卧式功率超声珩磨装置设计

1、中北大学2007届毕业设计说明书1 引言时间过得真快，如白驹过隙，转眼间四年的大学生活就要结束。在大学校园的学习可以让我们学到很多东西。只要我们用心，当我们学业已满走出校园时，我们也不会留下任何遗憾。在这里，我不光学到了书本上的知识，更重要的是我学到了如何做人，如何去自主地完成自己的事情，如何自主地去学习。尤其是在最后这半年，毕业设计检验了我们自主学习的能力，同样也检验了我们作为一名大学生应有的素质。让我们再次认识到我们还存在的不足，为我们踏入工作岗位或以后的继续深造打下了良好的基础。这次毕业设计，我的题目是卧式功率超声珩磨装置设计。在这个课题上，要求我在了解掌握功率超声振动加工基本原理及珩磨

2、加工原理的基础上，进行超声珩磨装置的设计。本次设计注重的是理论分析，公式的推导及具体说明。另外可以学习AUTOCAD及solidworks画出功率超声珩磨装置的具体实物图。然后通过指导老师的指导以及自己查阅相关资料来顺利完成本次设计。这次设计，让我对大学学到的知识作了一次回顾和总结。通过查阅资料让我拓宽了我的知识面，了解了我在某些知识上还存在的不足；通过自主学习让我了解了如何更好的运用知识来完成我们想要完成的事情；通过和老师及同学交流让我更加深刻地认识到了团队的重要性。通过这次设计，再次培养了我自主学习的能力和毅力，掌握了如何去寻找资料来处理我们要解决的问题，学到了如何合理的运用时间来处理我们

3、的问题。毕业设计是我们走向社会的一个重要环节，它不尽体现了我们大学四年学到知识的多少，还体现了我们独立思考、独立设计的能力。为我们在以后的工作积累了经验。这次设计得到了范文斌、祝锡晶老师的悉心指导，同时也得到了同学的大力帮助。在这里我非常感谢老师以及同学给我的这些帮助。这次设计是我第一次深入研究超声振动加工的相关知识。虽然以前学过相关理论，但并不是很精湛，所以在设计中遇到了一些困难，也出现了一些失误。通过努力我改正了在设计中的错误以及不足之处。但人无完人，我知道我的这次设计还存在许多不足之处，对于在本次设计中出现的这些不足之处，恳请老师予以指正并提出你们的宝贵意见。第 1 页 共 33 页中北

4、大学2007届毕业设计说明书2 综述2.1 功率超声珩磨装置概述磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，超声振动珩磨加工是近年来新兴的一种超精加工技术。在超声振动加工技术的研究方面，日本走在前列，迄今已有许多方面比较成熟并应用与实践。但是，由于磨削加工的复杂性，超声磨削加工的许多机理还不十分明了，进一步的加工应用技术还在研究之中。超声振动加工具有低切削力、低磨削温度、低的表面粗糙度和高精度，以及被加工零件良好的耐磨耐腐性，特别是同等加工条件下只需很小的机床动力等优点。有鉴于此，世界各国目前均在重点开发和研究超声振动在磨削加工领域的高技术和应用课题，超声振动加工综合应用于磨削加工已经成为下一代精密加

5、工的发展方向之一。2.2 功率超声珩磨装置的研究现状日本是最早研究、应用功率超声振动珩磨的国家，代表人物是隈部淳一郎，他们研究的功率超声超声振动珩磨装置的特点是换能器为磁致伸缩换能器，振动形式为纵向振动，油石以及芯轴等组成的整个头体都振动。俄罗斯于八十年代末研制出功率超声振动珩磨装置，其特点是油石径向振动，借助于在油石旋转轴线垂直平面内发送超声振动的功率超声珩磨装置，油石由于受径向超声 振动的影响，金刚石颗粒于被加工材料的接触性质起了变化，从而消除了黏结、堵塞现象，油石表面变的清洁，已加工表面质量高。六十年代初，我国已开始了振动切削技术的研究，直到八十年代初期该技术才受到普遍重视。近十几年来，

6、振动切削技术方面的理论研究和应用取得了显著成绩，哈尔滨工业大学、广西大学、吉林工业大学等单位在功率超声振动理论、加工不同材料的实验、加工精度与表面质量、刀具的磨损耐用度等方面的研究中均取得了一定成绩，超声振动加工在生产中也得到了广泛应用。在车削、铣削、刨削、磨削、钻孔、攻丝、珩磨等各种加工方法中都有应用，并取得了较好的效果。中北大学是国内研究功率超声振动珩磨的最早单位之一，八十年代初期已进行了功率超声振动切削方面的理论研究。1988年研制成功了卧式功率超声振动珩磨装置，并通过了北方工业集团公司军品部鉴定，认为该项成果属国内首创、振动系统达到了八十年代末国际先进水平。1993年研制成功了 86钢

7、质薄壁缸套的力式功率超声振动珩磨装置，在实际生产中得到了应用，该装置取得了国家专利。第 2 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书2.3 功率超声珩磨装置的研究内容及方法2.3.1 研究内容本课题是关于“功率超声珩磨装置设计”的研究，研究的主要任务和要求是：（1）掌握功率超声振动加工的基本原理。（2）掌握机械加工中珩磨加工原理。（3）在此基础上设计功率超声珩磨加工装置。2.3.2 研究的途径及方法（1）了解首先通过收集资料，了解我国超声振动加工技术的发展状况，对其工作原理和设计原理进行深入研究，从而才能设计出符合实际工程需要和本课题要求的超声珩磨装置。（2）存在的不足及研究方法由于现

