1、 学校代码： 10410 序 号： 055026 本 科 毕 业 设 计 题目： 超声磨削装置设计 学 院 ： 工 学 院 姓 名 ： 曾 世 辉 学 号 ： 20055026 专 业 ： 机械设计制造及其 自动化 年 级 ： 2005 级 指导教师 ： 杨 卫 平 二 OO 九年 五月超生磨削装置 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
2、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： 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 cha
3、racters 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 ma
4、chining, 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， 超生磨削装置 目 录 前言 . 错误 !未
5、定义书签。 1 绪论 . 2 1.1 超声的发展史 . 错误 !未定义书签。 1.2 超声加工的原理及特点 . 错误 !未定义书签。 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.
6、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 超生磨削装置 前 言 随着科学技术的发展及航空航天等领域的需求，不锈钢、复合材料、工程陶瓷等难加工材料应用日趋广泛，而此类材料的特殊性能使其加工制造非常困难 。例如，海洋结构件普遍采用耐腐蚀的不锈钢，而不锈钢加工起来切削力大、切削温度高、粘刀现象严重、加工硬化趋势强等特点，使得不锈钢切削过程中切削功率消耗大，切削温度高，而且加工工件表面质量较低。又如航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料，而钛、镍基合金材料切削加工性较差 ，
7、主要表现在材料热硬度和热强度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易产生较大变形。 航天飞机机顶首部广泛 采用 工程陶瓷 ，但工程陶瓷具有高强度、高硬度、高脆性等特点，使得陶瓷材料的加工十分困难，加工成本很高。此类材料的出现及广泛应用，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工， 而特种加工很适合对这些材料进行经济加工。而在众多特种加工方法中，超声加工有其独特的优点，因而迅速得以发展和推广 。 超生磨削装置 1 绪 论 1.1 超声的发展史 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
8、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，为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率， F.Savart 曾用一个多齿的轮首次产生了频率为 42.4 10 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 F.Galton 的气哨实验。第一次世界大战期间， P.Langevin 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，开始了人类真正科学的开展超声技术的研究。 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
9、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。 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 20 30m）再传至磨削工具，磨削工具在
10、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 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，可以看出，磨粒与工件是永久性接触的，不存在速度与工件表面分离的特变幅杆 超声波发生器 超声换能器 磨削工具 工 件 超声振动方向 超生磨削装置 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
11、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。 国际生产工程学会在第 42 届 CIRP 大会上，将超声振动应用于磨削加工作为下一代精密加工的发展方向之一。 旋转超声加工是在传统超声加工基础上发展而来的。它与传统超声加工的不同之处在于：工具 在做超声振动的同时附加了旋转运动，从而使工具上的磨粒不断冲击和划擦工件表面。因此可以说，旋转超声加工是一种将传统的超声 技术 和传统机械加工相结合的方法 。目前，旋转超声加工主要应用于超声钻孔、套料、超声螺纹加工、超声铣削以及超声磨削加工等几个方面。 国内外研究结果表明，由于这种加工方法把 传统加工 的
12、 一些 优良性能与工具的超声频振动结合在一起，与常规钻孔和采用 游离磨料 的传统超声加工方法相比，具有以下特点 ： (1） 加工速度快。例如，在光学玻璃上加工直径为 6mm 的孔，加工速度可达 100mm/min 以上。同样条件下，旋转超 声加工 RUM 加工速度是传统 USM 的10 倍，是传统磨削的 610 倍。 (2） 超声振动减小了工具与加工表面的磨擦系数，切削力小，排屑通畅。钻孔加工时，不需退刀排屑，可一次进刀完成，易实现机械化。 (3） 由于所需的切削力小，可在工件的边、角处钻孔，而不产生破裂。 (4） 对材料的适应性广。可用于脆性材料（如玻璃、石英、陶瓷、 YAG 激光晶体、碳纤
13、维复合材料等）的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工等。特别适用于深小孔和细长棒套料（已在玻璃上加工出直径为 1.6 mm，深 100 mm以上的孔）。 (5） 可提高加工精度和改善表面质量 ，而且 工具磨损减小，使用寿命延长。 1.3 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 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
