文献综述-卧式超声珩磨机床设计

卧式超声珩磨机床设计 机制 03 级 2 班 李惠芳 指导教师：焦锋 摘 要： 超声珩磨加工是 在普通珩磨加工的基础上，对油石辅助以纵向超声振动，从而对 一些精密零件如缸套等 进行复合加工的一种高效加工方式。超声珩磨装置的合理化设计是影响加工效果的关键因素 。 本 文针对超声珩磨装置设计中存在的一些问题， 对 超声振动珩磨装置 进行 了合理化 设计，重点进行了 超声振动珩磨声学系统设计 ，包括 ：超声波发生器和换能器的选用、变幅杆的设计计算、振动圆盘的设计计算、以及挠性杆和油石子系统的设计等； 此外进行了珩磨装置关键机构 如分度进给机构、 球头浮动连接机构等 的设计 。 关键词：超声珩磨 装置 ；变幅杆；振动圆盘；油石 is a of as be on on of of is a In a of to of of as in 一 概述 超声珩磨 的工作原理是：换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，变幅杆将换能器的纵向振动波放大后传给弯曲振动圆盘，挠性杆再将弯曲振动圆盘的弯曲振动变成纵向振动后传给油石座，油石座带 动与之连接在一起的油石进行纵向振动。 原理示意图如图 1 所示： 在图中， 1、 2、 3 表示在位移节点附近断开，与油石座连接在一起的珩磨油石，件 7 是纵向振动换能器，件 4 是挠性杆，它的一端连接在弯曲振动圆盘 5 的振动腹上，另一端同油石座 10相连，弯曲振动圆盘 5 是在变幅杆 6 的推动下弯曲振动的。弯曲振动圆盘通过挠性杆 4 把纵向振动换能器的振动能量分配给各个油石座，而油石沿着 B 所指的直线往复运动进行超声珩磨加工。 图 1 纵向振动超 声珩磨装置 1、 2、 3 珩磨油石； 4567891011c 工件旋转运动。 本次设计的为一卧式超声珩磨机床的珩磨头。根据超声珩磨头的工作原理，设计大体可以分为四个部分：超声波振动系统、超声珩磨头体、进给装置、浮动连接与回复装置部分，除此之外，还有各部分连接方式也需要进行具体设计和超声波发生器及艺参数的选择。 方案比较：超声珩磨头的设计方案主要有两种，第一种是进给运动由手动进给装置 部分传入，顶杆通过各振动部件中心，给胀锥一进给力；方案二是，进给运动通过各振动部件的外部传入，不穿过各振动部件，即不用在各振动部件中心打孔。两种方案各有其优缺点：第一种方案的优点是使装置能加工孔的深度范围较大，但由于在振动部件的中心加工小孔，不仅影响了振动部件的传振效果，而且要使细长顶杆工作时不发生弯曲变形，增加了加工难度；第二种方案的缺点是能加工缸体深度较小，适用范围小，而且中间连接部分强度太小，太薄弱，刚性不够。优点是振动部件传振效果较好，不用加工细长顶杆。通过综合分析考虑，选择第一种方案来进行超声珩磨 头的设计。 二 超声珩磨头装置设计的实现 2 1 超声波发生器的选择 超声波发生器又称超声振动发生器 ,其作用是将 220V 或 380V 频率为 50交流电转换成一定频率的超声频振荡 ,提供给超声振荡系统使工具作往复振动的能源 . 超声波发生器分为电子管型和晶体管型超声波发生器两种类型 积小、耗能少、开机时不需预热等优点 ,在该设计中采用晶体管型超声波发生器作为功率超声源 根据所加工工件尺寸 :直径为 100的孔径 ,查机械工程手册 6 9选 择超声波发生器 ,其功能参数为： 功率： W 500W; 频率： f 20 波速： v 5169 m/s; 振幅： A 4m 2 2 超声波振动系统 超声波振动珩磨装置的振动系统主要由换能器 、 变幅杆 (又称振幅放大杆 )、弯曲振动圆盘、挠性 杆 油石座振动子系统组成，参见图 3 1。振动珩磨效果的好坏主要取决于振动系统能否将由超声波发生器输出的振动有效地通过各个环节传递到油石座上 (并且在传递过 程中具有最小的能量损失 ),并使油石座在珩磨时产生脉冲切削力激发微细沟槽自成作用的活跃程度 具的关键 . 2 2 1 换能器的选用 换能器的作用是将超声波发生器产生的高频电振荡转换成超声频机械振动 ,它是超声设备的关键部件之一 . 目前使用的换能器主要有两种：一种是磁致伸缩换能器；一种是电致伸缩换能器。在选择换能器时，根据加工的具体条件加以分析比较。为节约镍资源 ,同时考虑电致伸缩换能器的优良特性，选用国际较多使用的电致伸缩换能器。 其具体结构尺寸如下 图 2所示 图 2 换能器 2 2 2 变幅杆的设计计算 电致伸缩和磁致伸缩伸缩换能器，在高频电振荡作用下的伸缩变形小，即使在共振情况下：其振幅也仅在 5 10般在 4 5m 左右，而要满足超声加工形成的必要条件，要求珩磨油石端的振幅至少要达到 10 20m。