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哈尔滨理工大学 毕业设计 (论文 ) 开 题 报 告 学生姓名 马奇 智 学 号 1330060314 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 13 指导教师 赵金涛 2017 年 3 月 17 日 课题题目及来源： 题目： 超声 磨削 装置结构设计 题目来源： 自拟 课题研究的意义和国内外研究现状： 究目的 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。 究意义 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 1620此人们常把高于 20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 16下。早在 1830 年为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率 876年 气哨实验。第一次世界大战期间 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 。 由于各种客观条件的限制，迄今为止对于超声加工，特别是旋转超声加工的加工机理、工艺规律和加工稳定性等的研究还处于早期的探索阶段，而对旋转超声磨削加工的研究更是凤毛麟角。而有研究表明，在超声加工中，旋转超声磨削具有加工时磨削力小、加工效率高 、精度高、工具磨损小以及对加工材料适应广等优点，也是复合材料、不锈钢等难加工材料比较理想的加工方法。因此得到高度的重视 ,发展潜力是相当巨大的 。 内外研究现状 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器 (压电振子 )，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 日本还研制成一种新型 “ 纵 型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生 “ 纵 型复合振动。 1994 年日本多贺电气株式会社采用 “ 纵一弯 ” 型超声复合振动系统制成研磨机，用于放电加工后的模具沟槽侧壁研磨抛光。研磨工具做纵向振动和弯曲振动。研究结果表明，弯曲振动方向不同，可获得不同的研磨效果。哈尔滨工业 大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统，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，所用磁致伸缩换能器发热大，采用了加装制冷装置的 方法解决冷却问题，但致使其结构复杂 。 1996 年前后华北工学院辛志杰、刘刚通过对超声振动内圆磨削机理的探讨，研制了一套超声内圆磨削装置，在改善工件表面质量、提高生产 率和内圆磨削系统结构设计上有了新的突破 。 1997 年英国研制了硬脆材料纳米磨削中心，可实现硬脆材料超声纳米表面加工；日本 野邦昭分别进行了工程陶瓷超声磨削的研究。多项研究结果表明：超声磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；当工具与工件上同 时施加超声振动时，加工效率可提高 2 3 倍。 1997 年前后西北工业大学史兴宽等人研制了一种超声内圆磨削装置，此装置较专用超声磨床主轴系统结构简单，但因发热大而使用了冷却装置，这就使此超声磨头的结构显得复杂，虽然加工效率和加 工质量有一定的提高，但其复杂的结构不利于推广使用。 2002 年弗劳恩霍夫生产技术研究院研制出了新型超声研磨设备 0，采用该设备对超声辅助磨削过程进行了技术性分析。并且，国外已研究出先进的超声振动主轴，其转速可达 4000r 30， 000r 以实现加工过程中砂轮的振动，并使其转速达到传统磨削工艺的水平。 德国 究中心和布莱梅大学精密工程中心采用非圆周对称结构在单纵振激励的条件下产生了 10:1 的椭圆振动，提高了刀具寿命，也保证了加工精度。另外新加坡制造技 术研究所仿照德国研究人员的结构也制作除了超声椭圆振动切削不锈钢的装置。 天津大学于思远、刘殿通等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器研制了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高 。南京航空航天大学杨卫平、徐家文设计了用于加工三维型面的超声磨削装置，推导了用于数控加工的超声磨削装置变幅杆设计的数学模型，此装置采用电机直连进行旋转，电信号传输采用碳刷集流环的传输 方式。河南工业大学机电工程学院李华、殷振等人设计了超声波椭圆振动内圆磨削磨头，并在超声振动内圆磨削系统中采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题 25 。 