14、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 下面对现代技术陶瓷三个主要领域 :结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作简超生磨削装置 单介绍。 (1) 结构陶瓷 同金属材料相比，陶瓷的最大优 点是优异的高温 机械 性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小 (约为金属的 1/3)，因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类 ;氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。 氧化物陶瓷 主要包括氧化铝、氧化错、莫来石和钦酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题，原料价格低
15、廉，生产 工艺简单。氧化铝和氧化错具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性，主要缺点是在 1000 以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。氧化铝和氧化错主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平， 但它在1400 仍能保持这一强度水平，并且高温蠕变速率极低，因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹，因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低，无法单独作为受力元件，所 以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件，并已在陶瓷发动机上得到应用。 非
16、氧化物陶瓷 主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙 (SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起，因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力，并且能把这些性能的大部分保持到高温，这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难，必须在极高温度（ 1500 2500 )并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品，有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度 ( 95%)，所以非氧化物陶瓷的生产 成本 一般比氧化物陶瓷高。 这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性，因此一直是陶瓷发动机的最重要材料，目前已经取代了许多超高合金钢部件。现有最佳超高合金钢的使用温度低于 11
17、00 ，而发动机燃料燃烧的温度在 1300 以上，因而普遍采用高压水强制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金钢后，燃烧温度可提高到 1400 以上，并且不需要水冷系统，这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。 非氧化物陶瓷也广泛应用 于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本较高，但高温韧性、强度、硬度、蠕变抗力优异得多，并且刀具寿命长、允许切削速度高，因而在刀具 市场 占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无润滑陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。 超生磨削装置 玻璃陶瓷 玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度，玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化，而陶瓷的软化温度同熔点很接近
18、，因而陶瓷的机械性能和使用 温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型，工艺简单而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能，它利用玻璃成型技术制造产品，然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁一铝一硅酸盐、锂一镁一铝一硅酸盐和钙一镁一铝一硅酸盐系列，它们常被用来制造耐高温和热冲击产品，如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用，如地板、装饰玻璃。 (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，它具有其中任何一相所不具 备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低，使用时会产生不可
19、预测的突然性断裂，陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷基复合材料主要有两类 :氧化错相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。 氧化锆相变增韧复合材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其它陶瓷粉末 (如氧化铝、氮化硅或莫来石 )混合后制成的高韧性材料，其断裂韧性可以达到10Mpa ，以上，而一般陶瓷的韧性仅有 3Mpa 左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。 纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多 .所以它对基体具有强化作用 ;同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力，从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化 的复合材料，例如碳化硅长
