛機機頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強度、高硬度、高脆性等特點，使得陶瓷材料的加工十分困難，加工成本很高。此類材料的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，對機械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。對此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無法加工，而特種加工很適合對這些材料進行經(jīng)濟加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨特的優(yōu)點，因而迅速得以發(fā)展和推廣。 1緒 論 1.1 超聲的發(fā)展史 超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來講，人耳可以聽到的聲波的頻率范圍約為16~20KHz。因此，人們常把高于20KHz的聲波稱為超聲波。而在實際應(yīng)用種，有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在16KHz以下。早在1830年，為了探討人耳究竟能夠聽到多高的頻率，F(xiàn).Savart曾用一個多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為Hz的超聲，但人們一般卻認為，首次有效產(chǎn)生高頻聲的，應(yīng)是1876年F.Galton的氣哨實驗。第一次世界大戰(zhàn)期間，P.Langevin發(fā)明了石英晶體換能器，用來在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波，開始了人類真正科學(xué)的開展超聲技術(shù)的研究。 超聲具有許多獨特的性質(zhì)和優(yōu)點，如頻率高、波長短、在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性、并在液體介質(zhì)中傳播時可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。因此，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前，其應(yīng)用遍及航空、航海、國防、生物工程以及電子等領(lǐng)域，在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。 1.2 超聲加工的原理及特點 旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工原理如圖1-2所示，其中，壓電陶瓷換能器用于將從外部接入的高頻電振蕩信號（由220V或380V的交流電經(jīng)超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)換而成）轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動；由于壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振幅較?。ù蠹s有5μm），一般不能滿足需求，需用變幅桿將換能器的振動振幅放大后（振幅為20～30μm）再傳至磨削工具，磨削工具在由電機驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)運動的同時也做縱向超聲振動，其振動方向如下圖中的箭頭所示。 變幅桿 超聲波發(fā)生器 超聲換能器 磨削工具 工 件 超聲振動方向 圖1-2旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理 加工過程中，磨削工具既做旋轉(zhuǎn)運動又做縱向超聲振動，磨粒直接作用在工件上，可以看出，磨粒與工件是永久性接觸的，不存在速度與工件表面分離的特點，因此文中所研究的旋轉(zhuǎn)超聲磨削并沒有脫離傳統(tǒng)的機械磨削。并可知磨削工具上的單顆磨粒在磨削平面上的運動軌跡為縱向的正弦運動和砂輪線速度橫向的直線運動的合成運動軌跡，因此相對于普通磨削（無超聲振動），磨粒在工件表面刻劃出的痕跡較長。研究表明，旋轉(zhuǎn)超聲磨削既能保留傳統(tǒng)磨削的較好的磨削特性，又能大幅度提高加工效率，且能有效改善不銹鋼、復(fù)合材料等難加工材料磨削表面質(zhì)量。國際生產(chǎn)工程學(xué)會在第42屆CIRP大會上，將超聲振動應(yīng)用于磨削加工作為下一代精密加工的發(fā)展方向之一。 旋轉(zhuǎn)超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它與傳統(tǒng)超聲加工的不同之處在于：工具在做超聲振動的同時附加了旋轉(zhuǎn)運動，從而使工具上的磨粒不斷沖擊和劃擦工件表面。因此可以說，旋轉(zhuǎn)超聲加工是一種將傳統(tǒng)的超聲技術(shù)和傳統(tǒng)機械加工相結(jié)合的方法。目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工主要應(yīng)用于超聲鉆孔、套料、超聲螺紋加工、超聲銑削以及超聲磨削加工等幾個方面。 國內(nèi)外研究結(jié)果表明，由于這種加工方法把傳統(tǒng)加工的一些優(yōu)良性能與工具的超聲頻振動結(jié)合在一起，與常規(guī)鉆孔和采用游離磨料的傳統(tǒng)超聲加工方法相比，具有以下特點： (1）加工速度快。例如，在光學(xué)玻璃上加工直徑為6mm的孔，加工速度可達100mm/min以上。同樣條件下，旋轉(zhuǎn)超聲加工RUM加工速度是傳統(tǒng)USM的10倍，是傳統(tǒng)磨削的6~10倍。 (2）超聲振動減小了工具與加工表面的磨擦系數(shù)，切削力小，排屑通暢。鉆孔加工時，不需退刀排屑，可一次進刀完成，易實現(xiàn)機械化。 (3）由于所需的切削力小，可在工件的邊、角處鉆孔，而不產(chǎn)生破裂。 (4）對材料的適應(yīng)性廣?？捎糜诖嘈圆牧希ㄈ绮Ａ?、石英、陶瓷、YAG激光晶體、碳纖維復(fù)合材料等）的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工等。