德国 司和日本马扎克公司将超声振动头安装在加工中心上，进行了零件异形沟槽加工、内外圆磨削、平面磨削加工、以及导电陶瓷材料的超声振动磨削研究，取得良好效果，并已实现商业化生产应用 。 在第八届中国国际机床展览会(，德国 司展出了其新产品 声振动加工机床，该机床主轴转速 3 000 4 0000 r/别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高 5 倍，加工表面粗糙度 m，可加工 密小孔，堪称硬脆材料加 （ 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 本内容 研究对象： 超声磨削装置结构设计 ； 研究的问题： 1、阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析； 2、根据主 要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据； 3、对 超声磨削装置 进行机械结构设计；完成 超声磨削装置 运动设计、零部件的具体结构设计； 4、对所设计的结构进行精度和刚度校核； 5、得出设计结论。 要解决问题 1、 超声加工设备及其组成部分 结构设计： 超声磨削装置要与数控立式床身铣床联接，装置要座于铣床的铣头。因为加工需要，所以本装置一直处在高速运转的状态。因此变幅杆与主轴的连接处，需要更稳定，防止装置在加工过程中产生震动的现象。 初步设计采用四种方案，方案一 三 四采用电 机加联轴器方案二采用电机加皮带轮，方案一 三 四比方案二的整体尺寸相对结构要小得多， 这对减轻装置的重量大有意义 ， 结构方案一、三与结构方案四相比，前两者的装配较方便，但是，电机与轴的同轴度很难保证，在高速旋转下同轴度如果没发保证的话，轴承会很快磨损，装置的工作状态就会呈现出恶性循环，轴就会摆动。如此一来装置的加工精度就没法保证了，本装置的精密加工就失去了意义。再者如果同轴度不好，轴的速度也不会达到较高速度。这也没法实现高速磨削的目的。 结构方案四中联轴器处于电机座的内部，轴座和电机座之间的同轴度靠两者之间的定 位销来保证，这样就可以避免上述问题的出现。结构方案二为电机加皮带轮， 整体上显得系统所占空间较大。轴受到较大的弯矩作用，因此在设计中要注意轴径是否有足够的弯矩强度，同时还要注意是否有足够的刚性。如果刚性不足的话，那么轴就会被拉弯，轴的另一端就会出现摆角，装置的加工精度也就没法保证了。 结构方案四中的电机座是整个装置的支撑，电机仅仅是靠其端部四个螺钉来固定 的，因此看来电机座后面的大部分对电机不起支撑作用，多余的材料就增加了系统的重量。而且装置整体看来显得前小后大，前面薄弱刚性不足，后面材料过多，笨重有余。从 审美的观点来看也显得不够美观。总的来说上的几种结构方案各有各的优缺点，最终结构方案是综合上面几种结构方案中的可取之处，同时弥补其不足之点而成的 。 2、 变幅杆的设计 ： 需要 尽力提高放大系数，从而提高超声加工的效率，并综合考虑变幅杆的设计、制造采用由圆柱形和圆锥形变幅杆组合而成的复合型变幅杆且此变幅杆两段采用不同截面、不同材料， 因此材料选择变的很重要，初步选定材料有 铝合金、钛合金和 45 号钢 等。 3、 压电陶瓷的选择 ： 考虑到 磁致伸缩换能器的主要缺陷在于高电能损失（例如涡流损失）和低能量利用率（ ，这些损失表现 为热，因此换能器必须水冷或空冷而且体积很大。与压电式的相比，它也不能产生高的振动强度。而压电换能器能量效率很高（可达 9096%），不需要任何冷却。不易于热损伤，更容易构建，也更适于旋转超声加工 。 4、 轴强度的较核 与 键的校核 ： 根据具体的受力载荷情况分别进行大量计算对于主要 承受扭矩的轴（传动轴），应按扭转强度计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应安弯矩强度计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯扭合成强度计算，需要时还应按疲劳强度条件进行计算。通常只按工作面上的挤压应力进行强度较核计算。对于导向平键联 接，其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度较核计算。 5、 电机的计算与选择 ： 磨削过程中，由于磨粒的作用以及砂轮表面上有效的状况异常复杂，因而要想建立一个十分切合实际的陶瓷磨削力数学模型非常困难。 所以需要经过大量计算来确定电机的功率， 分别计算了电环处线速度，材料磨削力大小，最大扭矩， 联轴器和轴承的机械效率 ， 总的机械效率 ， 电机需提供的功率 。最终确定所选电机。 课题研究所需的参考文献： 1 濮良贵等主编 高等教育 出版社， 2001 2 孙桓等主编 高等教育出版社， 2001 3 陈日曜主编 机械工业出版社， 2000 4 王先逵主编 机械工业出版社， 2001 5机械设计（原书 6 版）（德）穆斯 等编著，孔建益 译 /2012机械工
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