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超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套含有CAD圖紙三維建?！?全套含有CAD圖紙三維建模,超聲,磨削,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),全套,含有,CAD,圖紙,三維,建模 超聲磨削裝置 摘 要 帶有旋轉(zhuǎn)的超聲磨削加工是在原有機(jī)械加工磨削的根本原理上，將超聲加工的振動(dòng)和磨削器械混合到一起的新型式加工的方法。該方式保存了原有機(jī)械磨削的某些好的特點(diǎn)，有了超聲振動(dòng)的參與，能極大地提升加工時(shí)的工作效率，更能對(duì)難加工材料磨削表面質(zhì)量有所改善。這篇論文的意義是研究出旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)，使用這個(gè)裝置從事一些加工實(shí)驗(yàn)。全文主要內(nèi)容概括如下： 探討分析旋轉(zhuǎn)超聲磨削機(jī)構(gòu)這個(gè)裝置，材料如何除去的原理。這個(gè)裝置中去除材料的原理有相同時(shí)間具備沖擊（磨具上的磨粒對(duì)工作件表面的高快速撞擊）和磨蝕（旋轉(zhuǎn)的磨削加工工具和進(jìn)給中的運(yùn)動(dòng)可以變?yōu)槟Ｐ突癁槟ハ骷庸さ倪^程）的作用。 研究并制作一種新型式的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置。該結(jié)構(gòu)裝置能安裝在不同種類的機(jī)床上，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工對(duì)常規(guī)表面和某些較多樣型面的材料。 關(guān)鍵詞 超聲加工意義；旋轉(zhuǎn)超聲磨削；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 -43- Ultrasonic grinding device Abstract Rotary ultrasonic grinding is a new machining method that combines ultrasonic vibration with grinding tools in the basic principle of the original mechanical grinding. This method saves some of the good features of the original mechanical grinding. With the participation of ultrasonic vibration, it can greatly improve the working efficiency and improve the quality of the grinding surface of difficult to machine materials. The significance of this paper is to study the structure of a rotating ultrasonic grinding device and to do some machining experiments with this device. The main contents are summarized as follows: The principle of how to remove material of rotary ultrasonic grinding mechanism is discussed. The material removal principle of this device in the same time (with the impact of abrasive abrasive on the work piece surface high impact and abrasion (fast) rotating grinding tool and feed movement in can be modeled as process of grinding) role. A new type of rotary ultrasonic grinding device is studied and fabricated. The structure can be installed on different kinds of machine tools, and rotary ultrasonic grinding is applied to conventional surfaces and some kinds of materials with various shapes. Keywords Ultrasound processing significance，Rotate ultrasound grind， Structure design and checking 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 超聲的發(fā)展史 1 1.1.1 超聲發(fā)展簡(jiǎn)介 1 1.1.2 國(guó)外發(fā)展 1 1.1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展 2 1.2 超聲加工的原理及特點(diǎn) 3 1.2.1 傳統(tǒng)超聲加工 3 1.2.2 旋轉(zhuǎn)超聲加工 4 1.3 超聲加工陶瓷的意義及前景 5 1.4 本章小節(jié) 5 第2章 工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù) 6 2.1 結(jié)構(gòu)陶瓷 6 2.2 陶瓷基本復(fù)合材料 7 2.3 功能陶瓷 8 2.4 本章小結(jié) 10 第3章 裝超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 超聲加工設(shè)備及其組成部分 11 3.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.3 結(jié)構(gòu)的比較 13 3.4 最后結(jié)構(gòu)的確定 16 3.5 本章小結(jié) 17 第4章 裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核 18 4.1 裝電機(jī)的計(jì)算與選擇 18 4.2 變幅桿的設(shè)計(jì) 20 4.3 壓電陶瓷的選擇 22 4.4 軸強(qiáng)度的較核 23 4.5 鍵的校核 25 4.6 本章小結(jié) 26 第5章 超聲磨削與環(huán)境保護(hù) 27 5.1 目前我國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀 27 5.2 超聲加工對(duì)環(huán)境影響 27 5.3 本章小結(jié) 28 結(jié)論 29 致謝 30 參考文獻(xiàn) 31 附錄A 32 附錄B 38 第1章 緒論 1.1 超聲的發(fā)展史 1.1.1 超聲發(fā)展簡(jiǎn)介 近年來科學(xué)水平的快速提升和飛機(jī)火箭等加工的需要，難加工材料使用越來越多如1Cr18Ni9、復(fù)合材料、工程陶瓷等，它們的特殊性質(zhì)使其制造加工有些費(fèi)力。例如，在海洋里使用的零件一般用的是不銹鋼，但是不銹鋼加工很困難費(fèi)時(shí)費(fèi)力，切削不銹鋼過程當(dāng)中切削損耗功率多，切削時(shí)溫度很高，而且還有表面質(zhì)量較低的加工工件。又如飛機(jī)火箭上的發(fā)動(dòng)機(jī)重要零件經(jīng)常采用T、Ni合金等先進(jìn)構(gòu)造材料，而鈦、鎳這些復(fù)合材料加工切削又不是很好，主要體現(xiàn)在它們的熱硬度和熱強(qiáng)度很高，所需切削力強(qiáng)，對(duì)加工時(shí)使用的工件、刀具被損害很大。比如使用工程陶瓷的航天飛機(jī)，這種材料強(qiáng)度硬度脆性都很高，所以無論是加工還是成本都很高。此類復(fù)合材料的應(yīng)用普遍，對(duì)機(jī)械制造業(yè)給出了很多需要解決的新加工問題。所以使用原有加工方式非常艱難，有些還加工不出來，因此新型的加工方式出現(xiàn)了那就是特種加工對(duì)它們的加工效果非常好。而在特種加工方法中，有特有的優(yōu)勢(shì)的就是超聲加工，因此使用的非常普遍。超聲波指的就是人耳聽不到的動(dòng)靜。通常來說可以被人耳聽到的聲波的頻率范圍約為16~20KHz。因此，人們常把高于20KHz的聲波稱為超聲波。而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時(shí)，頻率在16KHz以下的超聲技術(shù)也被使用。1830年莎汝特討論了人耳能聽到的頻率使用了多齒的輪產(chǎn)生超聲，但通常認(rèn)為，首次真正產(chǎn)生超聲的應(yīng)是弗勾扥的氣哨測(cè)驗(yàn)。