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超聲磨削裝置
摘 要
旋轉(zhuǎn)超聲磨削是在傳統(tǒng)機(jī)械磨削的基礎(chǔ)上，將超聲振動(dòng)加入到磨削工具上的一種新型的復(fù)合加工方法。該方法不僅保留了傳統(tǒng)機(jī)械磨削的一些優(yōu)良特性，又因加入超聲振動(dòng)后，能較大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、復(fù)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，并利用該裝置進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究。全文主要內(nèi)容概括如下：
1. 討論分析了旋轉(zhuǎn)超聲磨削的材料去除機(jī)理。旋轉(zhuǎn)超聲磨削中材料去除機(jī)理同時(shí)具有沖擊（磨具上的磨粒對(duì)工件表面的高頻高速?zèng)_擊）和磨蝕（磨削工具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可模型化為磨削過(guò)程）兩種作用。
2. 研制了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置。該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機(jī)床上或普通機(jī)床上，進(jìn)行常見(jiàn)表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。
關(guān)鍵詞：超聲加工意義，旋轉(zhuǎn)超聲磨削，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，
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, and carry out some research by using developed develop. The main content of this paper can be sum up as follows:
1. We have analysis the material remove mechanism of RUG, and material
remove of rotary ultrasonic grinding conclude on high frequency impact of abrasive particles on grinding tool against work piece and ablation that rotary and in-feed movement of grinding tool can form grinding process.
2. A new grinding device of rotary ultrasonic machining have been designed and manufactured. 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.
Key words: ultrasound processing significance ; Rotate ultrasound grind ;
Structure design and checking
目 錄
前言 1
1.緒論 2
1.1 超聲的發(fā)展史 2
1.2超聲加工的原理及特點(diǎn) 2
1.3 工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù) 3
1.4超聲加工陶瓷的意義及前景 7
2. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8
2.1超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.1.1超聲加工設(shè)備及其組成部分 8
2.1.2初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.1.3 結(jié)構(gòu)的比較 10
2.1.4 最后結(jié)構(gòu)的確定 11
2.2 裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核 13
2.2.1 電機(jī)的計(jì)算與選擇 13
2.2.2 變幅桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算 15
2.2.3 壓電陶瓷的選擇 17
2.2.4 軸強(qiáng)度的較核 18
2.2.5 鍵的校核 19
3.總結(jié)與展望 21
3.1總結(jié) 21
3.2展望 21
參考資料 23
致謝 24
25
前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領(lǐng)域的需求，不銹鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷等難加工材料應(yīng)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(lái)切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、加工硬化趨勢(shì)強(qiáng)等特點(diǎn)，使得不銹鋼切削過(guò)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(dòng)機(jī)重要零件如機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進(jìn)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(qiáng)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(jī)機(jī)頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性等特點(diǎn)，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(yīng)用，對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問(wèn)題。對(duì)此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無(wú)法加工，而特種加工很適合對(duì)這些材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而迅速得以發(fā)展和推廣。
1 緒 論
1.1超聲的發(fā)展史
超聲波是指頻率高于人耳聽(tīng)覺(jué)上限的聲波。一般來(lái)講，人耳可以聽(tīng)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，為了探討人耳究竟能夠聽(tīng)到多高的頻率，F(xiàn).Savart曾用一個(gè)多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為2x104HZ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F.Galton的氣哨實(shí)驗(yàn)。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(lái)在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波，開(kāi)始了人類真正科學(xué)的開(kāi)展超聲技術(shù)的研究。
