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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要 旋转超声加工中刀具以一定超声频振动的同时还作相对于工件的旋转。刀具通常用低碳钢作为基体，表面涂覆或者烧结一层金刚石磨粒。因此转超声加工是一种结合了传统超声加工去除材料机理和金刚石磨抛作用的一种复合加工方法。与超声加工相比，旋转超声加工能够提供高的多的材料去除率，能加工更深的孔，及得到更高的加工精度，因此也得到了更为广泛的运用。若与数控技术相结合就可以用于进行硬脆材料的的成型加工。实践证明它是一种加工硬脆材料，如陶瓷、玻璃和岩石的有效方法。超声加工装置由超声波发生器，换能器和变幅杆组成。而旋转超声加工装置则需要进一步考虑如何实现旋转。本文在分析原有的超声加工装置
2、的基础上，提出了一种新型的旋转超声加工装置，它可应用与数控机床与铣床上，并可实现主轴头的摆转，可以方便的加工斜面与斜孔。关键词：旋转超声加工，加工装置 ，主轴摆转AbstractRotary ultrasonic machining superimpose rotational movement on the tool head that vibrates simultaneously at ultrasonic freqency .The tool is made of mild steel coated or bonded with diamond abrasive.so is a hyb
3、rid machining process which combines the material removal mechanisms of conventional ultrasonic machining and diamond pared with ultrasonic machining ,it can provide a much high material removol,deep holes,and fine precision,which leads to its further application. And it has been proved to be a prom
4、ising and cost-effective machining method or hard and brittle materials, such as engineering ceramic, glass, stone,. Ultrasonic machining equipment consists of ultrasonic generator，transducer and hornRotary ultrasonic machining need to consider how to realize the rotate of the device.In this paper ,
5、I analyse the device which have be designed,and put forward a newt vibrating system of rotary ultrasonic machiningequipment.It can be assembled on the numerical control machine， vertical milling machine. And it also can realize the wiggle of the device,in order to machine inclined hole and face conv
6、eniently.KEY WORDS：rotary ultrasonic machining process device spindle swinging目 录1 绪 论1.1超声加工的提出及其分类随着生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防工业部要求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料愈来愈难加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈来愈高。 传统的切削加工的本质和特点：一是刀具材料比工件更
7、硬；二是靠机械能把工件材料切除。但当工件材料愈来愈硬，零件结构愈来愈复杂的情况下，原来行之有效的方法转变成限制生产率和影响加工质量的不利因素。于是人们开始探索、发掘用软的工具加工较硬的工件材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声加工技术就是在此背景下发展起来的。采用超声加工，可以对上述难加工进行经济加工。实践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方法。超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10到20年代， 以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应
8、用领域可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料） ，另一类是采用切削工具（如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方法相结合形成的超声复合加工，其分类繁多，参见图 1-2。这里只要讨论功率超声加工在孔及面磨抛方面的应用。 1.2超声振动装置及机床的研制进展超声振动系统主要由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一
