臥式功率超聲珩磨裝置設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　時(shí)間過得真快，如白駒過隙，轉(zhuǎn)眼間四年的大學(xué)生活就要結(jié)束。在大學(xué)校園的學(xué)習(xí)可以讓我們學(xué)到很多東西。只要我們用心，當(dāng)我們學(xué)業(yè)已滿走出校園時(shí)，我們也不會(huì)留下任何遺憾。在這里，我不光學(xué)到了書本上的知識(shí)，更重要的是我學(xué)到了如何做人，如何去自主地完成自己的事情，如何自主地去學(xué)習(xí)。尤其是在最后這半年，畢業(yè)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)了我們自主學(xué)習(xí)的能力，同樣

2、也檢驗(yàn)了我們作為一名大學(xué)生應(yīng)有的素質(zhì)。讓我們再次認(rèn)識(shí)到我們還存在的不足，為我們踏入工作崗位或以后的繼續(xù)深造打下了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的題目是臥式功率超聲珩磨裝置設(shè)計(jì)。在這個(gè)課題上，要求我在了解掌握功率超聲振動(dòng)加工基本原理及珩磨加工原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超聲珩磨裝置的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)注重的是理論分析，公式的推導(dǎo)及具體說明。另外可以學(xué)習(xí)AUTOCAD及solidworks畫出功率超聲珩磨裝置的

3、具體實(shí)物圖。然后通過指導(dǎo)老師的指導(dǎo)以及自己查閱相關(guān)資料來順利完成本次設(shè)計(jì)。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)，讓我對大學(xué)學(xué)到的知識(shí)作了一次回顧和總結(jié)。通過查閱資料讓我拓寬了我的知識(shí)面，了解了我在某些知識(shí)上還存在的不足；通過自主學(xué)習(xí)讓我了解了如何更好的運(yùn)用知識(shí)來完成我們想要完成的事情；通過和老師及同學(xué)交流讓我更加深刻地認(rèn)識(shí)到了團(tuán)隊(duì)的重要性。通過這次設(shè)計(jì)，再次培養(yǎng)了我自主學(xué)習(xí)的能力和毅力，掌握了如何去尋找資料來處理我們要

4、解決的問題，學(xué)到了如何合理的運(yùn)用時(shí)間來處理我們的問題。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們走向社會(huì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不盡體現(xiàn)了我們大學(xué)四年學(xué)到知識(shí)的多少，還體現(xiàn)了我們獨(dú)立思考、獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。為我們在以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)。這次設(shè)計(jì)得到了范文斌、祝錫晶老師的悉心指導(dǎo)，同時(shí)也得到了同學(xué)的大力幫助。在這里我非常感謝老師以及同學(xué)給我的這些幫助。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)是我第一次深入研究超聲振

5、動(dòng)加工的相關(guān)知識(shí)。雖然以前學(xué)過相關(guān)理論，但并不是很精湛，所以在設(shè)計(jì)中遇到了一些困難，也出現(xiàn)了一些失誤。通過努力我改正了在設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤以及不足之處。但人無完人，我知道我的這次設(shè)計(jì)還存在許多不足之處，對于在本次設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的這些不足之處，懇請老師予以指正并提出你們的寶貴意見。</p><p><b>　　2 綜述</b></p><p>　　2.1 功率超聲珩磨裝置概述

6、</p><p>　　磨削加工是機(jī)械制造中重要的加工工藝，超聲振動(dòng)珩磨加工是近年來新興的一種超精加工技術(shù)。在超聲振動(dòng)加工技術(shù)的研究方面，日本走在前列，迄今已有許多方面比較成熟并應(yīng)用與實(shí)踐。但是，由于磨削加工的復(fù)雜性，超聲磨削加工的許多機(jī)理還不十分明了，進(jìn)一步的加工應(yīng)用技術(shù)還在研究之中。超聲振動(dòng)加工具有低切削力、低磨削溫度、低的表面粗糙度和高精度，以及被加工零件良好的耐磨耐腐性，特別是同等加工條件下只需很小的機(jī)床動(dòng)

7、力等優(yōu)點(diǎn)。有鑒于此，世界各國目前均在重點(diǎn)開發(fā)和研究超聲振動(dòng)在磨削加工領(lǐng)域的高技術(shù)和應(yīng)用課題，超聲振動(dòng)加工綜合應(yīng)用于磨削加工已經(jīng)成為下一代精密加工的發(fā)展方向之一。</p><p>　　2.2 功率超聲珩磨裝置的研究現(xiàn)狀</p><p>　　日本是最早研究、應(yīng)用功率超聲振動(dòng)珩磨的國家，代表人物是隈部淳一郎，他們研究的功率超聲超聲振動(dòng)珩磨裝置的特點(diǎn)是換能器為磁致伸縮換能器，振動(dòng)形式為縱向振動(dòng)

8、，油石以及芯軸等組成的整個(gè)頭體都振動(dòng)。俄羅斯于八十年代末研制出功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，其特點(diǎn)是油石徑向振動(dòng)，借助于在油石旋轉(zhuǎn)軸線垂直平面內(nèi)發(fā)送超聲振動(dòng)的功率超聲珩磨裝置，油石由于受徑向超聲 振動(dòng)的影響，金剛石顆粒于被加工材料的接觸性質(zhì)起了變化，從而消除了黏結(jié)、堵塞現(xiàn)象，油石表面變的清潔，已加工表面質(zhì)量高。</p><p>　　六十年代初，我國已開始了振動(dòng)切削技術(shù)的研究，直到八十年代初期該技術(shù)才受到普遍重視。近十幾年

9、來，振動(dòng)切削技術(shù)方面的理論研究和應(yīng)用取得了顯著成績，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣西大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)等單位在功率超聲振動(dòng)理論、加工不同材料的實(shí)驗(yàn)、加工精度與表面質(zhì)量、刀具的磨損耐用度等方面的研究中均取得了一定成績，超聲振動(dòng)加工在生產(chǎn)中也得到了廣泛應(yīng)用。在車削、銑削、刨削、磨削、鉆孔、攻絲、珩磨等各種加工方法中都有應(yīng)用，并取得了較好的效果。</p><p>　　中北大學(xué)是國內(nèi)研究功率超聲振動(dòng)珩磨的最早單位之一，八十年代初期已

10、進(jìn)行了功率超聲振動(dòng)切削方面的理論研究。1988年研制成功了臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，并通過了北方工業(yè)集團(tuán)公司軍品部鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)成果屬國內(nèi)首創(chuàng)、振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了八十年代末國際先進(jìn)水平。1993年研制成功了86鋼質(zhì)薄壁缸套的力式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，該裝置取得了國家專利。</p><p>　　2.3 功率超聲珩磨裝置的研究內(nèi)容及方法</p><p>　　2.3.1

11、研究內(nèi)容</p><p>　　本課題是關(guān)于“功率超聲珩磨裝置設(shè)計(jì)”的研究，研究的主要任務(wù)和要求是：</p><p>　?。?）掌握功率超聲振動(dòng)加工的基本原理。</p><p>　　（2）掌握機(jī)械加工中珩磨加工原理。</p><p>　　（3）在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)功率超聲珩磨加工裝置。</p><p>　　2.3.2 研究的

