超聲珩磨工具設(shè)計(jì)【含11張CAD圖紙】
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緒論目前在國產(chǎn)珩磨機(jī)上多采用碳化硅等普通珩磨油石,珩磨效率低、精度不穩(wěn)定,不能達(dá)到技術(shù)要求;也有改用金剛石、立方氮化硼等超硬磨料油石,但很難解決油石堵塞及劃缸現(xiàn)象。如果采用新型特種加工方法-超聲珩磨,就能很好地解決這些問題。超聲珩磨是功率超聲切削在珩磨中的應(yīng)用,通過對(duì)普通珩磨中不斷旋轉(zhuǎn)并上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的珩磨頭施加以超聲頻的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。由于附加了高頻率的振動(dòng),使珩磨頭上油石條的微磨粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生了變化,形成了脈沖切削,加上功率超聲的空化作用,使功率超聲珩磨實(shí)現(xiàn)了高效、精密珩磨的要求。它與普通珩磨相比具有珩磨力小、珩磨溫度低、油石不容易堵塞、加工效率高、加工質(zhì)量好、零件滑動(dòng)面耐磨性高等許多優(yōu)點(diǎn),完全能夠解決普通珩磨存在的問題,尤其是銅、鋁、鈦合金等韌性材料管件以及陶瓷、淬火鋼等硬脆材料管件的珩磨問題。本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)超聲珩磨裝置進(jìn)行一些細(xì)節(jié)優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì),希望將超聲珩磨的優(yōu)良加工特性應(yīng)用到更廣范圍普通金屬的加工。第1章 概述11 珩磨加工的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍111 珩磨加工的特點(diǎn)工件經(jīng)切削加工,有時(shí)需要對(duì)其重要表面進(jìn)行以進(jìn)一步提高尺寸精度和形狀精度為目的的精加工或進(jìn)一步降低表面粗糙度為目的的光整加工。精整和光整均為終結(jié)加工,珩磨是一種固結(jié)磨粒壓力進(jìn)給切削的精整加工方法,它不僅能切除較大的加工余量,而且能有效地提高工件的尺寸精度和形狀精度,降低表面粗糙度。112 珩磨工藝應(yīng)用范圍(1)大量應(yīng)用于各種形狀的孔的光整或精加工,孔徑范圍1 1200mm,長(zhǎng)度可達(dá)12000 mm,國內(nèi)珩磨機(jī)工作范圍:5250 mm,孔長(zhǎng)3000mm。(2)可用于外圓、球面及內(nèi)外環(huán)形曲面加工,如鍍鉻活塞環(huán)、挺桿球面與滾球軸承的內(nèi)外圈等。(3)用于汽車、拖拉機(jī)與軸承制造業(yè)中的大量生產(chǎn),也適用于各類機(jī)械制造中的批量生產(chǎn)。如珩磨缸套、缸孔、連桿孔、油泵油嘴與液壓閥體孔、軸套、搖臂和齒輪孔等。(4)適用于金屬材料與非金屬材料的加工,如鑄鐵、淬火與未淬火鋼、硬鋁、青銅、硬鉻與硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷晶體與燒結(jié)材料等。12 超聲珩磨工作原理及加工特點(diǎn)普通珩磨時(shí),油石易堵塞,加工效率低,尤其是在珩磨銅、鋁、鈦合金等韌性材料管件時(shí),油石極易堵塞,從而導(dǎo)致油石壽命的過短,零件加工表面質(zhì)量差,加工效率低等問題,倘若使用超硬磨料制作的油石進(jìn)行普通珩磨時(shí),一方面由于價(jià)格昂貴;另外,若產(chǎn)生油石嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象,使其性能不能充分發(fā)揮,會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)。超聲技術(shù)用于珩磨是功率超聲應(yīng)用的新發(fā)展,超聲技術(shù)用于珩磨加工的技術(shù)難度比用于切削加工的大,原因在于超聲換能器傳輸?shù)接褪先サ穆窂介L(zhǎng),能量傳遞元件多,需要轉(zhuǎn)換振動(dòng)方向,需要有較大功率的超聲設(shè)備,并且對(duì)聲的傳輸效率要求高,否則不但在加工區(qū)得不到足夠的聲能使效果變差,而且容易損壞超聲振動(dòng)系統(tǒng)。121 超聲珩磨工作原理超聲珩磨的工作原理是:換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng),變幅桿將換能器的縱向振動(dòng)波放大后傳給彎曲振動(dòng)圓盤,撓性桿再將彎曲振動(dòng)圓盤的彎曲振動(dòng)變成縱向振動(dòng)后傳給油石座,油石座帶動(dòng)與之連接在一起的油石進(jìn)行縱向振動(dòng)。原理示意圖如圖1.1所示:1-換能器;2-變幅桿;3-彎曲振動(dòng)圓盤;4-撓性桿;5-油石座;6-油石;7-油石的縱向振動(dòng)波形;8-彎曲振動(dòng)波形;9-節(jié)點(diǎn);10-縱振波形在圖中,超聲波發(fā)生器通電后,產(chǎn)生的超聲頻電振蕩,通過換能器1轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng),變幅桿2將縱向振動(dòng)振幅放大傳給振動(dòng)圓盤3,撓性桿4接收振動(dòng)圓盤3的彎曲振動(dòng),變成沿桿軸向方向的縱向振動(dòng),再傳遞給油石座5,油石座5帶動(dòng)油石6在珩磨頭體中以給定的頻率做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行超聲珩磨加工。122 超聲珩磨加工特點(diǎn)超聲珩磨具有珩磨力小、珩磨溫度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工質(zhì)量好零件滑動(dòng)面耐磨性高等許多優(yōu)點(diǎn),完全能夠解決普通珩磨存在的問題,尤其是銅、鋁、鈦合金等韌性材料管件以及陶瓷、淬火鋼等硬脆材料管件的珩磨問題。其具體的工藝特點(diǎn)有:(1)磨削力小超聲振動(dòng)加工時(shí),磨削是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的微量切削過程。在一切削循環(huán)過程中,切刃在很小的位移上可獲得很大的瞬時(shí)切削速度,在局部產(chǎn)生很大的能量,因此被加工材料在局部微小體積內(nèi)必將發(fā)生重大變化。在振動(dòng)影響下,摩擦系數(shù)大大下降,只有普通磨削的1/10左右,使超聲振動(dòng)切削力下降到普通切削的1/3,對(duì)塑性大的材料下降程度更大。(2)溫度低振動(dòng)磨削時(shí),被加工材料的彈塑性變形和切刃各切削面的摩擦系數(shù)大幅度下降,且加工中的力和熱都以脈沖形式出現(xiàn),使磨削熱的平均值大幅度下降。(3)低的表面粗糙度和高加工精度由于脈沖作用破壞了產(chǎn)生積屑瘤的條件,且切削力小,切削溫度低,使被加工表面粗糙度大大下降,表面幾何精度大幅度提高。振動(dòng)切削中,切刃雖在振動(dòng),但在切刃和工件接觸并產(chǎn)生切削的瞬間,切刃所處的位置在加工過程中總是保持不變的。由于工件也不隨時(shí)間發(fā)生變動(dòng),從而為提高加工精度創(chuàng)造了條件。被認(rèn)為是進(jìn)行圓柱度誤差、圓度誤差、平面度和平行度誤差近似為零的一種精密和超精密加工方法。