122 超聲磨削裝置設(shè)計(jì)
122 超聲磨削裝置設(shè)計(jì),超聲,磨削,裝置,設(shè)計(jì)
1,超聲磨削裝置設(shè)計(jì),專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 曾世輝
學(xué) 號： 20055026
指導(dǎo)老師： 楊衛(wèi)平,江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文答辯,2,1 緒論,1.1、超聲的發(fā)展與優(yōu)點(diǎn)
1.2、超聲加工的原理及特點(diǎn)
1.3、工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù)
1.4、 超聲加工的意義及前景,3,1.1 超聲的發(fā)展與優(yōu)點(diǎn),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(shí)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，就有人用一個(gè)多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為Hz的超聲，但人們一般卻認(rèn)為，首次有效產(chǎn)生高頻聲的，應(yīng)是1876年的氣哨實(shí)驗(yàn)。但是人類真正科學(xué)的開展超聲技術(shù)的研究。第一次世界大戰(zhàn)期間，有人發(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，
超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，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(shí)可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)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(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用,,4,1.2、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1-2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(jī)械振動(dòng)；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(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1-2旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理,,工 件,5,加工過程中，磨削工具既做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又做縱向超聲振動(dòng)，磨粒直接作用在工件上，可以，磨粒與工件是永久性接觸的，不存在速度與工件看出表面分離的特點(diǎn)，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(jī)械磨削。并可知磨削工具上的單顆磨粒在磨削平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為縱向的正弦運(yùn)動(dòng)和砂輪線速度橫向的直線運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，因此相對于普通磨削（無超聲振動(dòng)），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。,,6,1.3、工程陶瓷材料的使用價(jià)值,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?yàn)樵系某煞只祀s和產(chǎn)品的性能波動(dòng)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?，F(xiàn)代技術(shù)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能，通過嚴(yán)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。下列是現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個(gè)主要領(lǐng)域：
(1) 結(jié)構(gòu)陶瓷：包括①氧化物陶瓷②非氧化物陶瓷③玻璃陶瓷
(2)陶瓷基復(fù)合材料：復(fù)合材料是為了達(dá)到某些性能指標(biāo)將兩種或兩種以上不同材料混合在一起制成的多相材料。
(3)功能陶瓷：包括①導(dǎo)電性能②介電性能?③光學(xué)性能④磁學(xué)性能,7,1.4 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 。研究表明，旋轉(zhuǎn)超聲加工許多獨(dú)特的特點(diǎn)：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 。,8,2 設(shè)計(jì)說明書,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
2.1.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、比較、確定
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
2.2.2 軸強(qiáng)度的較核
2.2.3 鍵的校核,9,2.1 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)、它由無刷電機(jī)、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。
工作時(shí)，由電機(jī)（其轉(zhuǎn)速是通過外帶的電機(jī)變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)）通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)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(shí)在外部超聲波發(fā)生器的激勵(lì)下，壓電陶瓷換能器產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，其振幅在經(jīng)過變幅桿進(jìn)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(yùn)動(dòng)，也具有軸向超聲振動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工。
右圖是超聲加工機(jī)床，但是這里的超聲磨削裝置要與X52K立式銑床聯(lián)接，也可以和其他普通的銑床聯(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。,10,,2.1.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、比較、確定：
結(jié)構(gòu)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)方案一中內(nèi)部兩個(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)果是一會兒時(shí)間軸承就燒壞掉了。還有振動(dòng)經(jīng)軸承端蓋將振動(dòng)傳到整個(gè)裝置，產(chǎn)生很大的噪聲進(jìn)而對環(huán)境造成污染。因此本裝置就必須要解決振動(dòng)對軸承的影響問題。,11,,結(jié)構(gòu)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 1·,結(jié)構(gòu)二是電機(jī)加帶輪將轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)，其作用是可以減小單個(gè)軸承所承受的徑向力，從而達(dá)到延長軸承壽命的作用。
但是此方案為電機(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。,12,,結(jié)構(gòu)三,,圖中：1—電機(jī)；2—集電環(huán)；3—軸承外端蓋。,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(shí)際情況中是不實(shí)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(dòng)，這對加工工件當(dāng)然是有害的。,13,,最后結(jié)構(gòu)的確定：,,圖中：1—電機(jī)；2—電機(jī)座；3軸承座；4—夾具體底座,總的來說上的幾種結(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。,14,2.2 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
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(gè)十分切合實(shí)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(yàn)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(jì)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,15,,由于此計(jì)算比較復(fù)雜，需要用磨削力程序來運(yùn)算，在程序中Fn1、Ft1是作為 工件材料時(shí)的磨削力；Fn2、Ft2是作為 工件材料時(shí)的磨削力 ；Fn3、Ft3是作為 工件材料時(shí)的磨削力，磨削力的單位是N。,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,,kw,聯(lián)軸器和軸承的機(jī)械效率,為0.99、0.98。,則總的機(jī)械效率為,可得電機(jī)需提供的功率為：,,選用55ZWN-70型無刷直流電機(jī)，額定功率200-700瓦, 額定轉(zhuǎn)速2000-30000rpm，額定轉(zhuǎn)矩10000-80000 g·cm。（詳細(xì)的計(jì)算過程請看說明書）,16,,2.2.2 軸強(qiáng)度的較核,,,,進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，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(jì)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(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行計(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,,17,,扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：,,實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(jì)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：,0.0627462,18,,,,,電機(jī)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(yuǎn)小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此此處滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(qiáng)度條件為,,,,=0.00000084,<50,,則此處軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(qiáng)度要求。,19,,2.2.3 鍵的校核,,,,,,平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，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(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。除非有嚴(yán)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(jìn)行強(qiáng)度較核計(jì)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(jìn)行條件性的強(qiáng)度較核計(jì)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(qiáng)度條件,,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(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）,20,,,,=300`,GB1096-90鍵C6×20的校核：,,0.12303,<<300,實(shí)際上該鍵所受扭矩為電刷的摩擦力所產(chǎn)生的，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。,21,完 了 謝謝各位老師！,
收藏