8、有的超声振动珩磨装置传递环节多、结构复杂、能量损失大，振动系统各个环节的匹配性能差，严重影响了超声珩磨的推广应用，所以在研究本超声珩磨装置时应当尽量优化设计振动系统的各个环节，尽量减小能量传递的损失，让超声珩磨装置工作性能更加稳定。超声振动珩磨装置由超声波发生器、超声振动系统、珩磨头体级冷却循环系统组成。对它的研究方法融合了力学、声学、材料学等诸方面的研究方法。考虑到本论文设计的是超声振动珩磨装置，在超声振动系统中，弯曲振动圆盘是超声波振动珩磨装置递振的重要零件,该零件的设计、制造质量的好坏，直接影响到变幅杆的振动能否通过它传递到挠性杆上，并保证振动时珩磨杆不振动。根据前面的介绍，本论文的设计

9、重点是弯曲振动圆盘。3 珩磨珩磨加工是利用可涨缩的磨头使珩磨条压向工作表面，以产生一定的接触面积和相应的压力，在适当的珩磨液作用下，珩磨条对被加工表面做旋转和往复进给的相对综合运动，从而达到改善表面质量、改善表面应力状态和提高被加工零件精度的目的，是一种多刃切削的精加工方法。近几年来，由于珩磨技术的发展，如人造金刚石和立方氮化硼等超硬磨料的应用，把珩磨技术推向一个新的阶段。现在珩磨已不仅用做高精度要求的终加工工序，并且还可作为较大余量的中间工序，是一种第 3 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书高效、优质的加工方法。3.1 珩磨加工的特点：珩磨加工与一般切削加工相比的下列特点：（1

10、）可获得高的加工精度 珩磨可以在较短的时间内经济地获得较高的形状精度及尺寸精度。加工直径小于50mm的小孔时，其圆柱度可达5m，轴心线直线度可达1m；加工50200mm中等尺寸孔时，其圆度误差为35m，孔长在300400mm时，圆柱度可达10m以下。经珩磨加工的内孔，尺寸精度可达IT6IT7。但珩磨加工不能提高被加工孔的位置精度。（2）可以获得高的表面质量1） 珩磨的加工表面具有交叉网纹，有利于润滑油的储存及油膜的保持，能承受较大的载荷，工件耐磨性好。2）珩磨表面粗糙度Ra值通常小于0.1m。3）珩磨加工表面几乎没有热损伤、变质层、嵌沙或冷硬现象。但存在高的残余压应力，这些有利于零件使用寿命的

11、提高。（3）加工范围广 珩磨能加工各种内孔（通孔、盲孔、多台阶空、圆锥孔、椭圆孔和摆线孔等）、平面、外圆柱表面、球面、齿轮表面、发动机曲线表面等；能加工的孔径范围为2200mm，孔长为1 24000mm、长径比约为1/50300；几乎能加工所有工业材料。（4）具有较高的生产率，对机床精度的要求低 珩磨是大面积多刃切削加工，因而具有较高的材料切除率，如珩磨直径为100mm左右的缸套孔，其材料切除率可达300500mm3/s 。因珩磨时珩磨头或工件要求能浮动，珩磨头与机床的连接属于柔性连接，故对机床的精度要求低，并可用车床、镗床、钻床等机床改装。3.2 珩磨加工原理珩磨是利用安装在珩磨头圆周上的若

12、干砂条（油石），由涨开机构将砂条沿径向涨开，使其压向工件的孔壁；与此同时，使珩磨头做旋转运动和直线往复运动，第 4 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书对孔进行低速磨削和摩擦抛光。旋转及往复运动的结果，油石上的磨粒在孔的表面上的切削轨迹成交叉而又不重复的网纹，因而获得表面粗糙度较小的加工表面。径向加压运动是油石的进给运动，加压压力越大，进给量就越大。3.3 珩磨运动过程珩磨时，珩磨头由机床主轴带动相对工件作旋转和直线往复运动，同时油石对被加工表面作径向进给运动。前两种运动构成珩磨的主运动，并使油石形成螺旋运动，因此，油石上大量的磨粒就在加工表面上刻划下螺旋形交叉网纹的珩磨条纹，为避

13、免每条油石的运动轨迹重复，即不让油石上的磨粒仍在原先刻出的条痕上刻划，应使油石在一个双行程终了时的位置，相对其行程的初始位置，在圆周方向上有一个附加的偏移量。图3-1 珩磨网纹生成原理图3-1表示了珩磨网纹的生成原理。图3-1为油石条上一点p的切削路径展开图，即设旋转速度为v，往复速度为va，合成切速度为ve：ve=斜角：=tg-1(va/v)通常珩磨机的主运动速度v是由单独电机经变速机构驱动的，往复运动是由液压系统实现，当被加工工件的交叉角（=2）确定后，珩磨机稳定工作时是第 5 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书不变的。一根油石条的路径是S1、S2、S3，在与之对称的位置上的