(4)提高了切削液的使用效果在磨粒切入時(shí),切削液被強(qiáng)力擠壓,形成瞬時(shí)高壓,使切削液直接滲入到磨刃與切削的接觸表面,充分地起到冷卻作用。此外,超聲振動(dòng)所形成的空化作用,一方面可使珩磨液均勻浮華,另一方面,切削液更容易滲到材料的微裂紋內(nèi),進(jìn)一步提高了珩磨液的使用效果。13 總體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的為一立式超聲珩磨機(jī)床的超聲珩磨裝置。根據(jù)超聲珩磨的工作原理,設(shè)計(jì)大體可以分為四個(gè)部分:超聲波振動(dòng)系統(tǒng)、超聲珩磨頭體、進(jìn)給裝置、浮動(dòng)連接與回復(fù)裝置部分,除此之外,還有各部分連接方式也需要進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和超聲波發(fā)生器及藝參數(shù)的選擇。1.3.1方案選擇從運(yùn)動(dòng)形式的宏觀和微觀的不同,可以從兩條線來講述超聲珩磨頭體的設(shè)計(jì)方案。從微觀振動(dòng)方面:高頻電信號(hào)通過導(dǎo)線傳到換能器上,換能器將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng),并由與換能器連接的變幅桿放大,將軸向振動(dòng)傳到彎曲振動(dòng)圓盤,彎曲振動(dòng)圓盤即一振動(dòng)方向換向器,將軸向機(jī)械振動(dòng)變?yōu)橄驈较騻鲃?dòng),在振動(dòng)圓盤的波腹圓處安上撓性桿,撓性桿另一端與油石座相連,即將超聲振動(dòng)傳給油石座,引起油石的縱向振動(dòng)。從宏觀運(yùn)動(dòng)方面:珩磨頭的主運(yùn)動(dòng)包括兩個(gè),珩磨頭整體的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和油石的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。珩磨頭整體的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)由機(jī)床供給,在本次設(shè)計(jì)中就不再具體分析。油石的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由進(jìn)給裝置部分傳入,本次設(shè)計(jì)的進(jìn)給裝置為一手動(dòng)進(jìn)給裝置,由螺紋傳動(dòng)帶動(dòng)頂桿進(jìn)給,頂桿推動(dòng)珩磨頭體內(nèi)的脹錐運(yùn)動(dòng),并將運(yùn)動(dòng)通過與油石座連接的小圓柱銷在脹錐錐面上的相對(duì)位移,推動(dòng)油石座脹開,當(dāng)其加工完后,油石要收攏縮回時(shí),通過回復(fù)機(jī)構(gòu)將脹錐拉回之后,彈簧力將油石拉回。其中,浮動(dòng)連接部分的主要作用是保證加工缸體內(nèi)孔的圓柱度,因?yàn)殓衲ゼ庸ぶ饕抢苗衲ヮ^體自身的結(jié)構(gòu)來保證加工缸體內(nèi)孔的圓柱度,如不采用浮動(dòng)連接,珩磨頭伸出缸體外的部分較長(zhǎng),很難保證其與加工孔徑向上的垂直度,所以必須采用浮動(dòng)連接。連接的形式根據(jù)加工對(duì)象選用夾具的固定與珩磨頭的完全浮動(dòng)配對(duì)使用。方案比較:超聲珩磨頭的設(shè)計(jì)方案主要有兩種,第一種是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)進(jìn)給裝置部分傳入,頂桿通過各振動(dòng)部件中心,給脹錐一進(jìn)給力;方案二是,進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過各振動(dòng)部件的外部傳入,不穿過各振動(dòng)部件,即不用在各振動(dòng)部件中心打孔。兩種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn):第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是使裝置能加工孔的深度范圍較大,但由于在振動(dòng)部件的中心加工小孔,不僅影響了振動(dòng)部件的傳振效果,而且要使細(xì)長(zhǎng)頂桿工作時(shí)不發(fā)生彎曲變形,增加了加工難度;第二種方案的缺點(diǎn)是能加工缸體深度較小,適用范圍小,而且中間連接部分強(qiáng)度太小,太薄弱,剛性不夠。優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)部件傳振效果較好,不用加工細(xì)長(zhǎng)頂桿。通過綜合分析考慮,選擇第一種方案來進(jìn)行超聲珩磨頭的設(shè)計(jì)。1.3.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)經(jīng)過多方面搜集資料,向資深老師和研究生師兄請(qǐng)教,向經(jīng)驗(yàn)豐富的工人師傅學(xué)習(xí),結(jié)合自己的認(rèn)真思考對(duì)現(xiàn)存珩磨裝置提出以下優(yōu)化:(1) 超聲波發(fā)生器的選用超聲波發(fā)生器分為電子管型和晶體管型超聲波發(fā)生器兩種類型.由于晶體管型超聲波發(fā)生器具有成本低、體積小、耗能少、開機(jī)時(shí)不需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn),在該設(shè)計(jì)中采用晶體管型超聲波發(fā)生器作為功率超聲源,同時(shí)附加了頻率自動(dòng)跟蹤裝置和振幅自動(dòng)測(cè)量裝置,使超聲波發(fā)生器始終工作在諧振頻率狀態(tài),保證超聲波的穩(wěn)定輸出。(2) 珩磨頭本體的改進(jìn)目前常用的珩磨頭本體一般為整體式,存在的問題是比較笨重,增加了珩磨頭裝置的重量,在一定程度上影響加工精度.所以針對(duì)這個(gè)問題在本次設(shè)計(jì)中在珩磨頭本體的周向開槽,如圖1-2示.圖1-2 改進(jìn)后的珩磨頭本體結(jié)構(gòu)示意圖這個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是:(a) 減輕珩磨頭裝置的重量;(b) 減少油石座與珩磨頭本體間的接觸面積,從而降低它們之間的摩擦力,更有利于油石座的脹出和回縮提高加工孔徑的加工精度.(3) 油石座的改進(jìn)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中加工零件的孔徑為90,所以珩磨頭裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊.常見的油石座脹出過程是脹錐通過推動(dòng)圓柱銷外伸來實(shí)現(xiàn)油石座的脹出.眾所周知錐推動(dòng)油石座的外伸量直接影響加工零件的尺寸精度, 減少脹錐與油石座間的位移傳遞路程在一定程度上可以提高加工零件的尺寸精度,所以在設(shè)計(jì)中把目前常用的油石座與圓柱銷結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體,即板式結(jié)構(gòu)油石座.具體結(jié)構(gòu)見圖1-3. 