爆發(fā)第一次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，菈葛文發(fā)明了換能器，使用在水里的超聲波，開始了真正的有效的研究超聲具有的特點(diǎn)，如頻率、波長(zhǎng)、在固定路程內(nèi)沿直線傳導(dǎo)很好的束射性和方向性、并產(chǎn)生空化作用在液體中傳播的時(shí)候?？偠灾暭夹g(shù)使用的越來越普遍。在一些高科技先進(jìn)設(shè)備中發(fā)揮了不可替代的作用。 1.1.2 國(guó)外發(fā)展 1927年 ,美國(guó)物理學(xué)家悟?和路密斯做了超聲加工實(shí)驗(yàn)，使用超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行了加工。 1951年，美國(guó)的科恩制造世界第一臺(tái)可用的超聲加工機(jī)器 [1]1964 年，英格蘭人莉葛發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)或電鍍金剛石刀具的旋轉(zhuǎn)超聲加工的方法，解決了有的超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的問題。在 70 年待左右美國(guó)在超聲鉆中心孔、 聲光整加工、 磨削、 拉管和焊接等部分，已進(jìn)行了應(yīng)用。超聲車削、 鉆孔、 鏜孔、已經(jīng)用于試驗(yàn)性研發(fā)制造設(shè)備基本階段；工業(yè)上已經(jīng)應(yīng)用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)，現(xiàn)在已有了一些標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)拉斯加斯內(nèi)和華內(nèi)塔大學(xué)對(duì)ALO3瓷材料微清除量精密超聲加工方法進(jìn)行了探討[2]。他們發(fā)現(xiàn)了低撞擊力會(huì)使陶瓷材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變和晶粒錯(cuò)亂，而高撞擊力會(huì)是他的中心有了裂紋和凹的痕跡。美國(guó)卡莎撕州的大學(xué)研究出了一種計(jì)算方法它是旋轉(zhuǎn)超聲加工陶瓷去除材料率的模式，確定了材料去除率和加工參數(shù)它們的關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)研究對(duì)陶瓷材料旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)的作用。巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度?，F(xiàn)在最好的加工設(shè)備之一是德瑪基的超聲波加工設(shè)備，進(jìn)來研發(fā)生產(chǎn)了適合多種工件尺寸和加工任務(wù)的高速切削技術(shù)和五軸聯(lián)動(dòng)高速超聲加工中心包括： ①HSC20linear 緊密型高速加工，其特性是緊密型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，輪廓精度， 表面質(zhì)量<0.2μm；自動(dòng)換刀；②HSC20linear 高速精密加工中心 ，其特點(diǎn)是： 所有軸都是用高動(dòng)態(tài)機(jī)能和高精度直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)， 標(biāo)配28000r/min 高速切削主軸HSK-A63， 切削性能高，刀具使用時(shí)間長(zhǎng)，花費(fèi)少，表面質(zhì)量好[3]。 1.1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展 我國(guó)超聲加工研究開始在20世紀(jì)50年代左右。 1960到1969年， 中國(guó)研究生產(chǎn)出了加工小孔的超聲機(jī)床，1973 年，在上海的一家工廠研制了 CNM -2 型超聲加工研磨機(jī)床。1984 年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究中心自主研發(fā)了超聲旋轉(zhuǎn)加工樣品機(jī)床， 該樣品功率為 400W， 工作頻率為7～22k Hz，加工精度為 ：圓柱度0.03mm，圓度<0.005mm[4]。清華大學(xué)完成研究出了數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，其Z 軸進(jìn)給控制數(shù)控系統(tǒng) 、 旋轉(zhuǎn)控制旋轉(zhuǎn)、控制自動(dòng)頻率跟蹤等使其功能模塊化。天津大學(xué)對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工方面也有著貢獻(xiàn)，這就是機(jī)床分解成模塊[5]。河南理工大學(xué)自主開發(fā)了旋轉(zhuǎn)超聲銑頭設(shè)備，該設(shè)備成為立式數(shù)控銑床的一種配件，在立式數(shù)控銑床上安裝，拆裝都很便捷。大連理工大學(xué)也研制了基于分層清除技巧的超聲銑削加工方式， 生產(chǎn)開發(fā)了超聲數(shù)控銑削結(jié)構(gòu)機(jī)床 ， 開始了使用超聲加工技術(shù)數(shù)控加工工程陶瓷零部件的新道路。在分層去除材料的技術(shù)思想上，解決了原有超聲加工中工具消耗損壞嚴(yán)重且不可以在線上抵償?shù)膯栴}。河南理工大學(xué)對(duì)納米復(fù)相陶瓷二維超聲磨削對(duì)加工表面粗糙度的特點(diǎn)性探討，二維超聲振動(dòng)磨削很大增大了復(fù)相陶瓷磨削的塑性加工面積[6]。旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)在我國(guó)未來的發(fā)方向正在向高精度 、微細(xì)化方向進(jìn)展，很可能變成微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的強(qiáng)化增補(bǔ)。 1.2 超聲加工的原理及特點(diǎn) 1.2.1 傳統(tǒng)超聲加工 超聲加工是運(yùn)用工具端面做超聲頻晃動(dòng)，通過磨料懸浮液加工脆性材料的一種成型方式加工原理如圖1-1所示 圖1-1超聲磨削的原理 加工時(shí)工件與工具他兩中間放入液體（水或煤油等）和磨料混合懸浮液并使工具用小的力壓在工件上。產(chǎn)生1600Hz以上的超聲頻縱向振動(dòng)是超聲換能器并利用于變幅桿把振幅擴(kuò)大到0.05-0.1mm前后驅(qū)動(dòng)工具端面做超聲振動(dòng)強(qiáng)迫工作液中懸浮的磨?？焖俣炔粩嗟淖矒魭伳ケ患庸け砻妫ぜ蠜_擊下來的是被工的材料碎裂成非常小的微粒。這樣來看加工的速度就會(huì)很慢因?yàn)榇驌粝聛淼牟牧陷^少，可是于它每秒沖擊的次數(shù)在萬(wàn)次之上所以仍然有相當(dāng)快的加工速度。這個(gè)相同的時(shí)候，工具端面超聲振動(dòng)作用產(chǎn)生的高頻影響了工作液，工作液鉆入被加工材料的微裂縫處是受到交變的正負(fù)液壓沖擊波和空化作用處，加快了機(jī)械加工破損功能[7]。超聲加工是在局部撞擊基礎(chǔ)上的加工方式，所以脆硬材料受沖擊遭受到破壞就大更加適合超聲加工。相反對(duì)于脆性和硬度不大的并且韌性很高的材料由于他的緩和作用而加工困難。 1.2.2 旋轉(zhuǎn)超聲加工 如圖1-2所示是旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工原理，當(dāng)中，將從外部接入的高頻電振蕩信號(hào)是壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l率機(jī)械振蕩形式；因?yàn)閴弘娞沾蓳Q能器擁有的振幅很小大概約5μm，通常不能達(dá)到需要，所以使用變幅桿，把換能器的振動(dòng)振幅擴(kuò)大后（振幅為20～30μm）然后傳遞至磨削工具，磨削工具做旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)是由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和變幅桿擴(kuò)大的振動(dòng)波的原因，如下圖1-2所示。 圖1-2旋轉(zhuǎn)超聲磨削的原理 在這個(gè)過程中，磨削工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向超聲振動(dòng)，并且磨粒和工件直接作用，那么就能知道，磨粒與工件永遠(yuǎn)接觸在一起，就沒有速度與工件表面分開的現(xiàn)象，這么來說本篇文章研究的問題沒有脫離原有的超聲加工模式并且是在此基礎(chǔ)上研究的[8]。還知道磨削工具上的每個(gè)磨粒在磨削平面上的運(yùn)動(dòng)行程為縱向和橫向的直線運(yùn)動(dòng)的混合成運(yùn)動(dòng)軌跡，與普通磨削相比，磨粒在工件表面加工出的痕跡很大。