超声波加工以及机床设计机械设计论文

杭州电子科技大学本科毕业论文11. 绪论1.1 论文的提出及其应用价值1.1.1 课题所属研究领域由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难，于是产生了特种加工技术，双面超声波加工就是其中一种。超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。超声波加工非常适合于加工硬脆材料，而且不会损害工件表面，所以是加工硅工件的理想方法 1。超声波加工方法是近50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和精密加工中，超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果，具有广泛的应用范围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科，因而可把超声波加工视为交叉学科 1。1.1.2 课题的理论意义和应用价值如今的一些材料，如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、比重低和自润滑等优良特性，已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示出相当广泛的应用前景。然而，硅材料的加工十分困难，尤其是对于具有复杂型面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业研究的热点。材料的加工技术中，金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件，而对于较复杂的型面，如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面，就无能为力了；激光束加工（LBM）技术虽然可用于硅零件的加工，但会使加工表面产生达50 的微观裂m纹，很难适应航空航天重要零件的要求；此外，由于硅材料电导率低且化学稳定性好的限制，使得电火花（EDM）及电化学（ECM）加工方法不适于加工硅零件。而超声波加工（USM）不需工件导电，可加工任何超硬材料，且不属于热过程，杭州电子科技大学本科毕业论文2对加工表面损害极小，可稳定地加工出精度为 ，表面粗糙度为m5RaO.510.76 的零件，已成为加工硅晶体最具潜力的方法之一 4。m超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工，或利用超声波振动使工件相互结合的加工方法 5。几十年来，超声波加工技术的发展迅速，在超声波振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。1.2 国内外超声波加工研究现状和发展趋势超声波加工技术的研究最早可追溯到1927年R.W.Word和A.L.Looms的奠基性工作，并于1954年由L.Balamuch研制出第一台超声波加工机床。从50年代以来，许多国家都对这一技术进行了研究。日本政府设立了专门的振动切削研究所，许多大学和研究机构也都设有这个研究课题。原苏联在这方面的研究也较早，在超声波车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。60年代初美国就开始了超声波加工的研究，70年代中期，美国在超声波波钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段:超声波车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段;通用超声波振动切削系统已供工业应用，日前已形成部分标准。德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用 5。英国Harwe11国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一，他们的研究需要在耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些1.01625.4mm，传统机械加工的局限性激发了他们探索新技术的兴趣。美国从1969年开始使用金刚石工具的超声波旋转加工技术。经过近40年的时间，各国的研究者们进行了许多实验，研究出控制参数（如超声波波振幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等）与加工结果（如材料去除率、工具磨损等）之间的关系。建立了有关材料去除的塑性去除、脆性去除等多种材料去除模型，并进行了实验验证。1970年，Tyrell用金刚石空心钻在玻璃片边上加工出两个1.Omm的孔，孔深63.5mm,相距仅0.5mm，每个孔的平均加工时间为14分钟。他还使用金刚石空心钻在厚88.9m的氧化铍1.Omm的孔，加工结束后，在钻芯抽出完整的0.4mm的工件材料 1，5 。杭州电子科技大学本科毕业论文31992年，rabhakertalD.和HaselkonM.在大量超声波旋转加工材料去除率试验研究的基础上，给出预测材料去除率的经验模型，并对各种加工因素及其交互作用对材料去除率的影响进行了分析和讨论。对超声波旋转加工中材料去除机理的研究，Markov等认为，脆性材料的破裂是大量的微观裂纹及裂纹扩展到一定深度的结果。Markov和Ustinov认为，超声波旋转加工中存在一个被加工材料的脆性断裂特别强烈的过程，它是被加工表面的微小裂纹交织成网和表面撕扯的结果。