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结构设计与校核
-I-
Ultrasonicgrindingdevice
Abstract
Rotaryultrasonicgrindingisanewmachiningmethodthatcombinesultrasonicvibrationwithgrindingtoolsinthebasicprincipleoftheoriginalmechanicalgrinding.Thismethodsavessomeofthegoodfeaturesoftheoriginalmechanicalgrinding.Withtheparticipationofultrasonicvibration,itcangreatlyimprovetheworkingefficiencyandimprovethequalityofthegrindingsurfaceofdifficulttomachinematerials.Thesignificanceofthispaperistostudythestructureofarotatingultrasonicgrindingdeviceandtodosomemachiningexperimentswiththisdevice.Themaincontentsaresummarizedasfollows:
Theprincipleofhowtoremovematerialofrotaryultrasonicgrindingmechanismisdiscussed.Thematerialremovalprincipleofthisdeviceinthesametime(withtheimpactofabrasiveabrasiveontheworkpiecesurfacehighimpactandabrasion(fast)rotatinggrindingtoolandfeedmovementincanbemodeledasprocessofgrinding)role.
Anewtypeofrotaryultrasonicgrindingdeviceisstudiedandfabricated.
Thestructurecanbeinstalledondifferentkindsofmachinetools,androtaryultrasonicgrindingisappliedtoconventionalsurfacesandsomekindsofmaterialswithvariousshapes.
Keywords Ultrasoundprocessingsignificance,Rotateultrasoundgrind,Structuredesignandchecking
-II-
目 录
-IV-
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1超声的发展史 1
1.1.1超声发展简介 1
1.1.2国外发展 1
1.1.3国内发展 2
1.2超声加工的原理及特点 3
1.2.1传统超声加工 3
1.2.2旋转超声加工 4
1.3超声加工陶瓷的意义及前景 5
1.4本章小节 5
第2章工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 6
2.1结构陶瓷 6
2.2陶瓷基本复合材料 7
2.3功能陶瓷 8
2.4本章小结 10
第3章装超声磨削装置的结构设计 11
3.1超声加工设备及其组成部分 11
3.2初步结构设计 11
3.3结构的比较 13
3.4最后结构的确定 16
3.5本章小结 17
第4章装置中的各部件的设计及校核 18
4.1装电机的计算与选择 18
4.2变幅杆的设计 20
4.3压电陶瓷的选择 22
4.4轴强度的较核 23
4.5键的校核 25
4.6本章小结 26
第5章超声磨削与环境保护 27
5.1目前我国环境现状 27
5.2超声加工对环境影响 27
5.3本章小结 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 32
附录B 38
-V-
第1章绪论
1.1超声的发展史
1.1.1超声发展简介
近年来科学水平的快速提升和飞机火箭等加工的需要,难加工材料使用越来越多如1Cr18Ni9、复合材料、工程陶瓷等,它们的特殊性质使其制造加工有些费力。
例如,在海洋里使用的零件一般用的是不锈钢,但是不锈钢加工很困难费时费力,切削不锈钢过程当中切削损耗功率多,切削时温度很高,而且还有表面质量较低的加工工件。
又如飞机火箭上的发动机重要零件经常采用T、Ni合金等先进构造材料,而钛、镍这些复合材料加工切削又不是很好,主要体现在它们的热硬度和热强度很高,所需切削力强,对加工时使用的工件、刀具被损害很大。
比如使用工程陶瓷的航天飞机,这种材料强度硬度脆性都很高,所以无论是加工还是成本都很高。
此类复合材料的应用普遍,对机械制造业给出了很多需要解决的新加工问题。
所以使用原有加工方式非常艰难,有些还加工不出来,因此新型的加工方式出现了那就是特种加工对它们的加工效果非常好。
而在特种加工方法中,有特有的优势的就是超声加工,因此使用的非常普遍。