近來我們發(fā)現(xiàn)了這種加工方式能很大程度上減小加工時(shí)間，那么有些材料的表面粗糙度和質(zhì)量都提高很多。全國(guó)生產(chǎn)組織大會(huì)上提出了工業(yè)現(xiàn)代自動(dòng)化和精密化它是在在第42屆CIRP大會(huì)上提出的那么下一代超級(jí)精密一起主攻超聲波這種特種加工。 在原來的超聲加工的基礎(chǔ)上有發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲加工。這兩種加工的相異的地方是：工件有了超聲振動(dòng)之后又混合了旋轉(zhuǎn)，那么工件上的磨削粒子就能連續(xù)的摩擦工件表面。我們就可以認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)超聲加工是一種先進(jìn)的特種加工方式比傳統(tǒng)加工還要好很多。現(xiàn)在，旋轉(zhuǎn)超聲加工應(yīng)用的還不是很廣泛主要有鉆孔，洗削，磨削等這幾個(gè)方向。在國(guó)外有些研究說這種加工方式是一種新興的結(jié)合性能的好方法，與通常鉆孔和采取游離磨料的原有超聲加工方法比較之后，它具有的特點(diǎn)有：加工迅速，舉個(gè)例子想要加工一個(gè)小孔在光學(xué)玻璃上，加工速度為100mm/min甚至更快。相同情況先，傳統(tǒng)USM比旋轉(zhuǎn)超聲加工RUM加工速度要慢10倍，比傳統(tǒng)磨削的速度更快。超聲加工地方是減小了工具與加工件表面的磨擦系數(shù)切削力，費(fèi)屑好排出[9]。當(dāng)進(jìn)行鉆孔的時(shí)候也不需要進(jìn)行退刀排屑這項(xiàng)工作，可以一次性的完成加工進(jìn)刀實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0機(jī)械化。因?yàn)楣ぞ叩那邢髁π∷栽诠ぜ倪吔堑牡胤姐@孔沒有破壞影響分裂的現(xiàn)象并且對(duì)材料的適應(yīng)性廣。對(duì)脆性好的材料進(jìn)行鉆孔、套料、端銑、表里圓磨削及螺紋加工等最適合加工深小孔細(xì)長(zhǎng)的棒套料等（目前已經(jīng)加工了直徑為1.6 mm，深100 mm以上的孔在玻璃上）?？梢愿纳萍庸ぞ缺砻尜|(zhì)量等問題，而且加工件的磨損小壽命時(shí)間長(zhǎng)。 1.3 超聲加工陶瓷的意義及前景 以為科學(xué)技術(shù)提升了一些加工方法就有些落后所以需要研究新的加工方式，很多的科學(xué)家對(duì)超聲加工有了濃厚的興趣，最終有了很多成功制造出來的機(jī)床：日本一家企業(yè)自主研發(fā)了一臺(tái)超聲波振動(dòng)切削裝置叫做“FUM一1”通過施加扭轉(zhuǎn)振動(dòng)力對(duì)機(jī)床主軸作用，使得加工表面和粗糙度都得到了有效改善。為了提高刀具刀尖與工件的相互碰到次數(shù)該裝置使用超聲波微小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作用在機(jī)床主軸上，高質(zhì)量的加工表面就是在高速慢走刀下情況下就能獲得。德國(guó)一家工廠在中國(guó)舉辦的第八屆世界機(jī)床機(jī)械展覽會(huì)上展示了新型產(chǎn)品名字是DMS35超聲振動(dòng)加工機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速為3 000～4 0000 r/min是這個(gè)機(jī)床的特性因此它對(duì)加工硬脆性材料簡(jiǎn)單的多。傳統(tǒng)加工方式與這個(gè)機(jī)床相比較，會(huì)低出5倍的生產(chǎn)效率，Ra小于0.2μm的表面粗糙度可以被加工出來，更能加工0.3 mm精密小孔，這樣來說這臺(tái)機(jī)器是加工硬脆性復(fù)合材料的質(zhì)的提升和飛越[10]。 雖然達(dá)到了如此的地步能加工的這么精密但是還有很多的技術(shù)沒有被開發(fā)出來對(duì)于超聲加工，現(xiàn)在來講尤其是旋轉(zhuǎn)超聲加工這一方面它的加工機(jī)理、加工規(guī)律和穩(wěn)定的加工特性等還是不全面的還有待探索發(fā)現(xiàn)，那么旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工就更不值得一提研究的都是片面的冰山一角。在新的討論中發(fā)現(xiàn)超聲加工有著很多的優(yōu)點(diǎn)特別是對(duì)于加工那些不好加工的材料，是它們的殺手锏也是最好的方式方法。所以重視它是必然的，是大勢(shì)所趨，科學(xué)家們很重視它，而且它在未來有很大開發(fā)潛力。 1.4 本章小節(jié) 本章介紹了超生加工基本原理和一些國(guó)內(nèi)國(guó)外的歷史發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)它的未來發(fā)展趨勢(shì)給予了肯定，并且越來越多的研究人員投身于超聲加工的設(shè)計(jì)當(dāng)中，旋轉(zhuǎn)超聲加工更是特種加工有效加工方式之一，通過研究發(fā)現(xiàn)它對(duì)硬脆性材料的加工很有效，但是我們還需要努力開發(fā)出更多有關(guān)超聲加工的方法。 第2章 工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù) 2.1 結(jié)構(gòu)陶瓷 陶瓷有很多種類但是通常分為傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的這兩種技術(shù)陶瓷。用天然硅酸鹽粉末黏土、高嶺土等為原料生產(chǎn)的物品為傳統(tǒng)陶瓷黏。這個(gè)材料混合和多東西所以很不穩(wěn)定只能適合用于生活之中如餐具碗盆等工藝品或者是建筑工地上的用的一些東西，在工業(yè)生產(chǎn)上是很不合適的。那么要根據(jù)要求和需要生產(chǎn)的產(chǎn)品功能而產(chǎn)生了現(xiàn)代技術(shù)功能陶瓷，它是通過嚴(yán)格的加工生產(chǎn)技術(shù)要求工藝控制等制造而成的，它使用的環(huán)境非常苛刻嚴(yán)格，高溫和腐蝕介質(zhì)環(huán)境都可以使用，在如今的材料科學(xué)進(jìn)展中是最活潑的區(qū)當(dāng)中的一個(gè)，那么現(xiàn)代技術(shù)陶瓷的領(lǐng)域主要由三個(gè):結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷，那么我就給大家如一介紹。 金屬材料和結(jié)構(gòu)陶瓷比較，溫度很高機(jī)械性能是陶瓷的最明顯的優(yōu)點(diǎn)、還有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比金屬輕的多，那么慢慢的陶瓷就在很多應(yīng)用中取締了那些非常貴的金屬材料再者還可以用于金屬材料沒法介入的場(chǎng)合，你比如發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸套、徑向軸向密封圈、切削刀具的陶瓷等。三大類的結(jié)構(gòu)陶瓷有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。 1．氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要的包括氧化鋁莫萊石氧化軟酸氯等。不存在氧化問題是氧化物陶瓷最顯著的優(yōu)勢(shì)，它的原料價(jià)錢還便宜，而且生產(chǎn)起來很方便工藝還簡(jiǎn)單的很。室溫機(jī)械性能是氧化鋁和氧化錯(cuò)擁有優(yōu)秀性質(zhì)，它也具有耐化學(xué)腐蝕性和高硬，有優(yōu)點(diǎn)也存在缺點(diǎn)那就是在1000℃以上溫度時(shí)蠕變速率大，機(jī)械性能明顯下降。重要使用氧化鋁和氧化錯(cuò)的地方是陶瓷切削刀具、玻璃熔化池內(nèi)襯、陶瓷磨料球和高溫爐管等。室溫強(qiáng)度處在中級(jí)地位的是莫來石，但是這一強(qiáng)度居然能在1400度下保持不變，更驚人的是它對(duì)蠕變速率也是相當(dāng)?shù)牡?，具有這么多的優(yōu)點(diǎn)所以被用在了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的重要選用材料[11]。制成泡沫或纖維狀可以用以上描述的三種氧化物，也可制成高溫保溫材料。內(nèi)部存在很多的微小裂紋的是鈦酸鋁陶瓷，因此熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率非常的低。強(qiáng)度低是它的主要缺點(diǎn)，成為受力元件那是不可能的，那他只能用在加工內(nèi)襯使用保溫、作為耐熱沖擊的元件，現(xiàn)在已經(jīng)是用在了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)上。 2．非氧化物陶瓷 碳化硅、賽龍氮化硅和氮化硅是組成非氧化陶瓷的材料。它與氧化物陶瓷是不同的，以共價(jià)鍵相結(jié)合在一塊的是非氧化物陶瓷的原子間的事情，因此非氧化陶瓷擁有很高強(qiáng)的硬度、蠕變抗力模量、模量，而且還可以使得那些性能的大部分保持到很高的溫度，這個(gè)性能氧化物陶瓷是根本比不了的。