12、途徑及方法</p><p><b>　　（1）了解</b></p><p>　　首先通過收集資料，了解我國超聲振動(dòng)加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，對其工作原理和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行深入研究，從而才能設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工程需要和本課題要求的超聲珩磨裝置。</p><p>　?。?）存在的不足及研究方法</p><p>　　由于現(xiàn)有的超聲振動(dòng)珩磨裝

13、置傳遞環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量損失大，振動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的匹配性能差，嚴(yán)重影響了超聲珩磨的推廣應(yīng)用，所以在研究本超聲珩磨裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量優(yōu)化設(shè)計(jì)振動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡量減小能量傳遞的損失，讓超聲珩磨裝置工作性能更加穩(wěn)定。</p><p>　　超聲振動(dòng)珩磨裝置由超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、珩磨頭體級冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成。對它的研究方法融合了力學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)等諸方面的研究方法?？紤]到本論文設(shè)計(jì)的是超聲振動(dòng)珩磨裝置，在超聲振動(dòng)

14、系統(tǒng)中，彎曲振動(dòng)圓盤是超聲波振動(dòng)珩磨裝置遞振的重要零件,該零件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的振動(dòng)能否通過它傳遞到撓性桿上，并保證振動(dòng)時(shí)珩磨桿不振動(dòng)。根據(jù)前面的介紹，本論文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是彎曲振動(dòng)圓盤。</p><p><b>　　3 珩磨</b></p><p>　　珩磨加工是利用可漲縮的磨頭使珩磨條壓向工作表面，以產(chǎn)生一定的接觸面積和相應(yīng)的壓力，在適當(dāng)?shù)溺?/p>

15、磨液作用下，珩磨條對被加工表面做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)進(jìn)給的相對綜合運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到改善表面質(zhì)量、改善表面應(yīng)力狀態(tài)和提高被加工零件精度的目的，是一種多刃切削的精加工方法。近幾年來，由于珩磨技術(shù)的發(fā)展，如人造金剛石和立方氮化硼等超硬磨料的應(yīng)用，把珩磨技術(shù)推向一個(gè)新的階段。現(xiàn)在珩磨已不僅用做高精度要求的終加工工序，并且還可作為較大余量的中間工序，是一種高效、優(yōu)質(zhì)的加工方法。</p><p>　　3.1 珩磨加工的特點(diǎn)：</

16、p><p>　　珩磨加工與一般切削加工相比的下列特點(diǎn)：</p><p>　?。?）可獲得高的加工精度 珩磨可以在較短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)地獲得較高的形狀精度及尺寸精度。加工直徑小于50mm的小孔時(shí)，其圓柱度可達(dá)5，軸心線直線度可達(dá)1；加工50～200mm中等尺寸孔時(shí)，其圓度誤差為3～5，孔長在300～400mm時(shí)，圓柱度可達(dá)10以下。經(jīng)珩磨加工的內(nèi)孔，尺寸精度可達(dá)IT6～I(xiàn)T7。但珩磨加工不能提高被加

17、工孔的位置精度。</p><p>　?。?）可以獲得高的表面質(zhì)量</p><p>　　1） 珩磨的加工表面具有交叉網(wǎng)紋，有利于潤滑油的儲(chǔ)存及油膜的保持，能承受較大的載荷，工件耐磨性好。</p><p>　　2）珩磨表面粗糙度值通常小于0.1。</p><p>　　3）珩磨加工表面幾乎沒有熱損傷、變質(zhì)層、嵌沙或冷硬現(xiàn)象。但存在高的殘余壓應(yīng)力，這

18、些有利于零件使用壽命的提高。</p><p>　　（3）加工范圍廣 珩磨能加工各種內(nèi)孔（通孔、盲孔、多臺(tái)階空、圓錐孔、橢圓孔和擺線孔等）、平面、外圓柱表面、球面、齒輪表面、發(fā)動(dòng)機(jī)曲線表面等；能加工的孔徑范圍為2～200mm，孔長為1 ～24000mm、長徑比約為1/50～300；幾乎能加工所有工業(yè)材料。</p><p>　?。?）具有較高的生產(chǎn)率，對機(jī)床精度的要求低 珩磨是大面積多刃切

19、削加工，因而具有較高的材料切除率，如珩磨直徑為100mm左右的缸套孔，其材料切除率可達(dá)300～500 。 </p><p>　　因珩磨時(shí)珩磨頭或工件要求能浮動(dòng)，珩磨頭與機(jī)床的連接屬于柔性連接，故對機(jī)床的精度要求低，并可用車床、鏜床、鉆床等機(jī)床改裝。</p><p>　　3.2 珩磨加工原理</p><p>　　珩磨是利用安裝在珩磨頭圓周上的若干砂

20、條（油石），由漲開機(jī)構(gòu)將砂條沿徑向漲開，使其壓向工件的孔壁；與此同時(shí)，使珩磨頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對孔進(jìn)行低速磨削和摩擦拋光。旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，油石上的磨粒在孔的表面上的切削軌跡成交叉而又不重復(fù)的網(wǎng)紋，因而獲得表面粗糙度較小的加工表面。徑向加壓運(yùn)動(dòng)是油石的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓壓力越大，進(jìn)給量就越大。</p><p>　　3.3 珩磨運(yùn)動(dòng)過程</p><p>　　珩磨時(shí)，珩磨頭由機(jī)床主

21、軸帶動(dòng)相對工件作旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)油石對被加工表面作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。前兩種運(yùn)動(dòng)構(gòu)成珩磨的主運(yùn)動(dòng)，并使油石形成螺旋運(yùn)動(dòng)，因此，油石上大量的磨粒就在加工表面上刻劃下螺旋形交叉網(wǎng)紋的珩磨條紋，為避免每條油石的運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)，即不讓油石上的磨粒仍在原先刻出的條痕上刻劃，應(yīng)使油石在一個(gè)雙行程終了時(shí)的位置，相對其行程的初始位置，在圓周方向上有一個(gè)附加的偏移量。</p><p>　　圖3-1 珩磨網(wǎng)紋生成原理</p&

22、gt;<p>　　圖3-1表示了珩磨網(wǎng)紋的生成原理。圖3-1為油石條上一點(diǎn)的切削路徑展開圖，即設(shè)旋轉(zhuǎn)速度為，往復(fù)速度為，合成切速度為：</p><p><b>　　斜角：</b></p><p>　　通常珩磨機(jī)的主運(yùn)動(dòng)速度v是由單獨(dú)電機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)被加工工件的交叉角（）確定后，珩磨機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)是不變的。一根油石條的路徑是

23、S1、S2、S3，在與之對稱的位置上的油石條從相位差為半周的開始，所以在加工表面上留下如圖3-1所示的特有的珩磨網(wǎng)紋。 </p><p>　　3.4 珩磨加工過程</p><p>　　在珩磨的切削過程中，油石的表面狀態(tài)、油石的壓力、被加工表面三者的變化情況及相關(guān)關(guān)系，因采用的擴(kuò)漲進(jìn)給方式不同而不同。</p><p>　　（1）定壓進(jìn)給珩磨過程 定壓進(jìn)給中，進(jìn)給機(jī)

24、構(gòu)以恒定壓力壓向孔壁，珩磨過程可以根據(jù)油石表面狀態(tài)的變化分為三個(gè)階段：</p><p>　　1）脫落階段 加工初始階段，由于孔表面粗糙，油石與孔壁的實(shí)際接觸面積小，接觸壓力大，工件孔粗糙表面的凸起部分很快被磨去，而油石面因接觸壓力過大，加上切屑對油石黏結(jié)劑的磨耗使磨粒和黏結(jié)劑間的結(jié)合強(qiáng)度下降，因而有的磨粒在切削力作用下自行脫落，油石面即露出新的磨粒，即為油石的自銳。</p><p>　　

