毕业论文-超声加工研究

摘要：超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质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加工,或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。本论文介绍了超声加工的工作原理和技术发展历程，分析了各组成单元的功用和技术难题，对超声发生器和变幅杆进行了相对研究，并分析了时下主要的旋转超声加工的关键技术。关键字：超声频振动，超声发生器，变幅杆，旋转超声。第1章．前言超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或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[1]。几十年来,超声加工技术的发展迅速,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。第2章．超声加工技术的发展历程超声加工起源于20世纪50年代初。最早研究超声加工技术的国家是日本。70年代中期，日本对振动切削与超声磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。20世纪50年代末60年代初，原苏联对超声加工研究也发表过很有价值的论文。其在超声车削、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效益。1973年，前苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。美国于20世纪60年代初开始对超声加工进行研究。由于当时超声加工技术还不是很成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都较差，因此停止了其研究工作。在20世纪70年代中期，其超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原形阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。我国超声加工的研究始于20世纪50年代末，由于当时超声波发生器、换能器、声振系统的不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来[2]。目前，研究人员对工程陶瓷超声加工进行了基础的实验研究，得出了工程陶瓷超声加工的一些规律，为今后工程陶瓷的应用提供了更为广阔的前景[3]；利用改装后的数控超声加工装置对Al2O3进行了工艺试验，其数控超声加工是对传统超声加工的技术创新，具有传统超声加工所无法比拟的特点，初步掌握了对Al2O3的加工工艺规律[4]。在用超声加工技术对陶瓷进行的加工中，介绍了超声加工的原理和特点，综述了国内外超声加工在陶瓷材料加工方面的应用研究，并对二维超声振动磨削加工技术在陶瓷加工中的可行性进行了分析，为拓展超声加工应用领域与技术发展提供借鉴[5]。通过数学物理模型分析超声加工声学系统的动力学规律，探讨工具杆的局部共振现象，得出当工具杆发生局部共振时，变幅杆和工具杆连接处为位移节点，且此时系统处于谐振状态的结论；并推导了超声波发生器的可调频率范围与刀具杆的磨损率关系[6]。随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。第3章．超声加工的原理及设备第3.1节超声波的加工原理超声波是纵波，可在不同介质中传播，因介质不同，传播速度存在一定的差异；超声波可以传播很强的能量，可用能量密度来表征，即垂直于传播方向上单位面积的能量；当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，从而引起固体物质分散、破碎等效应。空化现象是液体中常见的一种物理现象，在液体中由于涡流或超声等物理作用，致使某些地方形成局部的暂时负压区，从而引起液体或液-固体界面的断裂，形成微小的空泡或气泡。液体中产生的这些空泡或气泡处于非稳定状态，有初生，发育和随后迅速闭合的过程。当他们迅速闭合破灭时，会产生微激波，因此局部有很大的压强。这种空泡或气泡在液体中形成和随后闭合的现象，成为空化现象。由于空化现象产生气泡的非线性震动，以及他们破灭时产生爆破压力，所以伴随空化现象能产生许多物理和化学效应。