但它們也存在生產(chǎn)難的問題就是燒結(jié)有些困難，不在超高溫度下是加工不出來的溫度必須在1500～2500℃還得有燒結(jié)幫助助劑一起作用的情況下才可以獲得很高端精密度的產(chǎn)品，有的時(shí)候必須使用熱壓燒結(jié)方法才能夠獲得盼望的密度＞95%，那么通常來說非氧化物陶瓷的生產(chǎn)花費(fèi)要比氧化物陶瓷高很多。 非氧化物陶瓷是含有硅的它還擁有非常棒的耐蝕高溫性和抗氧化性，它就成為了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的非常重要的材料，很多的超高合金鋼部件都被它取代了當(dāng)今最好的超強(qiáng)合金鋼的應(yīng)用的溫度低于1100度，可氣的是發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的時(shí)候溫度可以達(dá)到1300度還高，因此強(qiáng)制的制冷就得使用強(qiáng)壓水強(qiáng)制制冷達(dá)到效果[12]。超高合金鋼被非氧化物陶瓷代替的時(shí)候，就不用怕溫度高的問題了因?yàn)樗梢匀棠?4000度的溫度也不用強(qiáng)制制冷了，這就對(duì)能源問題環(huán)境問題有所解決。 陶瓷切削刀具也應(yīng)用了非氧化物陶瓷。比較起來氧化物陶瓷的成本真是低的很，但是也有優(yōu)點(diǎn)那就是強(qiáng)度、硬度、蠕變抗力、高溫韌性優(yōu)秀的很多，刀具使用的壽命時(shí)間長(zhǎng)很多、切削的速度可以很快，那么刀具在市場(chǎng)上越來越火爆市場(chǎng)效果非常好。它的使用區(qū)域還包函了很多比如磨球輕質(zhì)無潤(rùn)滑陶瓷軸承、窯具密封件、密封件等。 3．玻璃陶瓷 結(jié)晶度是玻璃和陶瓷的最重要的區(qū)別，非晶態(tài)是玻璃而多晶材料是陶瓷。玻璃在遇到高溫的時(shí)候會(huì)變軟，陶瓷就截然不同遇到高溫的時(shí)候就不會(huì)，比較之后就知道陶瓷的機(jī)械性能使用溫度等比玻璃強(qiáng)很多。玻璃也并不是一無是處也是擁有它的優(yōu)勢(shì)的可在軟化的時(shí)候可以做成各種形狀加工簡(jiǎn)單成本低的很[13]。于是研究的人員就把它們結(jié)合了一起就出現(xiàn)了玻璃陶瓷這種材料擁有了它們的所有優(yōu)點(diǎn)和特性，它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品，然后高溫結(jié)晶化處理獲得陶瓷。鋁一鎂一硅酸鹽、硅一鋁一鎂一鋰酸鹽和鎂一鈣一鋁一硅酸鹽一系列是工業(yè)的玻璃陶瓷體系，炊具就是用玻璃陶瓷制造出來的耐高溫和熱沖擊產(chǎn)品，。在市場(chǎng)上也占有了有利地位很多的地板裝飾品都在使用它。 2.2 陶瓷基本復(fù)合材料 將多種或者很多的不同材料混合到一塊制合成的多相材料就是復(fù)合材料它是為了獲得某些特性，它的綜合性能是非常強(qiáng)大的其中所有的材料不具備的綜合性能都可以擁有。陶瓷材料雖然綜合性能很高但是也有缺點(diǎn)就是韌性低，當(dāng)使用的時(shí)侯不知道什么時(shí)候就會(huì)發(fā)生突然性的斷裂，所以研制了陶瓷基復(fù)合材料為的就是把它的韌性提升。陶瓷基復(fù)合材料為了提高韌性主要有兩大類: 陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料和氧化錯(cuò)相變?cè)鲰g。??? 在陶瓷切削刀具獲得了很多應(yīng)用的氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)合材料，它是由部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和其它陶瓷粉末如氧化鋁、氮化硅混合到一起后研制而成的高韌性材料，這樣斷裂韌性就能夠到達(dá)10Mpa以上，3Mpa左右是一般陶瓷的韌性。非常廣泛的應(yīng)用是理所當(dāng)然的。 最有希望的方法去提高陶瓷韌性的是纖維強(qiáng)化，它被認(rèn)為是最有效最方式。纖維強(qiáng)度基體一般比纖維強(qiáng)度低得多。因此纖維對(duì)基體具有強(qiáng)化應(yīng)用; 裂紋擴(kuò)展也能被纖維明顯阻礙裂紋這是纖維具有的能力，那么材料的韌性就可以提高了。纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料是目前韌性最高的陶瓷復(fù)合材料，比如被碳化硅長(zhǎng)纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達(dá)30 Mp以上，他是燒結(jié)碳化硅的韌性的十倍之高.功能強(qiáng)大之后那價(jià)格也會(huì)相對(duì)提高很多，現(xiàn)在只能在軍事上和航空航天領(lǐng)域上使用。還有一種讓大家注意的是增強(qiáng)材料的陶瓷晶須。晶須的大小非常小，幾乎接近完美的單晶體。在理論與實(shí)際當(dāng)中沒想到它的強(qiáng)度模量是相當(dāng)接近理論值，強(qiáng)化陶瓷那是非常的實(shí)用啊。陶瓷刀具方面已經(jīng)開始使用這類型的材料了，碳化硅晶須一氧化鋁和碳化硅晶須一氮化硅碳化硅晶須一氧化鋁一氧化鉛是它的主要體系。 2.3 功能陶瓷 擁有電、光、熱或磁性能的陶瓷被稱為功能陶瓷，已將發(fā)展到很高的程度并擁有一系列的產(chǎn)業(yè)鏈。功能陶瓷的性能通過下文逐一介紹。 1．導(dǎo)電性能 陶瓷材料也是擁有很多的導(dǎo)電區(qū)間，從低到高的絕緣物體然后是半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等。電絕緣性是很多數(shù)陶瓷本身就有的優(yōu)秀性能，它的這一個(gè)性能被廣泛應(yīng)用。電子型和離子型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的分類，電子型半導(dǎo)體是以晶體管集合成的電路為代表。只對(duì)有些特別的帶電離子會(huì)有傳導(dǎo)作用是離子型半導(dǎo)體，穩(wěn)定氧化鋯和β一氧化鋁是相當(dāng)能反應(yīng)這一特性的。穩(wěn)定氧化鉆只有對(duì)氧離子有傳導(dǎo)的這個(gè)特性，氧傳感器、氧泵和燃料電池是這一系類的主要產(chǎn)品。擁有傳導(dǎo)作的用β一氧化鋁僅對(duì)鈉離子，成為了制造鈉一硫電池的好材料，使用了這一個(gè)材料制作出來的電池存儲(chǔ)電能多并且對(duì)對(duì)環(huán)境的污染小很多[14]。陶瓷超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)不是在很早的時(shí)候而是近幾年來的事情。它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度高驚人是任何一個(gè)超導(dǎo)體中最高沒有之一，液氮溫度已經(jīng)很高了但是它能達(dá)到這個(gè)溫度之上。為釔一鋇一銅一氧系列材料是典型的陶瓷超導(dǎo)體，現(xiàn)在已經(jīng)獲得了計(jì)算機(jī)，超精密機(jī)器的任可和使用。 2．介電性能??? 介電性能也是很多數(shù)陶瓷具擁有的優(yōu)異的性能之一，這一性能主要體現(xiàn)在其很高的低介電損耗和介電常數(shù)。介電陶瓷很重要的應(yīng)用就是陶瓷電容器。以鈦酸鋇作為基體的材料是現(xiàn)代電容器介電陶瓷里的應(yīng)用。被另一個(gè)金屬原子置換后的鋇或鈦離子會(huì)獲得到有不同介電性能的電介質(zhì)。介電常數(shù)高達(dá)l000以上是認(rèn)酸鈦基電介質(zhì)，在過去應(yīng)用的云母卻小的很只有10左右，所以現(xiàn)在都是用用鈦酸鋇制成的電容器了，因?yàn)樗w積小、儲(chǔ)存電的能力很高存。正電效應(yīng)也是鈦酸鋇基電介質(zhì)具有的特性之一。呈現(xiàn)半導(dǎo)體鐘電狀態(tài)是當(dāng)溫度低于某一個(gè)臨界值的時(shí)候，研究發(fā)現(xiàn)溫度過高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一臨界值時(shí)，電阻率會(huì)猛增加最后變成絕緣體。恒溫電阻加熱元件和有電路限流元件利用了這一效應(yīng)并都是其生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。壓電效應(yīng)也被許多陶瓷所具有如錯(cuò)鈦酸錯(cuò)就是其中之一。當(dāng)外力作用在陶瓷上的時(shí)候，電信號(hào)也隨之產(chǎn)生了，反過來卻截然不同，這樣就能使電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷用在了很多的生產(chǎn)行業(yè)中，、超聲波發(fā)生器壓力傳感元件等都是其中的產(chǎn)品。 3．光學(xué)性能 包括光透光陶瓷、陶瓷光信號(hào)發(fā)生器、吸收陶瓷和光導(dǎo)纖維陶瓷在內(nèi)都是陶瓷在光學(xué)方面的應(yīng)用。在人們的生活里日常的生活中利用陶瓷光吸收特性哪里都可以見到。