25、2）破碎切削階段 隨著珩磨的進(jìn)行，孔表面越來越光滑，接觸面積也逐漸增大，單位面積接觸壓力下降，切削效率低，同時(shí)切下的切屑既少又細(xì)。這些切屑對油石黏結(jié)劑的磨耗也很小。因此，油石面的磨粒脫落很少，油石主要不是靠新磨粒切削，而是由磨粒尖頂切削，因此磨粒尖頂?shù)呢?fù)荷很大，磨粒易于破裂、崩碎而形成新的切削刃。</p><p>　　3）堵塞切削階段 此時(shí)油石與工件表面的接觸面積很大，極細(xì)的切屑堆積于油石孔壁之間不易排出，造

26、成油石面氣孔的堵塞，因此油石的切削能力極低，油石表面也變的很光滑，此時(shí)的油石磨削相當(dāng)于拋光。但當(dāng)油石堵塞嚴(yán)重而產(chǎn)生黏結(jié)性堵塞時(shí)，油石完全失去切削能力并嚴(yán)重發(fā)熱，加工精度與表面粗糙度均可受到破壞。因此，當(dāng)油石進(jìn)入堵塞切削時(shí)要盡快結(jié)束珩磨。</p><p>　　圖3-2中粗折線表示珩磨的磨削量和油石損耗量與時(shí)間的關(guān)系，雙點(diǎn)劃線將珩磨過程分為三個(gè)階段，兩條水平虛線Ⅰ和Ⅱ代表不同的工件前工序表面粗糙度或磨粒直徑，水平虛線

27、Ⅰ位置高，表示前工序表面粗糙度值小或磨粒直徑大，因而破碎切削時(shí)間延長，脫落切削及堵塞切削的時(shí)間縮短。</p><p>　　由于每個(gè)工件的加工余量及表面粗糙度差別很大。這三個(gè)切削階段不一定在同一工件的加工過程中表現(xiàn)出來。若工件分粗、精兩次珩磨，則精珩開始時(shí)，接觸面積較大，整個(gè)精珩過程中，接觸面積的變化不大，因此整個(gè)過程基本上屬于破碎和堵塞切削階段。</p><p>　　圖3-2 珩磨磨削階

28、段的劃分</p><p><b>　　1——脫落切削區(qū)</b></p><p><b>　　2——破碎切削區(qū)</b></p><p><b>　　3——堵塞切削區(qū)</b></p><p>　?。?）定量進(jìn)給珩磨過程 定量進(jìn)給珩磨時(shí)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)以恒定的速度擴(kuò)漲進(jìn)給，使磨粒強(qiáng)制性的

29、進(jìn)入工件，因此珩磨過程只存在脫落切削和破碎切削，不可能產(chǎn)生堵塞切削現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)油石產(chǎn)生堵塞而使切削能力下降時(shí)，則進(jìn)給量大于實(shí)際的磨削量，此時(shí)珩磨壓力增大，從而使磨粒脫落、破碎、切削作用增強(qiáng)。</p><p>　　（3）定壓-定量進(jìn)給珩磨過程 加工開始以定壓進(jìn)給珩磨，當(dāng)油石進(jìn)入堵塞切削階段時(shí)，轉(zhuǎn)化為定量進(jìn)給方式珩磨，讓磨粒只產(chǎn)生脫落、破碎使油石恢復(fù)切削能力，提高效率，最后可用無進(jìn)給珩磨提高孔的精度和降低表面粗糙度

30、。</p><p>　　4 超聲波振動(dòng)珩磨</p><p>　　超聲波振動(dòng)切削和磨削加工均屬于一種脈沖切削的方法。切削過程中，刀具周期性的離開和接觸工件，其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向是不斷變化的。當(dāng)切削工具的振動(dòng)頻率在16000Hz以上時(shí)的加工被稱之為超聲波振動(dòng)加工，當(dāng)振動(dòng)頻率在16～16000Hz之間的加工被稱之為低頻振動(dòng)加工。</p><p>　　4.1 超聲波振

31、動(dòng)加工的工藝效果</p><p>　　關(guān)于超聲振動(dòng)加工的工藝效果主要有以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）切削力小的效果</p><p>　　超聲振動(dòng)加工時(shí)，切削速度的大小和方向產(chǎn)生周期性的變化，這種變化改變了整個(gè)工藝系統(tǒng)的受力情況。用切削速度=0.m/min,振動(dòng)頻率=20kHz，振幅=15進(jìn)行振動(dòng)磨削時(shí)，切刃在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)純切削時(shí)間是非常短暫的，約只有秒

32、。在這純切削時(shí)間內(nèi)，切刃沿切削法向那些的切削長度?？梢姵曊駝?dòng)切削是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的微量切削的過程。在一個(gè)切削循環(huán)過程中，切刃在很小的的位移上可獲得很大的瞬時(shí)切削速度和切削加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量。例如以振動(dòng)頻率，振幅進(jìn)行振動(dòng)切削時(shí)切刃的最大速度可達(dá)2.5m/s（），加速度可達(dá)（，g是重力加速度），即切刃運(yùn)動(dòng)的加速度為重力加速度的3萬多倍。因此可以想象，這時(shí)被加工材料在局部微小體積內(nèi)必將發(fā)生重大變化。在振動(dòng)的影響下，摩擦系數(shù)大

33、大下降，只有普通切削的1/10左右十超聲振動(dòng)切削力下降到普通切削的1/2～1/10（磨削下降到1/3）。對一些塑性大的材料下降程度更大。近年來，國外把超聲振動(dòng)應(yīng)用在磨床上，收到了很好的效果。</p><p>　　大幅度降低磨削力正是磨削工作者多年來追求的目標(biāo)，超聲振動(dòng)磨削加工為這一目標(biāo)提供了有效的手段。</p><p>　?。?） 切削低溫效果</p><p>　　

34、振動(dòng)切削時(shí)，被加工材料的彈塑性變形和切刃各接觸表面的摩擦系數(shù)大幅度下降，且加工中的力和熱都以脈沖形式出現(xiàn)，使切削熱的平均值大幅度下降。</p><p>　　（3） 低的表面粗糙度和高的加工精度效果</p><p>　　超聲波振動(dòng)切削由于脈沖力作用破壞了產(chǎn)生積屑瘤的條件，又由于切削力小，切削溫度低，使被加工表面粗糙度大大降低，表面幾何精度大幅度提高。振動(dòng)切削中，切刃雖在振動(dòng)，但在切刃和工件接

35、觸并產(chǎn)生切屑的瞬間，切刃所處的位置在加工過程中總是保持不變的。由于工件也不隨時(shí)間發(fā)生變動(dòng)，送而為提高加工精度創(chuàng)造了條件。被認(rèn)為是圓度誤差、圓柱度誤差、平面度和平行度誤差近似為零的一種精密和超精密加工的方法。</p><p>　?。?） 提高了切削液的使用效果</p><p>　　振動(dòng)磨削時(shí)，珩磨過程是斷續(xù)發(fā)生的，當(dāng)磨刃與工件分離時(shí)，珩磨液可以順利的進(jìn)入磨削區(qū)，包圍著磨粒進(jìn)行冷卻潤滑。在磨粒