超声波指的就是人耳听不到的动静。
通常来说可以被人耳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。
而在现实应用时,频率在16KHz以下的超声技术也被使用。
1830年莎汝特讨论了人耳能听到的频率使用了多齿的轮产生超声,但通常认为,首次真正产生超声的应是弗勾扥的气哨测验。
爆发第一次世界大战的时候,菈葛文发明了换能器,使用在水里的超声波,开始了真正的有效的研究超声具有的特点,如频率、波长、在固定路程内沿直线传导很好的束射性和方向性、并产生空化作用在液体中传播的时候。
总而言之超声技术使用的越来越普遍。
在一些高科技先进设备中发挥了不可替代的作用。
1.1.2国外发展
1927年,美国物理学家悟㯖和路密斯做了超声加工实验,使用超声振动对玻璃板进行了加工。
1951 年,美国的科恩制造世界第一台可用的超声加工机器[1]1964年,英格兰人莉葛发现了烧结或电镀金刚石刀具的旋转超声加工的方法,解决了有的超声加工深孔时加工速度低和精度差的问题。
在70 年待左右美国在超声钻中心孔、 声光整加工、磨削、拉管和焊接等部分,已进行了应用。
超声车削、钻孔、镗孔、已经用于试验性研发制造设备基本阶段;
工业上已经应用超声振动切削系统,现在已有了一些标准。
美国拉斯加斯内和华内塔大学对ALO3瓷材料微清除量精密超
-16-
声加工方法进行了探讨[2]。
他们发现了低撞击力会使陶瓷材料的结构发生改变和晶粒错乱,而高撞击力会是他的中心有了裂纹和凹的痕迹。
美国卡莎撕州的大学研究出了一种计算方法它是旋转超声加工陶瓷去除材料率的模式,确定了材料去除率和加工参数它们的关联。
这项研究对陶瓷材料旋转超声加工技术的发展起到了推动的作用。
巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究,发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向,研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。
现在最好的加工设备之一是德玛基的超声波加工设备,进来研发生产了适合多种工件尺寸和加工任务的高速切削技术和五轴联动高速超声加工中心包括:
①
HSC20linear紧密型高速加工,其特性是紧密型机构设计,轮廓精度,表面质量<
0.2μm;
自动换刀;
②HSC20linear高速精密加工中心 ,其特点是:
所有轴都是用高动态机能和高精度直线驱动技术, 标配
28000r/min高速切削主轴HSK-A63,切削性能高,刀具使用时间长,花
[3]
费少,表面质量好。
1.1.3国内发展
我国超声加工研究开始在20世纪50年代左右。
1960 到1969年,
中国研究生产出了加工小孔的超声机床,1973年,在上海的一家工厂研制了CNM-2型超声加工研磨机床。
1984年,中国科学院声学研究中心自主研发了超声旋转加工样品机床, 该样品功率为400W,工作频率为7~22kHz,加工精度为:
圆柱度0.03mm,圆度<
0.005mm[4]。
清华大学完成研究出了数控化的旋转超声加工机床,其Z轴进给控制数控系统、旋转控制旋转、控制自动频率跟踪等使其功能模块化。
天津大学对旋转超声加工方面也有着贡献,这就是机床分解成模块[5]。
河南理工大学自主开发了旋转超声铣头设备,该设备成为立式数控铣床的一种配件,在立式数控铣床上安装,拆装都很便捷。
大连理工大学也研制了基于分层清除技巧的超声铣削加工方式, 生产开发了超声数控铣削结构机床 ,开始了使用超声加工技术数控加工工程陶瓷零部件的新道路。
在分层去除材料的技术思想上,解决了原有超声加工中工具消耗损坏严重且不可以在线上抵偿的问题。
河南理工大学对纳米复相陶瓷二维超声磨削对加工表面粗糙度的特点性探讨,二维超声振动磨削很大增大了复相陶瓷磨削的塑性加工面积
[6]。
旋转超声加工技术在我国未来的发方向正在向高精度、微细化方向进
展,很可能变成微电子机械系统技术的强化增补。
1.2超声加工的原理及特点
1.2.1传统超声加工
超声加工是运用工具端面做超声频晃动,通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成型方式加工原理如图1-1所示
图1-1超声磨削的原理
加工时工件与工具他两中间放入液体(水或煤油等)和磨料混合悬浮液并使工具用小的力压在工件上。
产生1600Hz以上的超声频纵向振动是超声换能器并利用于变幅杆把振幅扩大到0.05-0.1mm前后驱动工具端面做超声振动强迫工作液中悬浮的磨粒快速度不断的撞击抛磨被加工表面,工件上冲击下来的是被工的材料碎裂成非常小的微粒。
这样来看加工的速度就会很慢因为打击下来的材料较少,可是于它每秒冲击的次数在万次之上所以仍然有相当快的加工速度。
这个相同的时候,工具端面超声振动作用产生的高频影响了工作液,工作液钻入被加工材料的微裂缝处是受到交变的正负液压冲击波和空化作用处,加快了机械加工破损功能[7]。
超声加工是在局部撞击基础上的加工方式,所以脆硬材料受冲击遭受到破坏就大更加适合
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- 超声 磨削 装置 结构设计