比如涂料、琺瑯陶瓷釉和陶瓷釉。陶瓷的這一特性還應(yīng)用到了核工業(yè)中，這種工業(yè)使用了含鋇、鉛等重離子。核輻射波被陶瓷吸收。核廢料清除方面應(yīng)用也應(yīng)用到了。制造用透過不同波長(zhǎng)的光線也應(yīng)用陶瓷的的光學(xué)性能，紅外線透射陶瓷是當(dāng)中最主要的設(shè)備，它可以然紅外光線透過，制造紅外窗口應(yīng)用了這一個(gè)性能，在新進(jìn)制造行業(yè)里也得到很廣很大的引用比如軍事武器。硫化鋅陶瓷和莫來石在這類材料中有很強(qiáng)的代表作用。固體激光發(fā)生器里面也有陶瓷并且是核心部件，憶榴石激光器和紅寶石激光器是典型的代表。現(xiàn)代的通訊信號(hào)主要使用的是光導(dǎo)纖維這一傳輸媒介，高純二氧化硅制成了這一媒介，高保真性和信號(hào)損耗低、、容量大是其具有的特性，金屬傳導(dǎo)要慢的很多根本無法比你的。 4．磁學(xué)性能 磁性材料金屬是有損耗大電阻率低的特性，特別是在高頻下此現(xiàn)象更加明顯，現(xiàn)代科技的需求已經(jīng)高的很在使用這類材料就是損耗并且也達(dá)不到要求了。就在這個(gè)時(shí)候陶瓷的磁性性能就凸顯出來了，它具有電阻率高、磁性范圍廣泛、損耗低等特性。鐵氧體一種含鐵的復(fù)合氧化物是陶瓷磁性材料的代表。把它的成分嚴(yán)格的控制住就能夠制造出矩磁材料、硬磁材料和矩磁材料軟磁材料。磁導(dǎo)率高的很的是軟磁材料磁損耗低飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大。小型變壓器、電感線圈、錄音磁頭都應(yīng)用了這一性能。最特別的代表有錳一鋅和鋰一鋅鐵氧體軟磁材料有鎳一鋅。矯頑力大不易退磁是硬磁材料的特性，應(yīng)用于永久磁體，鐵酸鋇為代表材料。 因?yàn)樵陧g性和強(qiáng)度方面脆性材料在它們之間有很大的差異，通常高脆性材料金剛石的純斷裂過程與它的加工方式是不同的，金屬材料的塑性剪切過程也與它是不同的。在通常的加工當(dāng)中，主要是材料以斷裂去除為準(zhǔn)，斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上才能研究它對(duì)加工機(jī)理；在加工硬脆材料使用超精密的加工方法，主要是材料用塑性方式去除，從微觀的這一方面去研究材料的去除機(jī)理。脆性材料超精密加工被現(xiàn)在很多的國(guó)家進(jìn)行了很多的研究，特別是最近幾年來國(guó)外也對(duì)這種材料產(chǎn)生了興趣并進(jìn)了很多實(shí)驗(yàn)和研究。 使用金剛石磨粒砂輪來磨削結(jié)構(gòu)陶瓷材料的這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生磨削熱，就是這個(gè)熱兩會(huì)影響到被磨工件表面質(zhì)量。選擇磨削參數(shù)和機(jī)械物理性能上的差異是陶瓷材料的首要問題，而且還會(huì)影響到工件的表面磨削溫度。羅大潤(rùn)對(duì)SiC和ZrO2表面磨削溫度開始測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)得了很多有用的數(shù)據(jù)得知實(shí)際情況，明確分析了磨削溫度的影響因素[15]。善廣輕、孫淳還進(jìn)行切削試驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是硬脆材料的切削，通過此實(shí)驗(yàn)建立了模型，塑性變形和斷裂行為被探討了在硬脆材料有磨粒作用下的情況，有了這個(gè)切削實(shí)驗(yàn)，得出了硬脆性材料的一些規(guī)律，規(guī)律就發(fā)生塑性變形的時(shí)候是在切深很小，材料所受圍壓力相當(dāng)大的情況下；金屬材料與硬脆材料的斷裂有著根本的本質(zhì)性的差異。 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了陶瓷的各種種類有些用于做器皿有些用于機(jī)械工程加工，甚至人們還研發(fā)出了一些具有功能性的陶瓷這種功能陶瓷具有一些特定的功能用于特殊需要的設(shè)備中，比如軍事領(lǐng)域航空航天核電領(lǐng)域等等。因?yàn)樘沾纱嘈源?，所用超聲加工是其最好的選擇。 第3章 裝超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 超聲加工設(shè)備及其組成部分 旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括的零部件電機(jī)、超聲波發(fā)生器、徑想密封圈、變幅桿、壓電陶瓷換能器、軸承、法蘭盤、工具磨頭、主軸、裝置外殼底座等零部件，工具磨頭是鍍上了金剛石磨粒。聯(lián)軸器連接了主軸與電機(jī)，前法蘭連接了主軸與變幅桿，在設(shè)計(jì)的時(shí)候想到磨損穩(wěn)定性等在振動(dòng)節(jié)面的位置上設(shè)計(jì)了前法蘭。經(jīng)過后期實(shí)踐侯發(fā)現(xiàn)施加負(fù)載或工具磨損嚴(yán)重，換能器不是很穩(wěn)定并且頻路忽高忽低，那么連接處必然會(huì)受到影響，于是考慮在主軸端面上加一橡皮墊圈，這樣就能減少法蘭固定之后變幅桿不穩(wěn)定振動(dòng)的問題。磨削工具被固定在變幅桿上是通過變幅桿小端部的內(nèi)螺紋，因此拆裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明確。這樣設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超生加工裝置可以配合很多種機(jī)床進(jìn)行加工，只要通過變換底座就可以安裝到不同的機(jī)床上，進(jìn)行加工。在工作到時(shí)候，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸承通過聯(lián)軸器的鏈接和傳動(dòng)使得主軸和它連接在一塊的磨削工具和變幅桿旋轉(zhuǎn)；超聲波發(fā)生器產(chǎn)生聲波在同一時(shí)間內(nèi)，高頻機(jī)械振動(dòng)就由壓電陶瓷換能器產(chǎn)生，變幅桿把振動(dòng)幅度放大之后，傳遞到磨削工具上。由此一來磨削工具不僅擁有了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也擁有了軸向超聲振動(dòng)，這就是旋轉(zhuǎn)超聲加工。 3.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲磨削裝置要與XPK851型的數(shù)控銑床裝配到一起，要把它放置在銑床的床頭。由于加工的需求，這個(gè)裝置必須處于高速的回旋狀態(tài)。那么鏈接的地方需要更穩(wěn)定。尤其是變幅桿與主軸的連接處，不要在加工的過程中產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。 在使用超聲加工的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，變幅桿的種類也是多得很都是根據(jù)實(shí)際的要求來研制出來的，最常見的有：階梯形、懸鏈線形、指數(shù)形和圓錐形變幅桿，這一類型的變幅桿都是單一的簡(jiǎn)單的。 超聲換能器是能量轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成聲波再由聲波產(chǎn)生的振動(dòng)具體來說就是在超聲頻率范圍內(nèi)把交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者逆向轉(zhuǎn)換。超聲加工的時(shí)候是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。 在這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中有兩種物理效應(yīng)：磁致伸縮效應(yīng)、壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)這樣來看結(jié)構(gòu)就太過于簡(jiǎn)單了，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)當(dāng)中就是不實(shí)用，加工最主要的就是精度但是由于軸孔的加工長(zhǎng)度很長(zhǎng)精度就嫩以保證了。。軸承端蓋還將這強(qiáng)烈的振動(dòng)傳導(dǎo)到整個(gè)裝置中，噪聲就會(huì)因此產(chǎn)生對(duì)環(huán)境就會(huì)有污染。解決振動(dòng)對(duì)軸承的影響問題是這個(gè)裝置的首要問題。所以初步設(shè)計(jì)了幾種方案如下。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一 如圖3-1 1—電機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—軸承外圈端蓋；4—軸承內(nèi)圈端蓋；5—集電環(huán)；6—電刷；7—壓電陶瓷；8—變幅桿。 