超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計開題報告

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哈爾濱理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 開 題 報 告 學(xué)生姓名 馬奇 智 學(xué) 號 1330060314 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 13 指導(dǎo)教師 趙金濤 2017 年 3 月 17 日 課題題目及來源： 題目： 超聲 磨削 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 題目來源： 自擬 課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 究目的 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領(lǐng)域的需求，不銹鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷等難加工材料應(yīng)用日趨廣泛，而此類材料的特殊性能使其加工制造非常困難。例如，海洋結(jié)構(gòu)件普遍采用耐腐蝕的不銹鋼，而不銹鋼加工起來切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、加工硬化趨勢強等特點，使得不銹鋼切削過程中切削功率消耗大，切削溫度高，而且加工工件表面質(zhì)量較低。又如航空發(fā)動機重要零件如機匣、壓氣機風(fēng)扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，而鈦、鎳基合金材料切削加工性 較差，主要表現(xiàn)在材料熱硬度和熱強度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易產(chǎn)生較大變形。航天飛機機頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強度、高硬度、高脆性等特點，使得陶瓷材料的加工十分困難，加工成本很高。此類材料的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，對機械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。對此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無法加工，而特種加工很適合對這些材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨特的優(yōu)點，因而迅速得以發(fā)展和推廣。 究意義 超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來講人耳可 以聽到的聲波的頻率范圍約為 1620此人們常把高于 20聲波稱為超聲波。而在實際應(yīng)用種有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在 16下。早在 1830 年為了探討人耳究竟能夠聽到多高的頻率 876年 氣哨實驗。第一次世界大戰(zhàn)期間 明了石英晶體換能器用來在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波開始了人類真正科學(xué)的開展超聲技術(shù)的研究。超聲具有許多獨特的性質(zhì)和優(yōu)點如頻率高 、波長短、在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性、并在液體介質(zhì)中傳播時可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。因此近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前其應(yīng)用遍及航空、航海、 國防、生物工程以及電子等領(lǐng)域在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用 。 由于各種客觀條件的限制，迄今為止對于超聲加工，特別是旋轉(zhuǎn)超聲加工的加工機理、工藝規(guī)律和加工穩(wěn)定性等的研究還處于早期的探索階段，而對旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工的研究更是鳳毛麟角。而有研究表明，在超聲加工中，旋轉(zhuǎn)超聲磨削具有加工時磨削力小、加工效率高 、精度高、工具磨損小以及對加工材料適應(yīng)廣等優(yōu)點，也是復(fù)合材料、不銹鋼等難加工材料比較理想的加工方法。因此得到高度的重視 ,發(fā)展?jié)摿κ窍喈?dāng)巨大的 。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 日本研究成功一種半波長彎曲振動系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長換能振動系統(tǒng)細(xì)端，該振動系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器 (壓電振子 )，其特點是小型化，結(jié)構(gòu)簡單，剛性增強。 日本還研制成一種新型 “ 縱 型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動研磨機上成功應(yīng)用。該系統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生 “ 縱 型復(fù)合振動。 