20、纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达 30 Mpa 以上，比烧结碳化硅的韧性提高十倍 .但因为这类 材料 价格昂贵，目前仅在军械和航空航天领域得到应用。另一引人注目 的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体 .其强度和模量接近材料的理论值，极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用，主要体系有碳化硅晶须一氧化铝一氧化铅、碳化硅晶须一氧化铝和碳化硅晶须一氮化硅。 (3)功能陶瓷 功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷，已经具有极高的产业化程度。下面简介几类主要功能陶瓷的性能。 导电性能 陶瓷材料具有非常广泛的导电区间，从绝缘体到半导体、超导体。大多数陶
21、瓷具有优异的电绝缘性，因而被广泛用于电绝缘体。半导体分为 电子 型和离子型半导体，以晶体管集成电路为代表的是电子型半导体。离子型半导体仅对某些超生磨削装置 特殊的带电离子具有传导作用，最具有代表性的是稳定氧化锆和 一氧化铝。稳定氧化钻仅对氧离子具有传导作用，主要产品有氧传感器 (主要用来测定发动机的燃烧效率或钢水中氧浓度 )、氧泵 (从空气中获得纯氧 )和燃料电池。 一氧化铝仅对钠离子具有传导作用，主要用来制造钠一硫电池，其特点是高效率、对 环境无危害和可以反复充电。陶瓷超导体是近 10 年才发展起来的 .它的临界超导转化温度在所有类超导体中最高，已经达到液氮温度以上。典型的陶瓷超导体为钇一钡
22、一铜一氧系列材料，已经在 计算机 、精密仪器领域得到广泛应用。 介电性能 大多数陶瓷具有优异的介电性能，表现在其较高的介 电常数和低介电损耗。介电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其它金属原子置换后，会得到具有不同介电性能的电介质。认酸钛基电介质的介电常数高达 l000 以上，而过去使用的云母小于 10，所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体钟电状态，但当温度超过这一临界值时，电阻率突然增加到 倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热
23、元件。许多陶瓷，如错钛酸错，具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时，会产生一个相应的电信号，反之亦然，从而实现 机械 能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛，产品有压力传感元件、超声波发生器等。 光学性能 陶瓷在光学方 面的应用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中随处可见 .如涂料、陶瓷釉和珐琅。核 工业 中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面应用非常广泛。陶瓷也可被制造用来透过不同波长的光线，其中最重要的就是红外线透射陶瓷，它仅允许红外光线透过，被用来制造红外窗口，在武器、航空航天领域和高技术设备上得到广泛应用。这
24、类材 料的典型代表有硫化锌陶瓷和莫来石等 .陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，典型代表有红宝石激光器和忆榴石激光器。光导纤维是现代通讯信号的主要传输媒介，它是用高纯二氧化硅制成的，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性，是金属信号传愉线无法比拟的。 磁学性能 金属和合金磁性材料具有电阻率低、损耗大的特性，尤其在高频下更是如此，已经无法满足现代科技发展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有电阻率高、损耗低、磁性范围广泛等特性 .陶瓷磁性材料的代表为铁氧体一种含铁的复合氧化物。通过对成份的严格控制，可以制造出软磁材料、硬磁材 料和矩磁材料。软磁材料超生磨削装置 的磁导率高，饱和磁感应强度大，磁损耗低 .
25、主要用于电感线圈、小型变压器、录音磁头等部件。典型的软磁材料有镍一锌、锰一锌和锂一锌铁氧体。硬磁材料的特性是剩磁大、矫顽力大、不易退磁，主要应用为永久磁体，代表材料为铁酸钡。矩磁材料的剩余磁感应强度非常接近于饱和磁感应强度 .它是因磁滞回线呈矩形而得名，主要应用于现代大型计算机 逻辑 元件和开关元件，代表材料为镁一锰铁 氧体。 采用金刚石磨粒砂轮对结构陶瓷材料进行磨削加工过程中产生的磨削热是影响被磨工件表面质量的重要因素。陶瓷材料在机械物理性能上的差异，以及磨削参数的选择，均对工件的表面磨削温度产生重要影响。林彬、于思远、徐燕申等对 SiC 和 ZrO2 陶瓷材料的表面磨削温度进行了测量，通过
26、实验得到了这两种材料表面磨削温度随磨削参数的变化规律，并对影响磨削温度的因素进行了分析。尚广庆、孙春华等通过对硬脆材料 (玻璃 )的切削试验，建立了硬脆材料的磨削模型，讨论了硬脆材料在磨粒作用下的塑性变形和断裂行为，通过对硬脆材料(玻璃 )的切削试 验，分析讨论了硬脆材料在力作用下的变形规律，认为当切深很小，材料所受围压力足够大时硬脆材料会发生塑性变形；硬脆材料的断裂行为与金属材料有着本质区别。硬脆材料在磨削过程中形成很多相互交贯的裂纹，使切屑呈粉碎状并在被切削表而留下许多裂纹。 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
27、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 5 m，表面粗糙度为 Ra0.510.76 m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。 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。后来，在传统超声加工的基础上发展了旋转超声加工技术， 其与超声加工的不同之处在于后者在加工中加入了旋转运动。 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。 超声加工方法是近 40 年来逐步发展的一种新型加工方法，它不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆性金属材料， 而且 适合于半导体和不导电的非金属硬脆材料（如半导体硅片、玻璃、陶瓷以及金属基碳化硅复合材料等）的精密加工和成形加工。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。
