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哈爾濱理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 開 題 報(bào) 告 學(xué)生姓名 馬奇 智 學(xué) 號(hào) 1330060314 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 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(jì) 題目來源： 自擬 課題研究的意義和國(guó)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(shì)強(qiáng)等特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)重要零件如機(jī)匣、壓氣機(jī)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(qiáng)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(jī)機(jī)頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性等特點(diǎn)，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(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。對(duì)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(duì)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)。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(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)如頻率高 、波長(zhǎng)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(shí)可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)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(guó)防、生物工程以及電子等領(lǐng)域在我國(guó)國(guó)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(duì)于超聲加工，特別是旋轉(zhuǎn)超聲加工的加工機(jī)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(duì)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(shí)磨削力小、加工效率高 、精度高、工具磨損小以及對(duì)加工材料適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)彎曲振動(dòng)系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長(zhǎng)換能振動(dòng)系統(tǒng)細(xì)端，該振動(dòng)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(gè)半圓形壓電換能器 (壓電振子 )，其特點(diǎn)是小型化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性增強(qiáng)。 日本還研制成一種新型 “ 縱 型振動(dòng)系統(tǒng)，并已在手持式超聲復(fù)合振動(dòng)研磨機(jī)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(dòng)。 1994 年日本多賀電氣株式會(huì)社采用 “ 縱一彎 ” 型超聲復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)制成研磨機(jī)，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(dòng)和彎曲振動(dòng)。研究結(jié)果表明，彎曲振動(dòng)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(dòng)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(duì)超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削機(jī)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(jì)上有了新的突破 。 1997 年英國(guó)研制了硬脆材料納米磨削中心，可實(shí)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(xiàng)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(shí)施加超聲振動(dòng)時(shí)，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(jiǎn)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(duì)超聲輔助磨削過程進(jìn)行了技術(shù)性分析。并且，國(guó)外已研究出先進(jìn)的超聲振動(dòng)主軸，其轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r／ 30， 000r／ 以實(shí)現(xiàn)加工過程中砂輪的振動(dòng)，并使其轉(zhuǎn)速達(dá)到傳統(tǒng)磨削工藝的水平。 德國(guó) 究中心和布萊梅大學(xué)精密工程中心采用非圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)在單縱振激勵(lì)的條件下產(chǎn)生了 10:1 的橢圓振動(dòng)，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(guó)研究人員的結(jié)構(gòu)也制作除了超聲橢圓振動(dòng)切削不銹鋼的裝置。 天津大學(xué)于思遠(yuǎn)、劉殿通等人對(duì)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(tái)陶瓷小孔超聲波磨削加工機(jī)床，在工程陶瓷小孔磨削時(shí)對(duì)磨頭施以超聲振動(dòng)，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(jì)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(jì)的數(shù)學(xué)模型，此裝置采用電機(jī)直連進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電信號(hào)傳輸采用碳刷集流環(huán)的傳輸 方式。河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李華、殷振等人設(shè)計(jì)了超聲波橢圓振動(dòng)內(nèi)圓磨削磨頭，并在超聲振動(dòng)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(guó) 司和日本馬扎克公司將超聲振動(dòng)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(dòng)磨削研究，取得良好效果，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用 。 在第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(，德國(guó) 司展出了其新產(chǎn)品 聲振動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)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(duì)象： 超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對(duì)國(guó)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、對(duì) 超聲磨削裝置 進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；完成 超聲磨削裝置 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度和剛度校核； 5、得出設(shè)計(jì)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(jì)： 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?yàn)榧庸ば枰?，所以本裝置一直處在高速運(yùn)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(dòng)的現(xiàn)象。 初步設(shè)計(jì)采用四種方案，方案一 三 四采用電 機(jī)加聯(lián)軸器方案二采用電機(jī)加皮帶輪，方案一 三 四比方案二的整體尺寸相對(duì)結(jié)構(gòu)要小得多， 這對(duì)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(jī)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(huì)很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會(huì)呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會(huì)擺動(dòng)。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(huì)達(dá)到較高速度。這也沒法實(shí)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(jī)座的內(nèi)部，軸座和電機(jī)座之間的同軸度靠?jī)烧咧g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(jī)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(jì)中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強(qiáng)度，同時(shí)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(huì)被拉彎，軸的另一端就會(huì)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(jī)座是整個(gè)裝置的支撐，電機(jī)僅僅是靠其端部四個(gè)螺釘來固定 的，因此看來電機(jī)座后面的大部分對(duì)電機(jī)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(diǎn)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(diǎn)，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(shí)彌補(bǔ)其不足之點(diǎn)而成的 。 2、 變幅桿的設(shè)計(jì) ： 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(jì)、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(hào)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(dòng)強(qiáng)度。而壓電換能器能量效率很高（可達(dá) 90~96%），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(qiáng)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(jì)算對(duì)于主要 承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度較核計(jì)算。對(duì)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(qiáng)度較核計(jì)算。 5、 電機(jī)的計(jì)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(gè)十分切合實(shí)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(jì)算來確定電機(jī)的功率， 分別計(jì)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(jī)械效率 ， 總的機(jī)械效率 ， 電機(jī)需提供的功率 。最終確定所選電機(jī)。 課題研究所需的參考文獻(xiàn)： 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