9、维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式、设计计算、及其应用研究都取得了新的进展。日本成功研制成一种新型“纵弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，产生“纵弯”型复合振动，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。该设备将会刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，并能检测钻孔力的变化以及钻孔精度,和孔的表面质量。用该组合设备在不同的
10、振动条件下进行了一系列实验，实验结果表明：将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。我国东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点足：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90左右，而且结构简单、体积小，便于操作。沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，扭转变幅杆作纵向振动时在扭转变幅杆的小端输出沿圆周方向的扭转振动。镗刀与扭转变幅
11、杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率500W，频率为1623 kHz，具有频率自动跟踪工能。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置 。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合在生产中应用。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。美国Branson 声能公司先后制成 UMT-3 和
12、 UMT-5 两种超声旋转加工机。 UMT的主轴旋转精度 0.0010002 英寸，转速为 05000 转/分，工具的最大尺寸为 38 毫米，在玻璃板上已加工出直径 1.6 毫米深达 305 毫米和直径 1 毫米深 300 毫米的孔。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法， 并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。在第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，德国 DMG 公司展出了其新产品 DMS35 Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min，特
13、别适合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度 Ra0.2m，可加工 0.3mm 精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。 国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工 YGA 激光晶体棒的T3030-3/ZV超声旋转加工实验样机，已成功用于 YAG 激光晶体棒的成行加工。该机工作频率 7-22KHz，功率 400W，加工晶体棒直径 310mm，加工精度：圆度指数悬链线阶梯。综合考虑工作特性和应用场合，我在设计中采用加工较容易、频率稳定性好的圆锥型变幅杆。2.4 各组成部分的连接与固定由于振动影响产生的力较大，变幅杆与振动圆盘和换能器的连接均采
14、用螺纹连接，且接合面需研磨，换能器与定位套筒连接时，中间可加一橡胶垫圈以消振。2.4.1变幅杆和换能器的连接变幅杆大端面和换能器前盖板用双头螺钉紧固连接，为了使振动能量有效地从换能器传到变幅杆，变幅杆的大端面与其中心线的垂直度误差应小于0.015mm，且表面粗糙度不高于Ra0.4mm。2.4.2变幅杆的固定 在超声加上中，不仅要求变幅杆的位移节点位置要清晰准确，而且要允许将振动系统固定到相对静止的支架上，而使声能耗散最小、振动频率保持不变，不会影响振动系统的声阻抗。一般变幅杆通过振动波节上的法兰盘固定在工装上。固定时，一方面要求振动波节处的法兰盘的刚性要好，另一方面又要求能量传到法兰盘上导致能
15、量的损失。在兼顾刚性与能量损失的情况下，振动波节厚度取（36）mm比较合适。2.4.3超声波发生器与超声振动系统的连接超声振动系统在工作时随主轴高速旋转，如何将超声波发生器输出的高频电振荡信号可靠地传递到高速旋转的换能器中是非常重要的，可通过引电装置组件来实现其间传递，且引电装置并不随机床主轴一起旋转。它一般分为接触式和非接触式两种，其中接触式引电器分为刷环式，刷束式以及水银式三种，非接触式引电器分为感应式和电容式两种。本文采用集流环、碳刷式引电装置组件。该引电装装置组件中的导电环材料为银铜合金，碳刷材料为银石墨，弹簧为铍青铜，冷却方式为空冷，绝缘体是经机械加工而成。其结构，如图2-5所示图2