14、油石条从相位差为半周的S1开始，所以在加工表面上留下如图3-1所示的特有的珩磨网纹。3.4 珩磨加工过程在珩磨的切削过程中，油石的表面状态、油石的压力、被加工表面三者的变化情况及相关关系，因采用的扩涨进给方式不同而不同。（1）定压进给珩磨过程 定压进给中，进给机构以恒定压力压向孔壁，珩磨过程可以根据油石表面状态的变化分为三个阶段：1）脱落阶段 加工初始阶段，由于孔表面粗糙，油石与孔壁的实际接触面积小，接触压力大，工件孔粗糙表面的凸起部分很快被磨去，而油石面因接触压力过大，加上切屑对油石黏结剂的磨耗使磨粒和黏结剂间的结合强度下降，因而有的磨粒在切削力作用下自行脱落，油石面即露出新的磨粒，即为油石

15、的自锐。2）破碎切削阶段 随着珩磨的进行，孔表面越来越光滑，接触面积也逐渐增大，单位面积接触压力下降，切削效率低，同时切下的切屑既少又细。这些切屑对油石黏结剂的磨耗也很小。因此，油石面的磨粒脱落很少，油石主要不是靠新磨粒切削，而是由磨粒尖顶切削，因此磨粒尖顶的负荷很大，磨粒易于破裂、崩碎而形成新的切削刃。3）堵塞切削阶段 此时油石与工件表面的接触面积很大，极细的切屑堆积于油石孔壁之间不易排出，造成油石面气孔的堵塞，因此油石的切削能力极低，油石表面也变的很光滑，此时的油石磨削相当于抛光。但当油石堵塞严重而产生黏结性堵塞时，油石完全失去切削能力并严重发热，加工精度与表面粗糙度均可受到破坏。因此，当

16、油石进入堵塞切削时要尽快结束珩磨。图3-2中粗折线表示珩磨的磨削量和油石损耗量与时间的关系，双点划线将珩磨过程分为三个阶段，两条水平虚线和代表不同的工件前工序表面粗糙度或磨粒直径，水平虚线位置高，表示前工序表面粗糙度值小或磨粒直径大，因而破碎切削时间延长，脱落切削及堵塞切削的时间缩短。由于每个工件的加工余量及表面粗糙度差别很大。这三个切削阶段不一定在同一工件的加工过程中表现出来。若工件分粗、精两次珩磨，则精珩开始时，接触面积较大，整个精珩过程中，接触面积的变化不大，因此整个过程基本上属于破碎和堵塞切削阶段。第 6 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书单位时间内磨削量、油石磨耗量加工

17、时间图3-2 珩磨磨削阶段的划分1脱落切削区2破碎切削区3堵塞切削区 （2）定量进给珩磨过程 定量进给珩磨时，进给机构以恒定的速度扩涨进给，使磨粒强制性的进入工件，因此珩磨过程只存在脱落切削和破碎切削，不可能产生堵塞切削现象。因为当油石产生堵塞而使切削能力下降时，则进给量大于实际的磨削量，此时珩磨压力增大，从而使磨粒脱落、破碎、切削作用增强。（3）定压-定量进给珩磨过程 加工开始以定压进给珩磨，当油石进入堵塞切削阶段时，转化为定量进给方式珩磨，让磨粒只产生脱落、破碎使油石恢复切削能力，提高效率，最后可用无进给珩磨提高孔的精度和降低表面粗糙度。 4 超声波振动珩磨超声波振动切削和磨削加工均属于一

18、种脉冲切削的方法。切削过程中，刀具周期性的离开和接触工件，其运动速度的大小和方向是不断变化的。当切削工具的振动频率在16000Hz以上时的加工被称之为超声波振动加工，当振动频率在1616000Hz之间的加工被称之为低频振动加工。4.1 超声波振动加工的工艺效果第 7 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书关于超声振动加工的工艺效果主要有以下几个方面：（1）切削力小的效果超声振动加工时，切削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工艺系统的受力情况。用切削速度v=0.m/min,振动频率f=20kHz，振幅A=15te是非常短暂的，约只有10-6秒。在这纯切削时间内，切刃沿

19、切削法向那些的切削长度lt=v/f=810-5mm。可见超声振动切削是一个在极短时间内完成的微量切削的过程。在一个切削循环过程中，切刃在很小的的位移上可获得很大的瞬时切削速度和切削加速度，在局部产生很高的能量。例如以振动频率f=20kHz，振幅A=20m进行振动切削时切刃的最大速度可达2.5m/s（x=A=2Af），加速度可达3.2104g（x=4A2f2，g是重力加速度），即切刃运动的加速度为重力加速度的3万多倍。因此可以想象，这时被加工材料在局部微小体积内必将发生重大变化。在振动的影响下，摩擦系数大大下降，只有普通切削的1/10左右十超声振动切削力下降到普通切削的1/21/10（磨削下降到

20、1/3）。对一些塑性大的材料下降程度更大。近年来，国外把超声振动应用在磨床上，收到了很好的效果。大幅度降低磨削力正是磨削工作者多年来追求的目标，超声振动磨削加工为这一目标提供了有效的手段。（2） 切削低温效果振动切削时，被加工材料的弹塑性变形和切刃各接触表面的摩擦系数大幅度下降，且加工中的力和热都以脉冲形式出现，使切削热的平均值大幅度下降。（3） 低的表面粗糙度和高的加工精度效果超声波振动切削由于脉冲力作用破坏了产生积屑瘤的条件，又由于切削力小，切削温度低，使被加工表面粗糙度大大降低，表面几何精度大幅度提高。振动切削中，切刃虽在振动，但在切刃和工件接触并产生切屑的瞬间，切刃所处的位置在加工过程