36、切入時(shí)，切削液被強(qiáng)力擠壓、形成瞬間高壓，使切削液直接滲入到磨刃與切屑的接觸表面，充分的起到冷卻作用。此外超聲振動(dòng)所形成的空化作用，一方面也可使珩磨液均勻浮化；另一方面，切削液更容易滲到材料的微裂紋內(nèi)，進(jìn)一步提高了珩磨液的使用效果。</p><p>　　4.2超聲波振動(dòng)珩磨的磨削機(jī)理</p><p>　　超聲振動(dòng)珩磨加工是指將不同頻率的超聲波分別施加軸向振動(dòng)及徑向振動(dòng)給珩磨工具上，然后與普通

37、珩磨方法相復(fù)合對被加工工件進(jìn)行加工。其實(shí)質(zhì)是將超聲振動(dòng)與普通珩磨相復(fù)合的一種加工方法。按超聲波的振動(dòng)方向相對往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向可分為三種形式：軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。三種振動(dòng)方式都使油石的合成速度附加了正弦波的振動(dòng)，若油石振動(dòng)形式為正弦波，則合成速度變化如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 合成速度分析</p><p><b>　　軸向振動(dòng)：</b><

38、;/p><p><b>　　徑向振動(dòng)：</b></p><p><b>　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：</b></p><p>　　目前由于超聲換能器的限制，使用較多的是軸向振動(dòng)方式，本課題采用軸向振動(dòng)方式。</p><p>　　軸向振動(dòng)切削時(shí)油石運(yùn)動(dòng)按圖4-1（a）所示為正弦線，為了簡化分析將其近似成三角波，如圖4-

39、2所示，切刃與切削合成速度的垂直方向夾角為，</p><p><b>　　，其值為：</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖4-2 軸向振動(dòng)油石的運(yùn)動(dòng)</p><p>　　實(shí)際切削中，切刃成角切削，即可看成刃傾角為教的斜角切削，斜刃切削時(shí)的有效前角與直角切削

40、時(shí)的有效前角的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　可見，當(dāng)油石附加軸向振動(dòng)時(shí)，其切刃的前角增大成，大多數(shù)油石磨粒切削前角為負(fù)值，當(dāng)增大刃傾角時(shí)，使由負(fù)向正轉(zhuǎn)化，茄切刃變的鋒利，利于切削。并由式（4-1）、（4-2）可知，當(dāng)振動(dòng)量A、f變大，前角變大，切刃趨向更鋒利。</p><p>　　徑向切削時(shí)，油石

41、運(yùn)動(dòng)按圖4-1（b）所示為正弦曲線，為便于分析將其簡化為三角波如圖4-3所示。當(dāng)全振幅2A＞h（平均切削深度）時(shí)，為分離切削，切削狀態(tài)見圖4-4所示，當(dāng)油石向著工件振動(dòng)時(shí)，切刃的基面轉(zhuǎn)動(dòng)角。</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　圖4-3 徑向振動(dòng)油石的運(yùn)動(dòng)</p><p>　　圖4-4徑向振動(dòng)切削狀態(tài)</

42、p><p>　　此時(shí)前角為角和無徑向振動(dòng)時(shí)的前角之和，</p><p><b>　　（4-4）</b></p><p>　　因此，前角變大，切刃變的鋒利。徑向振動(dòng)切削，既有分離切削，利于冷卻潤滑，又有前角變大，切刃趨于鋒利的特點(diǎn)。振動(dòng)量A、f增大，角增大，前角變大。</p><p>　　4.3超聲波振動(dòng)珩磨的切削量分析<

43、;/p><p>　　假定磨粒是半角為的圓錐體（實(shí)際為棱錐體），設(shè)其切削深度為，則磨粒切削圓半徑為，如圖4-5所示。圖中x為切削速度方向（切向），y為油石的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度方向（軸向）。當(dāng)油石未加軸向振動(dòng)珩磨時(shí)，磨粒在工件表面的運(yùn)動(dòng)詭軌跡是大螺旋角的螺線，合成運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槁菥€的切線。</p><p>　　圖4-5 軸向振動(dòng)磨粒空切削示意圖</p><p>　　A點(diǎn)為磨粒切削圓

44、圓心，沿方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)施加軸向振動(dòng)珩磨時(shí)，磨粒不僅沿方向運(yùn)動(dòng)，而且附加了正弦運(yùn)動(dòng)。圖中當(dāng)相位角為時(shí)，切削圓圓心在A處，過A點(diǎn)垂直與切削方向的切削圓直徑與該切削圓圓周上的兩個(gè)交點(diǎn)為B點(diǎn)和C點(diǎn)，與切線運(yùn)動(dòng)正方向同向的BC錐面為切削磨粒的前刀面。當(dāng)切削圓圓心沿正弦曲線從到相位時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦線，C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為外包絡(luò)弧線，B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為內(nèi)包絡(luò)弧線，內(nèi)包絡(luò)弧線與相位時(shí)的切削圓相交于點(diǎn)。由圖中運(yùn)動(dòng)軌跡分析可知，切削圓實(shí)際參加切削的錐面隨正弦曲線的

45、方向而變化，不同于普通珩磨切削狀態(tài)。當(dāng)B到達(dá)點(diǎn)時(shí)，縱坐標(biāo)以下的面積在磨粒上走到相位角位置前的某瞬間內(nèi)已被切除了，因此在磨粒趨近相位角時(shí)，圖中陰影部分已無金屬可切除，即為空切削。同理，當(dāng)切削圓圓心A處于圖示位置時(shí)，在另一側(cè)同樣出現(xiàn)此空切削現(xiàn)象。</p><p>　　軸向功率超聲加工的空切削引起了切削面積的變化，未空切削時(shí)，磨粒在垂直切削深度方向的投影面積為：</p><p><b>

46、;　?。?-5）</b></p><p>　　面積減小值為： （4-6）</p><p>　　假定油石中有m個(gè)顆粒在與工件接觸，則有</p><p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　式中：——平均切削深度</p>

47、<p><b>　　——工件屈服壓力</b></p><p><b>　　——油石工件表面積</b></p><p><b>　　P——工件正壓力</b></p><p>　　當(dāng)產(chǎn)生空切削時(shí)，由于切削深度方向的面積減小，則有</p><p><b>　?。?