圖3-1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二如圖3-2 1—電機(jī)；2—帶輪；3—皮帶；4—集電環(huán)螺母；5—集電環(huán)；6—電刷；7—壓電陶瓷。 圖3-2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三如圖3-3 1— 電機(jī)；2—集電環(huán)；3—軸承外端蓋。 圖3-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四如圖3-4 圖3-4 旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置 3.3 結(jié)構(gòu)的比較 這四個(gè)圖就是設(shè)計(jì)的四種方案結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)基本相同的是結(jié)構(gòu)方案一、三、四，都是使用的是聯(lián)軸器加電機(jī)，使用的是皮帶輪和電機(jī)是結(jié)構(gòu)方案二。概括的來講，結(jié)構(gòu)方案二要比結(jié)構(gòu)方案一、三、四的整體尺寸達(dá)和多，那么裝置的重量就會(huì)有所減輕。 固定內(nèi)外圈方法在結(jié)構(gòu)方案一中是里頭兩個(gè)軸承之間使用軸承襯套，鋼料制成的軸承襯套具有很強(qiáng)的是剛性，當(dāng)壓電陶瓷開始振動(dòng)時(shí)兩個(gè)軸承也會(huì)伴隨振動(dòng)。軸承肯定承受不了這么強(qiáng)大頻率和速度的振動(dòng)，幾分鐘過后就壞掉了。軸承端蓋還將這強(qiáng)烈的振動(dòng)傳導(dǎo)到整個(gè)裝置中，噪聲就會(huì)因此產(chǎn)生對(duì)環(huán)境就會(huì)有污染。解決振動(dòng)對(duì)軸承的影響問題是這個(gè)裝置的首要問題。 結(jié)構(gòu)方案四與結(jié)構(gòu)方案一、三比較，一三大裝配比較簡(jiǎn)單，但有一個(gè)問題就是電機(jī)與軸的同軸度保證起來有些困難，同軸度在高速旋轉(zhuǎn)下要是保證不了的話，軸承就會(huì)損壞的很快，以此反復(fù)的循環(huán)裝置的工作狀態(tài)就難以保證良好，軸因此擺動(dòng)起來。加工精度就沒有辦法達(dá)到較高的水平，那精密加工就沒有了任何必要了。換句話來說太同軸度不是很好的話，軸也不可能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，高速磨削加工的目的也就沒法達(dá)到了。中聯(lián)軸器在電機(jī)座的里面的是結(jié)構(gòu)方案四，定位銷保證了軸座和電機(jī)座之間的同軸度，上述的問題就可以完美解決了。 電機(jī)加皮帶輪是結(jié)構(gòu)方案二，占有的空間是很大的。受到很大的彎矩作用的軸是必須考慮到的因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中要保證軸徑要有相當(dāng)強(qiáng)的彎矩強(qiáng)度，剛性也是必要考慮因素。因?yàn)閯傂圆粔虻脑挘S就會(huì)很輕易的被拉彎，擺角就會(huì)在軸的另一端出現(xiàn)，這樣也就保證不了加工精度了。 電機(jī)座支撐這結(jié)構(gòu)方案四中的整個(gè)裝置，四個(gè)螺釘就能固定了電機(jī)，那么在電機(jī)座后部的大部分不對(duì)對(duì)電機(jī)起到支撐功能，若是增加多余的材料那就是加重了機(jī)器的重量。這樣看起來的結(jié)構(gòu)就不勻稱前面輕小后邊笨重。整體看來就不是很好看。 有共同缺點(diǎn)的結(jié)構(gòu)方案一、二、三，他們的軸座內(nèi)徑一樣相同，連一點(diǎn)層次變化都沒有。這樣來看結(jié)構(gòu)就太過于簡(jiǎn)單了，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)當(dāng)中就是不實(shí)用，加工最主要的就是精度但是由于軸孔的加工長(zhǎng)度很長(zhǎng)精度就嫩以保證了。軸向的竄動(dòng)的問題也不容忽視，要是發(fā)生了這樣的問題那對(duì)加工的攻堅(jiān)是有害的。集電環(huán)是電源供給裝置，所以它的作用是及其重要的。如圖所示3-5 圖3-5集電環(huán) 圖中1—結(jié)構(gòu)方案一中的集電環(huán)；2—為結(jié)構(gòu)方案二、三、四中的集電環(huán)；在結(jié)構(gòu)一中，集電環(huán)是涂了一層絕緣漆在軸上，涂上絕緣漆后又鍍上了一層金屬，說起來簡(jiǎn)單但是實(shí)際操作起來的工藝是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，那么可靠性穩(wěn)定性基本是保證不了的，花費(fèi)也隨之增加很多。二、三、四方案相比之下就簡(jiǎn)單很多它電機(jī)使用的是集電環(huán)，定做起來非常便宜，品質(zhì)也是非常的高還耐用。因此二、三、四結(jié)構(gòu)中的集電環(huán)比一好很多。 在結(jié)構(gòu)一中壓電陶瓷在兩軸承之間，超聲振動(dòng)在這樣的結(jié)構(gòu)中有軸承的阻擋傳到工具桿上是很難的，壓電陶瓷在外邊的二、三結(jié)構(gòu)中，自然少了軸承的阻礙，工具桿就很容易獲到超聲振動(dòng)，因此就會(huì)減少了很多的能量消耗。 電機(jī)加聯(lián)軸器是結(jié)構(gòu)一、三將轉(zhuǎn)動(dòng)傳這種運(yùn)動(dòng)方式傳動(dòng)到工具桿上，結(jié)構(gòu)二則不是這樣的它是電機(jī)加帶輪的形式。使用帶輪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)二軸需要承受有轉(zhuǎn)矩作用和彎矩作用兩個(gè)作用，因此一邊兩個(gè)是這兩個(gè)軸承分布的方式，目的就是把徑向力減小，這個(gè)理是單個(gè)軸承承受的，最終可以是軸承使用的時(shí)間更長(zhǎng)。 同屬于一樣的類型是結(jié)構(gòu)一、二中軸承外端蓋，螺紋環(huán)的形式是結(jié)構(gòu)三、四如圖3-6 圖3-6外端蓋 雖然兩種方案的密封設(shè)計(jì)和固定是不同的但是其起到作用是一模一樣的，都是對(duì)起到軸承固定的作用，除了固定還有一些其他的作用如密封、防塵等作用。高速旋轉(zhuǎn)的軸承是結(jié)構(gòu)三、四中的軸承外端蓋非常適用?？傮w來說結(jié)構(gòu)一和三占用的地方比其他都要小很多，顯然重量也必然輕的多的。 3.4 最后結(jié)構(gòu)的確定 通過這幾種方案的比較，總結(jié)了各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)然后又更改了它們的不足的地方。最后得出了最有好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3-7。 圖3-7 旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置 這個(gè)裝置時(shí)使用的是聯(lián)軸器和電機(jī)結(jié)構(gòu)，把電機(jī)座殼和軸殼材料都是用鑄鐵制鐵制成的，因?yàn)殍T鐵的有一個(gè)很好的好處就是鑄造的性能非常棒，它還可以減緩振動(dòng)的性能，一般來說機(jī)床的底座和整體床身都用鑄鐵來制作。連接座的機(jī)械強(qiáng)度很高所以銑床的連接座必須用鑄鋼，因?yàn)殍T鋼和鑄鐵相比較抗拉強(qiáng)度很高，就不能使用鑄鐵了。 具有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)是滾動(dòng)軸承，然而滑動(dòng)軸承卻沒有。主要承受徑向載荷是深溝球軸承，有的時(shí)候它也承受很小軸向載荷[16]。可用來承受純軸向載荷是當(dāng)摩擦系數(shù)最小的時(shí)候，或者是高轉(zhuǎn)速時(shí)。在很高速下正常工作并且能夠承受徑向載荷及軸向載荷是角接觸球軸承，它還能夠獨(dú)子承受軸向載荷。 在震動(dòng)裝置中它的振動(dòng)力很大會(huì)影響其他的裝置，機(jī)床磨削裝置也會(huì)根著一起振動(dòng)，在加工的過程中穩(wěn)定性就難以保證，還會(huì)影響到使用的時(shí)間加工的精度和整體系統(tǒng)。那么隔振元件在整個(gè)裝置中是必不可少的。在裝置中最好不要有振動(dòng)，所以在靠近變幅桿那邊的軸承前后兩側(cè)，都必須加上防止振動(dòng)的防震圈。 與銑床聯(lián)接的是裝置銑床聯(lián)接座，一開始我們使用的都是六角頭螺栓來固定，但是慢慢發(fā)現(xiàn)由于聯(lián)接座的結(jié)構(gòu)本身的限制，安裝起來非常不方便，于是使用了內(nèi)六角圓柱頭螺釘。這樣安裝起來非常簡(jiǎn)單便捷，那么生產(chǎn)的時(shí)間也就大大縮短。 為了保證在加工的時(shí)候電環(huán)螺母不松動(dòng)我們?cè)谄渖霞由暇o定螺釘，這樣一來松動(dòng)的問題就可以解決了，你要知道軸在高速旋轉(zhuǎn)的過程中電環(huán)螺母很輕松的就會(huì)發(fā)生松動(dòng)，最后制造出來的后果是不可想象的，嚴(yán)重的是電刷接觸不到超聲發(fā)生器，電也就供給不到壓電陶瓷，之后就會(huì)產(chǎn)生一系列的問題最終破壞軸的使用壽命加工也難以保障。