特別適用于深小孔和細長棒套料（已在玻璃上加工出直徑為1.6 mm，深100 mm以上的孔）。 (5）可提高加工精度和改善表面質(zhì)量，而且工具磨損減小，使用壽命延長。 1.3工程陶瓷材料的使用價值及加工技術(shù) 陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代技術(shù)陶瓷兩大類。傳統(tǒng)陶瓷是指用天然硅酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品。因為原料的成分混雜和產(chǎn)品的性能波動大，僅用于餐具、日用容器、工藝品以及普通建筑材料(如地磚、水泥等)，而不適用于工業(yè)用途。現(xiàn)代技術(shù)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能，通過嚴格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來的高性能材料，主要用于高溫和腐蝕介質(zhì)環(huán)境，是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一 下面對現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個主要領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷作簡單介紹。 (1) 結(jié)構(gòu)陶瓷 同金屬材料相比，陶瓷的最大優(yōu)點是優(yōu)異的高溫機械性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3)，因而在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無法勝任的場合，如發(fā)動機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結(jié)構(gòu)陶瓷可分為三大類;氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。 ①氧化物陶瓷 主要包括氧化鋁、氧化錯、莫來石和欽酸鋁。氧化物陶瓷最突出優(yōu)點是不存在氧化問題，原料價格低廉，生產(chǎn)工藝簡單。氧化鋁和氧化錯具有優(yōu)異的室溫機械性能，高硬度和耐化學(xué)腐蝕性，主要缺點是在1000℃以上高溫蠕變速率高，機械性能顯著降低。氧化鋁和氧化錯主要應(yīng)用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內(nèi)襯等。莫來石室溫強度屬中等水平， 但它在1400℃仍能保持這一強度水平，并且高溫蠕變速率極低，因此被認為是陶瓷發(fā)動機的主要候選材料之一。上述三種氧化物也可制成泡沫或纖維狀用于高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內(nèi)存在廣泛的微裂紋，因而具有極低的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率。它的主要缺點是強度低，無法單獨作為受力元件，所以一般用它加工內(nèi)襯用作保溫、耐熱沖擊元件，并已在陶瓷發(fā)動機上得到應(yīng)用。 ②非氧化物陶瓷 主要包括碳化硅、氮化硅和賽龍(SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子間主要是以共價鍵結(jié)合在一起，因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力，并且能把這些性能的大部分保持到高溫，這是氧化物陶瓷無法比擬的。但它們的燒結(jié)非常困難，必須在極高溫度（1500～2500℃)并有燒結(jié)助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產(chǎn)品，有時必須借助熱壓燒結(jié)法才能達到希望的密度(＞95%)，所以非氧化物陶瓷的生產(chǎn)成本一般比氧化物陶瓷高。 這些含硅的非氧化物陶瓷還具有極佳的高溫耐蝕性和抗氧化性，因此一直是陶瓷發(fā)動機的最重要材料，目前已經(jīng)取代了許多超高合金鋼部件?，F(xiàn)有最佳超高合金鋼的使用溫度低于1100℃，而發(fā)動機燃料燃燒的溫度在1300℃以上，因而普遍采用高壓水強制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金鋼后，燃燒溫度可提高到1400℃以上，并且不需要水冷系統(tǒng)，這在能源利用和環(huán)保方面具有重要的戰(zhàn)略意義。 非氧化物陶瓷也廣泛應(yīng)用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本較高，但高溫韌性、強度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多，并且刀具壽命長、允許切削速度高，因而在刀具市場占有日益重要地位。它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。 ③玻璃陶瓷 玻璃和陶瓷的主要區(qū)別在于結(jié)晶度，玻璃是非晶態(tài)而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠低于熔點以前存在明顯的軟化，而陶瓷的軟化溫度同熔點很接近，因而陶瓷的機械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優(yōu)點是可在玻璃軟化溫度和熔點之間進行各種成型，工藝簡單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機械性能，它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品，然后高溫結(jié)晶化處理獲得陶瓷。工業(yè)玻璃陶瓷體系有鎂一鋁一硅酸鹽、鋰一鎂一鋁一硅酸鹽和鈣一鎂一鋁一硅酸鹽系列，它們常被用來制造耐高溫和熱沖擊產(chǎn)品，如炊具。此外它們作為建筑裝飾材料正得到越來越廣泛的應(yīng)用，如地板、裝飾玻璃。 (2)陶瓷基復(fù)合材料 復(fù)合材料是為了達到某些性能指標將兩種或兩種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備的綜合性能。陶瓷材料的最大缺點是韌性低，使用時會產(chǎn)生不可預(yù)測的突然性斷裂，陶瓷基復(fù)合材料主要是為了改善陶瓷韌性?；谔岣唔g性的陶瓷基復(fù)合材料主要有兩類:氧化錯相變增韌和陶瓷纖維強化復(fù)合材料。??? 氧化鋯相變增韌復(fù)合材料是把部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末同其它陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化硅或莫來石)混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達到10Mpa，以上，而一般陶瓷的韌性僅有3Mpa左右。這類材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。 纖維強化被認為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強度一般比基體高得多.所以它對基體具有強化作用;同時纖維具有顯著阻礙裂紋擴展的能力，從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強化的復(fù)合材料，例如碳化硅長纖維強化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達30 Mpa以上，比燒結(jié)碳化硅的韌性提高十倍.但因為這類材料價格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。另一引人注目的增強材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎完美的纖維狀單晶體.其強度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要體系有碳化硅晶須一氧化鋁一氧化鉛、碳化硅晶須一氧化鋁和碳化硅晶須一氮化硅。 (3)功能陶瓷 功能陶瓷是具有光、電、熱或磁特性的陶瓷，已經(jīng)具有極高的產(chǎn)業(yè)化程度。下面簡介幾類主要功能陶瓷的性能。 ①導(dǎo)電性能 陶瓷材料具有非常廣泛的導(dǎo)電區(qū)間，從絕緣體到半導(dǎo)體、超導(dǎo)體。大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性，因而被廣泛用于電絕緣體。半導(dǎo)體分為電子型和離子型半導(dǎo)體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導(dǎo)體。離子型半導(dǎo)體僅對某些特殊的帶電離子具有傳導(dǎo)作用，最具有代表性的是穩(wěn)定氧化鋯和β一氧化鋁。穩(wěn)定氧化鉆僅對氧離子具有傳導(dǎo)作用，主要產(chǎn)品有氧傳感器(主要用來測定發(fā)動機的燃燒效率或鋼水中氧濃度)、氧泵(從空氣中獲得純氧)和燃料電池。β一氧化鋁僅對鈉離子具有傳導(dǎo)作用，主要用來制造鈉一硫電池，其特點是高效率、對環(huán)境無危害和可以反復(fù)充電。陶瓷超導(dǎo)體是近10年才發(fā)展起來的.它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度在所有類超導(dǎo)體中最高，已經(jīng)達到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導(dǎo)體為釔一鋇一銅一氧系列材料，已經(jīng)在計算機、精密儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 ②介電性能??? 大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，表現(xiàn)在其較高的介電常數(shù)和低介電損耗。介電陶瓷的主要應(yīng)用之一是陶瓷電容器?，F(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當(dāng)鋇或鈦離子被其它金屬原子置換后，會得到具有不同介電性能的電介質(zhì)。認酸鈦基電介質(zhì)的介電常數(shù)高達l000以上，而過去使用的云母小于10，所以用鈦酸鋇制成的電容器具有體積小、電儲存能力高等特點。鈦酸鋇基電介質(zhì)還具有優(yōu)異的正電效應(yīng)。當(dāng)溫度低于某一臨界值時呈半導(dǎo)體鐘電狀態(tài)，但當(dāng)溫度超過這一臨界值時，電阻率突然增加到倍成為絕緣體。利用這一效應(yīng)的產(chǎn)品有電路限流元件和恒溫電阻加熱元件。許多陶瓷，如錯鈦酸錯，具有顯著壓電效應(yīng)。當(dāng)在陶瓷上施加外力時，會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電信號，反之亦然，從而實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷用途極其廣泛，產(chǎn)品有壓力傳感元件、超聲波發(fā)生器等。 ③光學(xué)性能 陶瓷在光學(xué)方面的應(yīng)用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號發(fā)生器和光導(dǎo)纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見.如涂料、陶瓷釉和琺瑯。核工業(yè)中，利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面應(yīng)用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來透過不同波長的光線，其中最重要的就是紅外線透射陶瓷，它僅允許紅外光線透過，被用來制造紅外窗口，在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。這類材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來石等.陶瓷還是固體激光發(fā)生器的重要材料，典型代表有紅寶石激光器和憶榴石激光器。