48、-8）</b></p><p>　　由于工件正壓力不變，由式子4-7和4-8得，空切削的切削深度大于未空切削時(shí)的切削深度。</p><p>　　因此，軸向超聲振動(dòng)加工所出現(xiàn)的空切削現(xiàn)象，使實(shí)際切削深度增大，降低了工作壓力，降低了切削溫度，減少了工藝系統(tǒng)的變形。</p><p>　　金屬切削過程包括金屬的彈性變形、塑性變形、金屬被切除。切削加工的切削性可用

49、塑性變形后開始切削的最大殘余變形量t來度量，t越小切削性越好。由于功率超聲振動(dòng)加工過程中，工件受高頻振動(dòng)能量的沖擊，從而在被切削前有一個(gè)較大的預(yù)塑性變形，使切削時(shí)的最大殘余變形量t小于無振動(dòng)切削時(shí)的t。因此，功率超聲加工易于消除由犁溝啃削等切削性不良造成的誤差。</p><p>　　4.4 磨粒性能分析</p><p>　　以軸向功率超聲振動(dòng)切削加工為例，分析油石的磨粒性能。按縱波傳播的

50、波動(dòng)方程可得油石離開其端面任意處x的位移u為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　應(yīng)變?yōu)椋?lt;/b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　式中：</b></p>

51、<p><b>　　A——油石振動(dòng)振幅</b></p><p><b>　　f——超聲波頻率</b></p><p><b>　　c——傳播速度；</b></p><p>　　E——油石的彈性模量</p><p><b>　　——油石密度</b>

52、;</p><p><b>　　一般情況下，有：</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p><b>　　（4-12）</b></p><p><b&g

53、t;　　應(yīng)力為：</b></p><p><b>　　（4-13）</b></p><p>　　當(dāng)f=20KHz，-A=5，x=5mm時(shí)，計(jì)算得其最大應(yīng)力。一般陶瓷或樹脂結(jié)合劑的靜破壞應(yīng)力約大于左右?？梢?，超聲振動(dòng)附加給油石的動(dòng)應(yīng)力接近其靜破壞應(yīng)力，使得磨粒的自礪性增強(qiáng)</p><p>　　由于超聲波的高頻振動(dòng)能量，使加工過程中磨屑

54、堵塞氣孔的現(xiàn)象減輕乃至消除。利用式子4-13，對其乘上泊松比，就得到了垂直于加工面的油石的動(dòng)應(yīng)力。</p><p><b>　　（4-14）</b></p><p>　　當(dāng)為，取=0.3，則為。大于大氣壓一個(gè)數(shù)量級，故加工時(shí)較易將磨屑排除，從而消除油石的氣孔堵塞現(xiàn)象。</p><p>　　臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置的設(shè)計(jì)</p>&

55、lt;p>　　功率超聲振動(dòng)珩磨裝置的作用是使油石產(chǎn)生超聲縱向振動(dòng)，并達(dá)到一定的振幅，在機(jī)床不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加壓，以完成珩磨加工。</p><p>　　超聲波振動(dòng)珩磨裝置由以下幾部分組成：超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、珩磨頭體及冷卻循環(huán)系統(tǒng)。而超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿（又稱振幅放大桿）、彎曲振動(dòng)圓盤、撓性桿-油石座振動(dòng)子系統(tǒng)組成。</p><p>　　功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)的工作

56、原理是：超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻點(diǎn)振蕩通過超聲波換能器轉(zhuǎn)換為超聲頻縱向震動(dòng)，變幅桿將換能器的超聲頻縱向振動(dòng)放大后傳給彎曲振動(dòng)圓盤，撓性桿將彎曲振動(dòng)圓盤的彎曲振動(dòng)變成縱向振動(dòng)后傳給油石座，油石座帶動(dòng)與其聯(lián)結(jié)在一起的油石進(jìn)行縱向振動(dòng)。功率超聲振動(dòng)珩磨原理圖如圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1 功率超聲振動(dòng)珩磨原理圖</p><p>　　5.1 功率超聲振動(dòng)各部分組成</p&

57、gt;<p>　　5.1.1 超聲波發(fā)生器</p><p>　　超聲波發(fā)生器又稱為超聲頻率發(fā)生器、超聲振動(dòng)發(fā)生器或超聲波電源，其作用是將50Hz的交變電變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l振蕩，提供給超聲振動(dòng)系統(tǒng)使工具作往復(fù)振動(dòng)的能源。超聲波發(fā)生器有電子管和晶體管兩種。由于晶體管發(fā)生器具有成本低、體積小、耗能少、開機(jī)時(shí)不需要預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用功率為200W、振動(dòng)頻率為20kHz的晶體管超聲波發(fā)生器作為

58、功率超聲源。超聲波發(fā)生器原理圖如下：</p><p>　　圖5-2 超聲波發(fā)生器原理框圖</p><p><b>　　超聲波換能器 </b></p><p>　　超聲波換能器的作用是將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)。目前所使用的換能器主要有兩種：磁致伸縮換能器和壓電換能器。磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化的磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的。壓

59、電換能器是利用某些電介質(zhì)的電致伸縮效應(yīng)（非鐵電型壓電晶體）和某些不具有對稱中心晶體的逆壓電效應(yīng)（鐵電型壓電陶瓷）。電致伸縮效應(yīng)是指某些電介質(zhì)材料在電場作用下，由于誘導(dǎo)極化的作用而引起尺寸大小顯著變化的效應(yīng)，即變形效應(yīng)，變形的大小與極化強(qiáng)度的平方成正比。壓電效應(yīng)是指一些不具有對稱中心的晶體，沿其某以方向施加機(jī)械作用力時(shí)，晶體就會(huì)由于發(fā)生形變而導(dǎo)致正負(fù)電荷重心不重合，也就是電矩發(fā)生了變化，晶體表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，即呈現(xiàn)出電位，其電荷密度與外力

60、成正比。反之，將一壓電晶體置于外電場中，在電場的作用下引起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷重心的位移，這一極化位移又導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，即逆壓電效應(yīng)。 </p><p>　　磁致伸縮換能器的優(yōu)點(diǎn)是：在工件條件變化很大的情況下，切削力變動(dòng)以及振動(dòng)系統(tǒng)自身的一些變化對工具的振動(dòng)形態(tài)影響比較小。此外由此組成的工具振動(dòng)系統(tǒng)使用安全可靠，調(diào)整方便，容易掌握。但是磁致伸縮

61、換能器電聲轉(zhuǎn)換效率低，一般只有30%左右，體積大，需要水循環(huán)冷卻。壓電換能器尺寸小，聲電轉(zhuǎn)換效率高，瞬時(shí)輸出功率大。因此本裝置采用壓電換能器。</p><p>　　壓電換能器的核心部分是壓電材料。早期應(yīng)用的壓電材料是壓電單晶，首先是石英晶體，隨后是一系列人造水溶性晶體，如羅謝爾鹽、磷酸二氫氨等。除了石英晶體廣泛應(yīng)用以外，其他材料實(shí)際中已不常應(yīng)用。</p><p>　　石英晶體的壓電性能是在

62、1880年被發(fā)現(xiàn)的，它具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在200℃以下時(shí)，石英晶體的壓電效應(yīng)幾乎與溫度無關(guān)。在通常情況下，石英晶體的性能隨時(shí)間幾乎沒有變化。石英晶體不溶于水，便于切割、研磨和拋光加工，機(jī)械損耗小，機(jī)械品質(zhì)因素高，被廣泛用來制作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子級高選擇性的濾波器。</p><p>　　人工壓電材料包括壓電陶瓷、壓電高聚物和壓電復(fù)合材料等，這其中以壓電陶瓷最為常用。壓電陶瓷比任何單晶體材料更具有多方面的適應(yīng)性，它

63、能夠施加或承受很大的應(yīng)力，具有優(yōu)異的壓電性能，并且不受潮濕和其他大氣條件的影響，比一般人造晶體好的多。壓電陶瓷制作方便，幾乎可以作成任何需要的形狀和大小，而且可以自由選擇極化方向。壓電陶瓷可以通過改變其化學(xué)成分及添加雜質(zhì)來改變性能，以適應(yīng)不同的用途</p><p>　　目前在當(dāng)今的壓電換能器中多采用夾心式的制作方法。這種加預(yù)應(yīng)力的夾心換能器具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　（1）壓電陶瓷

