超声磨削装置设计

学校代码：本科毕业设计题目：超声磨削装置设计学院：姓名：学号：专业：年级：指导教师：摘要旋转超声磨削是在传统机械磨削的基础上，将超声振动加入到磨削工具上的一种新型的复合加工方法。

该方法不仅保留了传统机械磨削的一些优良特性，又因加入超声振动后，能较大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、复合材料等难加工材料磨削表面质量。

本文旨在研制出旋转超声磨削装置，该装置能以附件的形式安装在数控机床上或普通机床上，进行常见表面、甚至一些较复杂型面的旋转超声磨削加工。

关键词：旋转超声磨削，工程陶瓷，碳刷，ultrasonic machining designAbstract:Rotary ultrasonic grinding (RUG) is a new machining method which integrates rotary movement of traditional grinding with ultrasonic oscillation. This method can keep down some excellent grinding characters of Mechanical grinding, greatly enhance process rate and effectively improve the effect of grinding surface of difficult-to-cut materials (stainless steel and composite material and the like). The aim of this paper is that we design and manufacture the grinding device of rotary ultrasonic machining, This device can be installed on numerical control machine or common machine tool as an accessory and can carry out rotary ultrasonic grinding for usual surface and even some complicated surface.Keyword：rotary ultrasonic grinding, engineering chinaware, carbon brush，目录前言................................................................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论. (2)1.1 超声的发展史.................................................................. 错误！未定义书签。

1.2超声加工的原理及特点................................................... 错误！未定义书签。

1.3工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 (3)1.4超声加工的意义及前景 (7)2 设计说明书 (8)2.1 超声磨削装置的结构设计 (8)2.1.1 超声加工设备及其组成部分 (8)2.1.2 初步结构设计 (8)2.1.3 结构的比较 (9)2.1.4 最后结构的比较 (11)2.2 装置中的各部件的设计及校核 (13)2.2.1 电机的计算与选择 (13)2.2.2 压电陶瓷的选择 (16)2.2.3 轴强度的校核 (17)2.2.4 键的校核 (18)3 总结与展望 (20)3.1 总结 (20)3.2 展望 (20)参考资料 (22)致谢 (23)前言随着科学技术的发展及航空航天等领域的需求，不锈钢、复合材料、工程陶瓷等难加工材料应用日趋广泛，而此类材料的特殊性能使其加工制造非常困难。

例如，海洋结构件普遍采用耐腐蚀的不锈钢，而不锈钢加工起来切削力大、切削温度高、粘刀现象严重、加工硬化趋势强等特点，使得不锈钢切削过程中切削功率消耗大，切削温度高，而且加工工件表面质量较低。

又如航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料，而钛、镍基合金材料切削加工性较差，主要表现在材料热硬度和热强度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易产生较大变形。

航天飞机机顶首部广泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高强度、高硬度、高脆性等特点，使得陶瓷材料的加工十分困难，加工成本很高。

此类材料的出现及广泛应用，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。

对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，而特种加工很适合对这些材料进行经济加工。

而在众多特种加工方法中，超声加工有其独特的优点，因而迅速得以发展和推广。

1绪 论1.1 超声的发展史超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。

一般来讲，人耳可以听到的声波的频率范围约为16~20KHz 。

因此，人们常把高于20KHz 的声波称为超声波。

而在实际应用种，有些超声技术使用的频率可能在16KHz 以下。

早在1830年，为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率，F.Savart 曾用一个多齿的轮首次产生了频率为42.410 Hz 的超声，但人们一般却认为，首次有效产生高频声的，应是1876年F.Galton 的气哨实验。

第一次世界大战期间，ngevin 发明了石英晶体换能器，用来在水中发射和接收频率较低的超声波，开始了人类真正科学的开展超声技术的研究。

超声具有许多独特的性质和优点，如频率高、波长短、在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性、并在液体介质中传播时可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

因此，近年来，随着科学技术的发展，超声技术发展极为迅速，应用领域非常广泛。

目前，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域，在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。