光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通訊信號的主要傳輸媒介，它是用高純二氧化硅制成的，具有信號損耗低、高保真性、容量大等特性，是金屬信號傳愉線無法比擬的。 ④磁學(xué)性能 金屬和合金磁性材料具有電阻率低、損耗大的特性，尤其在高頻下更是如此，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有電阻率高、損耗低、磁性范圍廣泛等特性.陶瓷磁性材料的代表為鐵氧體一種含鐵的復(fù)合氧化物。通過對成份的嚴格控制，可以制造出軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。軟磁材料的磁導(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強度大，磁損耗低.主要用于電感線圈、小型變壓器、錄音磁頭等部件。典型的軟磁材料有鎳一鋅、錳一鋅和鋰一鋅鐵氧體。硬磁材料的特性是剩磁大、矯頑力大、不易退磁，主要應(yīng)用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強度非常接近于飽和磁感應(yīng)強度.它是因磁滯回線呈矩形而得名，主要應(yīng)用于現(xiàn)代大型計算機邏輯元件和開關(guān)元件，代表材料為鎂一錳鐵氧體。 采用金剛石磨粒砂輪對結(jié)構(gòu)陶瓷材料進行磨削加工過程中產(chǎn)生的磨削熱是影響被磨工件表面質(zhì)量的重要因素。陶瓷材料在機械物理性能上的差異，以及磨削參數(shù)的選擇，均對工件的表面磨削溫度產(chǎn)生重要影響。林彬、于思遠、徐燕申等對SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削溫度進行了測量，通過實驗得到了這兩種材料表面磨削溫度隨磨削參數(shù)的變化規(guī)律，并對影響磨削溫度的因素進行了分析。尚廣慶、孫春華等通過對硬脆材料(玻璃)的切削試驗，建立了硬脆材料的磨削模型，討論了硬脆材料在磨粒作用下的塑性變形和斷裂行為，通過對硬脆材料(玻璃)的切削試驗，分析討論了硬脆材料在力作用下的變形規(guī)律，認為當(dāng)切深很小，材料所受圍壓力足夠大時硬脆材料會發(fā)生塑性變形；硬脆材料的斷裂行為與金屬材料有著本質(zhì)區(qū)別。硬脆材料在磨削過程中形成很多相互交貫的裂紋，使切屑呈粉碎狀并在被切削表而留下許多裂紋。 1.4 超聲加工的意義及前景 超聲加工是目前應(yīng)用較普遍的一種加工方法。盡管該加工方法的生產(chǎn)率比電火花、電解加工等低，但其精度和表面光潔度卻比它們高，可穩(wěn)定地加工出精度為±5μ m，表面粗糙度為Ra<0.51~0.76 μ m的零件；其應(yīng)用不受工件材料的電、化學(xué)特性限制，不需要工件導(dǎo)電，也不像激光、電火花等特種加工一樣給工件帶來熱損傷和殘余應(yīng)力。 超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。后來，在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)，其與超聲加工的不同之處在于后者在加工中加入了旋轉(zhuǎn)運動。研究表明，旋轉(zhuǎn)超聲加工許多獨特的特點：低切削力、低磨削溫度、低表面粗糙度和高精度，而且加工效率相對于傳統(tǒng)超聲加工有所提高。 超聲加工方法是近40年來逐步發(fā)展的一種新型加工方法，它不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆性金屬材料，而且適合于半導(dǎo)體和不導(dǎo)電的非金屬硬脆材料（如半導(dǎo)體硅片、玻璃、陶瓷以及金屬基碳化硅復(fù)合材料等）的精密加工和成形加工。在難加工材料和精密加工中，超聲波加工方法具有普通加工無法比擬的工藝效果，具有廣泛的應(yīng)用范圍。 2 設(shè)計說明書 2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1.1 超聲加工設(shè)備及其組成部分 設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)，它由無刷電機、碳刷銅環(huán)、超聲波發(fā)生器、壓電陶瓷換能器、軸承、變幅桿、前法蘭、磨削工具、主軸、裝置底座等零部件組成，磨削工具右端部位的陰影部分為在其上鍍制的金剛石磨粒。 電機與主軸是通過聯(lián)軸器連接的，而主軸與變幅桿是通過變幅桿上的前法蘭連接的，雖然在設(shè)計時將前法蘭設(shè)計在振動節(jié)面（變幅桿中質(zhì)點位移振幅為零的面）位置，但考慮到施加負載或工具磨損后，換能器振動頻率將會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致連接處有微弱振動，因此在主軸端面加一橡皮墊圈用于減少法蘭固定后對變幅桿振動振幅的影響。磨削工具是通過變幅桿小端部的內(nèi)螺紋固定在變幅桿上的，其具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便等優(yōu)點。該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機床上，也可通過變換裝置底座安裝在普通機床上，進行常見表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。 工作時，由電機（其轉(zhuǎn)速是通過外帶的電機變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)）通過聯(lián)軸器驅(qū)動主軸以及與之連接在一起的變幅桿和磨削工具旋轉(zhuǎn)；同時在外部超聲波發(fā)生器的激勵下，壓電陶瓷換能器產(chǎn)生高頻機械振動，其振幅在經(jīng)過變幅桿進行放大后，作用于磨削工具上。這樣磨削工具既具有旋轉(zhuǎn)運動，也具有軸向超聲振動，從而可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工。 2.1.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計 超聲磨削裝置要與X52K立式銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。