1、 毕业设计开题报告 测控技术与仪器 数控超声机床传动系统设计 1 前言部分 超声技术在工业中的应用开始于 20 世纪 10 20 年代 , 是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 , 如超声孔加工、超声研磨、超声抛光、超声去毛刺等 ; 另一类是采用切削工具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工 , 如旋转超声在钻孔、磨削、铣削上的应用 , 超声电化学、超声振动切削、超 声放电加工及超声塑性加工等 1。 各种硬脆材料和硬脆复合材料很难
2、用传统刀具进行加工 , 因而往往采用非传统的工艺方法进行加工 , 这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量 , 如超声波加工和激光加工等。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。超声波加工精度高 , 速度快 , 加工材料适应范围广 , 可加工出复杂型腔及型面 , 加工时工具和工件接触轻 , 切 削力小 , 不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷 , 而且超声加工机床的结构简单 , 易于维护 2。 几十年来 ,超声加工技术的发展迅
3、速 ,在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用 ,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题 ,取得了良好的效果。如在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工 , 即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转 , 这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面 , 把工件材料粉碎成很小的微粒去除 , 以提高加工效率。又如超声振动加工技术，微细超 声加工等 3。 2主题部分 超声加工机床为实现旋转超声加工 , 一般要由机床本体、超声波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成。超声波发生器的作用是将 50 H
4、z 的交流电转变为一定功率的超声频振荡 , 以提供工具作超声频振动和切除工件材料所需的能量。 旋转超声加工是集传统超声加工与磨料磨削加工为一体的复合加工 , 是硬脆性材料加工的一种有效方法 , 具有良好的应用前景。在目前广泛使用的纵向振动旋转超声加工中 ,金刚石工具除以一定振幅作轴向超声频振动外 , 还作相对于工件的高速旋 转运动 , 并且工件与工具间以一定的静压力相互作用。国内外众多学者对旋转超声加工展开了广泛的理论机理研究。包括：一 .超声振动的捶击作用二 .金刚石工具的磨抛作用 三 .超声空化作用 四 .液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出。 以上 4 点是国内外众多学者形成的关于旋转超声
5、加工的主要作用机理 , 实验结果表明 , 单纯的工具旋转或超声振动对材料的去除效果都比较差 , 而将二者组合之后 , 材料的去除率得到很大的提高 , 因此可以认为旋转超声加工是上述各机理相互促进、综合作用的结果。 目前 , 旋转超声加工在许多工业领域正得到越来越广泛 的应用 , 例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。 旋转超声钻削加工：在超声旋转加工工艺参数对材料去处率的影响方面 , 英国阿伯丁大学国王学院建立了超声加工冲击过程的非线性模型 , 首次解释了材料去除率在较高的静压力作用下减小的原因 4。美国 Raju rkar等在对 A l2O 3 陶瓷材料精密超声
6、加工的研究中 ,发现低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位 , 而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕的产生 5。 Kom aariha 等 6研究了不同的工件材料硬度和弹性模量的比值对旋转超 声钻削和普通超声加工工件圆度和材料去除率的影响 , 研究结果发现 H /E 越大 ,材料去除率越高 , 加工孔的不圆度增大 , 并且加工孔的表面粗糙度增大。我国山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究 7, 探讨了超声振动钻削中各工艺参数对加工效果的影响 , 分析了超声振动钻削的材料去除机理。 旋转铣削加工： 1999 年美国堪萨斯州立大学 Pei8提出将旋转超声加工应用于平面铣削的新途径。同
7、时他和 Hu 等 9提出一种旋转超声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 。 大连理工大学基于快速原型分层制造的思想 ,提出利用简单工具实现超声分层铣削加工的新技术。研究了铣削加工中工具耗损的机理和工艺规律 ,提出铣削加工中工具耗损的补偿方式 10。在此基础上 , 开展实验研究 , 探索工艺参数对材料去除率的影响规律。开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。 旋转超声磨削加工：文 11借助单颗磨粒划擦实验 , 对径向施加超声振动的缓进给磨削加工运动学模型进行了分