64、元件都具有抗壓強(qiáng)度高、抗張強(qiáng)度低的特點(diǎn)，中心螺栓給予預(yù)應(yīng)力，一方面能在強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)增強(qiáng)換能器的穩(wěn)定性；另一方面確保在大功率條件下處于壓縮狀態(tài)，從而避免陶瓷膨脹而造成破裂。</p><p>　?。?）因?yàn)橹虚g的激勵(lì)元件是由一組電極接在兩端面的軸向極化圓環(huán)組成，從而能運(yùn)用最大的有效機(jī)電耦合系數(shù)k，這樣激勵(lì)電源的激勵(lì)電壓不需要太高。</p><p>　?。?）壓電圓環(huán)的數(shù)目及連接方式都有選擇余

65、地，從而能在較寬的頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)換能器。</p><p>　　因此本課題要求的臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置采用夾心式壓電換能器。</p><p>　　夾心式壓電換能器的結(jié)構(gòu)由鋼質(zhì)反射罩、鋁合金聲頭和鋯鈦酸鉛材料振子三部分組成。鋼質(zhì)反射罩和鋁合金之間夾有壓電陶瓷片，用螺釘或其他方式夾緊，為了進(jìn)行高壓絕緣，采用兩個(gè)壓電陶瓷片按極方向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，之間電極片可以用薄電極，也可以用厚電極。</p&

66、gt;<p>　　設(shè)鋼質(zhì)反射罩、壓電陶瓷和鋁合金聲頭的輸入端面積為，其半徑為；鋁合金聲頭的輸出端面積為，其半徑為；鋼質(zhì)反射罩厚度為，鋁合金聲頭的厚度為，兩個(gè)壓電陶瓷片的厚度均為。</p><p>　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置取在換能器兩個(gè)壓電陶瓷片中間時(shí)</p><p><b>　　——波長</b></p><p>　　則換能器的頻率方程為：&

67、lt;/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　f——共振頻率，Hz</p><p>　　——聲波在壓電陶瓷片中的傳播速度，m/s</p><p>　　——聲波在鋼質(zhì)反射罩中的傳播速度，m/s</p>

68、<p>　　——壓電陶瓷片的密度，</p><p>　　——鋼質(zhì)反射罩的密度，</p><p><b>　　——機(jī)電耦合系數(shù)</b></p><p>　　鋼質(zhì)反射罩和鋁合金聲頭尺寸之間有下述關(guān)系：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>

69、<b>　　式中：</b></p><p>　　——聲波在鋁合金中的傳播速度，m/s</p><p><b>　　——鋁合金的密度，</b></p><p>　　中間有圓柱孔的夾心式壓電換能器的頻率方程較為復(fù)雜，一般按無圓柱孔的夾心式壓電換能器的頻率方程進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行試驗(yàn)修正。</p><p>

70、　　5.1.3 變幅桿</p><p>　　換能器在高頻點(diǎn)振蕩作用下的伸縮變形很小，一般在左右，不能直接用來進(jìn)行珩磨加工，因此必須通過變幅桿將振幅加以放大。變幅桿主要有以下幾種：圓錐形、指數(shù)形、階梯形和懸鏈線形。各種變幅桿在軸向長度上截面的變化規(guī)律不一樣，，但在桿上每一截面處的振動(dòng)能量是不變的（不計(jì)傳播損耗）。截面積越小，截面上能量密度越大。由于能量密度正比于振幅A的平方，即：</p><p

71、><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　式中：——系數(shù)，</b></p><p><b>　　——彈性介質(zhì)的密度</b></p><p>　　所以，截面小的地方能量密度大，振幅也就得到了放大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率和外激振動(dòng)頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。&l

72、t;/p><p>　　階梯形變幅桿具有較大的放大倍數(shù)，制造簡單，但是容易發(fā)生側(cè)振。指數(shù)形變幅桿和圓錐形變幅桿在大功率、高聲強(qiáng)的工作狀態(tài)時(shí)，工作性能穩(wěn)定，振幅的放大倍數(shù)也較大，阻抗容易匹配。但是指數(shù)形變幅桿制造比較麻煩，因此本設(shè)計(jì)采用了圓錐形變幅桿。</p><p><b>　　彎曲振動(dòng)圓盤</b></p><p>　　彎曲振動(dòng)圓盤位于變幅桿和珩磨桿

73、之間，它是超聲波振動(dòng)珩磨裝置的重要零件，該零件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的振動(dòng)能否通過它傳遞到撓性桿上，并保證振動(dòng)時(shí)珩磨桿不振動(dòng)。因此，彎曲振動(dòng)圓盤必須滿足如下條件：</p><p>　　諧振頻率接近理想值，即f=20kHz。</p><p><b>　　圓盤波腹振幅A≥。</b></p><p>　　圓盤有足夠的強(qiáng)度和剛度。&l

74、t;/p><p>　　要能準(zhǔn)確確定圓周節(jié)線位置。</p><p>　　使圓盤振動(dòng)的最大振幅傳遞到撓性桿上去。</p><p>　　彎曲振動(dòng)圓盤相當(dāng)于中心固定的薄圓盤，其共振頻率可按下式計(jì)算：</p><p><b>　　（5-4）</b></p><p>　　式中，——圓盤厚度（mm）</p&g

75、t;<p>　　——圓盤半徑（mm）</p><p><b>　　——泊松比</b></p><p><b>　　——頻率系數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)上式計(jì)算出來的共振頻率只是理想值，實(shí)際制造使用時(shí)，應(yīng)使用數(shù)字頻率計(jì)測定圓盤的實(shí)際共振頻率，并進(jìn)行修正，以接近理想共振頻率。</p>&l

76、t;p>　　5.1.5 撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)是振動(dòng)系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，振動(dòng)由換能器輸出端傳出，經(jīng)變幅桿、彎曲振動(dòng)圓盤、最后到撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)，油石座帶動(dòng)油石進(jìn)行縱向振動(dòng)。撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)是由兩段不同截面的均勻桿組成，其頻率方程為：</p><p><b>　?。?-5）</b></

77、p><p>　　5.2 聲振系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　5.2.1 變幅桿的初步設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　根據(jù)功率超聲振動(dòng)珩磨裝置的設(shè)計(jì)要求,圓錐形變幅桿中間應(yīng)該有一個(gè)圓柱形通孔,如圖5-3所示:</p><p>　　圖5-3 有圓柱孔的圓錐形變幅桿</p><p>　　中間有孔的圓錐形變幅桿的波動(dòng)方程為:

78、</p><p><b>　　(5-6)</b></p><p><b>　　式中:</b></p><p>　　聲波在細(xì)棒中傳播的速度,m/s</p><p>　　波動(dòng)方程5-6的解為:</p><p><b>　　(5-7)</b></p>

79、;<p><b>　　(5-8)</b></p><p><b>　　其共振頻率方程為:</b></p><p><b>　　(5-9)</b></p><p><b>　　位移節(jié)點(diǎn)為:</b></p><p><b>　　(5-1

80、0)</b></p><p><b>　　輸入力阻抗為:</b></p><p><b>　　由邊界條件得</b></p><p><b>　　(5-11)</b></p><p>　　由邊界條件和式子5-9得</p><p><b&g

81、t;　　(5-12)</b></p><p><b>　　變幅桿輸入端力為</b></p><p><b>　　(5-13)</b></p><p><b>　　形狀因數(shù)</b></p><p>　　令,即得位移極大點(diǎn)方程</p><p>&

