122 超聲磨削裝置設計

122 超聲磨削裝置設計,超聲,磨削,裝置,設計 江西農(nóng)業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)任務書設計（論文）課 題 名 稱超聲磨削裝置設計學生姓名 曾世輝 院（系） 工學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化指導教師 楊衛(wèi)平 職 稱 教 授 學 歷 博 士畢業(yè)設計（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)設計（論文）工作計劃：1．2008 年 11 月～12 月：接受畢業(yè)設計任務，查閱整理文獻資料；2．2009 年 1 月：確定課題設計方案；3．2009 年 2 月～4 月：繪制設計圖紙及編寫設計說明書；4．2009 年 5 月 10 日之前：定稿打印，裝備畢業(yè)設計答辯。接受任務日期 2008 年 12 月 1 日 要求完成日期 2009 年 5 月 10 日學 生 簽 名 年 月 日指導教師簽名 年 月 日院長（主任）簽名 年 月 日1,超聲磨削裝置設計,專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 姓 名： 曾世輝 學 號： 20055026 指導老師： 楊衛(wèi)平,江西農(nóng)業(yè)大學學士學位畢業(yè)論文答辯,2,1 緒論,1.1、超聲的發(fā)展與優(yōu)點 1.2、超聲加工的原理及特點 1.3、工程陶瓷材料的使用價值及加工技術(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,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，應是1876年的氣哨實驗。但是人類真正科學的開展超聲技術(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，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，應用領域非常廣泛。目前，其應用遍及航空、航海、國防、生物工程以及電子等領域，在我國國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越大的作用,,4,1.2、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。,,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)運動又做縱向超聲振動，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，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?，F(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)代材料科學發(fā)展最活躍的領域之一。下列是現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個主要領域： (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)陶瓷基復合材料：復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。 (3)功能陶瓷：包括①導電性能②介電性能?③光學性能④磁學性能,7,1.4 超聲加工的意義及前景,超聲加工是目前應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；其應用不受工件材料的電、化學特性限制，不需要工件導電，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力 。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，具有廣泛的應用范圍 。,8,2 設計說明書,2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設計 2.1.1 超聲加工設備及其組成部分 2.1.2 結(jié)構(gòu)的設計、比較、確定 2.2 裝置中的各部件的設計及校核 2.2.1 電機的計算與選擇 2.2.2 軸強度的較核 2.2.3 鍵的校核,9,2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設計,2.1.1 超聲加工設備及其組成部分 設計的旋轉(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。 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。 右圖是超聲加工機床，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太大。,10,,2.1.2 結(jié)構(gòu)的設計、比較、確定： 結(jié)構(gòu)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)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。,11,,結(jié)構(gòu)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 1·,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。 但是此方案為電機加皮帶輪，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。,12,,結(jié)構(gòu)三,,圖中：1—電機；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，這對加工工件當然是有害的。,13,,最后結(jié)構(gòu)的確定：,,圖中：1—電機；2—電機座；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，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。,14,2.2 裝置中的各部件的設計及校核,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雜，因而要想建立一個十分切合實際的陶瓷磨削力數(shù)學模型非常困難。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,15,,由于此計算比較復雜，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。,電機所需功率的計算 每分鐘金屬磨除量Z可用下式計算,,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。（詳細的計算過程請看說明書）,16,,2.2.2 軸強度的較核,,,,進行軸的強度計算時，應根據(jù)軸的具體受載荷及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)倪x取其許用應力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應按扭轉(zhuǎn)強度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應安彎矩強度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應按彎扭合成強度計算，需要時還應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,,17,,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)應力，單位為,。,本裝置軸的材料為20,其許用扭轉(zhuǎn)應力,約為50,軸所受扭矩為：,0.0627462,18,,,,,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)應力遠小于許用扭轉(zhuǎn)應力，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。,19,,2.2.3 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力進行強度較核計算。