圖1-3 板式結(jié)構(gòu)油石座它的優(yōu)點(diǎn)為:a)簡(jiǎn)化進(jìn)給系統(tǒng),減少脹錐到油石間的部件,把目前珩磨頭裝置結(jié)構(gòu)中脹錐與圓柱銷、圓柱銷與油石座底面間的兩處摩擦減少為只有脹錐與油石座間的摩擦,降低摩擦力,提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性.b)把現(xiàn)存珩磨裝置結(jié)構(gòu)中脹錐與圓柱銷、圓柱銷與油石座底面兩處磨損減少為脹錐與油石座之間的一處磨損,提高加工精度。 (4)變幅桿類型的選擇 在實(shí)際生產(chǎn)中,設(shè)計(jì)人員主要從加工的難易程度和經(jīng)濟(jì)加工精度出發(fā)去選擇加工方便綜合效果較好的變幅桿類型。階梯型變幅桿的主要缺點(diǎn)是較大的放大倍數(shù)下可能發(fā)生側(cè)振,影響總體振動(dòng)效果并給設(shè)計(jì)帶來一定麻煩,在直徑變化急劇的地方,由于其機(jī)械應(yīng)力較大,故使用中容易疲勞斷裂;而指數(shù)型變幅桿制造困難,并且截面變化不能過大,否則振動(dòng)無法傳播;相對(duì)這兩種變幅桿而講,圓錐型變幅桿卻具有機(jī)械強(qiáng)度大,制造加工容易等優(yōu)點(diǎn);所以在本次設(shè)計(jì)中圓錐型變幅桿。 (5)浮動(dòng)連接裝置浮動(dòng)連接部分的主要作用是保證加工缸體內(nèi)孔的圓柱度,因?yàn)殓衲ゼ庸ぶ饕抢苗衲ヮ^體自身的結(jié)構(gòu)來保證加工缸體內(nèi)孔的圓柱度,如不采用浮動(dòng)連接,珩磨頭伸出缸體外的部分較長(zhǎng),很難保證其與加工孔徑向上的垂直度,所以必須采用浮動(dòng)連接。在本設(shè)計(jì)中浮動(dòng)連接裝置選用了機(jī)械加工工藝手冊(cè)中圖1389所示的球頭浮動(dòng)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4示:圖1-4 球頭浮動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖第2章 超聲波振動(dòng)系統(tǒng)超聲波振動(dòng)珩磨裝置的超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿(又稱振幅放大桿)、彎曲振動(dòng)圓盤、撓性桿油石座振動(dòng)子系統(tǒng)組成,參見圖1.1。振動(dòng)珩磨效果的好壞主要取決于振動(dòng)系統(tǒng)能否將由超聲波發(fā)生器輸出的振動(dòng)有效地通過各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞到油石座上(并且在傳遞過程中具有最小的能量損失),并使油石座在珩磨時(shí)產(chǎn)生脈沖切削力激發(fā)微細(xì)溝槽自成作用的活躍程度。各個(gè)傳振環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)成了設(shè)計(jì)超聲振動(dòng)珩磨工具的關(guān)鍵。2.1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器又稱超聲振動(dòng)發(fā)生器,作用是將220V或380V頻率為50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成一定頻率的超聲頻振蕩,供給超聲振蕩系統(tǒng)使工具作往復(fù)振動(dòng)。2.1.1 超聲波發(fā)生器的工作原理推動(dòng)振蕩隔離功放換能器電源激磁 a ) 磁致伸縮型振蕩級(jí)放大級(jí)功率級(jí)超聲加工換能器電源 b) 電致伸縮型 圖2-1 超聲波發(fā)生器原理圖圖2-1a為磁致伸縮換能器,圖2-1b為電致伸縮換能器.兩種發(fā)生器不同之處是a比b多了一個(gè)激磁電源.激磁的目的是為了使磁致伸縮換能器能具有良好的磁致伸縮效應(yīng). 超聲波發(fā)生器的工作原理是:振蕩極由三極管連接成回收振蕩回路,調(diào)節(jié)電路中的電容器可以改變輸出的功率,振蕩極輸出徑耦合至電壓放大極放大,控制電壓放大極的增益可以改變超聲波發(fā)生器的輸出功率.放大后的信號(hào)利用變壓器倒相送至末級(jí)功率放大管.功率極常用多極并聯(lián)推換輸出,經(jīng)輸出變壓器輸出至超聲波轉(zhuǎn)換器2.1.2 超聲波發(fā)生器的選用超聲波發(fā)生器分為電子管型和晶體管型超聲波發(fā)生器兩種類型。由于晶體管型超聲波發(fā)生器具有成本低、體積小、耗能少、開機(jī)時(shí)不需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn),在該設(shè)計(jì)中采用晶體管型超聲波發(fā)生器作為功率超聲源,同時(shí)附加頻率自動(dòng)跟蹤裝置和振幅自動(dòng)測(cè)量裝置。根據(jù)所加工工件尺寸:直徑為90的孔徑,選擇超聲波發(fā)生器功能參數(shù)為: 功率:W500W; 頻率:20kHz; 2.2 換能器 換能器是超聲設(shè)備的關(guān)鍵部件之一,它的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)。2.2.1 換能器的分類及工作原理目前使用的換能器主要有兩種:一種是磁致伸縮換能器;一種是壓電換能器。(1)磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化磁場(chǎng)中所產(chǎn)生的磁致縮效應(yīng)而制成的。所謂磁致伸縮效應(yīng)就是指將鐵磁體置于變化的磁場(chǎng)內(nèi),由于磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致鐵磁體產(chǎn)生長(zhǎng)度的現(xiàn)象,也稱焦耳效應(yīng)。目前制造超聲振動(dòng)系統(tǒng)的換能器多用鎳。鎳除了具有較好的磁致伸縮效應(yīng)外,用純鎳片疊成封閉磁路的鎳換能器(由于事先處理好的鎳片有氧化絕緣薄膜層)能減少高頻渦流損耗,而且這種換能器容易與振動(dòng)系統(tǒng)的其他零件焊接,工作性能穩(wěn)定,通常用于大、中功率換能器。最有前途的磁致伸縮材料是鐵氧體,這種材料電聲轉(zhuǎn)換效率高(80%)。為了降低換能器的制造成本,應(yīng)使其尺寸規(guī)格化,盡量減少鎳片的品種。考慮到振動(dòng)加工時(shí)最常用的工作頻率在2022kHz左右,若按單窗口計(jì)算,可根據(jù)功率參考表2-1選擇換能器的截面尺寸。表2-1 磁致伸縮換能器的截面尺寸(單位:mm)換能器功率/kw0.250.51.01.52.02.54.0鎳3030353545455555606075758585鐵鈷合金2020252535354545555560607070磁致伸縮換能器的最大優(yōu)點(diǎn)是:在工作條件變化很大的情況下,切削力變化以及振動(dòng)系統(tǒng)自身的一些變化對(duì)工具的振動(dòng)形態(tài)影響小。此外由此組成的工具振動(dòng)系統(tǒng)使用安全可靠,調(diào)整方便,容易掌握,故目前國內(nèi)外仍較多使用。(2)電致伸縮換能器電致伸縮換能器是利用材料在電磁場(chǎng)作用下的壓電效應(yīng)而制成的。所謂壓電效應(yīng)是指在石英晶體、鋯鈦酸鉛(ZrPbTiO3)及鈦酸鈉(NaTiO3)等物質(zhì)的兩界面上加上一定電壓后,材料將產(chǎn)生一定的機(jī)械伸縮效應(yīng),這種隨所加交變電壓材料而伸縮的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng).圖2-2即為壓電效應(yīng)的工作原理:圖2-2 材料的壓電效應(yīng)原理如果在兩界面上加有20kHz的交變電流,則該物質(zhì)將產(chǎn)生相應(yīng)頻率的伸縮變形,使周圍的介質(zhì)以超聲波頻率振動(dòng)。為了獲得最大的超聲能量(強(qiáng)度),應(yīng)使晶體處于共振狀態(tài),故晶片的厚度做成聲波半波長(zhǎng)或其整數(shù)倍。和磁致伸縮換能器比較,電致伸縮換能器尺寸小,瞬時(shí)輸出功率達(dá)到3540W/,但連接振動(dòng)時(shí)只能達(dá)到它的1/5左右,即7.8W/。長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)工作,由于發(fā)熱會(huì)使它的性能明顯下降。此外,電致伸縮換能器的機(jī)械強(qiáng)度低,工作時(shí)所加電壓較高,并且因它的電壓轉(zhuǎn)換效率高,振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整精度的要求較高,所能適應(yīng)的加工條件也相應(yīng)地變小。采用這種換能器的工作振動(dòng)系統(tǒng),如果與換能器固有頻率不能準(zhǔn)確一致的話,超聲波發(fā)生器的能量就不能傳遞到刀刃上。同時(shí)換能器與變幅桿之間的接合面以及其他接合面精度、連接螺紋加工精度都對(duì)振動(dòng)有影響。2.2.2 換能器的選擇磁致伸縮換能器在五六十年代得到了廣泛應(yīng)用。這種換能器可以在工作條件變化很大的情況下使用,切削力的變動(dòng)及振動(dòng)系統(tǒng)本身的一些變化對(duì)工具振動(dòng)形態(tài)影響較??;機(jī)械強(qiáng)度高,振動(dòng)系統(tǒng)使用安全可靠,換能器壽命長(zhǎng);頻率范圍寬,因而工具在磨損范圍較大的情況下,仍能找到諧振頻率點(diǎn);但轉(zhuǎn)換效率低,一般情況下為30左右;鎳片價(jià)格昂貴:鎳片換能器與變幅桿之間多采用釬旱連接:一般情況下,采用循環(huán)水冷方式,因而要附加一個(gè)水冷系統(tǒng)。壓電換能器尺寸小,冷卻散熱條件要求低;電聲轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)88;但抗拉強(qiáng)度低,設(shè)計(jì)制造和調(diào)整精度要求較高,采用這種換能器的工具振動(dòng)系統(tǒng),如果與換能器固有頻率不準(zhǔn)確一致,利用局部共振原理,也能制造出性能優(yōu)良易于找到諧振頻率的聲振系統(tǒng),以滿足超聲加工的需要;這種換能器的頻率范圍窄;價(jià)格便宜;冷卻方式簡(jiǎn)單;換能器與變幅桿之間采用螺栓連接。換能器與超聲波發(fā)生器連接,需考慮到二者的匹配:(1)發(fā)生器的輸入阻抗與換能器的動(dòng)態(tài)阻抗一致;(2)是在額定輸入電功率條件下,換能器輸出的聲功率最大。考慮到以上特點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用壓電換能器,固有頻率為20KHZ,輸出端振幅為4m5m。其具體結(jié)構(gòu)尺寸如下圖2-3所示圖2-3 換能器2.3 變幅桿不論電致伸縮換能器還是磁致伸縮伸縮換能器,在高頻電振蕩作用下的伸縮變形量都很小,即使在共振情況下:其振幅也僅在510m之間,一般在45m左右,而要滿足超聲加工形成的必要條件,要求珩磨油石端的振幅至少要達(dá)到10-20m。所以不能直接用來進(jìn)行珩磨加工,因此必須通過變幅桿將振幅加以放大,變幅桿的放大倍數(shù)因變幅桿的結(jié)構(gòu)形狀不同而不同,一般放大范圍在10100m之間。變幅桿之所以能放大振幅,是由于通過它任一截面的振動(dòng)能量是不變的(假定聲能在均勻介質(zhì)中的傳播損耗不計(jì)),因此截面小的地方能量密度變大,由聲學(xué)原理可知,能量密度正比于振幅a的平方,即: (2-1) (2-2)式中: 能量密度;a振幅; k系數(shù), ; (2-3)彈性介質(zhì)密度;彈性介質(zhì)的波速;角頻率, ; (2-4)頻率。所以,根據(jù)式(2-2)知,截面小的地方,能量密度大,振幅也就得到了放大。為了獲得較大的振幅,應(yīng)使變幅桿的共振頻率(即諧振頻率)和外激振動(dòng)頻率相等,使之處于共振狀態(tài)。變幅桿的主要作用總結(jié):放大機(jī)械振動(dòng)的位移或速度振幅,把能量集中在較小的輻射面上,即聚能作用。此外,它還是一種機(jī)械阻抗的換能器,使超聲能量由超聲換能器更有效地向負(fù)載傳輸。2.3.1 變幅桿的材料鑒于變幅桿在使用中的力學(xué)條件,其材料在選取時(shí)必須滿足以下要求:(1)在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小;(2)材料的疲勞強(qiáng)度高,而聲阻抗小,以獲得最大的振動(dòng)速度和位移振幅;(3)易于機(jī)械加工;(4)做液體處理應(yīng)用時(shí),還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕;(5)變幅桿材料應(yīng)鍛造,纖維伸長(zhǎng)方向應(yīng)與聲傳輸線一致,以提高變幅桿的抗疲勞性能與聲學(xué)性能。表2-2列出了超聲加工變幅桿,振動(dòng)傳遞系統(tǒng)和工具材料的性能及聲速。 表22 常用材料的聲學(xué)特性材料密度103(/m2)楊氏模量E 1016(Nm2)抗拉強(qiáng)度107( Nm2)槽中縱波聲速c(m/s)鋁2.87.2105100硬鋁2.87.240525100鈦合金4.512.07901084920黃銅8.61032503500普通鑄鐵7.281410403750不銹鋼7.920.5705200工具鋼7.920.570520045 鋼7.920.92615169鋁鎂合金2.667.20335200硬質(zhì)合金141572.00-7000一般說來,鈦合金的性能最好,但價(jià)格昂貴,且機(jī)械加工較困難;鋁合金價(jià)格便宜,易于機(jī)械加工,但抗超聲空化腐蝕較差;青銅損耗太大;故選取價(jià)格便宜,較易加工的45鋼、65Mn、40Cr替代,并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以增加其強(qiáng)度和綜合機(jī)械性能。本次設(shè)計(jì)選最常用的45鋼,并對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)和氮化處理。此外,變幅桿的材料還應(yīng)進(jìn)行探傷,以檢查材料內(nèi)有無裂紋和缺陷,否則聲能就不能沿著聲傳輸線傳遞、材料斷裂或引起令人討厭的噪聲。因此,有裂紋和缺陷的材料必須報(bào)廢。2.3.2 變幅桿類型的選擇變幅桿的種類很多,常用的主要有:階梯型、錐形、指數(shù)型、懸線型、傅立葉型以及上述五種類型的組合,如圖2-4圖 2-4不同類型的變幅桿的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2-3。表2-3 幾種常用變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)的比較變幅桿種類優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)階梯型1.計(jì)算簡(jiǎn)單,制造容易2.當(dāng)面積系數(shù)N一定時(shí),振幅放大倍數(shù)M最大3.半波共振長(zhǎng)度最短1.共振頻率范圍較小2.受負(fù)載后放大倍數(shù)小3.