21、中总是保持不变的。由于工件也不随时间发生变动，送而为提高加工精度创造了条件。被认为是圆度误差、圆柱度误差、平面度和平行度误差近似为零的一种精密和超精密加工的方法。第 8 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书（4） 提高了切削液的使用效果振动磨削时，珩磨过程是断续发生的，当磨刃与工件分离时，珩磨液可以顺利的进入磨削区，包围着磨粒进行冷却润滑。在磨粒切入时，切削液被强力挤压、形成瞬间高压，使切削液直接渗入到磨刃与切屑的接触表面，充分的起到冷却作用。此外超声振动所形成的空化作用，一方面也可使珩磨液均匀浮化；另一方面，切削液更容易渗到材料的微裂纹内，进一步提高了珩磨液的使用效果。4.2超声

22、波振动珩磨的磨削机理超声振动珩磨加工是指将不同频率的超声波分别施加轴向振动及径向振动给珩磨工具上，然后与普通珩磨方法相复合对被加工工件进行加工。其实质是将超声振动与普通珩磨相复合的一种加工方法。按超声波的振动方向相对往复运动方向可分为三种形式：轴向振动、径向振动和扭转振动。三种振动方式都使油石的合成速度附加了正弦波的振动，若油石振动形式为正弦波Asin2 ft，则合成速度变化如图4-1所示：第 9 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书图4-1 合成速度分析轴向振动：vea=径向振动：ver=扭转振动：ven=目前由于超声换能器的限制，使用较多的是轴向振动方式，本课题采用轴向振动方式

23、。轴向振动切削时油石运动按图4-1（a）所示为正弦线，为了简化分析将其近似成三角波，如图4-2所示，切刃AM与切削合成速度Va的垂直方向夹角为，0，其值为： =arctg(第 10 页 共 33 页2A+Vj/2fV/2f)=arctg(4Af+VjV) （4-1）中北大学2007届毕业设计说明书图4-2 轴向振动油石的运动实际切削中，切刃成角切削，即可看成刃倾角s为教的斜角切削，斜刃切削时的有效前角oe与直角切削时的有效前角n的关系为：sinoe=sin2s+cos2s sinn （4-2）可见，当油石附加轴向振动时，其切刃的前角n增大成oe，大多数油石磨粒切削前角n为负值，当增大刃倾角s时

24、，使n由负向正转化，茄切刃变的锋利，利于切削。并由式（4-1）、（4-2）可知，当振动量A、f变大，前角变大oe，切刃趋向更锋利。径向切削时，油石运动按图4-1（b）所示为正弦曲线，为便于分析将其简化为三角波如图4-3所示。当全振幅2Ah（平均切削深度）时，为分离切削，切削状态见图4-4所示，当油石向着工件振动时，切刃AM的基面转动角。=arctg(4Af/ （4-3）图4-3 径向振动油石的运动第 11 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书图4-4径向振动切削状态此时前角oe为角和无径向振动时的前角o之和，oe=o+ （4-4） 因此，前角变大，切刃变的锋利。径向振动切削，既有分

25、离切削，利于冷却润滑，又有前角变大，切刃趋于锋利的特点。振动量A、f增大，角增大，前角oe变大。4.3超声波振动珩磨的切削量分析假定磨粒是半角为的圆锥体（实际为棱锥体），设其切削深度为h，则磨粒tg，如图4-5所示。图中x为切削速度方向（切向）切削圆半径为R=h ，y为油石的往复运动速度方向（轴向）。当油石未加轴向振动珩磨时，磨粒在工件表面的运动诡轨迹是大螺旋角的螺线，合成运动方向Ve为螺线的切线。第 12 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书图4-5 轴向振动磨粒空切削示意图A点为磨粒切削圆圆心，沿Ve方向运动。当施加轴向振动珩磨时，磨粒不仅沿Ve方向运动，而且附加了正弦运动。图

26、中当相位角为0 时，切削圆圆心在A处，过A点垂直与切削方向的切削圆直径与0.225kg/mm2该切削圆圆周上的两个交点为B点和C点，与切线运动正方向同向的BC锥面为切削磨粒的前刀面。当切削圆圆心沿正弦曲线从0 到相位90 时，其运动轨迹为A-A1正弦线，C点运动轨迹为外包络弧线C-C1，B点运动轨迹为内包络弧线B-Bi-B1，内包络弧线与相位90 时的切第 13 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书削圆相交于点Bi。由图中运动轨迹分析可知，切削圆实际参加切削的锥面随正弦曲线的方向而变化，不同于普通珩磨切削状态。当B到达Bi点时，纵坐标Y(Bi)以下的面积在磨粒上走到相位角90 位置

27、前的某瞬间内已被切除了，因此在磨粒趋近相位角90 时，图中阴影部分已无金属可切除，即为空切削。同理，当切削圆圆心A处于图示A0位置时，在另一侧同样出现此空切削现象。轴向功率超声加工的空切削引起了切削面积的变化，未空切削时，磨粒在垂直切削深度方向的投影面积Ad为： 1 Ad=R2=h2tg2 （4-5） 22面积减小值Ak为：Ak=Y(Bi)dx （4-6） 假定油石中有m个颗粒在与工件接触，则有 P S=m2h12tg2s （4-7）式中：h1平均切削深度s工件屈服压力S油石工件表面积P工件正压力当产生空切削时，由于切削深度方向的面积减小，则有 P S=(m22h2tg2-Ak)s （4-8）