超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，如頻率高、波長(zhǎng)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(lái)，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(guó)防、生物工程以及電子等領(lǐng)域，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
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1-1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)（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。
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(dòng)方向
圖1-1旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理
加工過(guò)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的特點(diǎn)，因此文中所研究的旋轉(zhuǎn)超聲磨削并沒(méi)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(duì)于普通磨削（無(wú)超聲振動(dòng)），磨粒在工件表面刻劃出的痕跡較長(zhǎng)。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。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)在第42屆CIRP大會(huì)上，將超聲振動(dòng)應(yīng)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(chǔ)上發(fā)展而來(lái)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(dòng)的同時(shí)附加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(shuō)，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(jī)械加工相結(jié)合的方法。目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工主要應(yīng)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(gè)方面。
國(guó)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(dòng)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(diǎn)：
1）加工速度快。例如，在光學(xué)玻璃上加工直徑為6mm的孔，加工速度可達(dá)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(dòng)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(shí)，不需退刀排屑，可一次進(jìn)刀完成，易實(shí)現(xiàn)機(jī)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(duì)材料的適應(yīng)性廣?？捎糜诖嘈圆牧希ㄈ绮Ａ?、石英、陶瓷、YAG激光晶體、碳纖維復(fù)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(xì)長(zhǎng)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）可大大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(zhǎng)。
1.3工程陶瓷材料的使用價(jià)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?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(guò)嚴(yán)格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來(lái)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)域之一下面對(duì)現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個(gè)主要領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷作一簡(jiǎn)單介紹。
一、結(jié)構(gòu)陶瓷
同金屬材料相比，陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、耐化學(xué)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(chǎng)合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無(wú)法勝任的場(chǎng)合，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(cuò)、莫來(lái)石和欽酸鋁。氧化物陶瓷最突出優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問(wèn)題，原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。氧化鋁和氧化錯(cuò)具有優(yōu)異的室溫機(jī)械性能，高硬度和耐化學(xué)腐蝕性，主要缺點(diǎn)是在1000℃以上高溫蠕變速率高，機(jī)械性能顯著降低。氧化鋁和氧化錯(cuò)主要應(yīng)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(lái)石室溫強(qiáng)度屬中等水平，但它在1400℃仍能保持這一強(qiáng)度水平，并且高溫蠕變速率極低，因此被認(rèn)為是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)率。它的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，無(wú)法單獨(dú)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(dòng)機(jī)上得到應(yīng)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(jià)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(wú)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(shí)必須借助熱壓燒結(jié)法才能達(dá)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)燃料燃燒的溫度在1300℃以上，因而普遍采用高壓水強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多，并且刀具壽命長(zhǎng)、允許切削速度高，因而在刀具市場(chǎng)占有日益重要地位。