截面變化處應(yīng)力較大,故不適宜傳遞較大功率圓錐型1.制造容易2.機(jī)械強(qiáng)度大1.當(dāng)N相同時(shí),放大倍數(shù)較小2.半波共振長(zhǎng)度最大指數(shù)型1.共振頻率范圍較寬2.能傳遞較大功率3.受負(fù)載后放大倍數(shù)變化較小1.制造困難2.截面變化不能過大,否則振動(dòng)無法傳播懸鏈線型放大倍數(shù)大,允許M=20401.制造困難2.當(dāng)放大倍數(shù)過大時(shí),常因應(yīng)力過大而損壞可以看出不同形狀的變幅桿性能也大不相同,以下因素也需充分考慮:(1)當(dāng)面積系數(shù)N相同時(shí),對(duì)單一變幅桿而言,階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大,其次是懸鏈線型、指數(shù)型,最小是圓錐型。圓錐型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到510倍;指數(shù)型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到1020倍,使用中性能穩(wěn)定;階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到20倍以上,但它受到負(fù)載時(shí),振幅減小的現(xiàn)象比較嚴(yán)重,工作不夠穩(wěn)定,而且在粗細(xì)過渡的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。為此,在設(shè)計(jì)階梯型變幅桿時(shí),其截面劇變處,必須有過渡圓弧。(2)指數(shù)型和圓錐型變幅桿的共振長(zhǎng)度隨N的增大而增大。在N1.011.81范圍內(nèi)懸鏈線型變幅桿的隨N的增大而變短,以后隨N的增大而增大。(3)在高聲強(qiáng)超聲加工中如超聲拉管,在變幅桿的輸出端需要有很大的振動(dòng)振幅。變幅桿的最大振動(dòng)速度除了受桿材料的疲勞強(qiáng)度限制以外也和變幅桿的形狀有關(guān)。所以在滿足所需要的放大系數(shù)之外,還應(yīng)選擇形狀因數(shù)大的變幅桿。階梯型變幅桿雖然放大系數(shù)大,但其形狀因數(shù)j也最小。在面積系數(shù)N相同時(shí),有:圓錐指數(shù)懸鏈線階梯綜合考慮工作特性和應(yīng)用場(chǎng)合,我在設(shè)計(jì)中采用加工較容易、頻率穩(wěn)定性好的圓錐型變幅桿。下表2-4為幾種常用變幅桿的主要設(shè)計(jì)公式表2-4常用變幅桿參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式變幅桿類型圓 錐 形指 數(shù) 形階 梯 形截面變化規(guī)律振幅放大倍數(shù)半波共振長(zhǎng)度位移節(jié)點(diǎn)符號(hào)說明和分別為變幅桿輸入端和輸出端面積;D和d分別為變幅桿輸入、輸出端直徑 ;k為波數(shù),k=,為圓頻率, =,為共振頻率,c 為縱波在細(xì)桿中的聲速 ,平直細(xì)桿中的波長(zhǎng),;N為面積系數(shù),對(duì)指數(shù)變幅桿必須滿足,即相應(yīng)于有一臨界值Na2.3.3 變幅桿參數(shù)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)我選用了圓錐形聚能器(變幅桿)。變幅桿直徑的選擇要兼顧效率和剛性兩方面。直徑大,剛性好,但能量損失大,一般使變幅桿大端與換能器尺寸相等或稍大。本設(shè)計(jì)選用的換能器端面直徑為52,故變幅桿大端直徑選為52,變幅桿小端直徑選13。(1)變幅桿諧振長(zhǎng)度的設(shè)計(jì) 有已知條件可得N4,變幅桿材料為調(diào)質(zhì)45鋼,縱波波速c5169m/s,頻率=20khz,從而求得根據(jù)圓錐型變幅桿頻率方程: (2-5)用數(shù)值分析法求得諧振長(zhǎng)度 代入諧振長(zhǎng)度公式 得(2)位移節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)由于 所以,即節(jié)點(diǎn)的位置處于距大端56.2258mm(3)放大系數(shù)(4)形狀因數(shù)由應(yīng)變極大值條件 (2-6)其中從而可求得應(yīng)變極大值點(diǎn)形狀因數(shù)至此,變幅桿的基本外觀尺寸計(jì)算完畢。2.3.4 連接和固定方式由于振動(dòng)影響產(chǎn)生的力較大,變幅桿與振動(dòng)圓盤和換能器的連接均采用螺紋連接,且接合面需研磨,換能器與定位套筒連接時(shí),中間可加一橡膠墊圈以消振。(1)變幅桿和換能器的連接變幅桿大端面和換能器前蓋板用雙頭螺釘緊固連接,為了使振動(dòng)能量有效地從換能器傳到變幅桿,變幅桿的大端面與其中心線的垂直度誤差應(yīng)小于0.015mm,且表面粗糙度不高于0.4mm。(2)變幅桿和振動(dòng)圓盤的連接在變幅桿小端留出螺紋頭,振動(dòng)圓盤裝上以后靠緊固螺母壓緊。(3)變幅桿的固定變幅桿通過振動(dòng)波節(jié)上的法蘭盤固定在工裝上。固定時(shí),一方面要求振動(dòng)波節(jié)處的法蘭盤的剛性要好,另一方面又要求能量傳到法蘭盤上導(dǎo)致能量的損失,根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)可知,振動(dòng)波節(jié)厚度?。?5)mm比較合適。至此,變幅桿的形狀基本可以確定了。如圖2-5:圖2-5 變幅桿2.4 彎曲振動(dòng)圓盤2.4.1 彎曲振動(dòng)圓盤的作用彎曲振動(dòng)圓盤位于變幅桿小端靠壓緊螺母固定,并且它和撓性桿焊接在一起,是震動(dòng)傳播路徑上的關(guān)鍵部件之一,位置如圖2-6所示:圖2-6 超聲系統(tǒng)位置圖彎曲振動(dòng)圓盤的工作原理是,當(dāng)變幅桿將縱向振動(dòng)傳至其末端時(shí),通過該圓盤將其縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為橫向振動(dòng),然后再通過圓盤的波腹處將振動(dòng)傳到撓性桿上,又變成縱向振動(dòng),然后由撓性桿帶動(dòng)油石座做縱向振動(dòng)。2.4.2 彎曲振動(dòng)圓盤的設(shè)計(jì)彎曲振動(dòng)圓盤是超聲波振動(dòng)珩磨裝置傳遞振動(dòng)的重要條件,該零件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的好壞,直接影響到變幅桿的振動(dòng)能量通過它到撓性桿上的傳導(dǎo),直接關(guān)系到振動(dòng)珩磨效果。因此,彎曲振動(dòng)圓盤的材料我們選擇和變幅桿同樣的材料,經(jīng)調(diào)質(zhì)和氮化處理的45鋼,聲波在彎曲振動(dòng)圓盤中的聲速可參考表33有c5169m/s。為使轉(zhuǎn)換中能量損失最小,就必須要求變幅桿小端于與振動(dòng)圓盤的中心連接點(diǎn)為振幅最大點(diǎn)。當(dāng)圓盤的厚度h遠(yuǎn)小于圓盤的半徑r時(shí),這種圓盤可認(rèn)為是中心固定的薄圓盤,根據(jù)振動(dòng)力學(xué)中所給出的圓盤的固有頻率為: (2-7)其中圓盤的固有頻率;圓盤的半徑;重力加速度;材料的比重;圓盤的厚度;中心固定圓盤的頻率系數(shù),取3.75、20.91、60.68;圓盤的彎曲剛度 (2-8)楊氏彈性模量;泊松比,一般取0.3;由式(2-7)知 (2-9) (2-10) (2-11)因?yàn)?