銑頭與工作臺之間的高度有限，這就要求裝置的體積和重量都不應(yīng)太大。 結(jié)構(gòu)設(shè)計一 圖中：1—電機；2—聯(lián)軸器；3—軸承外圈端蓋；4—軸承內(nèi)圈端蓋； 5—集電環(huán)；6—電刷；7—壓電陶瓷；8—變幅桿。 結(jié)構(gòu)設(shè)計二 圖中 ：1—電機；2—帶輪；3—皮帶；4—集電環(huán)螺母； 5—集電環(huán)；6—電刷；7—壓電陶瓷。 結(jié)構(gòu)設(shè)計三 圖中：1—電機；2—集電環(huán)；3—軸承外端蓋。 2.1.3 結(jié)構(gòu)的比較 以上三圖為三種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案一、三的整體結(jié)構(gòu)相似，均采用的是電機加聯(lián)軸器，而結(jié)構(gòu)方案二采用的是電機和皮帶輪。總的來說，結(jié)構(gòu)方案一、三的整體尺寸相對結(jié)構(gòu)方案二而言要小的多，這對減輕裝置的重量大有意義。 結(jié)構(gòu)方案一中內(nèi)部兩個軸承之間用軸承襯套固定內(nèi)外圈，但是當(dāng)壓電陶瓷開始振動時，軸承襯套由于是用鋼料制成的，是剛性的，因此兩個軸承會隨著壓電陶瓷的振動而振動。不難想象軸承在約20000Hz的高頻下，以大加速度振動，結(jié)果是一會兒時間軸承就燒壞掉了。還有振動經(jīng)軸承端蓋將振動傳到整個裝置，產(chǎn)生很大的噪聲進而對環(huán)境造成污染。因此本裝置就必須要解決振動對軸承的影響問題。 對于結(jié)構(gòu)方案一、三，兩者的裝配較方便，但是，電機與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉(zhuǎn)下同軸度如果沒發(fā)保證的話，軸承會很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會擺動。如此一來裝置的加工精度就沒法保證了，本裝置的精密加工就失去了意義。再者如果同軸度不好，軸的速度也不會達到較高速度。這也沒法實現(xiàn)高速磨削的目的。 結(jié)構(gòu)方案二為電機加皮帶輪，整體上顯得系統(tǒng)所占空間較大。軸受到較大的彎矩作用，因此在設(shè)計中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強度，同時還要注意是否有足夠的剛性。如果剛性不足的話，那么軸就會被拉彎，軸的另一端就會出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒法保證了。 結(jié)構(gòu)方案一、二、三的共同缺點是，三者的軸座內(nèi)徑一樣大小，沒有出現(xiàn)階梯變化。首先這樣的結(jié)構(gòu)看上去比較簡單，但是在實際情況中是不實用的，軸孔的加工長度較長，其精度難以保證。再者軸可能會出現(xiàn)軸向的竄動，這對加工工件當(dāng)然是有害的。 作為電源供給裝置，集電環(huán)的作用是很重要的。如圖所示： 圖中：1—結(jié)構(gòu)方案一中的集電環(huán)； 2—為結(jié)構(gòu)方案二、三中的集電環(huán). 結(jié)構(gòu)一中集電環(huán)是在軸上先圖有絕緣層，然后再在上面鍍上金屬層，這種方案制造工藝復(fù)雜，而且其可靠性難以得到保證，同時也增加了制造成本。而二、三、四方案中采用通常電機使用的集電環(huán)，可以在廠家定做，其質(zhì)量能夠得到保證，相對于前者當(dāng)然較為可靠。故二、三、結(jié)構(gòu)中的集電環(huán)較好。 結(jié)構(gòu)一中壓電陶瓷處于兩軸承之間，在這樣的結(jié)構(gòu)中超聲振動經(jīng)過軸承的阻礙使其很難傳到工具桿上，而二、三結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷處于外部，沒有軸承的阻礙，因此超聲振動很容易傳到工具桿上，而不至在還未傳出時超聲振動能量就消耗了很多。 結(jié)構(gòu)一、三是電機加聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動傳到工具桿上，而結(jié)構(gòu)二是電機加帶輪將轉(zhuǎn)動傳到工具桿上。由于結(jié)構(gòu)二采用帶輪結(jié)構(gòu)，因此軸將承受的不僅僅有轉(zhuǎn)矩作用而且還有彎矩作用，故二中軸承分布為一邊兩個，其作用是可以減小單個軸承所承受的徑向力，從而達到延長軸承壽命的作用。 外圈軸向緊固的常用方法有：用嵌入外溝槽內(nèi)的孔用彈性擋圈，用于軸向力不大且需減小軸承裝置尺寸時；用軸向彈性擋圈嵌入軸承外圈的的止動槽內(nèi)緊固，用于帶有止動槽的深溝球軸承，當(dāng)外殼不便設(shè)凸肩且外殼為剖分式結(jié)構(gòu)式時；用軸承蓋緊固，用于高轉(zhuǎn)速及很大向心力時的各類向心、推力和向心推力軸承；用螺紋環(huán)緊固，用于軸承轉(zhuǎn)速高、軸向載荷大，而不適于使用軸承端蓋緊固的情況。結(jié)構(gòu)一、二中軸承外端蓋是一樣的類型，結(jié)構(gòu)三為螺紋環(huán)的形式。 兩種結(jié)構(gòu)方案中的軸承端的作用是一樣的，即固定軸承的作用，除此之外還有密封、防塵等作用。結(jié)構(gòu)三中的軸承外端蓋適于高速旋轉(zhuǎn)的軸承。 結(jié)構(gòu)一、三與結(jié)構(gòu)二相比其所占空間較后者要小一些，當(dāng)然起重量也較后者輕一些。 2.1.4 最后結(jié)構(gòu)的確定 總的來說上的幾種結(jié)構(gòu)方案各有各的優(yōu)缺點，最終結(jié)構(gòu)方案是綜合上面幾種結(jié)構(gòu)方案中的可取之處 ，同時彌補其不足之點而成的。如下圖為最終所確定的結(jié)構(gòu)方案。 圖中：1—電機；2—電機座殼；3軸承座；4—夾具體底座。 裝置采用的是電機加聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。 軸殼和電機座殼的材料均為鑄鐵，鑄鐵的優(yōu)點是其鑄造性能很好，而且鑄鐵還具有消震性能，通常機床的床身、底座均用鑄鐵鑄造。銑床連接座采用鑄鋼，因為其機械強度高，而鑄鐵材料的抗拉強度很低，因此不采用鑄鐵材料。 