它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無(wú)潤(rùn)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(yuǎn)低于熔點(diǎn)以前存在明顯的軟化，而陶瓷的軟化溫度同熔點(diǎn)很接近，因而陶瓷的機(jī)械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優(yōu)點(diǎn)是可在玻璃軟化溫度和熔點(diǎn)之間進(jìn)行各種成型，工藝簡(jiǎn)單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機(jī)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(lái)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(lái)越廣泛的應(yīng)用，如地板、裝飾玻璃。
二、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，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(diǎn)是韌性低，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的突然性斷裂，陶瓷基復(fù)合材料主要是為了改善陶瓷韌性?；谔岣唔g性的陶瓷基復(fù)合材料主要有兩類:氧化錯(cuò)相變?cè)鲰g和陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。???
氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)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(lái)石)混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達(dá)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(yīng)用。
纖維強(qiáng)化被認(rèn)為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強(qiáng)度一般比基體高得多.所以它對(duì)基體具有強(qiáng)化作用;同時(shí)纖維具有顯著阻礙裂紋擴(kuò)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(qiáng)化的復(fù)合材料，例如碳化硅長(zhǎng)纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達(dá)30 Mpa以上，比燒結(jié)碳化硅的韌性提高十倍.但因?yàn)檫@類材料價(jià)格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。另一引人注目的增強(qiáng)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(qiáng)度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強(qiáng)化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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。
三、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(jiǎn)介幾類主要功能陶瓷的性能。
1、導(dǎo)電性能
陶瓷材料具有非常廣泛的導(dǎo)電區(qū)間，從絕緣體到半導(dǎo)體、超導(dǎo)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(dǎo)體分為電子型和離子型半導(dǎo)體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導(dǎo)體。離子型半導(dǎo)體僅對(duì)某些特殊的帶電離子具有傳導(dǎo)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(duì)氧離子具有傳導(dǎo)作用，主要產(chǎn)品有氧傳感器(主要用來(lái)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)鈉離子具有傳導(dǎo)作用，主要用來(lái)制造鈉一硫電池，其特點(diǎn)是高效率、對(duì)環(huán)境無(wú)危害和可以反復(fù)充電。陶瓷超導(dǎo)體是近10年才發(fā)展起來(lái)的.它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度在所有類超導(dǎo)體中最高，已經(jīng)達(dá)到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導(dǎo)體為釔一鋇一銅一氧系列材料，已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、精密儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yīng)用之一是陶瓷電容器?，F(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當(dāng)鋇或鈦離子被其它金屬原子置換后，會(huì)得到具有不同介電性能的電介質(zhì)。認(rèn)酸鈦基電介質(zhì)的介電常數(shù)高達(dá)l000以上，而過(guò)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(chǔ)存能力高等特點(diǎn)。鈦酸鋇基電介質(zhì)還具有優(yōu)異的正電效應(yīng)。當(dāng)溫度低于某一臨界值時(shí)呈半導(dǎo)體鐘電狀態(tài)，但當(dāng)溫度超過(guò)這一臨界值時(shí)，電阻率突然增加到倍成為絕緣體。利用這一效應(yīng)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(cuò)鈦酸錯(cuò)，具有顯著壓電效應(yīng)。當(dāng)在陶瓷上施加外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(xué)性能
陶瓷在光學(xué)方面的應(yīng)用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號(hào)發(fā)生器和光導(dǎo)纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見(jiàn).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(yīng)用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來(lái)透過(guò)不同波長(zhǎng)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(guò)，被用來(lái)制造紅外窗口，在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。這類材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來(lái)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(dǎo)纖維是現(xiàn)代通訊信號(hào)的主要傳輸媒介，它是用高純二氧化硅制成的，具有信號(hào)損耗低、高保真性、容量大等特性，是金屬信號(hào)傳愉線無(wú)法比擬的。