28、由于工件正压力不变，由式子4-7和4-8得，空切削的切削深度h2大于未空切削时的切削深度h1。因此，轴向超声振动加工所出现的空切削现象，使实际切削深度增大，降低了工作压力，降低了切削温度，减少了工艺系统的变形。金属切削过程包括金属的弹性变形、塑性变形、金属被切除。切削加工的切削性可用塑性变形后开始切削的最大残余变形量t来度量，t越小切削性越好。由于功率超声振动加工过程中，工件受高频振动能量的冲击，从而在被切削前有一个较第 14 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书大的预塑性变形，使切削时的最大残余变形量t小于无振动切削时的t。因此，功率超声加工易于消除由犁沟啃削等切削性不良造成的误

29、差。4.4 磨粒性能分析以轴向功率超声振动切削加工为例，分析油石的磨粒性能。按纵波传播的波动方程可得油石离开其端面任意处x的位移u为： u=Acos应变为： =式中：A油石振动振幅f超声波频率c传播速度；c= E油石的弹性模量油石密度一般情况下，有： sin所以， 2f2fxx （4-11） cc2fsin2ft （4-9） cu2f2f=Asinsin2ft （4-10） xccA(2f)2x/C2sin2ft （4-12） 应力为：=E=A(2f)2xsin2ft （4-13） 当f=20KHz，-A=5m，x=5mm时，计算得其最大应力m=0.75kg/mm2。一般陶瓷或树脂结合剂的静破

30、坏应力b约大于1kg/mm2左右。可见，超声振动附加给油石的动应力m接近其静破坏应力b，使得磨粒的自砺性增强由于超声波的高频振动能量，使加工过程中磨屑堵塞气孔的现象减轻乃至消除。利用式子4-13，对其乘上泊松比，就得到了垂直于加工面的油石的动应力。第 15 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书=A(2f)2xsin2ft （4-14） 当m为0.75kg/mm2，取=0.3，则为0.225kg/mm2。大于大气压一个数量级，故加工时较易将磨屑排除，从而消除油石的气孔堵塞现象。5 卧式功率超声振动珩磨装置的设计功率超声振动珩磨装置的作用是使油石产生超声纵向振动，并达到一定的振幅，在机

31、床不停机的情况下实现自动加压，以完成珩磨加工。超声波振动珩磨装置由以下几部分组成：超声波发生器、超声振动系统、珩磨头体及冷却循环系统。而超声振动系统主要由换能器、变幅杆（又称振幅放大杆）、弯曲振动圆盘、挠性杆-油石座振动子系统组成。功率超声振动系统的工作原理是：超声波发生器产生的超声频点振荡通过超声波换能器转换为超声频纵向震动，变幅杆将换能器的超声频纵向振动放大后传给弯曲振动圆盘，挠性杆将弯曲振动圆盘的弯曲振动变成纵向振动后传给油石座，油石座带动与其联结在一起的油石进行纵向振动。功率超声振动珩磨原理图如图5-1所示：图5-1 功率超声振动珩磨原理图5.1 功率超声振动各部分组成5.1.1 超声

32、波发生器第 16 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书超声波发生器又称为超声频率发生器、超声振动发生器或超声波电源，其作用是将50Hz的交变电变为有一定功率输出的超声频振荡，提供给超声振动系统使工具作往复振动的能源。超声波发生器有电子管和晶体管两种。由于晶体管发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需要预热等优点，因此本设计采用功率为200W、振动频率为20kHz的晶体管超声波发生器作为功率超声源。超声波发生器原理图如下：图5-2 超声波发生器原理框图5.1.2 超声波换能器超声波换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前所使用的换能器主要有两种：磁致伸缩换能器和压电换能器。

33、磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体在变化的磁场中所产生的磁致伸缩效应而制成的。压电换能器是利用某些电介质的电致伸缩效应（非铁电型压电晶体）和某些不具有对称中心晶体的逆压电效应（铁电型压电陶瓷）。电致伸缩效应是指某些电介质材料在电场作用下，由于诱导极化的作用而引起尺寸大小显著变化的效应，即变形效应，变形的大小与极化强度的平方成正比。压电效应是指一些不具有对称中心的晶体，沿其某以方向施加机械作用力时，晶体就会由于发生形变而导致正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变化，晶体表面产生正负电荷，即呈现出电位，其电荷密度与外力成正比。反之，将一压电晶体置于外电场中，在电场的作用下引起晶体内部正负电荷重心的位移

34、，这一极化位移又导致晶体发生形变，即逆压电效应。磁致伸缩换能器的优点是：在工件条件变化很大的情况下，切削力变动以及振动系统自身的一些变化对工具的振动形态影响比较小。此外由此组成的工具振动系第 17 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书统使用安全可靠，调整方便，容易掌握。但是磁致伸缩换能器电声转换效率低，一般只有30%左右，体积大，需要水循环冷却。压电换能器尺寸小，声电转换效率高，瞬时输出功率大。因此本装置采用压电换能器。压电换能器的核心部分是压电材料。早期应用的压电材料是压电单晶，首先是石英晶体，随后是一系列人造水溶性晶体，如罗谢尔盐、磷酸二氢氨等。除了石英晶体广泛应用以外，其他材