集電環(huán)螺母是必須不能松動(dòng)的。 聯(lián)軸器需要按非標(biāo)準(zhǔn)件來設(shè)計(jì)那是因?yàn)檫@個(gè)裝置的軸徑很小根本選擇不到標(biāo)準(zhǔn)的部件。柱銷孔在聯(lián)軸器的加工位置也需要非常的精確。裝配要求是非常嚴(yán)格的。 最后確定的結(jié)構(gòu)和方案在以上的方案中都有所改善，但是也有它不足的地方也需要后續(xù)研究和實(shí)驗(yàn)才能逐步的改善達(dá)到完美的目的。 3.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了旋轉(zhuǎn)超聲磨削的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)了四種方案每種方案都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)經(jīng)過仔細(xì)的衡量和考慮權(quán)衡了優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)考慮加工的材料、加工方式、經(jīng)濟(jì)、密封、防震動(dòng)、使用壽命、螺栓等最終綜合所有方案的然后制作出了最終的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置如圖3-8是繪制出來的三維圖 圖3-5旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置三維爆炸圖 第4章 裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核 4.1 裝電機(jī)的計(jì)算與選擇 1.磨削力計(jì)算 在真正的磨削過程當(dāng)中，會(huì)發(fā)生很多復(fù)雜和難以想象的問題，比如磨粒和砂輪表面。因此我們想要結(jié)合和實(shí)際來栓磨削力是非常的困難的需要找到合理的公式和演算方法。在此選用陶瓷磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式。 單位m/s是磨削速度， 單位m/min是工件速度， 單位mm是被吃刀量。設(shè)計(jì)這個(gè)裝置的時(shí)候轉(zhuǎn)速n規(guī)定大概為8000 rpm,工具桿端部的砂輪直徑是d12mm。則那么磨削速度為 m/s 在此算一下集電環(huán)處的線速度：集電環(huán)的直徑為DΦ50mm； =26.18 m/s 工件速度選用約30m/s。 算出三種典型的陶瓷材料磨削力的多少對(duì)于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力 17.63N 切向力3.925N 對(duì)于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力17.038N 切向力4.084N 對(duì)于陶瓷 徑向力 切向力 將磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 徑向力18.565N 切向力4.150N 要算最大扭矩，因此取用陶瓷的磨削力來算裝置所受的扭矩。 0.093N.m 由此可以看出本裝置的磨削力極其產(chǎn)生的扭矩都很小。 2．電機(jī)所需功率的計(jì)算 每分鐘金屬磨除量Z可用下式計(jì)算： 查表得： 工件速度 m/min 砂輪軸向進(jìn)給： mm（為砂輪的寬度,取其寬度為10 mm） mm 外圓功率消耗取吃刀量=0.016 mm mm3/min kW 聯(lián)軸器和軸承的機(jī)械效率、為0.99、0.98。則總的機(jī)械效率為 可得電機(jī)需提供的功率為： 選用55ZWN-70型無刷直流電機(jī)，額定功率200-700瓦, 額定轉(zhuǎn)速2000-30000rpm，額定轉(zhuǎn)矩10000-80000 g·cm。 4.2 變幅桿的設(shè)計(jì) 通常情況下，在20kHz范圍內(nèi)的超聲換能器輻射面的振動(dòng)幅度就有微米的長(zhǎng)度。高聲強(qiáng)超聲加工的應(yīng)用中，比如超聲焊接、超聲加工、超聲成形、超聲乳化、超聲霧化還有一些超聲外科醫(yī)療設(shè)備及超聲抗疲勞試驗(yàn)中都有應(yīng)用，輻射面的振動(dòng)幅度是有要求的，通常必須達(dá)到到好幾十甚至到幾百微米。用下面的三種方式就可以增大振幅： 1.把輸入電功率增大。只要在線性工作范圍內(nèi)的壓電陶瓷，把超聲換能器的工作電壓改變輸入電功率也就被增加，增大換能器的輸出振動(dòng)速度和位移振幅也是可以的。增大輸入電功率之后也會(huì)伴隨著一系列的問題，那就是，換能器尾端振速振幅獲得了基本一樣的比例的上升，這樣一來對(duì)于整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)來說根本就沒有什么改變前后振速比。另外非常大的功率，產(chǎn)生的熱量也非常的高溫度上生之后，帶來的危害也是相當(dāng)?shù)拇蟀?，那么這些問題是不能忽視的也是不可以避免的所以應(yīng)當(dāng)值得注意。 2.把整個(gè)系統(tǒng)的效率提高。系統(tǒng)的效率就是使換能器和超聲發(fā)生器的阻抗配合到一起，還有換能器振子本身的效率也要得到匹配。它們之間的匹配，那就是使用匹配變電感線圈和匹配壓器。前面的是讓超聲發(fā)生器輸出阻抗讓換能器的阻抗于它的部分匹配，后面的是因?yàn)槠胀▔弘姄Q能器是容性抗分量，所以必須并聯(lián)或串聯(lián)接入電感線圈，那么在工作頻率上就會(huì)達(dá)到回路諧振，無功損失就可以簡(jiǎn)單的消除了。但是值得關(guān)注的是在設(shè)計(jì)超聲發(fā)生器時(shí)應(yīng)該想到跟蹤頻率的系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣的大振幅超聲換能器機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很高，在諧振頻率的基礎(chǔ)之上大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)候，阻抗產(chǎn)生改變，頻率就會(huì)飄移。 3. 在換能器振子前部接上變幅桿。機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移和速度被放大是超聲變幅桿發(fā)揮的作用，再將它的能量集合到小面積上就是聚合能量的作用。 使用了第一種方法不可以改變換能器前左右的振速比，工作效率還很低，還有不挺的工作就會(huì)引發(fā)換能器產(chǎn)生熱量，最后換能器工作效率及功率容量會(huì)就降低。第二種方法即能夠提高輸出振幅，但是呢設(shè)計(jì)起來那又非常復(fù)雜花費(fèi)的時(shí)間精力都非常的多最后換能器、超聲波發(fā)生器復(fù)雜化了復(fù)雜化了，變幅桿的放大作用是必不可缺的，有了變幅桿輸出振幅就很大。獲得很大的輸出振幅是第三種方法，擁有的變幅桿還起到其他的功能，那就是起到阻抗變換的作用。最后達(dá)到能量能夠非常有效率的傳送。最后確定了裝置使用在換能器與工具間加上變幅桿使得振幅得以放大來滿足加工需求。 在使用超聲加工的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，變幅桿的種類也是多得很都是根據(jù)實(shí)際的要求來研制出來的，最常見的有：階梯形、懸鏈線形、指數(shù)形和圓錐形變幅桿，這一類型的變幅桿都是單一的簡(jiǎn)單的。 慢慢的隨著研究的發(fā)展人們開發(fā)出了更強(qiáng)大的變幅桿，就是組合形式，這種變幅桿就是由多種變幅桿和單一復(fù)雜變幅混合制造而成。超聲加工的很多應(yīng)用中使用，如超聲磨削、超聲焊接、超聲洗削等等，單一變幅桿是有局限性的他不能完全滿足所有需要比如盡其所能放大振動(dòng)系數(shù)，那么復(fù)合變幅桿或者多級(jí)單一變幅桿組合就成了裝置的必然應(yīng)用。 提高放大系數(shù)要盡其所能不予余力的，因?yàn)檫@樣可以改善超聲加工的效率，不但要考慮放大系數(shù)還要考慮并幅桿是怎樣設(shè)計(jì)的、還要想到很多的因素等等，經(jīng)過綜合考慮我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是使用由圓柱形和圓錐形變幅桿相互組合最后形成復(fù)合型變幅桿。 變幅桿作用雖然很輕大他工作起來也會(huì)帶有一些問題，比如在傳遞和放大超聲波的振動(dòng)能量的時(shí)候就會(huì)是溫度升高。那么，變幅桿材料的選擇就是有要求的: 1．損耗小，材料的抗疲勞強(qiáng)度高，聲阻抗率小； 2．機(jī)械加工簡(jiǎn)單，變幅桿的輻射面的材料要有耐腐蝕，抗酸性； 3．應(yīng)鍛造出變幅桿材料，聲傳輸線和纖維伸長(zhǎng)方向相同，它的抗疲勞性能和聲學(xué)性能得以提高。 鈦合金、鋁合金和45號(hào)鋼都是經(jīng)?