4、磁學(xué)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(wú)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、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(fù)合氧化物。通過(guò)對(duì)成份的嚴(yán)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(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。
由于脆性材料在韌性和強(qiáng)度方面相互之間差異較大，它的加工既不同于一般高脆性材料（金剛石）的純斷裂過(guò)程，又不同于金屬材料的塑性剪切過(guò)程。常規(guī)加工中，材料以斷裂去除為主，其加工機(jī)理的研究都是建立在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上；而在硬脆材料的超精密加工中，材料以塑性方式去除為主，材料的去除機(jī)理是從微觀角度來(lái)分析研究?，F(xiàn)在許多國(guó)家都在致力于脆性材料超精密加工這方面的研究，尤其是近十幾年來(lái)國(guó)外對(duì)脆性材料塑性域的超精密加工作了大量的研究。
采用金剛石磨粒砂輪對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行磨削加工過(guò)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(jī)械物理性能上的差異，以及磨削參數(shù)的選擇，均對(duì)工件的表面磨削溫度產(chǎn)生重要影響。林彬、于思遠(yuǎn)、徐燕申等對(duì)SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削溫度進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)影響磨削溫度的因素進(jìn)行了分析。尚廣慶、孫春華等通過(guò)對(duì)硬脆材料(玻璃)的切削試驗(yàn)，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(guò)對(duì)硬脆材料(玻璃)的切削試驗(yàn)，分析討論了硬脆材料在力作用下的變形規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)切深很小，材料所受圍壓力足夠大時(shí)硬脆材料會(huì)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(guò)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超聲加工陶瓷的意義及前景
為了滿足科技發(fā)展需要，越來(lái)越多的科技工作者致力于超聲加工的研究，并取得了顯著的成果：日本富士工業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出“FUM一1”超聲波振動(dòng)切削裝置，通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸施加扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可改善加工表面粗糙度和提高加工精度。該裝置是利用超聲波使機(jī)床主軸產(chǎn)生2.7KHz的微小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，以增加刀具刀尖與工件的接觸次數(shù)，從而獲得在高速慢走刀下才能得到的高質(zhì)量加工表面。在第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT2003）上，德國(guó)DMG公司展出了其新產(chǎn)品DMS35超聲振動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3 000～4 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra小于0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪稱硬脆材料加工設(shè)備性能的新飛躍。
盡管如此，由于各種客觀條件的限制，迄今為止對(duì)于超聲加工，特別是旋轉(zhuǎn)超聲加工的加工機(jī)理、工藝規(guī)律和加工穩(wěn)定性等的研究還處于早期的探索階段，而對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工的研究更是鳳毛麟角。而有研究表明，在超聲加工中，旋轉(zhuǎn)超聲磨削具有加工時(shí)磨削力小、加工效率高、精度高、工具磨損小以及對(duì)加工材料適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)，也是復(fù)合材料、不銹鋼等難加工材料比較理想的加工方法。因此得到高度的重視,發(fā)展?jié)摿κ窍喈?dāng)巨大的
2 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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(jī)與主軸是通過(guò)聯(lián)軸器連接的，而主軸與變幅桿是通過(guò)變幅桿上的前法蘭連接的，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)將前法蘭設(shè)計(jì)在振動(dòng)節(jié)面（變幅桿中質(zhì)點(diǎn)位移振幅為零的面）位置，但考慮到施加負(fù)載或工具磨損后，換能器振動(dòng)頻率將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致連接處有微弱振動(dòng)，因此在主軸端面加一橡皮墊圈用于減少法蘭固定后對(duì)變幅桿振動(dòng)振幅的影響。磨削工具是通過(guò)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(jiǎn)單、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機(jī)床上，也可通過(guò)變換裝置底座安裝在普通機(jī)床上，進(jìn)行常見(jiàn)表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。
工作時(shí)，由電機(jī)（其轉(zhuǎn)速是通過(guò)外帶的電機(jī)變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)）通過(guò)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(guò)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。
2.1.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