35、料实际中已不常应用。石英晶体的压电性能是在1880年被发现的，它具有性能稳定的优点。在200以下时，石英晶体的压电效应几乎与温度无关。在通常情况下，石英晶体的性能随时间几乎没有变化。石英晶体不溶于水，便于切割、研磨和抛光加工，机械损耗小，机械品质因素高，被广泛用来制作标准频率控制的振子级高选择性的滤波器。人工压电材料包括压电陶瓷、压电高聚物和压电复合材料等，这其中以压电陶瓷最为常用。压电陶瓷比任何单晶体材料更具有多方面的适应性，它能够施加或承受很大的应力，具有优异的压电性能，并且不受潮湿和其他大气条件的影响，比一般人造晶体好的多。压电陶瓷制作方便，几乎可以作成任何需要的形状和大小，而且可以自由

36、选择极化方向。压电陶瓷可以通过改变其化学成分及添加杂质来改变性能，以适应不同的用途目前在当今的压电换能器中多采用夹心式的制作方法。这种加预应力的夹心换能器具有以下优点：（1）压电陶瓷元件都具有抗压强度高、抗张强度低的特点，中心螺栓给予预应力，一方面能在强度发生变化时增强换能器的稳定性；另一方面确保在大功率条件下处于压缩状态，从而避免陶瓷膨胀而造成破裂。（2）因为中间的激励元件是由一组电极接在两端面的轴向极化圆环组成，从而能运用最大的有效机电耦合系数k，这样激励电源的激励电压不需要太高。（3）压电圆环的数目及连接方式都有选择余地，从而能在较宽的频率范围内设计换能器。因此本课题要求的卧式功率超声振

37、动珩磨装置采用夹心式压电换能器。 夹心式压电换能器的结构由钢质反射罩、铝合金声头和锆钛酸铅材料振子三部分组成。钢质反射罩和铝合金之间夹有压电陶瓷片，用螺钉或其他方式夹紧，为了进行高压绝缘，采用两个压电陶瓷片按极方向并联的结构，之间电极片可以用薄第 18 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书电极，也可以用厚电极。设钢质反射罩、压电陶瓷和铝合金声头的输入端面积为A2，其半径为r2；铝合金声头的输出端面积为A3，其半径为r3；钢质反射罩厚度为l1，铝合金声头的厚度为l2，两个压电陶瓷片的厚度均为l0。当节点位置取在换能器两个压电陶瓷片中间时 l1+l0=l0+l2=/4 波长则换能器的频

38、率方程为： ctgkz10l0ctgk1l1=z1-k201t式中：k0=/c0k1=/c1=2ff共振频率，Hzc0声波在压电陶瓷片中的传播速度，m/sc1声波在钢质反射罩中的传播速度，m/s z0=0c0z1=1c10压电陶瓷片的密度，kg/m31钢质反射罩的密度，kg/m3kt机电耦合系数钢质反射罩和铝合金声头尺寸之间有下述关系： （5-1）第 19 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书(r3-r2)2klk2l2-(1-22)r2r3k2l2tgk2l2zk 1tgk1l1=2 （5-2） 32k2l2z2k1-tgk2l2r3式中：k2=/c2z2=2c2c2声波在铝合金

39、中的传播速度，m/s2铝合金的密度，kg/m3中间有圆柱孔的夹心式压电换能器的频率方程较为复杂，一般按无圆柱孔的夹心式压电换能器的频率方程进行计算，然后进行试验修正。5.1.3 变幅杆换能器在高频点振荡作用下的伸缩变形很小，一般在45m左右，不能直接用来进行珩磨加工，因此必须通过变幅杆将振幅加以放大。变幅杆主要有以下几种：圆锥形、指数形、阶梯形和悬链线形。各种变幅杆在轴向长度上截面的变化规律不一样，但在杆上每一截面处的振动能量是不变的（不计传播损耗）。截面积越小，截面上能量密度越大。由于能量密度0正比于振幅A的平方，即： 0=A=1k0A22（5-3） 式中：k0系数，k0=c2弹性介质的密度

40、所以，截面小的地方能量密度大，振幅也就得到了放大。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的共振频率和外激振动频率相等，使之处于共振状态。阶梯形变幅杆具有较大的放大倍数，制造简单，但是容易发生侧振。指数形变幅杆和圆锥形变幅杆在大功率、高声强的工作状态时，工作性能稳定，振幅的放大倍数也较大，阻抗容易匹配。但是指数形变幅杆制造比较麻烦，因此本设计采用了圆锥形变幅杆。第 20 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书5.1.4 弯曲振动圆盘弯曲振动圆盘位于变幅杆和珩磨杆之间，它是超声波振动珩磨装置的重要零件，该零件的设计、制造质量的好坏，直接影响到变幅杆的振动能否通过它传递到挠性杆上，并保证振动时珩磨

41、杆不振动。因此，弯曲振动圆盘必须满足如下条件：（1） 谐振频率接近理想值，即f=20kHz。（2） 圆盘波腹振幅A10m。（3） 圆盘有足够的强度和刚度。（4） 要能准确确定圆周节线位置。（5） 使圆盘振动的最大振幅传递到挠性杆上去。弯曲振动圆盘相当于中心固定的薄圆盘，其共振频率fp可按下式计算：f=（5-4） 式中，h圆盘厚度（mm）r圆盘半径（mm）泊松比频率系数根据上式计算出来的共振频率fp只是理想值，实际制造使用时，应使用数字频率计测定圆盘的实际共振频率fp，并进行修正，以接近理想共振频率。5.1.5 挠性杆-油石座工具振动系统挠性杆-油石座工具振动系统是振动系统的最后一个环节，振动由

