超声磨削装置设计.zip

毕业设计( (论文) )任务书 设计（论文） 课题名称 超声磨削装置设计 学生姓名院（系）工学院专 业机械设计制造及其自动化 指导教师职 称教 授学 历博 士 毕业设计（论文）要求： 1要求在完成论文期间，态度端正，积极主动，大量查阅文献资料。 2按时完成毕业设计内容，技术路线准确，可行。 3绘制零件图和装配图，图纸量不少于 1.5 张 A0图纸。 4完成毕业设计说明书，格式正确，要求字数不少于 6000 字。 5完成电子文档及 PPT 文档，并打印装订成册。 毕业设计（论文）内容与技术参数： 1超声磨削装置照片若干。 2超声磨削装置的安装在数控机床上。 3要求完成超声磨削装置总图及零件图纸若干。 毕业设计（论文）工作计划： 12008 年 11 月12 月：接受毕业设计任务，查阅整理文献资料； 22009 年 1 月：确定课题设计方案； 32009 年 2 月4 月：绘制设计图纸及编写设计说明书； 42009 年 5 月 10 日之前：定稿打印，装备毕业设计答辩。 接受任务日期 2008 年 12 月 1 日 要求完成日期 2009 年 5 月 10 日 学 生 签 名 年 月 日 指导教师签名 年 月 日 院长（主任）签名 年 月 日 摘要摘要 旋转超声磨削是在传统机械磨削的基础上，将超声振动加入到磨削工具上 的一种新型的复合加工方法。该方法不仅保留了传统机械磨削的一些优良特性， 又因加入超声振动后，能较大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、复合材 料等难加工材料磨削表面质量。本文旨在研制出旋转超声磨削装置，该装置能 以附件的形式安装在数控机床上或普通机床上，进行常见表面、甚至一些较复 杂型面的旋转超声磨削加工。 关键词：关键词：旋转超声磨削，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， 目目录录 前言.1 1 绪论.2 1.1 超声的发展史.2 1.2 超声加工的原理及特点.2 1.3 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术.3 1.4 超声加工的意义及前景.7 2 设计说明书.8 2.1 超声磨削装置的结构设计.8 2.1.1 超声加工设备及其组成部分.8 2.1.2 初步结构设计.8 2.1.3 结构的比较.9 2.1.4 最后结构的比较.11 2.2 装置中的各部件的设计及校核.13 2.2.1 电机的计算与选择.13 2.2.2 压电陶瓷的选择.16 2.2.3 轴强度的校核.17 2.2.4 键的校核.18 3 总结与展望.20 3.1 总结.20 3.2 展望.20 参考资料.22 致谢.23 超声磨削装置设计 专业：机械设计制造及其自动 化 姓名： 学士学位毕业论文答辩 1 1 绪论 1.1、超声的发展与优点 1.2、超声加工的原理及特点 1.3、工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 1.4、 超声加工的意义及前景 2 1.1 超声的发展与优点 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来讲， 人耳可以听到的声波的频率范围约为1620KHz。因此， 人们常把高于20KHz的声波称为超声波。而在实际应用种 ，有些超声技术使用的频率可能在16KHz以下。早在1830 年，就有人用一个多齿的轮首次产生了频率为Hz的超声， 但人们一般却认为，首次有效产生高频声的，应是1876年 的气哨实验。但是人类真正科学的开展超声技术的研究。 第一次世界大战期间，有人发明了石英晶体换能器，用来 在水中发射和接收频率较低的超声波， 超声具有许多独特的性质和优点，如频率高、波长短、 在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性、并 在液体介质中传播时可在界面上产生强烈的冲击和空化现 象。因此，近年来，随着科学技术的发展，超声技术发展 极为迅速，应用领域非常广泛。目前，其应用遍及航空、 航海、国防、生物工程以及电子等领域，在我国国民经济 建设中发挥越来越大的作用 3 1.2、超声加工的原理及特点 旋转超声磨削的加工原 理如图1-2所示，其中， 压电陶瓷换能器用于将从 外部接入的高频电振荡信 号（由220V或380V的交 流电经超声波发生器转换 而成）转换为超声频机械 振动；由于压电陶瓷换能 器产生的振幅较小（大约 有5m），一般不能满足 需求，需用变幅杆将换能 器的振动振幅放大后（振 幅为2030m）再传至 磨削工具，磨削工具在由 电机驱动做旋转运动的同 时也做纵向超声振动，其 振动方向如下图中的箭头 所示。 图1-2旋转超声磨削的原理 变幅杆 超声波发生器 超声换能器 磨削工具 超声振动方向 工件 4 加工过程中，磨削工具既做旋转运动又做纵向超声振动， 磨粒直接作用在工件上，可以，磨粒与工件是永久性接触的， 不存在速度与工件看出表面分离的特点，因此文中所研究的旋 转超声磨削并没有脱离传统的机械磨削。并可知磨削工具上的 单颗磨粒在磨削平面上的运动轨迹为纵向的正弦运动和砂轮线 速度横向的直线运动的合成运动轨迹，因此相对于普通磨削（ 无超声振动），磨粒在工件表面刻划出的痕迹较长。