超聲磨削裝置要與XKA714型數(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)合變幅桿的工作機(jī)理如下圖（圖2-1），因此變幅桿與主軸的連接處，需要更穩(wěn)定，防止裝置在加工過(guò)程中產(chǎn)生震動(dòng)的現(xiàn)象。
以下為初步的幾種結(jié)構(gòu)：
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
1 2 3 4 5 6 7 8
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
以上四圖為四種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案一、三、四的整體結(jié)構(gòu)相似，均采用的是電機(jī)加聯(lián)軸器，而結(jié)構(gòu)方案二采用的是電機(jī)和皮帶輪?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)方案一、三、四的整體尺寸相對(duì)結(jié)構(gòu)方案二而言要小的多，這對(duì)減輕裝置的重量大有意義。
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。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(duì)環(huán)境造成污染。因此本裝置就必須要解決振動(dòng)對(duì)軸承的影響問(wèn)題。
結(jié)構(gòu)方案一、三與結(jié)構(gòu)方案四相比，前兩者的裝配較方便，但是，電機(jī)與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉(zhuǎn)下同軸度如果沒(méi)發(fā)保證的話，軸承會(huì)很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會(huì)呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會(huì)擺動(dòng)。如此一來(lái)裝置的加工精度就沒(méi)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(huì)達(dá)到較高速度。這也沒(méi)法實(shí)現(xiàn)高速磨削的目的。結(jié)構(gòu)方案四中聯(lián)軸器處于電機(jī)座的內(nèi)部，軸座和電機(jī)座之間的同軸度靠?jī)烧咧g的定位銷來(lái)保證，這樣就可以避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)。
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)方案四中的電機(jī)座是整個(gè)裝置的支撐，電機(jī)僅僅是靠其端部四個(gè)螺釘來(lái)固定的，因此看來(lái)電機(jī)座后面的大部分對(duì)電機(jī)不起支撐作用，多余的材料就增加了系統(tǒng)的重量。而且裝置整體看來(lái)顯得前小后大，前面薄弱剛性不足，后面材料過(guò)多，笨重有余。從審美的觀點(diǎn)來(lái)看也顯得不夠美觀。
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。
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、四中的集電環(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(fù)雜，而且其可靠性難以得到保證，同時(shí)也增加了制造成本。而二、三、四方案中采用通常電機(jī)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(duì)于前者當(dāng)然較為可靠。故二、三、四結(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(dòng)經(jīng)過(guò)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(méi)有軸承的阻礙，因此超聲振動(dòng)很容易傳到工具桿上，而不至在還未傳出時(shí)超聲振動(dòng)能量就消耗了很多。
結(jié)構(gòu)一、三是電機(jī)加聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到工具桿上，而結(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(zhǎng)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(shí)；用軸向彈性擋圈嵌入軸承外圈的的止動(dòng)槽內(nèi)緊固，用于帶有止動(dòng)槽的深溝球軸承，當(dāng)外殼不便設(shè)凸肩且外殼為剖分式結(jié)構(gòu)式時(shí)；用軸承蓋緊固，用于高轉(zhuǎn)速及很大向心力時(shí)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、四為螺紋環(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、四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(dāng)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(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。
1 2 3 4 5 6 7 8
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，通常機(jī)床的床身、底座均用鑄鐵鑄造。銑床連接座采用鑄鋼，因?yàn)槠錂C(jī)械強(qiáng)度高，而鑄鐵材料的抗拉強(qiáng)度很低，因此不采用鑄鐵材料。
滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。深溝球軸承主要承受徑向載荷，有時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)摩擦系數(shù)最小，在高轉(zhuǎn)速時(shí)也可用來(lái)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(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)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(guān)，接觸角大的承受軸向載荷的能力也高。在本設(shè)計(jì)中選取的是接觸角α為40˙。
由于振動(dòng)裝置在軸向方向上的超聲振動(dòng)很大，會(huì)引起機(jī)床磨削裝置的振動(dòng)，而影響整個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)加有隔振元件。裝置的振動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)起到阻隔作用。
裝置銑床聯(lián)接座與銑床聯(lián)接，開(kāi)始采用的是六角頭螺栓，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，由于聯(lián)接座的結(jié)構(gòu)所限制，扳手?jǐn)Q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(lái)，擰螺釘時(shí)可在360o范圍內(nèi)擰動(dòng)，故工作效率大為提高。