1.2 超声加工的原理及特点旋转超声磨削的加工原理如图1-2所示，其中，压电陶瓷换能器用于将从外部接入的高频电振荡信号（由220V 或380V 的交流电经超声波发生器转换而成）转换为超声频机械振动；由于压电陶瓷换能器产生的振幅较小（大约有5μm ），一般不能满足需求，需用变幅杆将换能器的振动振幅放大后（振幅为20～30μm ）再传至磨削工具，磨削工具在由电机驱动做旋转运动的同时也做纵向超声振动，其振动方向如下图中的箭头所示。

图1-2旋转超声磨削的原理加工过程中，磨削工具既做旋转运动又做纵向超声振动，磨粒直接作用在工件上，可以看出，磨粒与工件是永久性接触的，不存在速度与工件表面分离的特变幅杆 超声波发生器 超声换能器磨削工具工 件超声振动方向点，因此文中所研究的旋转超声磨削并没有脱离传统的机械磨削。

并可知磨削工具上的单颗磨粒在磨削平面上的运动轨迹为纵向的正弦运动和砂轮线速度横向的直线运动的合成运动轨迹，因此相对于普通磨削（无超声振动），磨粒在工件表面刻划出的痕迹较长。

研究表明，旋转超声磨削既能保留传统磨削的较好的磨削特性，又能大幅度提高加工效率，且能有效改善不锈钢、复合材料等难加工材料磨削表面质量。

国际生产工程学会在第42届CIRP大会上，将超声振动应用于磨削加工作为下一代精密加工的发展方向之一。

旋转超声加工是在传统超声加工基础上发展而来的。

它与传统超声加工的不同之处在于：工具在做超声振动的同时附加了旋转运动，从而使工具上的磨粒不断冲击和划擦工件表面。

因此可以说，旋转超声加工是一种将传统的超声技术和传统机械加工相结合的方法。

目前，旋转超声加工主要应用于超声钻孔、套料、超声螺纹加工、超声铣削以及超声磨削加工等几个方面。

国内外研究结果表明，由于这种加工方法把传统加工的一些优良性能与工具的超声频振动结合在一起，与常规钻孔和采用游离磨料的传统超声加工方法相比，具有以下特点：(1）加工速度快。

例如，在光学玻璃上加工直径为6mm的孔，加工速度可达100mm/min以上。

同样条件下，旋转超声加工RUM加工速度是传统USM的10倍，是传统磨削的6~10倍。

(2）超声振动减小了工具与加工表面的磨擦系数，切削力小，排屑通畅。

钻孔加工时，不需退刀排屑，可一次进刀完成，易实现机械化。

(3）由于所需的切削力小，可在工件的边、角处钻孔，而不产生破裂。

(4）对材料的适应性广。

可用于脆性材料（如玻璃、石英、陶瓷、YAG激光晶体、碳纤维复合材料等）的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工等。

特别适用于深小孔和细长棒套料（已在玻璃上加工出直径为1.6 mm，深100 mm 以上的孔）。

(5）可提高加工精度和改善表面质量，而且工具磨损减小，使用寿命延长。

1.3工程陶瓷材料的使用价值及加工技术陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。

传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。

因为原料的成分混杂和产品的性能波动大，仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等)，而不适用于工业用途。

现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能，通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料，主要用于高温和腐蚀介质环境，是现代材料科学发展最活跃的领域之一下面对现代技术陶瓷三个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作简单介绍。

(1) 结构陶瓷同金属材料相比，陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3)，因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。

结构陶瓷可分为三大类;氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。

①氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化错、莫来石和钦酸铝。

氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题，原料价格低廉，生产工艺简单。

氧化铝和氧化错具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性，主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。

氧化铝和氧化错主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。

莫来石室温强度属中等水平，但它在1400℃仍能保持这一强度水平，并且高温蠕变速率极低，因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。

上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。

钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹，因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。

它的主要缺点是强度低，无法单独作为受力元件，所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件，并已在陶瓷发动机上得到应用。

②非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。