42、换能器输出端传出，经变幅杆、弯曲振动圆盘、最后到挠性杆-油石座工具振动系统，油石座带动油石进行纵向振动。挠性杆-油石座工具振动系统是由两段不同截面的均匀杆组成，其频率方程为： S22c2tg(L2)=0 （5-5） tgL1+arctgc2S11c1c15.2 声振系统设计计算5.2.1 变幅杆的初步设计计算第 21 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书根据功率超声振动珩磨装置的设计要求,圆锥形变幅杆中间应该有一个圆柱形通孔,如图5-3所示:图5-3 有圆柱孔的圆锥形变幅杆中间有孔的圆锥形变幅杆的波动方程为: 21s+k2=0 (5-6) 2+xsxx式中:k=/cc声波在细棒中传

43、播的速度,m/s波动方程5-6的解为: =1(A1coskx+A2sinkx) (5-7) 12R1-R2-xlR1-R2=(A1coskx+A2sinkx) xl(R-R-R1-R2x)213l1-(-A1ksinkx+A2kcoskx) (5-8) R1-R2R1-R3-xl(1)其共振频率方程为:第 22 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书tgkl=kl (5-9) 3231+(kI)212(R1-R2)(2)位移节点x0为: tg(kx0)=klR1-R3 (5-10) R1-R2(3)输入力阻抗Zi为: 由边界条件x=0=1得A1=(R1-R3)1 (5-11) 由边界

44、条件xx=1=0和式子5-9得 R1-R2ctgkl+kl(R2-R3) A2=1(R1-R3) (5-12) R1-R2kctgkll(R2-R3)变幅杆输入端力F1为 F1=-s1Exx=0=-s1ER1-R21A-sEA2k 121l(R2-R3)R1-R3R1-R2ctgkl+kl(R2-R3)R1-R2-ks1E1 -s1E1 (5-13) R-Rl(R1-R3)12+kctgkll(R2-R3)(4)形状因数 令=0,即得位移极大点Xm方程 xR1-R2(ActgkX1m+A2)=A1-A2kctgkXm (5-14) R1-R2l(R1-R3-Xm)2l1 max=(A1cosk

45、Xm+AsinkXm) (5-15) R1-R2R1-R3-Xml式中Xm由式5-12确定.第 23 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书令()=0,即得应变极大点XM的方程 xxR1-R221)(A1cosXM+A2sinkXM)l2(R1-R3-1XM)3l R1-R2+2(-A1ksinkXM+A2kcoskXM)12(R1-R3-XM)2l-(1(-A1k2coskXM+A2k2sinkXM)=0 (5-16) R-R2R1-R3-1XMlR1-R2 ()max=(A1coskXM+A2sinkXM) x2l(R1-R3-1XM)2l1 -(-A1ksinkXM+A2kco

46、skXM) (5-17) 12R1-R3-XMl +式中XM由式5-17确定 kmax (5-18) ()maxx式中kmax和()max分别由式5-15和5-17求出. x =通常取45钢等调质处理的材料作为变幅杆的材料,其声速c=5157m/s,共振频率f取20kHz,则: =c5157=257.85mm 3f20102f23.142.0104=24.4m-1=2.4410-2m-1 k=cc5157取R1=25.0mm,R2=15.0mm,R3=3.0mm则通过式5-6,5-7,5-8可以初步计算出l、x0、Mp的值：l=133.2mmx0=58.9mmMp=1.8第 24 页 共 33

47、 页中北大学2007届毕业设计说明书5.2.2 弯曲振动圆盘的设计计算根据弹性振动理论，弯曲振动圆盘可看作圆形薄板振动，其共振频率f可按下式计算：f=（5-19） 式中，h圆盘厚度（m） R圆盘半径（m）G重力加速度，G=9.8m/s2 E弹性模量（N/m2） 材料密度（kg/m3） 泊松比频率系数，当=0.3时，值见表5-1 m简正振动振幅分布的圆周节线数目 n简正振动振幅分布的直线节数数目表5-1 频率振动系数（当=0.3时）考虑到声波传递的效率和速度，弯曲振动圆盘宜选用声速大的材料。本设计采第 25 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书用了45调质钢，其声速c=5157m/s

48、，材料密度=7.81103kg/m3，泊松比=0.3，弹性模量E=20.801010N/m2若取R/R=0.3，m=0，n=1，则=2.5597。取R=0.28m，则通过式子5-19可以计算出h=0.0103m根据式5-19计算出来的共振频率f只是理想值。实际制造使用时，应使用数字频率计测定圆盘的实际共振频率f，并进行修正，以接近共振理想频率。5.2.3 挠性杆-油石座工具振动系统的设计计算我们把挠性杆-油石座工具振动系统简化为细长杆下面悬挂一集中质量M的数学模型，如图5-4所示：图5-4 挠性杆-油石座工具震动系统的数学模型设油石座的长为A，宽为B，高为h。挠性杆-油石座工具振动系统的振动微

49、分方程为波动方程： 2u2u2 2=cm2 （5-20） tx端点条件为：X=0，u=0 （5-21）第 26 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书uM2u=- X=1，ES （5-22） 2Xt式中：E挠性杆弹性模量S挠性杆截面积由式5-20、5-21、5-22可导出频率方程为 ytgy=m （5-23） M式中：y=2lfl （5-24） =2cmmcm挠性杆中声波传播的速度m挠性杆中的声波波长l挠性杆长度m挠性杆质量M油石与油石座质量之和挠性杆-油石座工具振动系统的设计步骤如下：（1）选定挠性杆材料，即确定cm、m。挠性杆采用不锈钢制作，声速 cm=5157m/s。m（2）根