軸殼和電機座殼的聯(lián)接定位采用內(nèi)螺紋圓錐銷。銷孔的加工采用配鉆，即將聯(lián)軸器和電機、軸裝好之后，緊上螺栓，然后鉆銷孔。這樣能夠保證軸和電機軸的同軸度。 滾動軸承與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。深溝球軸承主要承受徑向載荷，有時承受小的軸向載荷。當(dāng)摩擦系數(shù)最小，在高轉(zhuǎn)速時也可用來承受純軸向載荷。但是其承載能力是少量的軸向載荷。角接觸球軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷，且能在較高速下正常工作，其承受軸向載荷的能力與接觸角α有關(guān)，接觸角大的承受軸向載荷的能力也高。在本設(shè)計中選取的是接觸角α為40˙。 由于振動裝置在軸向方向上的超聲振動很大，會引起機床磨削裝置的振動，而影響整個加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加工精度和系統(tǒng)的使用性能，使用壽命等。因此，設(shè)計時加有隔振元件。裝置的振動最好不傳到軸的外部，因此在最終結(jié)構(gòu)中靠近變幅桿一邊軸承的左右兩側(cè)，內(nèi)外圈都加有防震墊圈。這樣防震墊圈就對系統(tǒng)的振動起到阻隔作用。 裝置銑床聯(lián)接座與銑床聯(lián)接，開始采用的是六角頭螺栓，后來發(fā)現(xiàn)，由于聯(lián)接座的結(jié)構(gòu)所限制，扳手擰的角度很小，因此最后采用了內(nèi)六角圓柱頭螺釘。這樣一來，擰螺釘時可在360o范圍內(nèi)擰動，故工作效率大為提高。 由圖上可看出，軸座與電機座聯(lián)接處極可能出現(xiàn)過定位，因此兩者的同周度必須要得到保證，此處使用定位銷。要保證較高的同軸度，就要注意軸座與電機座上的定位銷孔的加工方法。本裝置定位銷孔的加工方法采用的是配作法，即先將軸、軸座、聯(lián)軸器以及電機，調(diào)好同軸度，再將軸座和電機座的螺栓擰緊，然后鉆、鉸定位銷孔，由此達到裝配的同軸度要求。 由于本裝置的軸徑太小選不到標準的聯(lián)軸器，所以只得按非標準件一樣來加工。聯(lián)軸器上的柱銷孔的加工的位置精度要求也十分嚴格。聯(lián)軸器左右兩半也必須配鉆、配鉸，才能達到裝配要求。聯(lián)軸器的類型當(dāng)屬彈性聯(lián)軸器，其彈性元件為尼龍柱銷。 裝置與銑床聯(lián)接底座，如結(jié)構(gòu)方案三所示，底座沒有凸臺，即底座與銑頭之間沒有配合要求，次種方案不妥。最終結(jié)構(gòu)方案中底座有凸臺，底座與銑床之間有配合關(guān)系，這對整個裝置的穩(wěn)定工作很重要，更重要的是裝置與銑床聯(lián)接之間得到很好的定位。 集電環(huán)螺母在隨軸作高速旋轉(zhuǎn)的過程中很容易變松，其后果是集電環(huán)軸向移動，從而電刷無法與其接觸，壓電陶瓷也就得不到電，振動沒法繼續(xù)，更有甚者集電環(huán)在移動過程中破碎，危及軸承。因此集電環(huán)螺母是不可松動的，在其上加有緊定螺釘是防止其松動的有效方法。 最終結(jié)構(gòu)方案相對于前面的幾種初步結(jié)構(gòu)方案來說，結(jié)構(gòu)上有所改進，但或許還有其他地方有待改進。 2.2 裝置中的各部件的設(shè)計及校核 2.2.1 電機的計算與選擇 模效過程中，由于磨粒的作用以及砂輪表面上有效的狀況異常復(fù)雜，因而要想建立一個十分切合實際的陶瓷磨削力數(shù)學(xué)模型非常困難。在此選用陶瓷磨削力的經(jīng)驗公式。 磨削速度單位m/s，工件速度單位m/min，被吃刀量 單位mm。 在本裝置設(shè)計中，轉(zhuǎn)速n約為8000 rpm,工具桿端部砂輪直徑為d12mm。 則磨削速度 m/s 在此算一下集電環(huán)處的線速度： 集電環(huán)的直徑為DΦ45mm； =18.85 m/s 工件速度選用約25m/min。 在此算出三種典型的陶瓷材料磨削力的大小。 對于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力 10.4577N 切向力3.8098N 對于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力1.9253N 切向力3.6011N 對于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力1.5616N 切向力2.268N 由于此計算比較復(fù)雜，需要用磨削力程序來運算，在程序中Fn1、Ft1是作為工件材料時的磨削力；Fn2、Ft2是作為工件材料時的磨削力 ；Fn3、Ft3是作為工件材料時的磨削力，磨削力的單位是N。 要算最大扭矩，因此取用陶瓷的磨削力來算裝置所受的扭矩。 扭矩 ： 0.0627462 合61491 g·cm 由此可以看出本裝置的磨削力極其產(chǎn)生的扭矩都很小。 電機所需功率的計算 每分鐘金屬磨除量Z可用下式計算： 查表得：工件速度 砂輪軸向進給： mm （為砂輪的寬度,取其寬度為10 mm） mm 外圓功率消耗 取吃刀量=0.01 mm 則 kw 聯(lián)軸器和軸承的機械效率、為0.99、0.98。 則總的機械效率為 可得電機需提供的功率為： 選用55ZWN-70型無刷直流電機，額定功率200-700瓦, 額定轉(zhuǎn)速2000-30000rpm，額定轉(zhuǎn)矩10000-80000 g·cm。 2.2.2 壓電陶瓷的選擇 超聲是由壓電換能器產(chǎn)生的，壓電超聲換能器的基本工作原理是建立在壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上。壓電材料包括壓電單晶體以及多晶體的壓電材料。這些材料當(dāng)受外力發(fā)生變形時，在晶體表面會出現(xiàn)電荷，晶體內(nèi)部出現(xiàn)電場；反之當(dāng)晶體承受外電場作用時，就會發(fā)生變形。這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)，前者叫正壓電效應(yīng)，后者叫負壓電效應(yīng)。目前應(yīng)用最為廣泛的是鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷。壓電晶體都有自己的閥值溫度，超過這個溫度便失去其壓電性，這個溫度叫居里溫度。