16、-5 碳刷式引电装置2.5旋转超声振动系统的设计 各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加工装置结构都具有共性，以下就通过对已有的超声钻削、磨削等几种加工装置进行研究，完成本课题装置的设计开发。2.5.1对已有的超声加工装置进行分析1）旋转超声加工磨削装置图2-6旋转超声加工磨削装置图2-6所示为超声旋转磨削加工装置。它由碳刷铜环、碳刷、超声波发生器、装置外壳、压电陶瓷换能器、主轴、工具磨头、变幅杆、轴承、底座等零部件组成，工具磨头右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。主轴与电机是通过联轴器连接的，而变幅杆上的联接法兰用于连接变幅杆与主轴，设计时将联接法兰设计在零节面位置。在主轴端面的
17、橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。工具磨头通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上。整个超声旋转加工磨头利用磨头体底座安装在平面磨床磨头上，借助平面磨床原有3个方向的进给运动，实现对工件的超声旋转磨削加工。工作时由电机通过联轴器驱动主轴以及与之连接在一起的变幅杆和工具磨头旋转：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振动，其振幅在经过变幅杆进行放大后，作用在工具磨头上。从而使刀具既具有旋转运动，也具有轴向超声振动。与专用磨床的主轴结构相比，该磨头具有结构简单、成本低等优点。2）摇臂钻床辅助超声加工装置l主轴2、3推力轴承4集流环5集流环支架6压电陶瓷换能器7变幅杆8
18、钻夹头9钻头10碳刷11超声波发生器图2-7摇臂钻床辅助超声加工装置工作时，来自超声波发生器的励振和励磁电流通过碳刷引入集流环，再经过钎焊在集流环上的导线与可回转的压电陶瓷换能器相接。换能器的输出端通过螺钉与锥形变幅杆的输入端相连，变幅杆的输出端采用螺纹与钻夹头连接。超声振动装置的旋转通过集流环和碳刷结构来实现。为了将超声波发生器的励振、励磁电流可靠地引入压电陶瓷换能器，将碳刷、碳刷座、弹簧等零件安装在机床主轴的静止端面上，而将集流环及其支架固定在主轴上。这种结构不仅可确保碳刷和集流环在高速旋转时实现可靠接触，而且可有效防止集流环松动：此外，该结构并不影响压电陶瓷换能器的阻抗，只要碳刷和集流环
19、接触良好、弹簧施加在碳刷上的压力适当，就能杜绝放电现象。3）数控铣床上搭建的超声加工装置1电机2联轴器3主转轴4内滚筒 5轴承6装置外壳 7传振杆 8换能器 9电刷 10铜环11尼龙套1 2风扇 13聚风罩 14锁紧螺母 15水套图2-8 铣床上搭建的旋转超声加工装置工作原理：变频器控制电动机1的转向与转速，电动动机1通过联轴器2带动主转轴3转动；主转轴3通过螺钉与内滚筒4相联，内滚筒4通过轴承5在装置外壳6中转动；内滚筒4与在传振杆7波节点处设计的圆形凸缘通过螺钉联结，当内滚筒转动时，带动传振杆与其一起转动；传振杆上端接换能器8，下端通过螺纹可以连接各式变幅杆与工具头。这样装置的旋转运动通过
20、电动机、联轴器、主转轴、内滚筒、传振杆与变幅杆最后传递到工具头。2.5.2旋转超声加工机构装置结构上的实现方法1) 超声振动装置的旋转通过集流环和碳刷结构来实现。为了将超声波发生器的励振、励磁电流可靠地引入压电陶瓷换能器，将碳刷、碳刷座、弹簧等零件安装在机床主轴的静止端面上，而将集流环及其支架固定在主轴上或压装在刀柄上。2) 为了保证装置的旋转精度要选用滚动轴承来保证，或者振动装置固结在内滚筒上，内滚筒在外滚筒内旋转。3) 轴与内筒通过法兰盘用螺钉进行连接，或轴上制螺纹用螺母固定内筒。4) 内筒与外筒间的定位靠套筒，和自身做出的肩部。5) 振动系统的冷却用自然风冷或用电扇吹风散热。2.5.3
21、旋转超声加工装置的整体结构的初步设计结合以上对现有旋转超声加工装置的分析，并结合山东威达重工股份有限公司党金行设计的新型铣床主轴头的设计，可完成旋转超声加工部分的总体设计。a. 超声振动系统b. 主轴摆转的实现图2-9主轴头可摆转的旋转超声加工装置如图a所示声振系统与内滚筒通过法兰相连接，内筒在外筒内旋转，之间用轴承做支撑，以提高其旋转精度。如图b所示悬臂轴的大端固装在连接板上，悬臂轴的另一端插入箱体的内腔，悬臂轴与箱体相对旋转连接；悬臂轴上固装有蜗轮，箱体中安装有蜗杆，蜗杆与箱体为相对旋转连接，蜗轮与蜗杆形成蜗轮蜗杆副机构，箱体装配在连接板上并与之相对旋转连接。在切削过程中，如果需要加工斜面
22、或斜孔时只要把T型螺栓松开，旋转蜗杆即可使主轴头倾斜，从而实现加工斜面和斜孔的需要。2.6本章总结本章对超声加工的基本原理进行了分析，并对各组成部分换能器，变幅杆进行了分析。并分析了已有超声加工装置进行了分析，明了了各部分的连接，及超声加工装置的旋转的实现。最后提出了一种可与数控机床连接或搭建在铣床上的装置。其可以实现旋转超声加工，且可以实现主轴头的摆转，以方便加工斜面和斜孔。第3章 旋转超声加工装置细节性设计计算3.1已知条件：（1）选择超声波发生器功能参数为： 功率：p500W； 频率：20kHz； （2）电动机 ,选择伺服电动机，转速03000r/min 功率10kw3.2超声换能器设计本设计采用夹心式压电超声换能器结构如图3-1所示， 主要由三部分组成， 即压电陶瓷元件、金属后盖板以及金属前盖板。 换能器通过预应力螺栓将压电陶瓷圆环和前后盖板连接起来，整个振子的长度等于基波的半波长。图3-1夹心式超声换能器简图3.2.1压电陶瓷片的设计1) 材料选择：本文设计的换能器压电陶瓷晶片选用 PZT-8陶瓷，主要是考虑其具有高的机电耦合系数、低的介电损耗，并且介电损耗和机械耗损在高电压和高温情况下变化较少等因素。2) 1. 直径的确定 按照纵振换能器的设计要求，陶瓷片的等效直径D至少应小于超声波在其中传播波长的1/4，由纵波在薄板中波速方程