Kubota等报道超声波旋转加工中材料以“贝壳”状的碎片形式去除。Z.J.Pei,P.M.Ferrira和M.haselkorn通过实验证明，除了脆性断裂，塑性流动是超声波旋转加工中材料去除的另一种主要方式 14,15。硅材料不同加工工艺的研究表明，超声波旋转加工在较低的加工压力和较轻的表面损伤情况下，有较高的材料去除率，是有潜力的加工方法。Tyrell也报道:使用超声波振动，需要的加工压力小于无超声波加工时的压力。最近，国外又出现了超声波旋转面铣削技术，由于RUM钻深小孔时，其加工面及碎片很难观察，为了克服这个困难，采用面铣削方法加工硅晶体，用扫描电镜观察加工面和碎片。研究表明，硅加工中，材料的去除机理包括塑性去除及脆性去除。在一些加工条件下，塑性去除占主要地位，在另一些加工条件下，脆性去除占主要地位;通过调整不同的加工参数，可以调整塑性去除及脆性去除的比例。由于超声波旋转加工只能加工原形孔和型腔，因此配以适当的数控系统，借鉴数控铣削的方法就可以加工具有复杂三维型面的工程陶瓷，国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声波加工的研究。我国超声波加工技术的研究始于50年代末。60年代末，哈尔滨工业大学应用超声波车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，后这项技术的研究中断了十多年。1976年以后，我国再次开展超声波加工的试验研究和理论探讨工作。吉林工业大学、广西大学以及甘肃光学仪器厂等单位率先进行了超声波波车削设备及实验研究。1982年，上海钢管厂、中科院声学研究所和上海超声波波仪器厂研制成功超声波拉管设备。1985年以来，超声波波旋转加工机、超声波珩磨装置和变截面细长杆超声波车削装置相继研制成功.到1993年，我国己发表了300多篇有关超声波加工等的科学研究论文。半个多世纪以来，经过各国学者的不懈努力，超声波加工技术己有了长足的进步。主要体现在:实验出加工参数振幅、频率、静压力、磨料材料及粒度、悬浮工作液的浓度和工作液循环方式等)对加工效率的影响规律;总结出静压力、工件材料硬度、加工工具材料硬度是影响工具损耗的主要因素;总结出磨料粒度及悬浮工作液的均匀性对工件表面质量有影响规律;利用有限元的方法使变幅杆的设计更合理;机械增益Q值高的材料用于制作变幅杆、性能优良的PCD用于制作工具头，使加工效率大大提高;工具头回转的超声波加工使加工效率提高3至4倍;杭州电子科技大学本科毕业论文4采用性能优良的压电陶瓷换能器使加工机床的体积大大减小，能量利用率大大提高;90年代Suzuki.K.研制的工程陶瓷无旋转超声波波磨削新技术明显提高了加工效率，也可以用来加工较复杂的型面 1，5 。现在，该技术应用的可行性己经成为一个研究的热点，并在一些国家包括英国、法国、瑞士、日本等国家得到了研究。现在有些控制旋转超声波加工系统的CNC可以通过购买而使用，例如:Exturde Hone limited(法国)的SoneX300, Erosonic AG(瑞士)的ErosonicUS400/US8001410。综上所述，超声波加工技术发展机器取得的应用成果是可喜的。一方面材料加工的客观需求推动和促进了超声波加工技术的发展；另一方面，超声波加工技术的发展为材料的加工提供了一种强有力的加工手段，而促进了材料加工的发展。展望未来，超声波加工技术的发展前景是美好的。杭州电子科技大学本科毕业论文52. 超声波加工技术概述2.1 超声波加工的基本原理和特点2.1.1 超声波波的特性人耳可以听到的声波的频率范围约为 1620000Hz。低于 16Hz 的声波称为次声波，高于 20000Hz 的声波称为迢声波。人们还把频率为 Hz 以上的声波9105.称为特超声或微波超声。超声波具有如下特性：（1）超声波波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，可用公式表示 ：（21）fv式中 超声波波传播速度（ ）sm波长（m）频率（Hz）f（2）超声波波在各种介质中传播，其运动轨迹都按余弦函数规律变化，其位移为：（22）)cos(tAx式中 x-质点运动的位移（m）A-振幅（m）-圆频率（rad/s）t-时间（s）-振动的相位角（rad）（3）超声波波可传递很强的能量，其能量强度可用垂直于波的传播方向单位面积的能量来表示，超声波加工中的能量强度高达几百瓦/平方厘米，且 90%作用于工件表面。（4）超声波波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动，而某处质点的振幅则大大增加，从而获得更大的超声波加工能量（如图 2-1 所示）。这是因为，超声波波在同一弹性杆的一端向另一端传播时，在不同介质的介面上会产生一次或多次波的反射，结果在有限长弹性杆，将存在若干个周期相同、振幅相等、传播方向相同或相反的波。于是在弹性杆传播的波，会出现波叠加，致使某处振动始终加强，或某处振动始终减弱，产生波的干涉现象 3。杭州电子科技大学本科毕业论文6图 2-1 弹性杆内质点振动状况 11-反射波2-合成波3-人射波b-波节点-波节点至波反射端的距离l如图 2-1 中 tT/4 或 3T/4 的情况是当弹性杆的长度恰为半波长的整数倍，且相位相同时，便会出现波的干涉而产生振幅增加的驻波，即波共振现象。而图2-1 中 t0、T/2 和 T 的情况，则是相位相反时出现的干涉现象，使叠加后的振幅为零，不产生振动。