研究表明 ，旋转超声磨削既能保留传统磨削的较好的磨削特性，又能大 幅度提高加工效率，且能有效改善不锈钢、复合材料等难加工 材料磨削表面质量。 5 1.3、工程陶瓷材料的使用价值 陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是 指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。因为原 料的成分混杂和产品的性能波动大，仅用于餐具、日用容器、工艺品 以及普通建筑材料(如地砖、水泥等)，而不适用于工业用途。现代技 术陶瓷是根据所要求的产品性能，通过严格的成份和生产工艺控制而 制造出来的高性能材料，主要用于高温和腐蚀介质环境，是现代材料 科学发展最活跃的领域之一。下列是现代技术陶瓷三个主要领域： (1)结构陶瓷：包括氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷 (2)陶瓷基复合材料：复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种 以上不同材料混合在一起制成的多相材料。 (3)功能陶瓷：包括导电性能介电性能光学性能磁学性能 6 1.4 超声加工的意义及前景 超声加工是目前应用较普遍的一种加工方法。尽管该加工方法的 生产率比电火花、电解加工等低，但其精度和表面光洁度却比它们高 ，可稳定地加工出精度为5m，表面粗糙度为Ra0.510.76m的 零件；其应用不受工件材料的电、化学特性限制，不需要工件导电， 也不像激光、电火花等特种加工一样给工件带来热损伤和残余应力。 研究表明，旋转超声加工许多独特的特点：低切削力、低磨削温度、 低表面粗糙度和高精度，而且加工效率相对于传统超声加工有所提高 在难加工材料和精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟 的工艺效果，具有广泛的应用范围。 7 2 设计说明书 2.1 超声磨削装置的结构设计 2.1.1 超声加工设备及其组成部分 2.1.2 结构的设计、比较、确定 2.2 装置中的各部件的设计及校核 2.2.1 电机的计算与选择 2.2.2 轴强度的较核 2.2.3 键的校核 8 2.1 超声磨削装置的结构设计 DMG公司生产的USB 40型超声铣削加工机床 2.1.1 超声加工设备及其组成部分 设计的旋转超声磨削装置结构、它由无刷 电机、碳刷铜环、超声波发生器、压电陶瓷 换能器、轴承、变幅杆、前法兰、磨削工具 、主轴、装置底座等零部件组成，磨削工具 右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石 磨粒。 工作时，由电机（其转速是通过外带的 电机变频调速器调节）通过联轴器驱动主轴 以及与之连接在一起的变幅杆和磨削工具旋 转；同时在外部超声波发生器的激励下，压 电陶瓷换能器产生高频机械振动，其振幅在 经过变幅杆进行放大后，作用于磨削工具上 。这样磨削工具既具有旋转运动，也具有轴 向超声振动，从而可实现旋转超声加工。 右图是超声加工机床，但是这里的超声磨 削装置要与X52K立式铣床联接，也可以和其 他普通的铣床联接，装置要座于铣床的铣头 。铣头与工作台之间的高度有限，这就要求 装置的体积和重量都不应太大。 9 2.1.2 结构的设计、比较、确定： 结构一: 图中：1电机；2联轴器；3轴承外圈端盖；4轴承内圈端盖； 5集电环；6电刷；7压电陶瓷；8变幅杆。 结构方案一中内部两个轴 承之间用轴承衬套固定内外圈 ，但是当压电陶瓷开始振动时 ，轴承衬套由于是用钢料制成 的，是刚性的，因此两个轴承 会随着压电陶瓷的振动而振动 。不难想象轴承在约20000Hz 的高频下，以大加速度振动， 结果是一会儿时间轴承就烧坏 掉了。还有振动经轴承端盖将 振动传到整个装置，产生很大 的噪声进而对环境造成污染。 因此本装置就必须要解决振动 对轴承的影响问题。 10 结构二： 图中：1电机；2带轮；3皮带；4集电环螺母； 5集电环；6电刷；7压电陶瓷1 结构二是电机加带轮将转动 传到工具杆上。由于结构二采用 带轮结构，因此轴将承受的不仅 仅有转矩作用而且还有弯矩作用 ，故二中轴承分布为一边两个， 其作用是可以减小单个轴承所承 受的径向力，从而达到延长轴承 寿命的作用。 但是此方案为电机加皮带轮 ，整体上显得系统所占空间较大 。轴受到较大的弯矩作用，因此 在设计中要注意轴径是否有足够 的弯矩强度，同时还要注意是否 有足够的刚性。如果刚性不足的 话，那么轴就会被拉弯，轴的另 一端就会出现摆角，装置的加工 精度也就没法保证了。 11 结构三 图中：1电机；2集电环；3轴承外端盖。 结构方案一、二 、三的共同缺点是， 三者的轴座内径一样 大小，没有出现阶梯 变化。首先这样的结 构看上去比较简单， 但是在实际情况中是 不实用的，轴孔的加 工长度较长，其精度 难以保证。再者轴可 能会出现轴向的窜动 ，这对加工工件当然 是有害的。 12 最后结构的确定： 图中：1电机；2电机座；3轴承座；4夹具体底座 总的来说上的几种结构方案各有各的优缺点，最终结构方案是综合上面几种结 构方案中的可取之处，同时弥补其不足之点而成的。如下图为最终所确定的结构 方案。 13 2.2 装置中的各部件的设计及校核 2.2.1电机的计算与选择 模效过程中，由于磨粒的作用以及砂轮表面上有效的状况异常复杂，因而要想 建立一个十分切合实际的陶瓷磨削力