對于導向平鍵聯(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,,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力，單位,,,,—鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用應力，單位,。,軸所受扭矩,=0.0627462,本裝置設計中選用的鍵為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）,20,,,,=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。,21,完 了謝謝各位老師！, 編 號 20055026 江西農(nóng)業(yè)大學 工學院畢 業(yè) 設 計 材 料專 業(yè) 機械設計制造及其自動化學生姓名 曾世輝材 料 目 錄序號 附 件 名 稱 數(shù)量 備注1 畢業(yè)設計論文 12 零件圖紙 103 裝配圖 1二〇〇九年五月題 目 超聲磨削裝置設計學校代碼：10410序 號：055026本 科 畢 業(yè) 設 計題目： 超聲磨削裝置設計 學 院： 工 學 院 姓 名： 曾 世 輝 學 號： 20055026 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 年 級： 2005 級 指導教師： 楊 衛(wèi) 平 二 OO 九年 五月超生磨削裝置摘要旋轉(zhuǎn)超聲磨削是在傳統(tǒng)機械磨削的基礎上，將超聲振動加入到磨削工具上的一種新型的復合加工方法。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、甚至一些較復雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。關鍵詞：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，超生磨削裝置目 錄前言 ...................................................................................................................................11 緒論. ..............................................................................................................................21.1 超聲的發(fā)展史 ....................................................................................................21.2 超聲加工的原理及特點 .....................................................................................21.3 工程陶瓷材料的使用價值及加工技術(shù) .............................................................31.4 超聲加工的意義及前景 .....................................................................................72 設計說明書 ...................................................................................................................82.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設計 .................................................................................82.1.1 超聲加工設備及其組成部分 ...................................................................82.1.2 初步結(jié)構(gòu)設計 ........................................................................................................82.1.3 結(jié)構(gòu)的比較 ...............................................................................................92.1.4 最后結(jié)構(gòu)的比較 .....................................................................................112.2 裝置中的各部件的設計及校核 .......................................................................132.2.1 電機的計算與選擇 .................................................................................132.2.2 壓電陶瓷的選擇 .....................................................................................162.2.3 軸強度的校核 .........................................................................................172.2.4 鍵的校核 .................................................................................................183 總結(jié)與展望 .................................................................................................................203.1 總結(jié) ....................................................................................................................................203.2 展望 ....................................................................................................................................20參考資料 .........................................................................................................................22致謝 .................................................................................................................................23超生磨削裝置前 言隨著科學技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領域的需求，不銹鋼、復合材料、工程陶瓷等難加工材料應用日趨廣泛，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。超生磨削裝置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，應是42.10?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，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，應用領域非常廣泛。