石英的居里溫度為576℃，PZT的居里溫度隨配方而稍異，約為300℃—400℃。 壓電元件常做成簡單的形狀，最常見的是平片，也有做成棒狀、管狀、球殼狀等。在激發(fā)超聲時，加在元件的電場，或者是時間諧振的，或者是短暫的。元件便隨時間作尺度變化，也就是作穩(wěn)態(tài)的或做瞬時的振動。 壓電元件的振動方式，或叫模式，不僅依賴元件的形狀，而且依賴這個形狀對軸的相對關(guān)系，以及電場的取向。振動模式可以由壓電方程、運動方程等基本式來預(yù)計。不同形狀壓電元件以及它們不同的振動模式，可以用來在流體或固體中激發(fā)或接受不同頻率、不同類型、不同空間分布的超聲波，有時也用來做不同頻率的諧振器件。 通常的壓電元件是壓電陶瓷，壓電陶瓷通過氧化物混合（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）高溫?zé)Y(jié)，粉粒之間發(fā)生固相反應(yīng)后無規(guī)則集合而成的多晶體，具有壓電性的陶瓷稱為壓電陶瓷。它存在的電疇在極化（加直流電壓）自發(fā)極化，依外電場方向充分排列并在撤消外電場后仍保持剩余極化。 由于壓電陶瓷材料的抗張強度低（抗壓強度高），因此在有的場合不能直接用于發(fā)射大功率。為了解決這個問題，法國科學(xué)家郎之萬(Langevin)把壓電材料夾持在兩個金屬片之間。通過夾持給壓電材料一定的預(yù)緊力（甚至不受到張力），這樣實現(xiàn)大功率發(fā)射。本裝置采用的是夾心式換能器，這種換能器叫夾心換能器，也叫郎萬換能器。如圖： 其中：1為后蓋板，2為絕緣管，3為電極片，4為壓電陶瓷，5為螺栓，6為前蓋板。 鈦酸鋇（）是廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷，它的化學(xué)性質(zhì)比羅謝耳鹽穩(wěn)定，能在較大的溫度范圍內(nèi)工作。和別的壓電陶瓷比起來，它的居里溫度較低，約為115oC,而且還有-90oC（三方—正交晶型）和0oC（四方—正較晶型）兩個相變點，這樣其機電性能在常溫下很不穩(wěn)定，并具有較大的老化率。因此在這里不選用鈦酸鋇。鋯鈦酸鉛壓電陶瓷簡稱PZT,其居里點比鈦酸鋇高的多，在300—400oC之間，沒有較低的相變點，在較大溫度范圍內(nèi)性能都比較穩(wěn)定。作為換能材料，它的壓電效應(yīng)顯著。可以通過變更其化學(xué)組分在很大范圍內(nèi)調(diào)整其性能，以滿足多種不同的需要。PZT—8是一種界電常數(shù)、機電耦合系數(shù)、壓電常數(shù)較低的材料，然而其抗張強度和穩(wěn)定性較優(yōu)，并具有高機械品質(zhì)因數(shù)，適用于高機械振幅的激勵。因此在本超聲磨削裝置中選用PZT—8壓電材料。壓電陶瓷的超聲功率大約為300瓦，其振幅約為3um ，將其與放大系數(shù)相乘，到達工具桿時的振幅大約為21um左右，因此該振幅符合本課題所需的振動振幅。 2.2.3 軸強度的較核 進行軸的強度計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載荷及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取其許用應(yīng)力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強度計算，需要時還應(yīng)按疲勞強度條件進行計算。 本裝置按扭轉(zhuǎn)強度計算，下圖即為裝置中所用的軸 扭轉(zhuǎn)強度條件為： 實心軸的扭轉(zhuǎn)強度可轉(zhuǎn)化為： 式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為； —軸所受的扭矩，單位為； —軸的抗扭截面系數(shù)；單位為； —軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； —軸傳遞的功率，單位為KW； d—計算截面處軸的直徑，單位為mm； —許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為。 本裝置軸的材料為20其許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 約為50。 軸所受扭矩為： 0.0627462 ； 電機需提供的功率為：； 最小的軸徑d為：28mm； 軸的轉(zhuǎn)速n約為：8000rpm； 1.1659<<50 可以看出軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力遠小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此此處滿足扭轉(zhuǎn)強度要求。 軸與變幅桿聯(lián)接處為一段空心軸，其D為90mm,d為70mm； 空心軸的強度條件為： =0.00000084<50 則此處軸的扭轉(zhuǎn)強度也滿足要求，由這兩處可得此軸能夠滿足工作中的扭轉(zhuǎn)強度要求。 2.2.4 鍵的校核 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，聯(lián)接中各零件的受力情況如圖所示。對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面被潰。除非有嚴重的過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進行強度較核計算。對于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進行條件性的強度較核計算。 假定載荷在鍵的工作面上分布均勻，普通平鍵聯(lián)接的強度條件為： 式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩（T=F），單位為N; k—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為平鍵的高度，單位mm； l—鍵的工作長度，單位mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，單位mm，b為鍵的寬度，單位mm； d—軸的直徑，單位mm —鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位, —鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用應(yīng)力，單位。 