8、析 ,发现超声磨削相比普通磨削磨粒有较大的切入 角、较短的切削长度、较厚的切屑和较低的摩擦系数。结合对 Si3N 4 陶瓷加工试件的 SEM 检测、残余应力分析以及弯曲强度测试 , 证实了超声加工较普通加工具有较大的材料去除率 , 且亚表面损伤较小 。文 12A l2O 3 超声振动缓进给磨削加工实验研究发现 , 当超声振动方向与磨削进给方向相同时 ,超声振动引起的抛磨作用非常显著 , 超声磨削的表面粗糙度比普通磨削低。对加工表面进行 SEM 观察显示 , A l2O 3 陶瓷的去除方式仍属于脆性断裂 , 且以晶粒粉碎、穿晶断裂为主 , 但伴随沿晶断裂、弹性划擦、塑性流动等现 象。 MUL T
9、 等 13对氮化硅和氧化铝陶瓷材料用辅助超声振动进行了缓进给磨削加工 , 对磨削力、加工表面形貌、砂轮径向磨损等加以分析 , 指出缓进给超声磨削大大地减小了磨削力 , 同时砂轮的磨损较小 , 工件的表面粗糙度降低 。 综观国内外旋转超声加工技术的研究现状 , 国外部分国家相继开发了性能优良的数控旋转超声加工机床 , 其应用也日趋工业化。国内的旋转超声加工技术的发展较为缓慢 , 与先进国家相比存在较大的差距 , 特别是先进超声加工机床的研制十分落后 , 至今还找不到市场化的数控旋转超声加工机床。 在旋转超 声加工中 , 如何实现工具与超声振动系统之间的有效连接 , 平稳传递超声能量 , 也是伴随
10、超声加工机床研究的热点问题。目前常用的超声波发生器功率为 20 4 000W。 超声波振荡系统的作用是将高频电振荡电能变为机械振动能 , 主要由超声换能器、变幅杆及工具 3个部分组成。超声振动系统是超声设备的核心。以前普遍采用的超声振动系统多为纵向振动方式 , 并按“全调谐”工作。 陕西师范大学声学所丁大成等研制成一种纵弯型振动系统。利用该振动系统制成的YP 型超声车刀已获国家专利。其特点是 : 克服了以往通常采用的“纵 2弯”型振动系 统的某些不足 , 且结构简单 , 安装方便 , 节能。 天津大学也在超声加工机床方面做了很多研究 , 对机床进行了模块化设计研究 , 有利于产品的更新换代 ,
11、 可缩短设计和制造周期 , 降低成本 , 性能稳定可靠 , 且给今后的维修带来方便 14。 日本还研制成一种“纵 2扭”型超声复合振动系统 , 压电换能器采用两组压电陶瓷片 , 一组产生纵向振动 , 另一组产生扭转振动。复合振动系统与四边形油石连接后 , 其纵向振动频率 29.4 kHz, 扭转振动频率为 19.4 kHz。 国内外研究表明 , 超声旋转加工是一种有效的加工 方法 , 但有关设备、加工工艺相关技术正待研究开发。传统的超声加工机床自动化程度低 , 操作麻烦。随着计算机技术的不断发展 , 为了实现机床操作的自动化 , 现在清华大学已经开发了完全数控化的旋转超声加工机床 , 以工控
12、PC 为硬件基础 , 其数控系统由 Z 轴进给控制 , 旋转电机控制 , 自动频率跟踪控制等功能模块组成。 近年日本研制生产了多种超声波加工机床 , 如 : UM 250VNR2 型超声波加工机床 是微小孔的专用超声加工机床 , 采用数控系统 , 自动化程度高 , 加工孔的最小直径为 0. 1 mm , 位置精度可达到 3 微米 , 操作简单 , 变幅杆和工具采用可拆卸式 ,更换工具容易。 UM 2500DA 自动型超声波加工机床 适合加工直径为 0. 5mm 60mm 的孔 , 当加工完成后能自动回到原来位置 , X 、 Y 轴的进给精度为 5微米 , 且磨料供给系统好 , 深孔加工效率高。
13、 超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面 ,材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展 ;另一方面 ,超声加工技术提供的强有力加工手段 ,又促进了新材料的发展。其发展和应用促进看超声加工机床的发展，且随着现代工业的需要，有进一步发展的需要 。展望未来 ,超声加工技术的发展前景是美好的。 3总结部分 我国在超声技术的研发比国外的一些发达国家落后了许多，尤其是美国和日本。而超声加工机床主要是为了实现旋转超声加工，在市场的应用中相比于大功率的非旋转超声加工机床来说，该机床的功率是非常的低，所以进一步提高旋转超声机床的功率是必然的。我国关于超声加工机床中超声电源的智能化、频率跟踪功
14、率的实现以及功率的自动调节等方面以及超声振动系统中大功率超声换能器、多频率工作点的换能器以及纵扭和纵弯等复合换能器等功能模块的研究取得了较大的发展。但把这些研究转化成市场化所 需的超声加工机床仍需努力。超声加工技术在不断完善之中 ,正向着高精度、微细化发展 ,微细超声加工技术有望成为微电子机械系统 (MEMS) 技术的有力补充 。 此外 ,超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用 ,目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工 ,难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工 ,塑料件的焊接 ,以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗。 4 参考文献 1 郑书友，冯平法，徐西鹏 .旋转超声加工技术
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