目前，其應用遍及航空、航海、國防、生物工程以及電子等領域，在我國國民經(jīng)濟建設中發(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。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 件超聲振動方向超生磨削裝置的特點，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、復合材料等難加工材料磨削表面質(zhì)量。國際生產(chǎn)工程學會在第 42 屆 CIRP 大會上，將超聲振動應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）對材料的適應性廣。可用于脆性材料（如玻璃、石英、陶瓷、YAG 激光晶體、碳纖維復合材料等）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?，F(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)代材料科學發(fā)展最活躍的領域之一超生磨削裝置下面對現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個主要領域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復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。它的應用領域還包括輕質(zhì)無潤超生磨削裝置滑陶瓷軸承、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用，如地板、裝飾玻璃。(2)陶瓷基復合材料復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)生不可預測的突然性斷裂，陶瓷基復合材料主要是為了改善陶瓷韌性?；谔岣唔g性的陶瓷基復合材料主要有兩類:氧化錯相變增韌和陶瓷纖維強化復合材料。 氧化鋯相變增韌復合材料是把部分穩(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合材料，例如碳化硅長纖維強化的碳化硅基復合材料韌性高達 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域得到應用。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導電性能陶瓷材料具有非常廣泛的導電區(qū)間，從絕緣體到半導體、超導體。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。半導體分為電子型和離超生磨削裝置子型半導體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導體。離子型半導體僅對某些特殊的帶電離子具有傳導作用，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充電。陶瓷超導體是近 10 年才發(fā)展起來的.它的臨界超導轉(zhuǎn)化溫度在所有類超導體中最高，已經(jīng)達到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導體為釔一鋇一銅一氧系列材料，已經(jīng)在計算機、精密儀器領域得到廣泛應用。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。介電陶瓷的主要應用之一是陶瓷電容器。現(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當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。當溫度低于某一臨界值時呈半導體鐘電狀態(tài)，但當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。當在陶瓷上施加外力時，會產(chǎn)生一個相應的電信號，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光學性能陶瓷在光學方面的應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、航空航天領域和高技術(shù)設備上得到廣泛應用。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、超生磨削裝置損耗低、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。軟磁材料的磁導率高，飽和磁感應強度大，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，主要應用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應強度非常接近于飽和磁感應強度.它是因磁滯回線呈矩形而得名，主要應用于現(xiàn)代大型計算機邏輯元件和開關元件，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；其應用不受工件材料的電、化學特性限制，不需要工件導電，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，而且適合于半導體和不導電的非金屬硬脆材料（如半導體硅片、玻璃、陶瓷以及金屬基碳化硅復合材料等）的精密加工超生磨削裝置和成形加工。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，具有廣泛的應用范圍。超生磨削裝置2 設計說明書2.1 超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設計 2.1.1 超聲加工設備及其組成部分 設計的旋轉(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，雖然在設計時將前法蘭設計在振動節(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太大。結(jié)構(gòu)設計一 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)設計二超生磨削裝置圖中 ：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?？偟膩碚f，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。超生磨削裝置結(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)超生磨削裝置緊固，用于帶有止動槽的深溝球軸承，當外殼不便設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，而且鑄超生磨削裝置鐵還具有消震性能，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，接觸角大的承受軸向載荷的能力也高。在本設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，在超生磨削裝置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雜，因而要想建立一個十分切合實際的陶瓷磨削力數(shù)學模型非常困難。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。sVwVpa在本裝置設計中，轉(zhuǎn)速 n 約為 8000 rpm,工具桿端部砂輪直徑為 d12mm。則磨削速度 ds????601214596.380??m/s2.在此算一下集電環(huán)處的線速度：集電環(huán)的直徑為 DΦ45mm；nV??)601/(451926.380??=18.85 m/s工件速度選用 約 25m/min。w在此算出三種典型的陶瓷材料磨削力的大小。對于 陶瓷2OZr徑向力 742.068.49.016pwsnaVF??切向力9.1.7.8.st將磨削速度 、工件速度 、被吃刀量 三值代入得：swp徑向力 10.4577N?nF切向力 3.8098Nt對于 陶瓷32OAl超生磨削裝置徑向力918.067.498.03.216pwsnaVF??