電環(huán)螺母在隨軸作高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中很容易變松，其后果是集電環(huán)軸向移動(dòng)，從而電刷無(wú)法與其接觸，壓電陶瓷也就得不到電，振動(dòng)沒(méi)法繼續(xù)，更有甚者集電環(huán)在移動(dòng)過(guò)程中破碎，危及軸承。因此集電環(huán)螺母是不可松動(dòng)的，在其上加有緊定螺釘是防止其松動(dòng)的有效方法。
由于本裝置的軸徑太小選不到標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器，所以只得按非標(biāo)準(zhǔn)件一樣來(lái)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(yán)格。聯(lián)軸器左右兩半也必須配鉆、配鉸，才能達(dá)到裝配要求。
集
最終結(jié)構(gòu)方案相對(duì)于前面的幾種初步結(jié)構(gòu)方案來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，但或許還有其他地方有待改進(jìn)。
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.磨削力計(jì)算
磨削過(guò)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DΦ50mm；
=26.18 m/s
工件速度選用約30m/s。
在此算出三種典型的陶瓷材料磨削力的大小。
對(duì)于陶瓷
徑向力
切向力
將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：
徑向力 17.63N
切向力3.925N
對(duì)于陶瓷
徑向力
切向力
將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：
徑向力17.038N
切向力4.084N
對(duì)于陶瓷
徑向力
切向力
將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得：
徑向力18.565N
切向力4.150N
下圖是磨削力程序所的的結(jié)果，圖中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。
要算最大扭矩，因此取用陶瓷的磨削力來(lái)算裝置所受的扭矩。
扭矩 ：
0.093
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：
查表得：工件速度
砂輪軸向進(jìn)給： mm
（為砂輪的寬度,取其寬度為10 mm）
mm
外圓功率消耗
取吃刀量=0.016 mm
則
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(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。
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。而在高聲強(qiáng)超聲應(yīng)用中，如超聲加工、超聲焊接、超聲乳化、超聲成形、超聲霧化和某些超聲外科設(shè)備及超聲疲勞實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用中，輻射面的振動(dòng)幅度一般需要到幾十甚至幾百微米。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。在壓電陶瓷材料的線性工作范圍內(nèi)，提高超聲換能器的工作電壓，即增大輸入電功率，也可以增大換能器的輸出振速或位移振幅。但是，增大輸入電功率以后，在換能器輸出頂端的振速振幅獲得提高的同時(shí)，換能器尾端振速振幅也得到幾乎相同比例的提高，整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的前后振速比沒(méi)有得到根本改善。此外大功率，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作會(huì)使換能器發(fā)熱，溫度升高，帶來(lái)一系列的不良后果，所以增大輸入電功率時(shí)就要充分注意這些問(wèn)題。
2. 提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)的效率，包括使超聲發(fā)生器與換能器的阻抗匹配，換能器振子與超聲變幅桿之間的阻抗匹配，以及換能器振子本身的效率。對(duì)于超聲發(fā)生器與換能器之間的匹配，一般利用匹配變壓器和匹配電感線圈。前者使超聲發(fā)生器輸出阻抗與換能器的阻抗部分匹配，后者是因?yàn)橐话銐弘姄Q能器為容性抗分量，將電感線圈并聯(lián)或串聯(lián)接入，使其在工作頻率上形成回路諧振，以消除無(wú)功損失。應(yīng)當(dāng)注意，這種大振幅超聲換能器機(jī)械品質(zhì)因數(shù)比較高，在諧振頻率上大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，阻抗發(fā)生變化，頻率漂移，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)超聲發(fā)生器時(shí)考慮設(shè)置頻率跟蹤系統(tǒng)。
3. 在換能器振子前端加接變幅桿。超聲變幅桿的主要作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度放大，或者將超聲能量集中在較小的面積上，即聚能作用。
第一種方法不能改變換能器前后的振速比，效率低，而且持續(xù)的工作會(huì)引起換能器發(fā)熱，導(dǎo)致?lián)Q能器工作效率及功率容量嚴(yán)重下降。第二種方法雖然可以提高輸出振幅，但導(dǎo)致?lián)Q能器、超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)變的相當(dāng)復(fù)雜，但由于缺少變幅桿的放大作用，輸出振幅依然很小。相對(duì)來(lái)說(shuō)。第三種方法可以獲得較大的輸出振幅，而且變幅桿還起到阻抗變換的作用，以在換能器和聲負(fù)載間進(jìn)行阻抗匹配，使能量有效的傳輸。因此，為滿足加工需求，本實(shí)驗(yàn)裝置采用在換能器與工具間增加變幅桿的方法進(jìn)行振幅放大。
在功率超聲的應(yīng)用中，人們根據(jù)實(shí)際需要研究出了各種類型的變幅桿，比較常用的有：指數(shù)形、懸鏈線形、階梯形和圓錐形變幅桿，這些都為單一變幅桿。
后來(lái)，為改善變幅桿的某些性能，人們研制出了各種組合型變幅桿，此類變幅桿往往是由兩種或兩種以上的桿或單一變幅桿組合而成。在很多功率超聲應(yīng)用中，如超聲加工、超聲焊接等等，需要盡可能大放大系數(shù)，單一變幅桿根本不能滿足需求，因此需要采用復(fù)合變幅桿或者多級(jí)單一變幅桿組合。
為盡力提高放大系數(shù)，從而提高超聲加工的效率，并綜合考慮變幅桿的設(shè)計(jì)、制造等因素，本實(shí)驗(yàn)裝置采用由圓柱形和圓錐形變幅桿組合而成的復(fù)合型變幅桿，且此變幅桿兩段采用不同截面、不同材料的桿件。
變幅桿一方面是在時(shí)變載荷作用下工作，另一方面在傳遞和放大超聲波的振動(dòng)能量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫升。因此，要求變幅桿材料應(yīng)該滿足以下要求:
1. 在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小，材料的疲勞強(qiáng)度高，而聲阻抗率小；
2. 易于機(jī)械加工，當(dāng)負(fù)載為液體時(shí)還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕，抗酸性；
3. 變幅桿材料應(yīng)鍛造，纖維伸長(zhǎng)方向應(yīng)與聲傳輸線一致，以提高變幅桿的抗疲勞性能及聲學(xué)性能。
常用的變幅桿材料有鋁合金、鈦合金和45號(hào)鋼等。超聲變幅桿的設(shè)計(jì)方法主要有兩種：一是根據(jù)變幅桿實(shí)際需要的特定性能，來(lái)設(shè)計(jì)變幅桿滿足波動(dòng)方程的外形函數(shù)；二是根據(jù)一些隨坐標(biāo)有規(guī)律變化的外形函數(shù)來(lái)得出波動(dòng)方程的解，并由此計(jì)算出變幅桿的各種性能參量。
以下為變幅桿的加工：
1. 變幅桿和工具頭連接時(shí)，對(duì)各個(gè)連接部分之間的同軸度要求比較高。
2. 整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的連接部分應(yīng)接觸緊密，不但可以減少磨削工具的跳動(dòng)，還可以減少超聲能量的損失，使磨削工具可靠工作。故應(yīng)提高有關(guān)零件的加工精度，特別是接觸表面的加工精度否。必要時(shí)，需在螺紋連接處應(yīng)涂以凡士林，絕不可存在空氣間隙，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^(guò)空氣時(shí)會(huì)很快衰減。
3. 按照波動(dòng)的合成原理，當(dāng)系統(tǒng)處在共振狀態(tài)時(shí)，只有在此駐波節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)，從單方向入射波和反方向反射波引起的質(zhì)點(diǎn)位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始終為零。例如換能器長(zhǎng)度1/2處的中間截面上的任何點(diǎn)，即為靜止不動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，以后向兩端處振幅即逐漸增大，到換能器與變幅桿交界面上振幅為最大，稱波腹點(diǎn)。以后振幅又逐漸減小再次出現(xiàn)波節(jié)點(diǎn)，到工具端面處再次出現(xiàn)振幅更大的波腹點(diǎn)。因此換能器、變幅桿或整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)選擇在振幅為零的駐波節(jié)點(diǎn)固定，故需要在節(jié)面處加工出連接法蘭。
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。在超聲加工中，是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，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)。因此目前所使用的換能器主要有兩種：一種是磁致伸縮換能器；一種是壓電換能器。下面對(duì)這兩種換能器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：
1. 磁致伸縮式換能器
磁致伸縮換能器是基于某些鐵磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸縮效應(yīng)而制成的一種機(jī)聲轉(zhuǎn)換發(fā)聲器。磁致伸縮換能器在早期的超聲波應(yīng)用中較常使用，其優(yōu)點(diǎn)是在工作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(duì)工具的振動(dòng)形態(tài)影響比較小，機(jī)械強(qiáng)度高。此外，由磁致伸縮換能器組成的工具振動(dòng)系統(tǒng)使用安全可靠，調(diào)整方便；換能器使用壽命長(zhǎng)；頻率范圍廣，工具在磨損比較大的情況下，仍能找到諧振頻率點(diǎn)；性能穩(wěn)定，功率容量大。但磁致伸縮換能器的轉(zhuǎn)換效率低，只有30%左右，發(fā)熱較多，激發(fā)電路復(fù)雜以及材料的機(jī)械加工較困難，難于大批量工業(yè)生產(chǎn)等。
任何磁滯伸縮材料都具有磁飽和現(xiàn)象，即當(dāng)外加的磁場(chǎng)從小到大逐漸增大時(shí)，開(kāi)始時(shí)應(yīng)變隨之增大，但當(dāng)磁場(chǎng)增大到一定的程度以后，應(yīng)變就不再增大，即出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。而且溫度對(duì)磁滯伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)具有大影響，隨著溫度的升高，磁滯伸縮效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，磁滯伸縮效應(yīng)將完全消失。這也進(jìn)一步限制了磁致伸縮換能器的應(yīng)用。
2. 壓電陶瓷換能器
當(dāng)把一定數(shù)量的砝碼放在一些天然晶體上時(shí)，如石英、電氣石等，在這些天然晶體的表面會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷，而且所產(chǎn)生的電荷的數(shù)量與砝碼的重量成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)在晶體表面加一定數(shù)量電荷時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生變形，這就是壓電逆效應(yīng)。壓電效應(yīng)的存在具有一定閥值，當(dāng)壓電材料的溫度超過(guò)該閥值時(shí)，壓電效應(yīng)便不再存在，這一臨界溫度稱為壓電材料的居里溫度（或居里點(diǎn)）。天然壓電晶體的居里溫度一般是固定不變的，而人工壓電晶體的居里溫度可以通過(guò)成分、配方、及工藝等的改變而加以調(diào)整。
壓電超聲換能器是通過(guò)各種具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)，如石英、壓電陶瓷、壓電復(fù)合材料以及壓電薄膜等，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，或?qū)⒙曅盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。壓電式換能器尺寸小，瞬時(shí)輸出功率高，機(jī)械強(qiáng)度低，工作時(shí)所加電壓較高。由于它的聲電轉(zhuǎn)換效率高，因此對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和調(diào)整精度的要求也高。
壓電陶瓷材料是目前超聲研究及應(yīng)用中極為常用的材料，其優(yōu)點(diǎn)為：機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)到 80%左右；容易成型，可以加工成各種形狀，如圓盤(pán)、圓環(huán)、圓筒、圓柱、矩形及球形；通過(guò)改變成分可以得到具有各種不同性能的超聲換能器；造價(jià)低廉，性能較穩(wěn)定，易于大規(guī)模推廣使用。其缺點(diǎn)在于：脆性大，抗張強(qiáng)度低，大面積元件成型較難以及超薄高頻換能器不易加工等。