82、lt;b>　　(5-14)</b></p><p><b>　　(5-15)</b></p><p>　　式中由式5-12確定.</p><p>　　令,即得應(yīng)變極大點(diǎn)的方程</p><p><b>　　(5-16)</b></p><p><b>

83、;　　(5-17)</b></p><p>　　式中由式5-17確定</p><p><b>　　(5-18)</b></p><p>　　式中和分別由式5-15和5-17求出.</p><p>　　通常取45鋼等調(diào)質(zhì)處理的材料作為變幅桿的材料,其聲速c=5157m/s,共振頻率f取20kHz,則:</

84、p><p><b>　　取,,</b></p><p>　　則通過式5-6,5-7,5-8可以初步計(jì)算出、、的值：</p><p><b>　　=133.2mm</b></p><p><b>　　=58.9mm</b></p><p><b>　

85、　=1.8</b></p><p>　　彎曲振動(dòng)圓盤的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　根據(jù)彈性振動(dòng)理論，彎曲振動(dòng)圓盤可看作圓形薄板振動(dòng)，其共振頻率f可按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　式中，h——圓盤厚度（m）</p><p>　　R——

86、圓盤半徑（m）</p><p>　　G——重力加速度，G=9.8</p><p><b>　　E——彈性模量（）</b></p><p><b>　　——材料密度（）</b></p><p><b>　　——泊松比</b></p><p>　　——頻率系

87、數(shù)，當(dāng)=0.3時(shí)，值見表5-1</p><p>　　——簡正振動(dòng)振幅分布的圓周節(jié)線數(shù)目</p><p>　　——簡正振動(dòng)振幅分布的直線節(jié)數(shù)數(shù)目</p><p>　　表5-1 頻率振動(dòng)系數(shù)（當(dāng)=0.3時(shí)）</p><p>　　考慮到聲波傳遞的效率和速度，彎曲振動(dòng)圓盤宜選用聲速大的材料。本設(shè)計(jì)采用了45調(diào)質(zhì)鋼，其聲速c=5157m/s，材料密度，

88、泊松比=0.3，彈性模量</p><p>　　若取=0.3，m=0，n=1，則=2.5597。</p><p>　　取R=0..28m，則通過式子5-19可以計(jì)算出h=0.0103m</p><p>　　根據(jù)式5-19計(jì)算出來的共振頻率f只是理想值。實(shí)際制造使用時(shí)，應(yīng)使用數(shù)字頻率計(jì)測定圓盤的實(shí)際共振頻率f，并進(jìn)行修正，以接近共振理想頻率。</p>&l

89、t;p>　　撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　我們把撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)簡化為細(xì)長桿下面懸掛一集中質(zhì)量M的數(shù)學(xué)模型，如圖5-4所示：</p><p>　　圖5-4 撓性桿-油石座工具震動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　設(shè)油石座的長為A，寬為B，高為h。撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程為波動(dòng)方程：</p>

90、<p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　端點(diǎn)條件為：</b></p><p>　　X=0，u=0 （5-21）</p><p>　　X=1，

91、 （5-22）</p><p>　　式中：E——撓性桿彈性模量</p><p><b>　　S——撓性桿截面積</b></p><p>　　由式5-20、5-21、5-22可導(dǎo)出頻率方程為</p><p><b>　　（5-23）</b></p><p&g

92、t;　　式中： （5-24）</p><p>　　——撓性桿中聲波傳播的速度</p><p>　　——撓性桿中的聲波波長</p><p><b>　　——撓性桿長度</b></p><p><b>　　——撓性桿質(zhì)量</b>

93、</p><p>　　——油石與油石座質(zhì)量之和</p><p>　　撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　?。?）選定撓性桿材料，即確定、。撓性桿采用不銹鋼制作，聲速</p><p><b>　　=5157m/s。</b></p><p>　　（2）根據(jù)換能器、變幅桿、彎曲

94、振動(dòng)圓盤的共振狀態(tài)，測定他們的共振頻率f作為撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率，由此即得撓性桿的聲波波長=257.85mm</p><p>　?。?）根據(jù)撓性桿和油石座質(zhì)量的大小，試選質(zhì)量比m/M。我們在這里試取</p><p><b>　　m/M=0.4。</b></p><p>　　（4）由方程5-23解出y，再由式5-24算出撓性桿長度

95、。將m/M=0.4代入方程5-23，算出y=4.8，然后算出=197mm。</p><p>　?。?）根據(jù)珩磨頭直徑確定油石條數(shù)和油石寬度，由此即可確定油石座寬度。本設(shè)計(jì)的珩磨頭直徑為20mm，由表5-2可確定油石條數(shù)為3，油石寬度為3mm，油石座寬度為5mm。</p><p>　　表5-2 珩磨油石截面高度及數(shù)量</p><p>　　根據(jù)珩磨資料和被珩磨孔的長度

96、來確定油石座長度A。</p><p>　　若A較大，則選聲速大的材料制作油石座；</p><p>　　若A較小，則選聲速小的材料制作油石座；</p><p>　　由此可確定油石座材料密度，油石座聲速和油石座聲波波長?？紤]到油石座和油石需要用彈簧拉緊，所以油石座長度A通常取為半波長的整數(shù)倍。</p><p><b>　　（5-25）&

97、lt;/b></p><p>　　式中：n=1，2，3，…</p><p>　　（7）最后兩個(gè)未知參數(shù)：油石座高度H和撓性桿直徑d.只要選定任意一個(gè)參數(shù)，則另外一個(gè)參數(shù)即可確定。</p><p>　　根據(jù)撓性桿和油石座幾何形狀、材質(zhì)，可列出質(zhì)量比m/M的計(jì)算公式：</p><p><b>　?。?-26）</b>&

98、lt;/p><p>　　已知油石座高度H時(shí)：</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　已知撓性桿直徑d時(shí)：</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　當(dāng)珩磨頭直徑為20mm時(shí)，屬于小孔，因此用單油石珩磨頭，油石座寬為5mm

99、，撓性桿為不銹鋼，直徑為2mm，油石座材料為45鋼，通過計(jì)算取撓性桿長度為197mm，油石座長度為200mm，油石座厚度為7mm。</p><p><b>　　變幅桿的修正計(jì)算</b></p><p>　　由于彎曲振動(dòng)圓盤以及撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算都是近似值，有必要通過對彎曲振動(dòng)圓盤、撓性桿-油石座工具振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測定該系統(tǒng)的共振頻率f

100、為18.6kHz，于是對變幅桿進(jìn)行修正計(jì)算：</p><p><b>　　取,,</b></p><p>　　則通過式子5-23、5-24、5-25可以計(jì)算出、、的值：</p><p><b>　　=143.5mm</b></p><p><b>　　=63mm</b><

101、/p><p><b>　　=1.8</b></p><p><b>　　5.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.3.1功率超聲振動(dòng)珩磨裝置結(jié)構(gòu)</p><p>　　參見20mm臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置圖</p><p>　　5.3.2臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置特點(diǎn)：<

102、/p><p>　?。?）珩磨裝置可以旋轉(zhuǎn)。</p><p>　?。?）超聲波發(fā)生器采用晶體管電路，功耗低、效率高、不需預(yù)熱、造價(jià)低、體積小。</p><p>　?。?）換能器采用壓電換能器，具有能量轉(zhuǎn)換高、體積小、不需水冷、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　?。?）換能器、變幅桿和彎曲振動(dòng)圓盤的中心制有通孔，孔中裝有圓柱頂桿，與珩磨機(jī)的加