切向力2.5.2.5st將磨削速度 、工件速度 、被吃刀量 三值代入得：swp徑向力 1.9253N?nF切向力 3.6011Nt對于 陶瓷32OSi徑向力03.1745.0..41pwsnaVF??切向力.6.9.5st將磨削速度 、工件速度 、被吃刀量 三值代入得：swp徑向力 1.5616N?nF切向力 2.268Nt由于此計算比較復雜，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 2OZr 32OAl；Fn3、Ft3 是 作為工件材料時的磨削力，磨削力的單位是 N。32Si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。2Zr扭矩 ： dFTt??0.0627462 ?/01.457. mN?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：pawfVZ??10min3查表得：工件速度 25?wi砂輪軸向進給： mmSabf1.0（ 為砂輪的寬度,取其寬度為 10 mm）Sb超生磨削裝置mm10.1.0???Sabf外圓功率消耗 min3?ckw取吃刀量 =0.01 mmpawfVZ10??2501.2510???min3則 kw3???Pm聯(lián)軸器和軸承的機械效率 、 為 0.99、0.98。1?2則總的機械效率為 970.?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的基礎上。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，前者叫正壓電效應，后者叫負壓電效應。目前應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）高溫燒結(jié)，粉粒之間發(fā)生固相反應后無規(guī)則集合而成的多晶體，具0.25.26mPkw???超生磨削裝置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（ ）是廣泛應用的壓電陶瓷，它的化學性質(zhì)比羅謝耳鹽穩(wěn)定，能3BaTiO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，它的壓電效應顯著?？梢酝ㄟ^變更其化學組分在很大范圍內(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。超生磨削裝置2.2.3 軸強度的較核進行軸的強度計算時，應根據(jù)軸的具體受載荷及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)倪x取其許用應力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸） ，應按扭轉(zhuǎn)強度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸） ，應安彎矩強度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸） ，應按彎扭合成強度計算，需要時還應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： TW??實心軸的扭轉(zhuǎn)強度可轉(zhuǎn)化為： ??TTdnP?????32.095式中： —扭轉(zhuǎn)切應力，單位為 ；aM—軸所受的扭矩，單位為 ；mN?—軸的抗扭截面系數(shù)；單位為 ；TW3—軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；n—軸傳遞的功率，單位為 KW；Pd—計算截面處軸的直徑，單位為 mm；—許用扭轉(zhuǎn)應力，單位為 。??T? aMP超生磨削裝置本裝置軸的材料為 20 其許用扭轉(zhuǎn)應力 約為 50 。rC??T?aMP軸所受扭矩為： 0.0627462 ；?TmN?電機需提供的功率為： ；kwPm26.097.250??最小的軸徑 d 為：28mm；軸的轉(zhuǎn)速 n 約為：8000rpm；1.1659 <<50330.26950958.2TnWd??????aMPa可以看出軸的扭轉(zhuǎn)應力遠小于許用扭轉(zhuǎn)應力，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： ??416dDTT????=0.00000084 <50490.273.?aMPa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力進行強度較核計算。對于導向平鍵聯(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： ??PPkldT?????3102式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩（T=F ） ，單位為 N ;2Fy?m?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超生磨削裝置為鍵的公稱長度，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力，單位 ,??P? aMP—鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用應力，單位 。p軸所受扭矩 =0.0627462 2dFTt??mN?本裝置設計中選用的鍵為 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??P?aMGB1096-90 鍵 C6×20 的校核：0.12303 <<30033120.627410PTkld?????aaP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 <300332102.6741058PTkld?????aMPa則 GB1096-90 鍵 C8×30 也符合要求。GB1096-90 鍵 C16×50 的校核：0.01087 <300333210.6274105PTkld?????aPa則 GB1096-90 鍵 C16×50 也符合要求。超生磨削裝置超生磨削裝置3 總結(jié)與展望3.1總結(jié)各種高性能材料諸如，復合材料、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. 設計并研制了新型旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置。設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） 、開展較復雜型面的超聲磨削加工將成為進一步研究的方向。超生磨削裝置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。超生磨削裝置參 考 資 料[1] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院編著 實用機械設計手冊 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；[6] 于永泗，齊民主編．機械工程材料．大連理工大學出版社，2004[7] 陳日曜主編．金屬切削原理．機械工業(yè)出版社，2000．6；[8] 國家教委高等教育司，北京市教育委員會編．高等學校畢業(yè)設計（論文）指 導手冊。高等教育出版社，1998．3； [9] 上海紡織共學院，哈爾濱工業(yè)大學，天津大學主編．機床設計手冊．上?？茖W技術(shù)出版社，1979； [10] 劉鴻文主編．材料力學．高等教育出版社，1999．10；[11] 程碧秀等．實用中小電機手冊．遼寧科學技術(shù)出版社，1987．12；[12] 王先逵主編．機械制造工藝學．機械工業(yè)出版社，2002．1；[13] 王特典．工程材料．東南大學出版社，1996．2；[14] Kraff KF． Wave motion in elastic solids．Ohio State University Press,1975。超生磨削裝置致謝本文是在導師楊衛(wèi)平教授的精心指導和悉心關懷下完成的。他以其淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、開拓進取的精神和高度的責任心，給我們的學習、工作、生活以很大的影響，使我們終生難忘，并將永遠激勵我奮發(fā)向上。至此學位論文完成之際，謹向楊衛(wèi)平導師以及在大學四年里曾經(jīng)教授于我、幫助于我的諸位老師表示衷心的