回转超声波加工机械装置的分析

1、英文译文学院 机械与动力工程学院专业名称机械制造及其自动化年级班级021班学生姓名 沈鹏指导教师焦锋回转超声波加工机械装置的分析 机械工程部，技术，太原 ，山西的太原大学, PR 中国摘要 在本篇论文中, 主要分析回转超声波加工机床刀具顶端磨粒的运动.磨料研磨的影响，加工时要考虑附加在加工刀具上的冲击力和研磨运动接触被加工的表面上物质迁移速度. 主要研究在回转的 USM 的裂缝变化而导致工件破坏的力学理论 以便建立一个关于表面物质迁移变化的一个数学的模型从而为提供理论基础用于回转转 USM 的机械的分析. 2002 Elsevier 科学 B.V. 版权所有. 关键字: 超声波加工; 陶瓷 1

2、. 介绍超声波加工 (USM) 被认为是一个加工坚硬和易碎材料极为有效的加工方法，比如的玻璃，工程陶瓷，半导体，金刚石, 合金等等。然而, 较低的极限表面物质迁移率严重限制了超声波加工的使用范围. 回转超声波加工利用超声波频率可以同时地使若干刀具以超过声速频率（20Hz）工作. 刀具一般是用金刚石或者在外面镀金刚石研磨剂的合金制成的。 因此，研磨剂粉末被掉落下来和冷却剂用来加工工作表面. 相对普通超声波加工而言 ，回转超声波能得到非常高的表面物质迁移率，更深的孔和更精密的工件, 这使得它更有发展前途。结合计算机自动控制技术, 回转超声波加工能用来在坚硬材料和易碎材料上进行精密的仿形加工 一些专

3、家已经研究出了回转超声波加工程序的模型. 1考虑将回转超声波程序和钻石研磨程序结合在一起. Prabhakar 和同事们研究了压力断裂模型.2.Jia 以及其他人. 3 由易碎的材料分析了裂缝的形成. WANG的模型解释了超声波加工程序的电动机程序性质 4. LEE和 Chan5分析在 USM 程序在生产的过程中产生的能量的变化. 本篇论文中, 在计算机自动控制系统下的回转超声波加工的机构是已知的. 目的是通过回转超声波技术与计算机自动控制技术结合得到数学模型，计算出物质迁移率。 2. 回转超声波加工中研磨剂的分析 图. 1 表示回转超声波加工机构的简图. 刀具是用低碳钢制作的, 刀具在支架上

4、被一个频率大约20 KHz的传感器和一个20转的伺服电动机同步，静态载荷应用的工具。 该装置工件被安装在机器凹槽内可以向两个方向进给并由计算机自动控制系统进行控制，刀具前端用有金属制的同CBC 研磨剂. 图. 2 表示和 计算机自动控制 技术结合的回转超声波机器加工的工件 (玻璃) 的相片. 图. 3 表示在工件表面上每个研磨剂粒子的振动状态. 在震动的开始, 在静态的负荷下面的磨平粒子的压痕深度就是它振动中上限达成正弦曲线中最高的点. 振动中达到最低的点, 它压入工件表面而且达成最大的压痕深度就是这个产品达到的最大震动力. 在磨粒和工件之间的接触过程中, 由于工具的回转运动使得在工件的表面上

5、会产生凹槽. 图 4 表示已被加工过的工件表面的电子显微镜相片. 从相片中可以看出, 微冲击和磨粒的研磨产生的凹槽能被清楚的看到. 基于以上研磨加工的描述,回转超声波加工被认为是一种用于表面加工的加工方法，它综合了研磨压力加工和水磨加工的优点1 冲击：随着刀具的回转运动, 在刀具中的磨粒在不同的地方利用冲击使的被加工的表面留下凹痕. 2 磨损: 随着刀具的回转运动和工件的进给运动, 磨粒擦出微小凹槽留在被加工的表面上. 3 超声波涡轮. 在冲击的过程中, 工件局部的断裂痕容易地在某中程度上发生在坚硬的和易碎的材料 , 比如工程陶瓷. 回转超声波加工的本质是利用这些机理取保清除工件的表面的材料.

6、 然而, 弹性形变和裂纹的变化严重依赖材料的性质 (硬度，塑性, 弹力系数) ，物质表面性质 (密度和裂缝的大小) 的 , 以及载荷的形式 (研磨剂的成分, 工件加工的速度). 本论文中,分析裂缝形成和传播的前提就是所有的磨料颗粒有球面. 3. 球状研磨剂的震动机构加工中的球状研磨剂中的磨粒冲击一个表面可以简化成一个作用于一个半径无限大的球体。所以，赫兹理论可以应用于分析工件的应力状态。图. 5 表示磨粒和工件之间的接触状态. 假定磨粒是一个刚体, 接触面积因压入而改变. 接触面积的半径能按照下列各式被计算: (1)在 P 在磨粒上的压应力(N); E 经验模数 (GPa); v 表示速度的大

7、小; R 磨粒的半径 (m). 在接触面积上压力分布为: (2)r 是对接触区域到中心的距离(m). 因此(3)根据弹性力学, 在接触区域中的压应力是依下列各式计算:(4)对于脆性材料, u 作用在材料表面上应力的变化率. 图. 6 表示在一个加工周期裂缝形成和生长消失的过程: (a) 当磨粒作用工件上产生效果的时候, 在接触区域增加压应力可以观察到微裂缝的产生. (b) 当压应力不断增大达到一个临界值时, 在接触区域周围的裂缝开始向接触区域的周围延伸而且向特定的深度表面之下发展. (c) 压痕区域因负荷的增加而改变 , 接触面积的改变，单条裂纹稳定有向的向着工件内部周围发展(d)当压应力增加

8、到裂缝的临界值时, 圆形的裂缝突然变成一个锥形裂缝.(e) 随着载荷的进一步的增加，裂缝将继续生长,当接触面积变成被锥形裂缝包围的时候. (f) 在卸载压应力的过程中，锥形裂缝继续扩大, 继续它们的延长的一些裂缝表面的凹槽形成循环 依照上述理论分析, 表面物质迁移率是建议计算的. 基于赫兹等人理论，导出极限. 1 冲击粒震动最大理论值为: (5)P为工件和刀具接触极限接触力功率输出; n 在刀具加工表面磨粒的有效数字; d 磨粒的直径(m); E 工件材料的模数(GPa); v 压应力的比值; 最大值挤入深度 (m). 极限接触力功率可以表示为： Pl为静态的负荷 (N) ；Ft是;冲击力 (N). 从拉应力，压应力和冲击力的关系, 图. 6. 加工中的裂缝导致刀具变形. 对刀具顶端的破坏带来的的冲击力 (7)在 S 是工件加工的区域的面积; L1 刀具的长度(m); E1 刀具材料 (GPa) 的模数; L2 刀具的长度 (m); E2胶合材料的模数 (GPa). 在回转超声波加工中的对工件的比例进给在计算机自动控制系统计算之下, 在工件表面上的磨粒子的长度是依下列各项计算: （8）f是超声波振动的频率（20Hz），r1工件轴和磨粒之间的距离，n工件的长度，Vf工件的进给量，各磨粒的移动量取作（9）得(10)在每个震动周期移动的总体积是: (11)R0 是刀具表面的半