1994 年日本多賀電氣株式會社采用 “ 縱一彎 ” 型超聲復(fù)合振動系統(tǒng)制成研磨機，用于放電加工后的模具溝槽側(cè)壁研磨拋光。研磨工具做縱向振動和彎曲振動。研究結(jié)果表明，彎曲振動方向不同，可獲得不同的研磨效果。哈爾濱工業(yè) 大學(xué)的吳永孝、張廣玉等人研制的超聲波振動小孔內(nèi)圓磨削系統(tǒng)，在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸縮換能器發(fā)熱大，采用了加裝制冷裝置的 方法解決冷卻問題，但致使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 1996 年前后華北工學(xué)院辛志杰、劉剛通過對超聲振動內(nèi)圓磨削機理的探討，研制了一套超聲內(nèi)圓磨削裝置，在改善工件表面質(zhì)量、提高生產(chǎn) 率和內(nèi)圓磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上有了新的突破 。 1997 年英國研制了硬脆材料納米磨削中心，可實現(xiàn)硬脆材料超聲納米表面加工；日本 野邦昭分別進(jìn)行了工程陶瓷超聲磨削的研究。多項研究結(jié)果表明：超聲磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；當(dāng)工具與工件上同 時施加超聲振動時，加工效率可提高 2 3 倍。 1997 年前后西北工業(yè)大學(xué)史興寬等人研制了一種超聲內(nèi)圓磨削裝置，此裝置較專用超聲磨床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但因發(fā)熱大而使用了冷卻裝置，這就使此超聲磨頭的結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，雖然加工效率和加 工質(zhì)量有一定的提高，但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不利于推廣使用。 2002 年弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究院研制出了新型超聲研磨設(shè)備 0，采用該設(shè)備對超聲輔助磨削過程進(jìn)行了技術(shù)性分析。并且，國外已研究出先進(jìn)的超聲振動主軸，其轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r 30， 000r 以實現(xiàn)加工過程中砂輪的振動，并使其轉(zhuǎn)速達(dá)到傳統(tǒng)磨削工藝的水平。 德國 究中心和布萊梅大學(xué)精密工程中心采用非圓周對稱結(jié)構(gòu)在單縱振激勵的條件下產(chǎn)生了 10:1 的橢圓振動，提高了刀具壽命，也保證了加工精度。另外新加坡制造技 術(shù)研究所仿照德國研究人員的結(jié)構(gòu)也制作除了超聲橢圓振動切削不銹鋼的裝置。 天津大學(xué)于思遠(yuǎn)、劉殿通等人對各種先進(jìn)陶瓷小孔加工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用無冷壓電陶瓷換能器研制了一臺陶瓷小孔超聲波磨削加工機床，在工程陶瓷小孔磨削時對磨頭施以超聲振動，提出了高效的超聲磨削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高 6 倍以上，表面質(zhì)量也有大幅度提高 。南京航空航天大學(xué)楊衛(wèi)平、徐家文設(shè)計了用于加工三維型面的超聲磨削裝置，推導(dǎo)了用于數(shù)控加工的超聲磨削裝置變幅桿設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，此裝置采用電機直連進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電信號傳輸采用碳刷集流環(huán)的傳輸 方式。河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院李華、殷振等人設(shè)計了超聲波橢圓振動內(nèi)圓磨削磨頭，并在超聲振動內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中采用了新型的回轉(zhuǎn)式非接觸超聲波電能傳輸方式，解決了碳刷、集流環(huán)電能傳輸方式中存在的問題 25 。 德國 司和日本馬扎克公司將超聲振動頭安裝在加工中心上，進(jìn)行了零件異形溝槽加工、內(nèi)外圓磨削、平面磨削加工、以及導(dǎo)電陶瓷材料的超聲振動磨削研究，取得良好效果，并已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用 。 在第八屆中國國際機床展覽會(，德國 司展出了其新產(chǎn)品 聲振動加工機床，該機床主軸轉(zhuǎn)速 3 000 4 0000 r/別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高 5 倍，加工表面粗糙度 m，可加工 密小孔，堪稱硬脆材料加 （ 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法： 本內(nèi)容 研究對象： 超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 ； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析； 2、根據(jù)主 要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、對 超聲磨削裝置 進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；完成 超聲磨削裝置 運動設(shè)計、零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4、對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核； 5、得出設(shè)計結(jié)論。 