这些效应有腐蚀破坏工件的消极作用，也有在工程技术中得到应用的积极作用。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第3.2节超声加工的设备超声加工设备包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统。3.2.1、超声发生器。超声波发生器的作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。对超声发生器的基本要求是输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能。在超声加工中,为得到大的振幅以提高加工质量,发挥超声加工的优越性,要求振动系统工作在谐振状态[7]。一般,超声振动系统工作前,通过调节电源的电频率,可满足系统处于共振的工作条件。但是,在实际加工中,振动系统的温度、刚度、静载荷、加工面积、工具磨损等因素的变化,使得系统的固有频率发生漂移,参见图1。此时,若不及时调整换能器的电源频率,振动系统将工作在非谐振状态,从而使振动系统的输出振幅减小,造成加工质量下降,当失谐严重时,超声振动加工的优越性就会消失。因此,在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的,这就要求超声加工系统具有频率自动跟踪功能,同时为保证加工质量和保护超声系统,要求发生器具有根据负载调整输出功率,稳定振幅的功能。在加工过程中,振动系统的固有频率变化分为缓慢频率变化和瞬间频率变化[8]。由工具磨损和温度变化引起的谐振频率和漂移属于缓慢变化;由负载系统刚度的变化引起的谐振频率的漂移属于瞬间变化,频率自动跟踪要求发生器能快速、准确地跟踪超声振动系统的固有频率的缓慢或瞬间变化。所谓自动频率跟踪,是指在加工过程中,当由换能器、变幅杆、刀具组成的振动系统在外界因素影响下,其固有振动频率发生变化时,控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频率相同,使振动系统始终工作在谐振状态,以维持振动系统的最大振幅。自动频率跟踪的任务在于提取与超声机械振动成比例的信号,并将电源的频率调谐到超声振动系统的固有频率上。而能否准确地提取有效信号是自动频率跟踪能否实现的关键。自动频率跟踪系统按获得反馈信号的方法可分为电反馈系统和声反馈系统。在电反馈系统中,利用电—机换能器的电输入信号与换能器工作部分的振动速度或其位移成比例的原理,通过拾取此电信号,组成自动频率跟踪系统。在声反馈系统中,是通过拾取换能器或变幅杆振动系统输出的机械信号,来组成频率跟踪系统的。获取和传送自动频率跟踪系统控制信号的不同方案如图2所示[9]。需要指出的是,曾经有人用模拟试验的方法去跟踪频率。其基本思想是通过模拟试验,根据工作时的载荷分布情况,找出各种载荷下的对应固有频率f,调节电源的频率至相应的f处,从而保证系统的谐振工作状态。该方法思路简单,所需的设备少,但存在明显缺陷;1)由于各种加工设备的性质不同,即使载荷相同,其固有频率变化也不会相同,因此实验数据通用性差。2)由于振动系统的固有频率受多种因素影响,而模拟试验不可能照顾到各个方面,因此,数据的可靠性不强,失谐在所难免。3)不易自控。鉴于以上缺陷,该法没有得到推广使用。3.2.2、超声换能器超声振动系统主要包括超声换能器、超声变幅杆和工具。其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具断面做小振幅的高频振动，以进行超声加工。主要的换能器有磁致伸缩式和压电式两种。3.2.3、变幅杆变幅杆是超声加工设备中的一个重要组成部分，如图所示。它主要有两个作用:①聚能作用———即将机械振动位移或速度振幅放大,或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚能;②有效地将声能传递给负载———作为机械阻抗的变换器,在换能器和声负载之间进行阻抗匹配,使超声能量由换能器更有效地向负载传输。几种常见的变幅杆在超声的应用中,由于换能器端面上的振幅十分微小(0.001～0.010mm),不能驱使磨料对工件表面形成有效的冲击。变幅杆作为振幅扩大装置,应该在一定的频率下,为工具端面提供最大的振幅,以提高超声加工的材料去除率。目前,常见的变幅杆类型有:指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形等。