綜上所述，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（-50%），這些損失表現(xiàn)為熱，因此換能器必須水冷或空冷而且體積很大。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)，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(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；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)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2-1即為裝置中所用的軸。
圖2-1為軸主件
軸的扭轉(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： 0.093；
電機(jī)需提供的功率為：；
最小的軸徑d為：20mm；
軸的轉(zhuǎn)速n約為：10000rpm；
0.296<<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1處有一段空心軸，其D為70mm,d為54mm；
空心軸的強(qiáng)度條件為：
=0.0000226828<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。
2.2.5 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(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。除非有嚴(yán)重的過(guò)載，一般不會(huì)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(duì)于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過(guò)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)度條件為：
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(zhǎng)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(zhǎng)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）。
=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
3.總結(jié)與展望
3.1總結(jié)
各種高性能材料諸如，復(fù)合材料、高強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用日趨廣泛。這些材料加工時(shí)切削力大，溫升高，刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量差，加工精度也難以提高。最突出的問(wèn)題是加工困難，而旋轉(zhuǎn)超聲磨削是解決加工困難問(wèn)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(dòng)后較大地提高加工效率，因此越來(lái)越受到科學(xué)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jī)理。旋轉(zhuǎn)超聲磨削中材料去除機(jī)理具有沖擊（磨具上的磨粒對(duì)工件表面的高頻高速?zèng)_擊）和磨蝕（磨削工具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可模型化為磨削過(guò)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(duì)旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置的核心部件—— 超聲振動(dòng)系統(tǒng)各部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，討論了超聲振動(dòng)系統(tǒng)制作與裝配時(shí)需注意的問(wèn)題。其中，為解決因連接磨削工具和施加負(fù)載會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失諧的難題，本文采取修整變幅桿和磨削工具長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。
3. 設(shè)計(jì)并研制了新型旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置。設(shè)計(jì)的磨削裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低等特點(diǎn)。并能以附件的形式安裝在數(shù)控機(jī)床或普通機(jī)床上，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)表面、甚至一些較復(fù)雜型面的超聲磨削加工。
4. 對(duì)選定的試樣進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超聲磨削和傳統(tǒng)磨削的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)研制及其實(shí)驗(yàn)研究方面取得了一定的成果，但有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究和補(bǔ)充：
1. 在允許的范圍內(nèi)開(kāi)展磨削工藝參數(shù)（諸如，磨削速度、進(jìn)給量、背吃刀量、磨削壓力、磨粒粒度等）對(duì)表面粗糙度、材料去除率和磨削力等加工指標(biāo)的影響的研究，以深入研究旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工機(jī)理。
2. 嘗試采用其它工件材料（如工程陶瓷、高強(qiáng)度鋼等）、開(kāi)展較復(fù)雜型面的超聲磨削加工將成為進(jìn)一步研究的方向。
3. 對(duì)磨削后的材料進(jìn)行晶相等分析，有助于解釋磨削后的表面微觀形貌，以進(jìn)一步了解旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工機(jī)理。
4. 設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置的精度有待進(jìn)一步提高。
5. 對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行跟蹤控制，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真也具有重要的意義。
6. 為使超聲振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便合理，有必要測(cè)試超聲振動(dòng)系統(tǒng)的阻抗特性、測(cè)量工具端部輸出的振幅并考察負(fù)載的施加究竟在多大程度影響到系統(tǒng)諧振頻率。
7. 設(shè)計(jì)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(duì)加工指標(biāo)的影響。
參 考 文 獻(xiàn)
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