由上述分析可知，为了提高超声波加工生产效率，必须使弹性杆处于最大振幅的共振状态，其设计长度为半波的整数倍，杆的支点选在振动过程中的不动点，即波节点上；而杆的工作端部应选在最大振幅的波腹处（如图 2-1 所示）。（5）超声波波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，强化了加工过程的进行 3。因超声波波通过悬浮磨粒的液体介质时，会使液体介质连续地产生压缩和稀疏区域，由于压力差而形成气体的空腔，并随着稀疏区的扩展而增大，内部压力下降，与此同时，受周围液体压力及磨粒传递的冲击力作用，又使气体空腔压缩而提高压力，于是，转人压缩区状态时，迫使其破裂产生冲击波。由于进行的时间极短，因此，会产生更大的冲击力作用于工件表面，从而加速磨粒的切蚀过程。杭州电子科技大学本科毕业论文72.1.2 超声波加工的基本原理超声波加工时，高频电源联接超声波换能器（如图 2-2 所示），由此将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声波机械振动，其根幅仅0.0050.01mm，再经变幅杆放大至 0.050.1mm，以驱动工具端面作超声波振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等)在工具的超声波振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声波振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声波加工的目的 12。总之，超声波加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声波振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声波加工图 2-2 超声波加工原理图 121-冷却器，2-磨料悬浮液抽出，3-工具，4-工件，5-磨料悬浮液输入，6-变幅杆，7-磁致伸缩换能器，8-高频发生器杭州电子科技大学本科毕业论文82.1.3 超声波加工的特点（1）适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、硅、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。（2）由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达 Ra:0630 08 ，尺寸精度可达正负 003mm，也适于加工薄壁m0.63 低刚度零件。（3）工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声波加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。（4）超声波加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低 2。2.2 超声波加工设备及其组成部分超声波加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声波发生器、超声波振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床。其主要组成如图23 所示。图 2-3 超声波加工设备的主要组成2.2.1 超声波发生器超声波发生器（又叫超声波频发生器或超声波波电源）的作用是将工频交流电转换为功率为 204000W 的超声波频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。杭州电子科技大学本科毕业论文9超声波发生器的电路由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源组成（如图2-4 所示）。其可以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器 2。图 2-4 超声波发生器的组成方框图自激频率取决于超声波波振动系统的共振频率。当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等，会引起超声波波振动系统共振频率的变化，可通过“声反馈”或“电反馈”使超声波波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波波振动系统始终处于良好的谐振状态。为此，一般要求超声波波发生器应满足如下条件：（l）输出阻抗与相应的超声波波振动系统输入阻抗匹配；（2）频率调节范围应与超声波波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调；（3）输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工；（4）结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。2.2.2 超声波振动系统超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具。其作用是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高频振动，以进行超声波加工。（l）换能器 5换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动。目前，根据其转换原理的不同，有磁致伸缩式和压电式两种。