50、据换能器、变幅杆、弯曲振动圆盘的共振状态，测定他们的共振频率f作为挠性杆-油石座工具振动系统的共振频率，由此即得挠性杆的声波波长m=cm/f=257.85mm（3）根据挠性杆和油石座质量的大小，试选质量比m/M。我们在这里试取 m/M=0.4。（4）由方程5-23解出y，再由式5-24算出挠性杆长度l=ym/2。将m/M=0.4代入方程5-23，算出y=4.8，然后算出l=197mm。（5）根据珩磨头直径确定油石条数和油石宽度B/，由此即可确定油石座宽度B=B/+2。本设计的珩磨头直径为20mm，由表5-2可确定油石条数为3，油石宽度为3mm，油石座宽度为5mm。第 27 页 共 33 页中北

51、大学2007届毕业设计说明书表5-2 珩磨油石截面高度及数量（6） 根据珩磨资料和被珩磨孔的长度来确定油石座长度A。若A较大，则选声速大的材料制作油石座；若A较小，则选声速小的材料制作油石座；由此可确定油石座材料密度m，油石座声速cm和油石座声波波长m=cm/f。考虑到油石座和油石需要用弹簧拉紧，所以油石座长度A通常取为半波长的整数倍。A=nm2 （5-25）式中：n=1，2，3，（7）最后两个未知参数：油石座高度H和挠性杆直径d.只要选定任意一个参数，则另外一个参数即可确定。根据挠性杆和油石座几何形状、材质，可列出质量比m/M的计算公式：dm 2=1mdlMmABHH=m/M4MABm()2

52、l（5-26）已知油石座高度H时：d=（5-27） 已知挠性杆直径d时：第 28 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书1md2l H= （5-28） m/M4MAB当珩磨头直径为20mm时，属于小孔，因此用单油石珩磨头，油石座宽为5mm，挠性杆为不锈钢，直径为2mm，油石座材料为45钢，通过计算取挠性杆长度为197mm，油石座长度为200mm，油石座厚度为7mm。5.2.4 变幅杆的修正计算由于弯曲振动圆盘以及挠性杆-油石座工具振动系统的设计计算都是近似值，有必要通过对弯曲振动圆盘、挠性杆-油石座工具振动系统进行振动试验。通过试验测定该系统的共振频率f为18.6kHz，于是对变幅杆

53、进行修正计算：取R1=25.0mm,R2=15.0mm,R3=3.0mm则通过式子5-23、5-24、5-25可以计算出l、x0、Mp的值：l=143.5mmx0=63mmMp=1.85.3结构设计5.3.1功率超声振动珩磨装置结构参见20mm卧式功率超声振动珩磨装置图5.3.2卧式功率超声振动珩磨装置特点：（1）珩磨装置可以旋转。（2）超声波发生器采用晶体管电路，功耗低、效率高、不需预热、造价低、体积小。（3）换能器采用压电换能器，具有能量转换高、体积小、不需水冷、重量轻、价格低的优点。（4）换能器、变幅杆和弯曲振动圆盘的中心制有通孔，孔中装有圆柱顶杆，与珩磨机的加压机构相连，实现油石的自动

54、涨缩。（5）珩磨杆、珩磨头体均不振动，珩磨头结构简单。（6）压电式功率超声珩磨装置体积小，重量轻，便于在珩磨机上安装使用。第 29 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书（6）谐振系统通过圆锥变幅杆节点固定圆盘的过孔，用螺钉固定于壳体与连接体之间，谐振系统由节点固定悬挂于壳体与连接体之中，并随其旋转和往复运动。（7）圆锥变幅杆的节电固定圆盘与壳体、连接体等连接部位均采用圆柱面定心。6 结论我们研制的功率超声振动珩磨装置，与国外同类装置相比，具有下述特点：（1）珩磨杆、珩磨头体工作时均不振动，珩磨头结构简单。由于珩磨杆工作时不振动，不需要考虑珩磨杆的节点问题，珩磨头体与珩磨杆前端可以相

55、互浮动、刚性连接、或者做成一体。（2）由于珩磨杆不振动，可节约能量40%。（3）浮动机构既可以放在水套后面，又可以放在珩磨头体后面；而国外同类装置只能把浮动机构放在水套后面，在许多情况下导致珩磨头浮动不灵活。（4）油石涨开机构可以放在珩磨头体后面，实际使用中操作方便；而国外同类装置只能把油石涨开机构放在珩磨头体前面，实际使用中操作很不方便。超声波振动珩磨具有珩磨力小、珩磨温度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工质量高等一系列优点，从而为提高珩磨效率、解决铜、铝、钛合金等韧性材料和陶瓷等硬脆材料的光整加工问题开辟了一条新途径，具有广阔的应用前景。超声波振动珩磨是利用超声波振动珩磨装置将超声能量传输到珩磨加工区的。超声波振动珩磨装置是超声波振动珩磨工艺系统的关键部分。它的研制成功，为下一步研究超声波振动珩磨机理、工艺及其应用打下了有利的基础。；第 30 页 共 33 页中北大学2007届毕业设计说明书参 考 文 献1 日隈部纯一郎.精密加工振动切削基础及应用.韩一昆，薛万夫。北京：机械工业出版社，1985.2 李伯民，赵波.现代磨削技术.北京：机械工业出版社，2003（1）.3 祝