103、壓機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)油石的自動(dòng)漲縮。</p><p>　　（5）珩磨桿、珩磨頭體均不振動(dòng)，珩磨頭結(jié)構(gòu)簡單。</p><p>　　（6）壓電式功率超聲珩磨裝置體積小，重量輕，便于在珩磨機(jī)上安裝使用。</p><p>　?。?）諧振系統(tǒng)通過圓錐變幅桿節(jié)點(diǎn)固定圓盤的過孔，用螺釘固定于殼體與連接體之間，諧振系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)固定懸掛于殼體與連接體之中，并隨其旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。</p

104、><p>　　（7）圓錐變幅桿的節(jié)電固定圓盤與殼體、連接體等連接部位均采用圓柱面定心。</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　我們研制的功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，與國外同類裝置相比，具有下述特點(diǎn)：</p><p>　　（1）珩磨桿、珩磨頭體工作時(shí)均不振動(dòng)，珩磨頭結(jié)構(gòu)簡單。由于珩磨桿工作時(shí)不振動(dòng)，不需

105、要考慮珩磨桿的節(jié)點(diǎn)問題，珩磨頭體與珩磨桿前端可以相互浮動(dòng)、剛性連接、或者做成一體。</p><p>　　（2）由于珩磨桿不振動(dòng)，可節(jié)約能量40%。</p><p>　?。?）浮動(dòng)機(jī)構(gòu)既可以放在水套后面，又可以放在珩磨頭體后面；而國外同類裝置只能把浮動(dòng)機(jī)構(gòu)放在水套后面，在許多情況下導(dǎo)致珩磨頭浮動(dòng)不靈活。</p><p>　?。?）油石漲開機(jī)構(gòu)可以放在珩磨頭體后面，實(shí)際

106、使用中操作方便；而國外同類裝置只能把油石漲開機(jī)構(gòu)放在珩磨頭體前面，實(shí)際使用中操作很不方便。</p><p>　　超聲波振動(dòng)珩磨具有珩磨力小、珩磨溫度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工質(zhì)量高等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而為提高珩磨效率、解決銅、鋁、鈦合金等韌性材料和陶瓷等硬脆材料的光整加工問題開辟了一條新途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　超聲波振動(dòng)珩磨是利用超聲波振動(dòng)珩磨裝置將超聲能量傳輸

107、到珩磨加工區(qū)的。超聲波振動(dòng)珩磨裝置是超聲波振動(dòng)珩磨工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它的研制成功，為下一步研究超聲波振動(dòng)珩磨機(jī)理、工藝及其應(yīng)用打下了有利的基礎(chǔ)。</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] [日]隈部純一郎.精密加工振動(dòng)切削基礎(chǔ)及應(yīng)用.韓一昆，

108、薛萬夫。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.</p><p>　　[2] 李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003（1）.</p><p>　　[3] 祝錫晶.超聲波珩磨.機(jī)械制造，1995，20（6）：28-29.</p><p>　　[4] 祝錫晶等.功率超聲珩磨發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁缸套新技術(shù).山西機(jī)械，1999增刊2：3-4</p>&

109、lt;p>　　[5] 辛志杰，祝錫晶等.超聲波振動(dòng)珩磨振動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)研究.工具技術(shù)，1998（10）.</p><p>　　[6] 張?jiān)齐?超聲加工及其應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，1995.</p><p>　　[7] 吳雪松，祝錫晶，高艷霞等.功率超聲振動(dòng)加工技術(shù)中諧振系統(tǒng)的研究.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）.</p><p>　　[8] 奚鳳豐

110、，王誠德.磨具上附加超聲波的切削加工機(jī)理.電加工，1987（2）.</p><p>　　[9] 李祥林，薛萬夫，張日升等.振動(dòng)切削及其在機(jī)械加工中的應(yīng)用.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1985.</p><p>　　[10] 張?jiān)齐?，王純，喻家英?超聲波振動(dòng)珩磨裝置的研究.太原機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1990（2）.</p><p>　　[11] 曹鳳國.超聲加工技術(shù).北京：

111、化學(xué)工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[12] 范國良，陳傳良.超聲加工的概況和未來展望.電加工，1994（6）：29-30.</p><p>　　[13] 薛玉君，趙波.超聲振動(dòng)珩磨子系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法.工具技術(shù)：24-26.</p><p>　　[14] 范國良，應(yīng)崇福，林仲茂，彭翔.一種新型的超聲加工深小孔的工具系統(tǒng).應(yīng)用聲學(xué)，1982（1）.<

112、;/p><p>　　[15] 楊周銅.高速超聲加工工具的研究與應(yīng)用.應(yīng)用聲學(xué)，1997（5）.</p><p>　　[16] 趙波，何定東，蘇筱武.超聲振動(dòng)珩磨傳聲子系統(tǒng)的研究.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998（3）.</p><p>　　[17] 祝錫晶，徐鴻鈞，王愛玲.超聲珩磨加工技術(shù)中振動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)年報(bào)增刊，2005（10）.</p>

113、<p>　　[18] 辛志杰，徐燕申.超聲珩磨振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)與研究，2006（6）.</p><p>　　[19] 辛志杰，袁藝.珩磨機(jī)改造新途徑-超聲波珩磨.新技術(shù)新工藝，1998（2）.</p><p>　　[20] 袁艷玲，馬玉平，王得勝等.彎曲振動(dòng)圓盤振動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法.機(jī)械工程師，2004（10）.</p><p>　　[21] 趙波.縱

114、向超聲振動(dòng)珩磨系統(tǒng)及硬脆材料延性切削特征研究.上海，上海交通大學(xué)，1999.</p><p>　　[22] 吳雪松，祝錫晶，徐鴻鈞等.大直徑缸套功率超聲振動(dòng)珩磨裝置的研制.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（12）.</p><p>　　[23] 辛志杰，馬東，袁藝，祝錫晶.超聲珩磨裝置的設(shè)計(jì).山西機(jī)械，1999年增刊2.</p><p>　　[24] 辛志杰，袁藝，祝錫晶.坦

115、克發(fā)動(dòng)機(jī)缸套超聲珩磨技術(shù).華北工學(xué)院報(bào)，1999（20）.</p><p>　　[25] Lehner V D,Defanti T A. Distributed virtual reality-supporting remote collaboration in vehicle design[J].IEEE computer Graphics & Application, Mar-Apr 1997,3(4

116、):141-149.</p><p>　　[26] Leon Camp.Underwater[M].Wiley-Inter Science Publicationa,Franch,1970</p><p>　　[27] Xin Zhijie,Zhu Xijing.New methed of honing machine-ultrsonic vibration honing[J].New T

117、echnology and New Process,1998.2;17-21.</p><p>　　[28]Zhu Xijing. Ultrsonic honing[J].Machine,1995,6;28-29</p><p>　　[29]Zhu Xijing. Study on the technology of new ultrsonic honing[J].Key Engineer

118、ingMaterials,2001,202-203,407-411.</p><p>　　[30] Zhu Xijing. Study on the vibration system of the efficiency ultrasonic</p><p>　　Cylinder honing[J].China Mechancal Engineering,2002,13(9):727-730