121 超聲磨削裝置

121 超聲磨削裝置,超聲,磨削,裝置 超 聲 磨 削 裝 置,學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 涂 敏 學(xué) 號(hào)： 20050442 年 級(jí)： 機(jī)制052 指導(dǎo)教師： 楊衛(wèi)平老師,1 緒 論,1.1超聲加工的原理及特點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工原理如圖1-1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(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；由于壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振幅較小（大約有5μm），一般不能滿足需求，需用變幅桿將換能器的振動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也做縱向超聲振動(dòng)，其振動(dòng)方向如下圖中的箭頭所示。,,圖1-1旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理,,2 設(shè)計(jì)說(shuō)明書,2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2.1.1 超聲加工設(shè)備及其組成部分,設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)，它由無(wú)刷電機(jī)、碳刷銅環(huán)、超聲波發(fā)生器、裝置外殼、壓電陶瓷換能器、軸承、變幅桿、前后法蘭、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。,2.1.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),超聲磨削裝置要數(shù)控立式床身銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。因?yàn)榧庸ば枰?，所以本裝置一直處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一,,圖中：1—電機(jī)；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(jì)二,圖中 ：1—電機(jī)；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(jì)三,圖中：1—電機(jī)；2—集電環(huán)；3—軸承外端蓋。,,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四,圖中：1—電機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—碳刷；4—軸承座；5—主軸；6—軸承；7—變幅桿；8—工具棒；,2.1.3 結(jié)構(gòu)的比較,結(jié)構(gòu)方案一中內(nèi)部?jī)蓚€(gè)軸承之間用軸承襯套固定內(nèi)外圈，但是當(dāng)壓電陶瓷開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，軸承襯套由于是用鋼料制成的，是剛性的，因此兩個(gè)軸承會(huì)隨著壓電陶瓷的振動(dòng)而振動(dòng)。不難想象軸承在約20000Hz的高頻下，以大加速度振動(dòng)，結(jié)果是一會(huì)兒時(shí)間軸承就燒壞掉了。,結(jié)構(gòu)方案二為電機(jī)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(jì)中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強(qiáng)度，同時(shí)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(huì)被拉彎，軸的另一端就會(huì)出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒(méi)法保證了。,結(jié)構(gòu)方案一、二、三的共同缺點(diǎn)是，三者的軸座內(nèi)徑一樣大小，沒(méi)有出現(xiàn)階梯變化。首先這樣的結(jié)構(gòu)看上去比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際情況中是不實(shí)用的，軸孔的加工長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其精度難以保證。再者軸可能會(huì)出現(xiàn)軸向的竄動(dòng)，這對(duì)加工工件當(dāng)然是有害的。,2.1.4 最后結(jié)構(gòu)的確定,總的來(lái)說(shuō)上的幾種結(jié)構(gòu)方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)彌補(bǔ)其不足之點(diǎn)而成的。如下圖為最終所確定的結(jié)構(gòu)方案。 圖中：1—電機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—碳刷；4—軸承座；5—主軸；6—軸承；7—變幅桿； 8—工具棒；,裝置采用的是電機(jī)加聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。 軸殼和電機(jī)座殼的材料均為鑄鐵，鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)是其鑄造性能很好，而且鑄鐵還具有消震性能。 角接觸球軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。在本設(shè)計(jì)中選取的是接觸角α為40˙。,2.2 裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核,2.2.1 電機(jī)的計(jì)算與選擇,1.扭矩計(jì)算,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(jì)中，轉(zhuǎn)速n約為10000 r.pm,工具桿端部砂輪直徑為d12mm。 扭矩 ： T=Ft x d/2 =18.565 x0.010/2= 0.093N.m 由此可以看出本裝置的磨削力極其產(chǎn)生的扭矩都很小。,2.電機(jī)所需功率的計(jì)算,每分鐘金屬磨除量Z可用下式計(jì)算： 可得電機(jī)需提供的功率為： 選用55ZWN-70型無(wú)刷直流電機(jī)，額定功率200-700瓦, 額定轉(zhuǎn)速2000-30000rpm，額定轉(zhuǎn)矩10000-80000 g·cm。,,,,則,,kw,,,2.2.2 變幅桿的設(shè)計(jì),一般情況下，超聲換能器輻射面的振動(dòng)幅度在20kHz范圍內(nèi)只有幾微米。而只有工具端部達(dá)到一定的振幅才能提高加工效率，而振幅的增大可以通過(guò)以下三種方式獲得： 1. 增大輸入電功率。 2. 提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。 3. 在換能器振子前端加接變幅桿。,2.2.3 壓電陶瓷的選擇,超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。此轉(zhuǎn)換有兩種物理效應(yīng)可以應(yīng)用： A：磁致伸縮效應(yīng)；B：壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)。 磁致伸縮換能器的主要缺陷在于高電能損失（例如渦流損失）和低能量利用率。 與壓電式的相比，它也不能產(chǎn)生高的振動(dòng)強(qiáng)度。而壓電換能器能量效率很高（可達(dá)90~96%），不需要任何冷卻。不易于熱損傷，更容易構(gòu)建，也更適于旋轉(zhuǎn)超聲加工,2.2.4 軸強(qiáng)度的較核,進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)， 對(duì)于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算； 本裝置按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，下圖即為裝置中所用的軸,2.2.5 鍵的校核,。對(duì)于采用常見(jiàn)的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)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。 本裝置設(shè)計(jì)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）。,謝謝，,各位老師！,