；?jīng)常使用變幅桿的材料。設(shè)計(jì)超聲變幅桿兩種主要方法：一設(shè)計(jì)的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際的要求特定的性能來設(shè)計(jì)變幅桿；二是使用數(shù)據(jù)和圖形來演算出波動(dòng)方程比如有些隨坐標(biāo)有規(guī)律變化的外形函數(shù)就可以來判斷，各種性能參量就能根據(jù)這樣的方法來計(jì)算。 以下是加工變幅桿的過程時(shí)的要求： 1. 工具頭和變幅桿相連的時(shí)候，對(duì)于連接部分之間的同軸度需求是非常的高。 2. 振動(dòng)系統(tǒng)連接的時(shí)候接觸的那個(gè)地方必須緊密這樣一來跳動(dòng)振動(dòng)都可以緩沖減少了能量損耗。加工精度必須提高，尤其是接觸表面加工精度必須要高。還要在在螺紋連接處涂上凡士林，空氣間隙就不能存在了，因?yàn)橥ㄟ^空氣的超聲波時(shí)會(huì)衰減的很快。 3．照波動(dòng)的組成基本原理解釋來說，處在共振狀態(tài)的系統(tǒng)，自由在這個(gè)時(shí)候，就會(huì)從一個(gè)方向入射波和相反的方向反射波最后導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)位移無論是大小還是方向都相等，位移相當(dāng)與沒有變。 換能器長(zhǎng)度在一半的位置時(shí)只要有點(diǎn)處在中間截面上，簡(jiǎn)單的來說就是一動(dòng)不動(dòng)的波節(jié)點(diǎn)，波腹點(diǎn)的出現(xiàn)在兩端處振幅逐漸增大，換能器與變幅桿交界面上振幅為最大的地方[18]。 在這之后振幅慢慢減小又一次出現(xiàn)波節(jié)點(diǎn)，波腹點(diǎn)出現(xiàn)在振幅更大的工具端面處。節(jié)面加工的地方要連接法蘭是因?yàn)樽兎鶙U、換能器和整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)必須在振幅不存在的駐波節(jié)點(diǎn)上固定。 4.3 壓電陶瓷的選擇 超聲換能器是能量轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成聲波再由聲波產(chǎn)生的振動(dòng)具體來說就是在超聲頻率范圍內(nèi)把交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者逆向轉(zhuǎn)換。超聲加工的時(shí)候是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，在這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中有兩種物理效應(yīng)：磁致伸縮效應(yīng)、壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)?，F(xiàn)在應(yīng)用的換能器比較普遍的有兩種：一種是壓電換能器；一種是磁致伸縮換能器。兩種換能器主要原理和功能在下文介紹： 1. 磁致伸縮式換能器 用一些鐵磁材料制作而成的是磁致伸縮換能器它是擁有磁致伸縮效應(yīng)而這個(gè)類型叫做機(jī)聲轉(zhuǎn)換發(fā)聲器。在很早的時(shí)候超聲波實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中最長(zhǎng)使用的是磁致伸縮換能器，它對(duì)優(yōu)勢(shì)是在各種復(fù)雜工作條件變下，切削力有變化和振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生的改變的影響對(duì)工具的振動(dòng)形態(tài)基本沒什么變化，機(jī)械強(qiáng)度依然很高。 組成的工具振動(dòng)系統(tǒng)是磁致伸縮換能器的話，使用更加安全可靠，調(diào)整便捷；使用的時(shí)間很長(zhǎng)；又有廣范圍頻率范，工具受到磨損很嚴(yán)重的時(shí)候，諧振頻率點(diǎn)還是很容易的找到；功率容量大、性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換效率低是磁致伸縮換能器的缺點(diǎn)，產(chǎn)生的熱量大，遇到復(fù)雜電路材料的機(jī)械加工很困難，大量生產(chǎn)產(chǎn)品的時(shí)候不適用。 磁飽和現(xiàn)象是任何磁滯伸縮材料都具有，外加的磁場(chǎng)逐漸增大，應(yīng)變也就伴隨著變大，應(yīng)變不再增大的時(shí)候，磁場(chǎng)增加到固定程度之侯，磁飽和現(xiàn)象就出現(xiàn)了。磁滯伸縮材料受到溫度影響的很大，當(dāng)溫度慢增加，磁滯伸縮效應(yīng)就會(huì)慢慢減弱，磁滯伸縮效應(yīng)會(huì)完全消失的時(shí)候是溫度到達(dá)一定的時(shí)候，磁致伸縮換能器的應(yīng)用也就是這個(gè)了。 2. 壓電陶瓷換能器 放在一些天然晶體上一定數(shù)量的砝碼，電荷就會(huì)在這些天然晶體的表面會(huì)產(chǎn)生，電荷的數(shù)量和砝碼的重量是正比，發(fā)生的著一種現(xiàn)象被叫做壓電效應(yīng)[19]。 壓電效應(yīng)是可逆的，一定數(shù)量電荷在晶體表面時(shí)，晶體的形狀就會(huì)發(fā)生變化，壓電逆效應(yīng)就是這么來的。壓電效應(yīng)不存在的時(shí)候有一個(gè)值叫做閥值，條件是壓電材料的溫度超過該閥值，這個(gè)改變的界溫度就叫做壓電材料的居里溫度。居里溫度通常固定不變的是天然壓電晶體，人工壓電晶體的居里溫度就是可以調(diào)整的。 壓電超聲換能器是應(yīng)用很多種有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，或者相反的轉(zhuǎn)化，能量的轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)。壓電式換能器大小非常合適，具有很高瞬時(shí)輸出功率機(jī)械強(qiáng)度低，電壓在工作是較高。因?yàn)槁曤娹D(zhuǎn)換的快，所以要求要求要有很的高振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和調(diào)整精度。 壓電陶瓷材料在超聲加工十幾億UN功用是最常見的，為什么這么常見呢因?yàn)椋簷C(jī)電轉(zhuǎn)換效率極其高，80%的范圍通常來說就可達(dá)到；成型簡(jiǎn)單，想要什么形狀就加工出什么形狀； 通過更改里面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就能夠得到擁有各不同性能的超聲換能器；價(jià)格便宜性能穩(wěn)定，被很多的工廠使用。不好的地方也有很多比如：抗張強(qiáng)度低，不易加工等。通過以上的解釋，總體來說壓電換能器要比磁致伸縮換能器好的多因?yàn)榇胖律炜s換能器損耗大效率低。壓電式不能產(chǎn)生高的振動(dòng)強(qiáng)度壓電換能器能量效率很高，應(yīng)用十分廣泛節(jié)約能源對(duì)環(huán)境沒有影響所以它非誠(chéng)適用于旋轉(zhuǎn)超聲加工。 4.4 軸強(qiáng)度的較核 軸強(qiáng)度計(jì)算我們要對(duì)軸的實(shí)際受到載荷和應(yīng)力的現(xiàn)實(shí)情況，用合理的計(jì)算方法來計(jì)算，許用應(yīng)力應(yīng)合理的選用。還要有扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；彎矩強(qiáng)度計(jì)算；彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算等。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算這個(gè)裝置，下圖4-1就是這個(gè)裝置中的軸。 圖4-1軸主件 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度可轉(zhuǎn)化為： 式中 —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa； —軸所受的扭矩，單位為N.mm； —軸的抗扭截面系數(shù)；單位為mm3； —軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； —軸傳遞的功率，單位為kW； d—計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； —許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為MPa。 本裝置軸的材料是20它的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 約為50MPa。 軸所受扭矩為： 0.093； 電機(jī)需提供的功率為：

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