軸所受扭矩 =0.0627462 本裝置設(shè)計中選用的鍵為GB1096-90鍵C16×50（集電環(huán)與軸之間的鍵h=10）。 GB1096-90鍵C8×30（聯(lián)軸器右半與軸之間的鍵h=7）。 GB1096-90鍵C6×20（聯(lián)軸器左半與軸之間的鍵h=6）。 =300 GB1096-90鍵C6×20的校核： 0.12303<<300 實際上該鍵所受扭矩為電刷的摩擦力所產(chǎn)生的，它遠遠小于軸所受的扭矩T， 則GB1096-90鍵C6×20必符合要求。 GB1096-90鍵C8×30的校核： 0.04925<300 則GB1096-90鍵C8×30也符合要求。 GB1096-90鍵C16×50的校核： 0.01087<300 則GB1096-90鍵C16×50也符合要求。 3 總結(jié)與展望 3.1總結(jié) 各種高性能材料諸如，復(fù)合材料、高強度鋼、工程陶瓷以及硬質(zhì)合金等，因有著令人矚目的特性，如強度高、耐磨性，耐腐蝕性，抗壓，不易變形及耐高溫性等，在航空航天、船舶、核電、石油化工和汽車等工業(yè)中應(yīng)用日趨廣泛。這些材料加工時切削力大，溫升高，刀具磨損嚴重，加工表面質(zhì)量差，加工精度也難以提高。最突出的問題是加工困難，而旋轉(zhuǎn)超聲磨削是解決加工困難問題的有效的方法之一。它不僅保留了傳統(tǒng)磨削的一些優(yōu)良特性，又因加入超聲振動后較大地提高加工效率，因此越來越受到科學(xué)工作者的重視。 本文研制了一種新型的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置，并利用該裝置進行了實驗研究，取得了一定的成果： 1. 介紹了旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理，討論分析了旋轉(zhuǎn)超聲磨削的材料去除機理。旋轉(zhuǎn)超聲磨削中材料去除機理具有沖擊（磨具上的磨粒對工件表面的高頻高速沖擊）和磨蝕（磨削工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動可模型化為磨削過程）兩種作用。 2. 根據(jù)旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理及系統(tǒng)的性能需求，分別對旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置的核心部件——超聲振動系統(tǒng)各部分進行了設(shè)計和計算，討論了超聲振動系統(tǒng)制作與裝配時需注意的問題。其中，為解決因連接磨削工具和施加負載會導(dǎo)致系統(tǒng)失諧的難題，本文采取修整變幅桿和磨削工具長度來調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。 3. 設(shè)計并研制了新型旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置。設(shè)計的磨削裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低等特點。并能以附件的形式安裝在數(shù)控機床或普通機床上，進行實現(xiàn)常見表面、甚至一些較復(fù)雜型面的超聲磨削加工。 4. 對選定的試樣進行了旋轉(zhuǎn)超聲磨削和傳統(tǒng)磨削的對比實驗研究，之后觀察了試樣表面微觀形貌的SEM照片。結(jié)果表明：在相同的磨削條件下，超聲磨削可以獲得較光滑的加工表面，其磨削表面形貌優(yōu)于傳統(tǒng)磨削。傳統(tǒng)磨削下磨粒切痕為沿著磨削方向上的單一直線；超聲磨削下磨粒切削痕跡不再是單一斜率的直線，而是微小、密集的正弦曲線。 3.2展望 本文在磨削裝置的設(shè)計研制及其實驗研究方面取得了一定的成果，但有許多問題有待進一步深入研究和補充： 1. 在允許的范圍內(nèi)開展磨削工藝參數(shù)（諸如，磨削速度、進給量、背吃刀量、磨削壓力、磨粒粒度等）對表面粗糙度、材料去除率和磨削力等加工指標的影響的研究，以深入研究旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工機理。 2. 嘗試采用其它工件材料（如工程陶瓷、高強度鋼等）、開展較復(fù)雜型面的超聲磨削加工將成為進一步研究的方向。 3. 對磨削后的材料進行晶相等分析，有助于解釋磨削后的表面微觀形貌，以進一步了解旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工機理。 4. 設(shè)計的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置的精度有待進一步提高。 5. 對整個加工過程進行跟蹤控制，進行動態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)加工過程的計算機仿真也具有重要的意義。 6. 為使超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計更加簡便合理，有必要測試超聲振動系統(tǒng)的阻抗特性、測量工具端部輸出的振幅并考察負載的施加究竟在多大程度影響到系統(tǒng)諧振頻率。 7. 設(shè)計定制具有頻率跟蹤功能和輸出功率、頻率數(shù)字顯示功能的超聲波發(fā)生器，以研究超聲參數(shù)（如超聲頻率、功率、振幅等）對加工指標的影響。 參考資料 [1] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院編著 實用機械設(shè)計手冊 中國農(nóng)業(yè)機械出版社 1985； [2] 濮良貴，紀名剛主編．機械設(shè)計．第七版．北京：高等教育出版社，2001； [3] 于萍，高曉康主編．互換性與測量技術(shù)．高等教育出版社，2004； [4] 劉魁敏，康志遠主編．計算機繪圖．機械工業(yè)出版社，2005； [5] 劉力主編．機械制圖．高等教育出版社，2004； 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