(2-12)故 (2-13)即 (2-14)上式即為頻率、半徑和厚度之間的關(guān)系方程。由上式可得半徑 (2-15)對(duì)于不同的厚度,有不同的圓盤半徑,考慮到圓盤的剛度及結(jié)構(gòu)所限尺寸,本設(shè)計(jì)取圓盤厚度為,頻率系數(shù)。由上式可得所以圓盤的基本尺寸可確定為: 圓盤半徑21.77mm(該處振幅最大) 圓盤厚度10mm得到的振動(dòng)圓盤的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-7所示;圖2-7 彎曲振動(dòng)圓盤以上只是從理論角度定出了圓盤的半徑和厚度,在實(shí)際使用中需根據(jù)不同的負(fù)載條件做必要的變動(dòng)。2.5 撓性桿油石座振動(dòng)子系統(tǒng)超聲振動(dòng)珩磨裝置(軸向)的撓性桿油石座振動(dòng)子系統(tǒng)是由兩段截面不同的均勻桿組成,如圖2-8所示圖 2-8 撓性桿-油石座振動(dòng)子系統(tǒng)其頻率方程為: (2-16)在反復(fù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、研究的基礎(chǔ)上其成功經(jīng)驗(yàn)是需要遵循以下幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟:(1)首先確定撓性桿的材料,設(shè)計(jì)中選用材料為45鋼的鋼絲.(2)根據(jù)換能器、變幅桿和彎曲振動(dòng)圓盤的諧振狀態(tài),可得出它們的諧振頻率=20kHz ,由此可求出撓性桿的聲波波長(zhǎng):=258.45mm=258.45mm(3)根據(jù)被珩磨孔徑的大小90mm和長(zhǎng)度=200300mm來確定撓性桿的長(zhǎng)度L由 (n1,2,3) (2-17)取n1則 1258.45/2129.225mm 即取撓性桿長(zhǎng)L130mm; (4)油石座的條數(shù)和具體尺寸的確定以及撓性桿的選用需同時(shí)結(jié)合下一章珩磨頭體的設(shè)計(jì)中選擇油石的形狀、數(shù)目和尺寸來綜合考慮,故在此暫不分析計(jì)算,將在珩磨頭體的設(shè)計(jì)中具體說明。第3章 超聲珩磨頭體珩磨機(jī)的基本結(jié)構(gòu)有珩磨頭、主軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)(液壓系統(tǒng))、立柱、工作臺(tái)電氣系統(tǒng)等組成。其中珩磨頭結(jié)構(gòu)對(duì)珩磨孔的加工精度、表面質(zhì)量、珩磨效率和油石壽命均有很大影響,而珩磨頭結(jié)構(gòu)分別受珩孔尺寸、形狀、精度和機(jī)床進(jìn)給方式等因素制約。珩磨頭結(jié)構(gòu)的主要部分為接桿、頂銷、脹錐、油石、油石座等組成。由于彎曲振動(dòng)圓盤與珩磨體之間的過渡連接套有一定的厚度,因此,這個(gè)過渡連接套不可避免的有一定的振動(dòng),解決得不好將有振動(dòng)傳到珩磨頭體上去,為解決這一難題,該設(shè)計(jì)借鑒引用了現(xiàn)代磨削技術(shù)(李伯民 趙波主編)中的新結(jié)構(gòu),如下圖3-1示:1-芯軸 2-珩磨頭本體 3-油石 4-頂銷 5-撓性桿 6-浮動(dòng)球桿 7-法蘭盤 8-振動(dòng)圓盤 9-變幅桿 10-換能器 11-脹緊機(jī)構(gòu) 12-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 13-超聲發(fā)射器圖3-1新型超聲珩磨裝置新的超聲珩磨傳聲系統(tǒng)用了振動(dòng)圓盤與撓性桿直接連接,將來自振動(dòng)圓盤的全部聲能通過撓性桿傳遞到珩磨油石,由于將珩磨桿(圖中浮動(dòng)球桿6)與密封振動(dòng)圓盤的法蘭盤7連接,法蘭盤與珩磨裝置后部的固定套筒連接,從而巧妙有效地避免了振動(dòng)圓盤與珩磨桿連接處超聲能量的大量損失問題。3.1 珩磨油石超聲珩磨油石是超聲珩磨裝置的磨具。在超聲珩磨中,超聲能量最終要通過油石傳遞到加工區(qū)。超聲珩磨油石性能的優(yōu)劣,直接影響到超聲珩磨的工藝效果。如何保證超聲能量可靠地傳輸?shù)接褪?,油石在超聲能量作用下的工況如何,超聲珩磨油石的磨料如何選擇,一直是從事設(shè)計(jì)、研制超聲珩磨裝置的科研人員和工廠技術(shù)人員所關(guān)心的問題。3.1.1 油石的選擇在超聲振動(dòng)珩磨中珩磨油石是保證超聲振動(dòng)珩磨獲取優(yōu)良工藝效果的關(guān)鍵。珩磨前正確地選擇油石,是保證順利完成珩磨工藝的重要條件之一。油石需根據(jù)工件的材質(zhì)、硬度、珩磨孔徑的尺寸、珩磨精度和表面粗糙度、油石工作壓力及切削效率等選用。油石的特性同砂輪一樣也是用磨料、粒度,硬度、結(jié)合劑等幾個(gè)參數(shù)來表示的。磨料磨料是構(gòu)成磨具的主要原料,且可直接用于研磨和拋光。磨料是磨具能夠磨制工件的主體材料為能使應(yīng)各加工材料的加工需要磨料應(yīng)具備以下基本性能:(a) 磨料應(yīng)具有很高的硬度、硬度是磨料的基本性能。磨削作用是通過磨料刻劃工件表面完成的。為此,磨料要能夠切入工件,必須達(dá)到一定硬度。磨料的硬度是與磨料的化學(xué)成分、結(jié)晶構(gòu)造的完整程度、熔合在結(jié)晶中的雜質(zhì)等有關(guān)。由于各種磨料的化學(xué)成分、雜質(zhì)的含量及結(jié)晶構(gòu)造都不同,所以每一類磨料部分地適合于某一特定用途。(b) 磨料必須具有一定的韌性 所謂韌性是指磨料的磨粒在受力或沖擊作用時(shí)抵抗破裂的能力。適當(dāng)?shù)捻g性能保證磨粒微刃的切削作用,并在鈍化后能夠破裂而產(chǎn)生新的切削微刃,以繼續(xù)保持其鋒利狀態(tài)。如果磨粒脆性較大,就會(huì)在尚未充分發(fā)揮切削作用之前就被破損。磨料的韌性在很大程度上取決于它的結(jié)晶狀態(tài)(包括結(jié)晶中存在的裂紋,孔隙等缺陷),晶粒的大小合磨料宏觀幾何形狀及制粒方法有關(guān)。(c) 磨料應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度 磨粒在磨削過程中要反復(fù)受到磨削力作用,并在接觸工件時(shí)受到?jīng)_擊載荷及磨削溫度的影響,磨粒還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此,磨粒必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度,才能保證磨粒發(fā)揮切削作用(d) 磨料應(yīng)具有熱穩(wěn)定性 由于磨削區(qū)溫度很高(約為4001000),因此要求磨粒在高溫下仍能具有必要的物理機(jī)械性能,以繼續(xù)保持其鋒利的切削刃。(e) 磨料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性 磨料與被加工工件材料應(yīng)不易起化學(xué)反應(yīng),以免產(chǎn)生粘附和擴(kuò)散作用,造成磨具的堵塞或磨粒的鈍化,致使降低或喪失切削能力。根據(jù)以上要求查機(jī)械工程手冊(cè)2167頁的表(即下表3-1),選擇綜合性能好,切削能力強(qiáng)的綠色碳化硅(GC)磨料。表3-1 珩磨油石磨料應(yīng)用范圍磨料名稱代號(hào)適用加工工件材料應(yīng)用范圍棕剛玉A未淬火的碳鋼、合金鋼等粗珩白剛玉WA經(jīng)熱處理的碳鋼、合金鋼等精珩、半精珩單晶剛玉SA韌性好的軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼等粗珩、精珩鉻剛玉PA各種淬火與未淬火鋼件精珩黑色碳化硅C鑄鐵、銅、鋁等及各種非金屬材料粗珩綠色碳化硅GC鑄鐵、銅、鋁等。