要解決問題 1、 超聲加工設(shè)備及其組成部分 結(jié)構(gòu)設(shè)計： 超聲磨削裝置要與數(shù)控立式床身銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。因為加工需要，所以本裝置一直處在高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。因此變幅桿與主軸的連接處，需要更穩(wěn)定，防止裝置在加工過程中產(chǎn)生震動的現(xiàn)象。 初步設(shè)計采用四種方案，方案一 三 四采用電 機加聯(lián)軸器方案二采用電機加皮帶輪，方案一 三 四比方案二的整體尺寸相對結(jié)構(gòu)要小得多， 這對減輕裝置的重量大有意義 ， 結(jié)構(gòu)方案一、三與結(jié)構(gòu)方案四相比，前兩者的裝配較方便，但是，電機與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉(zhuǎn)下同軸度如果沒發(fā)保證的話，軸承會很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會擺動。如此一來裝置的加工精度就沒法保證了，本裝置的精密加工就失去了意義。再者如果同軸度不好，軸的速度也不會達(dá)到較高速度。這也沒法實現(xiàn)高速磨削的目的。 結(jié)構(gòu)方案四中聯(lián)軸器處于電機座的內(nèi)部，軸座和電機座之間的同軸度靠兩者之間的定 位銷來保證，這樣就可以避免上述問題的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)方案二為電機加皮帶輪， 整體上顯得系統(tǒng)所占空間較大。軸受到較大的彎矩作用，因此在設(shè)計中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強度，同時還要注意是否有足夠的剛性。如果剛性不足的話，那么軸就會被拉彎，軸的另一端就會出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒法保證了。 結(jié)構(gòu)方案四中的電機座是整個裝置的支撐，電機僅僅是靠其端部四個螺釘來固定 的，因此看來電機座后面的大部分對電機不起支撐作用，多余的材料就增加了系統(tǒng)的重量。而且裝置整體看來顯得前小后大，前面薄弱剛性不足，后面材料過多，笨重有余。從 審美的觀點來看也顯得不夠美觀?？偟膩碚f上的幾種結(jié)構(gòu)方案各有各的優(yōu)缺點，最終結(jié)構(gòu)方案是綜合上面幾種結(jié)構(gòu)方案中的可取之處，同時彌補其不足之點而成的 。 2、 變幅桿的設(shè)計 ： 需要 盡力提高放大系數(shù)，從而提高超聲加工的效率，并綜合考慮變幅桿的設(shè)計、制造采用由圓柱形和圓錐形變幅桿組合而成的復(fù)合型變幅桿且此變幅桿兩段采用不同截面、不同材料， 因此材料選擇變的很重要，初步選定材料有 鋁合金、鈦合金和 45 號鋼 等。 3、 壓電陶瓷的選擇 ： 考慮到 磁致伸縮換能器的主要缺陷在于高電能損失（例如渦流損失）和低能量利用率（ ，這些損失表現(xiàn) 為熱，因此換能器必須水冷或空冷而且體積很大。與壓電式的相比，它也不能產(chǎn)生高的振動強度。而壓電換能器能量效率很高（可達(dá) 9096%），不需要任何冷卻。不易于熱損傷，更容易構(gòu)建，也更適于旋轉(zhuǎn)超聲加工 。 4、 軸強度的較核 與 鍵的校核 ： 根據(jù)具體的受力載荷情況分別進(jìn)行大量計算對于主要 承受扭矩的軸（傳動軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強度計算，需要時還應(yīng)按疲勞強度條件進(jìn)行計算。通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強度較核計算。對于導(dǎo)向平鍵聯(lián) 接，其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強度較核計算。 5、 電機的計算與選擇 ： 磨削過程中，由于磨粒的作用以及砂輪表面上有效的狀況異常復(fù)雜，因而要想建立一個十分切合實際的陶瓷磨削力數(shù)學(xué)模型非常困難。 所以需要經(jīng)過大量計算來確定電機的功率， 分別計算了電環(huán)處線速度，材料磨削力大小，最大扭矩， 聯(lián)軸器和軸承的機械效率 ， 總的機械效率 ， 電機需提供的功率 。最終確定所選電機。 課題研究所需的參考文獻(xiàn)： 1 濮良貴等主編 高等教育 出版社， 2001 2 孫桓等主編 高等教育出版社， 2001 3 陳日曜主編 機械工業(yè)出版社， 2000 4 王先逵主編 機械工業(yè)出版社， 2001 5機械設(shè)計（原書 6 版）（德）穆斯 等編著，孔建益 譯 /2012機械工業(yè)出版社 6機械設(shè)計 王軍，田同海 主編 /2015機械工業(yè)出版社 7先進(jìn)制造技術(shù)， 盛曉敏 ， 鄧朝暉 主編 機械工業(yè)出版社 8超聲加工技術(shù)，曹鳳國， 機械工業(yè)出版社 9難加工材料的磨削 ， 任敬心主編 ， 國防工業(yè)出版社 , 1999 10 顧煜炯等 ， 超聲振動系統(tǒng)設(shè)計及性能分析的解析方法 ， 華北電力大學(xué)學(xué)報 , 1998 11 s 1213導(dǎo)教師審查意見： 指導(dǎo)教師簽字： 20 年 月 日 指導(dǎo)委員會意見審核意見： 組長簽字： 20 年 月 日