此外,为了改善变幅杆的某些性能,如提高形状因数、增加放大系数等,需使用各种复合型变幅杆,这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组合而成。对于这种截面形状呈复杂变化的复合型变幅杆,按照传统的设计方法不能给出解析解,这给设计高效的复合型变幅杆带来了困难。在超声加工中,要使变幅杆有效和可靠地工作,保证所加工零件的精度和加工效率,变幅杆须有良好的动态特性,因此,必须对变幅杆进行动力学研究。其中主要包括两个方面:固有振动特性分析和响应特性分析。所谓固有振动特性分析,是研究在无阻尼自由振动的条件下变幅杆的固有特征,即固有频率和振动应力。响应分析是用于确定变幅杆在承受随时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响应,目的是计算出变幅杆的动力响应,并得到响应位移和响应应力。对于谐响应分析,峰值响应发生在激振频率和变幅杆的固有频率相等时,换句话说,只有当工作频率和变幅杆的固有频率相等时,变幅杆端面才能达到最大位移。因此,在谐响应分析解之前,应该首先进行模态分析以确定变幅杆的固有频率。由于变幅杆有许多固有频率,故只需求得工作频率附近的一个固有频率。第4章超声加工的发展旋转超声加工的特点在于它的超声头在工作时会随着主轴旋转。超声旋转加工是在传统超声加工的基础上发展起来的,它与传统超声加工的不同之处在于:工具在作超声振动的同时附加了旋转运动;工具由金属粉末和人造金刚石或立方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料悬浮液输入到工具和工件表面之间。这种加工方法把金刚石工具的优良切削性能工具的超声频振动结合在一起。第4.1节旋转超声加工的几项关键技术4.1.1工具损耗的在线补偿技术用简单工具(如圆柱形)像铣刀一样进行超声成形加工,从原理上说并不困难,因为现在的数控技术发展得很成熟。该加工方式的关键技术是工具损耗的在线补偿的控制技术。此外,需要大量的工艺实验研究各种工艺参数(包括工具尺寸、加工压力、工具运动轨迹、转速、进给量)对工具损耗的影响规律,在此基础上建立工具轴向补偿的数学模型。分层厚度对成形精度的影响很大,这种分层方式不可避免地使型腔轮廓出现阶梯效应,分层厚度越小,加工精度越高。超声分层铣削加工是一种新技术,其最佳分层厚度、工具轨迹、最佳加工压力、转速等工艺参数的确定及其对工具磨损、材料去除率等的影响还需进一步的实验研究。4.1.2超声波频率自动跟踪技术清华大学[10]开发出了粗精频率跟踪的超声波发生器。其原理是数控插补分为粗插补和精插补,粗插补由软件实现,精插补由硬件实现。类比数控插补原理,采用粗跟踪由软件实现,采用变频搜索法;精跟踪由硬件实现,采用锁相环电路实现。工作时,先由PC机设定超声波发生器的启动频率,单片机收到此值时开始工作,首先将检测到的换能器侧输入电流送入单片机,单片机根据变频搜索法调整超声波发生器的频率,使其向系统谐振频率靠拢,一旦进入锁相环电路的捕获带范围,即开始由硬件电路进行频率精跟踪,并将超声波发生器的输出频率锁定在整个振动系统的谐振频率上。4.1.3旋转超声机床的电气控制技术旋转超声机床采用可编程多轴控制器PMAC为控制核心,开发超声数控系统及相应软件,实现四轴联动,完成系统初始化,参数设置,控制程序编制、数据通讯及文件操作等功能。系统采用高性能工控机为基础,在Windows操作系统的支持下,引入多轴运动控制器,充分利用其内部自带的插补功能模块、刀具补偿模块及内置的PLC逻辑控制模块等技术来实现主机与外部系统通讯。软件设计采用对话框交互方式,使整个操作过程简单明了,具有良好的人机交互界面,把整个控制软件划分为很多小模块,用类来表示并封装这个子模块的各种属性和功能函数,减少了整个系统程序编制的工作量,提高了工作效率。软件实现的主要功能有:系统状态初始化、状态参数设置、位置过程显示、加工控制与通讯、压力数据采集等。参考文献[1]曹凤国,张勤俭.超声加工技术.北京:化学工业出版社,2004[2]张云电.超声加工及应用［M］.北京：国防工业出版社，1995.[3]吕正兵，徐家文.工程陶瓷超声加工的基础实验研究［J］.电加工与模具，2004（2）：57－60[4]王超群，李洁，康敏.数控超声加工Al2O3的工艺试验［C］.中国机械工程学会年会，2007.[5]梁晶晶，刘永姜，吴雁，等.超声加工技术及其在陶瓷加工中的应用［J］.机械管理开发，2