多用于淬火鋼及各種脆、硬的金屬與非金屬材料精珩立方碳化硅SC不銹鋼、軸承鋼等硬而粘度高的難加工材料精珩人造金剛石MBD各種鋼件、鑄鐵及脆、硬的金屬與非金屬材料,如硬質(zhì)合金粗珩、半精珩天然金剛石各種鋼件,韌性較差的工件材料粗珩、半精珩立方氮化硼CBN韌性好且硬度和強(qiáng)度較高的合金鋼粗珩、精珩粒度磨具的磨粒顆粒的幾何形狀和粒度大小,在一定程度上影響著磨粒的韌性和機(jī)械強(qiáng)度。適宜的磨粒形狀和尺寸,能夠保持磨粒具有足夠的切削刃數(shù)和適度的切削刃參數(shù),以保證相應(yīng)的切削韌性。磨粒粒度是指磨料顆粒的幾何尺寸大小。粒度粗細(xì)對(duì)加工表面粗糙度和磨削生產(chǎn)率由很大影響,選取時(shí)應(yīng)注意:(a) 在滿足光潔度前提下,盡量選取粗的粒度,以提高生產(chǎn)率;(b) 粒度要均勻,不能混入粗粒度磨粒;(c) 珩磨油石粒度比其他磨具采用的粒度細(xì)。查參考書機(jī)械工程手冊(cè)表273粒度號(hào)及對(duì)應(yīng)公稱尺寸和適用范圍(GB2477-83)選取珩磨油石粒度: 半精珩: 240# 公稱尺寸7553m.精 珩: W28 公稱尺寸2820m.硬度磨具硬度是指磨具表面上的磨料在外力作用下從結(jié)合劑中脫落的難易程度。影響磨具硬度的主要因素是結(jié)合劑的數(shù)量,結(jié)合劑數(shù)量多時(shí),磨具硬度就高,結(jié)合劑少的硬度就低。同時(shí)磨具成型時(shí)的密度、磨具的燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間,也對(duì)硬度有一定的影響。選用過軟的磨具,磨料還沒起到充分磨削作用時(shí)就過早地脫落,造成過多的損耗,并引起工件表面粗糙度升高和精度下降;磨具過硬時(shí),結(jié)合劑粘結(jié)力強(qiáng),磨料被磨鈍后不容易脫落,自勵(lì)性差,從而產(chǎn)生大量的磨削熱,造成工件燒傷和形等不良后果。此外,還應(yīng)注意:(a) 加工導(dǎo)熱性能差的金屬材料及樹脂、橡膠等有機(jī)材料,磨削薄壁件,采用深切緩進(jìn)給加工,選擇磨具硬度應(yīng)低些。(b) 高速、高精密、間斷表面磨削,鋼坯荒磨,工件去毛刺等,應(yīng)選擇較硬磨具。(c) 工作時(shí)自動(dòng)進(jìn)給比手動(dòng)進(jìn)給,加冷卻液比不加 ,樹脂結(jié)合劑油石比陶瓷結(jié)合劑油石,選擇硬度都應(yīng)高些。根據(jù)以上原則與注意事項(xiàng),查表3-2(摘自機(jī)械工程手冊(cè)28-3) 和機(jī)械工程手冊(cè)27-4,選擇:半精珩: 硬度中軟2(L) 精加工: 硬度中2(N)表3-2 珩磨油石的硬度油石粒度雙邊珩磨余量/mm油石硬度鋼件鑄鐵1001500.050.5LQNT0 0I0JNTQY1802800.050,5TPLR0.0101LSQ TW40W200.050.1 5EMKQ0.010.05MRMT結(jié)合劑 結(jié)合劑的主要作用是將眾多的細(xì)小的磨粒粘結(jié)在一起組成油石,使其具有一定形狀和必要的強(qiáng)度、硬度。珩磨時(shí),磨粒在結(jié)合劑支撐下,可以對(duì)工件進(jìn)行珩磨。當(dāng)磨粒磨鈍時(shí),又能使磨粒及時(shí)破碎或脫落,使油石保持良好的珩磨性能。根據(jù)分析比較選取樹脂結(jié)合劑(B)。它的特點(diǎn)是:自勵(lì)性好,不易堵塞,再高壓下仍能保持良好珩磨性能,結(jié)合強(qiáng)度較高,富有彈性,能在高線速度下工作,但耐熱性差(200以上失去粘結(jié)性能),不耐酸堿,所以分析加工過程發(fā)熱及溫升和選擇切削液時(shí)要考慮結(jié)合劑的特性。組織和濃度的選擇磨具組織是指磨具中的磨粒、結(jié)合劑、氣孔三者之間的體積關(guān)系。它表示磨粒排列的疏密狀態(tài),即磨粒占磨具的容積比率。磨具組織不同,對(duì)磨削生產(chǎn)率和表面質(zhì)量均有直接影響。磨具組織的表示方法有兩種:一種是用磨具體積中磨料所占的體積百分比,也就是磨粒率來表示;另一種是用磨具中氣孔的數(shù)量和大小,即氣孔率。以磨粒率表示組織的方法,間接地說明了磨具組織的疏緊程度,反映了磨具工作部位單位面積上可參加磨削的磨粒數(shù)目的多少。查表機(jī)械工程手冊(cè)27-5確定組織與濃度: 半精珩: 磨粒率50%,組織號(hào)6;濃度75%; 精 珩: 磨粒率50%,組織號(hào)6;濃度100%3.1.2 油石尺寸設(shè)計(jì)珩磨油石的長(zhǎng)度珩磨油石的規(guī)格是指油石的形狀和尺寸。它的斷面尺寸為矩形,珩磨大孔徑時(shí),為了延長(zhǎng)油石壽命,也可采用截面為方形的油石。油石的長(zhǎng)度在油石珩磨過程中,既起磨削作用,又起導(dǎo)向作用。接觸部分越長(zhǎng),對(duì)孔的修磨作用會(huì)好些,加工精度也相應(yīng)會(huì)降低。油石長(zhǎng)度主要考慮珩磨頭的長(zhǎng)度、珩磨夾具的浮動(dòng)情況及加工工件的具體情況,以提高珩磨精度和珩磨效率。根據(jù)油石導(dǎo)向作用確定油石長(zhǎng)度,珩磨不要求修整原長(zhǎng)孔直線度時(shí),則11.5D,L0.8D;珩磨要求修整原長(zhǎng)孔直線度時(shí),則(1/21/3)L;3/4L。注意:在珩磨過程中,油石處于加工最上部和最下部位置時(shí),中間不得搭接,否則加工孔會(huì)出現(xiàn)鼓形缺陷。而與越程量有關(guān)系。在本設(shè)計(jì)中,設(shè)越程量為1/4,則=3/4L,由于L=200300mm.所以取=225mm.珩磨油石的數(shù)量和寬度表3-3 珩磨油石截面尺寸及數(shù)量珩磨孔徑mm油石數(shù)量條普通油石截面BH金剛石油石截面BH510l21.52.21013221.521.51316332.532.5162434333243746444374634864446754688567511068108,121056110180681210,1412661803108101613,2020300102020,2525(1)油石數(shù)量的選擇 在不影響珩磨頭剛性的條件下,盡可能采用多根油石,并適當(dāng)減小油石寬度。因?yàn)镈=90mm,故選擇6根油石。(2)油石截面尺寸 選擇原則:珩磨軟材料可選寬油石;珩磨硬材料需選窄油石;珩磨鋼件比鑄件要窄一些;珩磨小孔,油石盡可能窄些;珩磨大孔,油石寬度B25mm;使用金剛石或立方氮化硼油石,其寬度一定為普通油石的1/21/3,并且能保持油石總寬度占孔周長(zhǎng)的0.150.28,可以得到較高的珩磨效率并減少孔的變形。查參考書機(jī)械工程手冊(cè)(第二版)8 機(jī)械制造工藝及設(shè)備(二)表28-4選油石截面尺寸: BH =6mm6mm;則油石總寬度占孔周長(zhǎng)的百分比為: =0.153由于0.150.1530.28,所以可獲得較高的珩磨效率,并減少孔的變形。3.2油石座和撓性桿接上一章中最后一節(jié)的內(nèi)容,確定好油石尺寸以后再回過頭來確定油石座的尺寸以及撓性桿的選用。3.2.1 油石座(1)根據(jù)珩磨材料和珩磨孔的長(zhǎng)度來確定油石座的長(zhǎng)度,若較大,則選聲速大的材料作油石座;若較小,則選聲速小的材料來作油石座;在此選擇調(diào)質(zhì)處理的45鋼,查表2-2可知:油石座材料密度;油石座聲速=5169m/s和油石聲速波長(zhǎng):考慮到油石座和油石要用彈簧拉緊,故通常油石座長(zhǎng)度L2取半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,即:式中 n取1,2,3。取n=2 得 即,油石座長(zhǎng)為258mm。(2)在選用油石座長(zhǎng)度L大小時(shí),不但要考慮超聲能量的傳遞規(guī)律,而且還必須考慮油石座的剛度、強(qiáng)度,以確定油石座的厚度H。否則,在制造和使用油石座的過程中,油石座容易產(chǎn)生彎曲和扭曲變形,影響珩磨過程的加工精度和珩磨質(zhì)量。據(jù)此試選確定:。(3)根據(jù)前面已經(jīng)確定的油石寬度,從而確定油石座寬度油石寬度為=6mm,故試選油石座寬度B=+2=8mm.3.2.2 撓性桿(1)根據(jù)油石座厚度H和油石座寬度B計(jì)算油石座截面積由方程3-2式即解出撓性桿截面尺寸,再由方程解出撓性桿直徑d。圓整后,取相近鋼絲規(guī)格,再帶入方程3-2式解出,調(diào)整H和B。(2)若撓性桿和油石座幾何尺寸的確定不符合實(shí)際要求時(shí),重復(fù)上述步驟,再進(jìn)行選擇、計(jì)算,直到滿意為止。依據(jù)上述步驟計(jì)算得到結(jié)果:撓性桿直徑: d=mm;油石座尺寸: BH=8mm8mm3.3 珩磨油石與油石座的連接方式油石與油石座的連接方式對(duì)珩磨的工藝參數(shù)效果影響很大,超聲珩磨過程中會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)加速度.這種情況下,欲保證聲波可靠有效地傳播和保證油石不會(huì)從油石座上脫落下來,必須采用合適的連接方式.一般說來,油石的連接方式有四種:其一,熱壓成型法;其二,粘接法;其三,焊接法,它又分為銀焊和錫焊;其四,機(jī)械夾固式.幾種連接方法中,銀焊法最好,不僅連接強(qiáng)度高,傳聲效率也高,但缺點(diǎn)是不能適用于樹脂結(jié)合劑的油石,且操作不便,成本高.錫焊法連接強(qiáng)度低于銀焊法,且價(jià)格便宜,傳聲效率高,但只適用于金屬結(jié)合劑的油石.此外,用焊接法時(shí)油石的等高性不易掌握,更換砂片也不方便.熱壓成型法的傳聲與粘結(jié)法基本相同,且連接強(qiáng)度高,適用于樹脂結(jié)合劑的油石,可這種方法需要根據(jù)油石尺寸的大小,設(shè)計(jì)、制造一套與油石尺寸相應(yīng)的成型模具,使用不便.綜上所述,本設(shè)計(jì)中采用了粘結(jié)工藝,根據(jù)其他研究者的大量實(shí)驗(yàn)知:只要嚴(yán)格按照如下工藝進(jìn)行操作,不僅性能可靠滿足要求,且具有良好的傳聲效果.粘接工藝的具體步驟如下:(1)選擇粘接劑和清洗劑對(duì)粘接劑的要求是:抗拉強(qiáng)度大,耐高溫,傳聲效率高,壽命長(zhǎng).具體可選用RD-8型雙組分環(huán)氧樹脂粘接劑.清洗劑可選擇滲透性好和清洗性好,容易揮發(fā)的溶劑,如丙酮、酒精等均可.(2)在粘接前,先將油石座表面打毛(按滾花級(jí)網(wǎng)制成表面效果最優(yōu))(3)對(duì)油石的處理對(duì)新油石,粘接面需用砂布輕輕打磨以使之平整(打磨要在測(cè)量平臺(tái)上進(jìn)行);一般要求油石基體和砂片的平面度誤差不大于0.05.對(duì)回收油石(舊油石重用),需在砂輪上小心磨去原膠層(磨平即可),然后用清潔劑清洗干凈. 新、舊砂片在粘接前,均需用丙酮清洗兩次. (4)配膠:根據(jù)實(shí)際需要,先從A、B兩管中按比例擠出一定量的組分,然后在干凈的玻璃器皿中仔細(xì)將兩組分混合均勻,當(dāng)粘接劑太稠時(shí),可以將丙酮稍加稀釋;當(dāng)粘接過稀時(shí),可在膠中配加20%的填料(如石英粉、氧化鈣、玻璃粉、石英粉等)(5)在油石座及油石接合面上均勻涂置一定厚度的膠,將油石先放置在基體膠上進(jìn)行粘接.(6)為保證油石粘接后良好的等高性,需將粘接好的油石面朝下,放在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上,然后加上平板,在平板上均勻施加一定的壓力,使之在室溫下固化.(7)在室溫下固化12小時(shí)后,再在恒溫爐上加熱到(5070),固化5小時(shí)即可使用.3.4 油石座撓性桿振動(dòng)圓盤子系統(tǒng)的連接 由上節(jié)中關(guān)于油石與油石座連接方式的分析可知:撓性桿與油石座和振動(dòng)圓盤均可采用銀焊法,它的優(yōu)點(diǎn)是保證傳聲效率高.銀焊的溫度為600800,在這種溫度下,銀焊不足以改變材料的晶相結(jié)構(gòu),為了不至于銀焊時(shí)燒壞油 ,焊接順序是:先將撓性桿和油石座焊牢,焊縫不得有任何氣隙,然后將油石粘在油石座上.粘好后,對(duì)油石在小參數(shù)裝置上進(jìn)行修整,待修整完畢后,再把撓性桿和振動(dòng)圓盤用銀焊焊接好.為保證撓性桿焊接的等高性,振動(dòng)圓盤上應(yīng)一次裝夾鉆出符合要求的相應(yīng)階梯孔.3.5 脹錐設(shè)計(jì)脹錐是用以支承珩磨油石座的,通過它的軸向移動(dòng)來擴(kuò)張或收縮油石。因此,脹錐必須具有足夠的剛性,一般選用、CrMn、9SiCr或T8A材料,要求硬度達(dá)62HRC以上。珩磨油石收縮至極限時(shí),油石外徑應(yīng)小于被加工孔珩前孔徑,以便于退出或進(jìn)入。珩磨油石極限擴(kuò)張量應(yīng)大于油石座脹開后的外徑加上油石使用后的報(bào)廢尺寸應(yīng)大于或略大于珩磨孔徑。大孔珩磨頭的擴(kuò)張或收縮是通過錐芯相對(duì)于珩磨油石座下部的錐面或錐體作軸向調(diào)節(jié)完成的;小孔珩磨的擴(kuò)張或收縮,是依靠錐芯相對(duì)于珩磨油石基體斜面做軸向調(diào)節(jié)完成的,錐芯上的支承油石基體的斜面數(shù)量,應(yīng)與珩磨頭基體上的槽數(shù)相同,其等份也應(yīng)與槽的等份相吻合,以保證油石順利的裝入珩磨頭基體。斜面角度的一致性,可以確保所有油石擴(kuò)張量一致,對(duì)提高珩孔精度,特別是孔的幾何精度是大有好處的。大孔珩磨頭所使用的錐芯斜面角度,除要求錐芯有足夠的強(qiáng)度外,還要保證珩磨油石在擴(kuò)張或收縮至極限時(shí),錐芯仍保留有一半長(zhǎng)度在錐芯錐面上支承著,其值可通過計(jì)算或作圖求得。錐芯斜角的選取應(yīng)有一定的范圍,過小,影響油石的快速進(jìn)給或縮回,影響微量進(jìn)給,且加工效率低,油石;利用率低。過大,會(huì)使油石進(jìn)給時(shí)擴(kuò)張過猛,雖然提高工作效率,但會(huì)使擠壓力,切削熱大增,油石表面易堵塞切屑,影響正常切削。在該設(shè)計(jì)中, 根據(jù)加工孔徑的大小90mm,試設(shè)計(jì)油石脹開前的珩磨頭直徑為89mm脹開極限位置時(shí)直徑為91mm,則油石座徑向行程為2mm,由錐芯斜角選取條件, 取: =5 則脹錐行程為: 所以脹錐長(zhǎng)度取42,其基本尺寸圖為圖3-2示. 圖3-2 脹錐3.6 導(dǎo)向條為了防止珩磨油石進(jìn)出孔時(shí)被破壞,避免珩磨頭上其他零件與被加工表面接觸,一般在珩磨頭體周圍上嵌有導(dǎo)向條,它與油石相間排列.當(dāng)珩磨頭體進(jìn)入工件孔時(shí),起導(dǎo)向作用和保護(hù)油石不致碰傷,當(dāng)珩磨頭退出工件孔時(shí)起定心作用.此外,它還能防止油石因磨耗不均而導(dǎo)致珩磨頭偏心.導(dǎo)向條在圓周上的外徑應(yīng)比被加工孔的直徑基本尺寸小0.
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