所以不能直接用来进行珩磨加工，因此必须通过变幅杆将振幅加以放大，变幅杆的放大倍数因变幅杆的结构形状不同而不同，一般放大范围在 10100m 之间。 变幅杆的主要作用是：放大机械振动的位移或速度振幅，把能量 集中在较小的辐射面上，即聚能作用，此外，它还是一种机械阻抗的换能器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。 我们利用变截面杆纵波振动方程式 ： 01 222 式中 A=A(x); x ; )( ; ; . 来计算变幅杆的具体结构尺寸 ,如图 3所示： 图 3 变幅杆 2 2 3 弯曲振动圆盘 弯曲振动圆盘位于指数型变幅杆和珩磨杆之间，它是超声波振动珩磨装置传递振动的重要条件。该零件的设计、制造质量的好坏，直接影响到 变幅杆的振动能量通过它传递到挠性杆上，并保证振动时珩磨杆不振动。因此，弯曲振动圆盘设计时必须满足如下条件： （ 1） 谐振频率接近理想值； （ 2） 圆盘波腹振动幅大于一定数值； （ 3） 准确地确定圆周节线位置； （ 4） 使圆盘圆周节线附近的振动传递到珩磨杆上的振幅达到最小，最好是零； （ 5） 圆盘有足够的刚度和强度。 弯曲振动圆盘相当于中心固定的薄圆盘，其共振（谐振） 22 式中 h 弯曲振动圆盘的厚度（）； r 弯曲振动圆盘的半径（）； c 纵波在弯曲振动圆盘中的声速（ /s）； 频率系数 ; 泊松系数 . 计算得到的振动圆盘的结构尺寸如图 3 图 3弯曲振动圆盘 2 3 超声珩磨头体 珩磨孔的加工精度、表面质量、珩磨效率和油 石寿命均受珩磨头结构的影响 ,而珩磨头结构分别受珩孔尺寸、形状、精度、机床进给方式和珩磨头具体结构等的制约 。 2 3 1 珩磨油石 超声珩磨油石是超声珩磨装置的磨具。在超声珩磨中，超声能量最终要通过油石传递到加工区。超声珩磨油石性能的优劣，直接影响到超声珩磨的工艺效果。如何保证超声能量可靠地传输到油石上，油石在超声能量作用下的工况如何，超声珩磨油石的磨料如何选择，一直是从事设计、研制超声珩磨装置的科研人员和工厂技术人员所关心的问题。 在超声振动珩磨中珩磨油石是保证超声振动珩磨获取优良工艺效果的关键。珩磨前正确地 选择油石，是保证顺利完成珩磨工艺的重要条件之一。油石需根据工件的材质、硬度、珩磨孔径的尺寸、珩磨精度和表面粗糙度、油石工作压力及切削效率等选用。 油石的特性同砂轮一样也是用磨料、粒度 、 硬度、结合剂等几个参数来表示的 。 经过查相关手册资料选择了绿色碳化硅磨料，树脂结合剂的油石。至于它的粒度和 硬度 则根据实际加工为粗加工还是精加工来具体选择。 2 3 2 胀锥设计 胀锥是用以支承珩磨油石座和 珩磨油石的，通过它的轴向移动来扩张或收缩油石。因此，胀锥必须具有足够的刚性，要求硬度达 62上。珩磨油石收缩至极限时，油石外径应小于被加工孔珩前孔径，以便于退出或进入。珩磨油石极限扩张量应大于油石座胀开后的外径加上油石使用后的报废尺寸应大于或略大于珩磨孔径。大孔珩磨头的扩张或收缩是通过锥芯相对于珩磨油石座下部的锥面或锥体作轴向调节完成的 。 锥芯斜角的选取 有 一定的范围，过小，影响油石的快速进给或缩回，影响微量进给，且加工 效率低，油石；利用率低。过大，会使油石进给时扩张过猛，虽然提高工作效率，但会使挤压力， 切削热大增，油石表面易堵塞切屑，影响正常切削。 在 设计中选择 5锥角。胀锥 基本尺寸如 图 4 示 ： 1 . 2 50 胀锥 2 3 3 导向条 为了防止珩磨油石进出孔时被破坏 ,避免珩磨头上其他零件与被加工表面接触 ,一般在珩磨头体周围上嵌有导向条 ,它与油石相间排列 起导向作用和保护油石不致碰伤 ,当珩磨头退出工件孔时起定心作用 它还能防止油石因磨耗不均而导致珩磨头偏心 . 导 向条在圆周上的外径应比被加工孔的直径基本尺寸小 ,但比油石收缩状态时的外径大 ,并且与油石圆周同轴 在本设计中根据实际加工的具体情况只用数量是油石数量一半的导向条 10 ,导向条两端应有 10 15导锥 ,导向条外径圆柱度应小于 采用夹布胶木 ,与工件待加工表面接触的导向件材料 ,采用碳钢 ,合金钢或青钢 ,导向条采用硬质合金 . 2 4 进给机构设计 珩磨油石微量进给速度（即径向进给量）对加工效率、加工精度、加 工表面粗糙度、油石磨损量影响较大。微量进给速度快，则效率高，但油石的磨耗量大，加工表面质量差。微量进给速度应根据工件的材质、油石的种类、性能、加工精度及工件孔的形状等因素综合考虑。 该设计中采用手动进给 ,其进给机构部分示意图如图 5 示 : 图 5 进给结构 1 主轴 , 2 推销 , 3 销 , 4 刻度套 , 5 手柄 , 6 刻度盘 , 7 刻度尺 该部分的工作原理为 :： 刻度尺 7 和刻度盘 6 螺纹联接 ,即用手柄 5 带动刻度套 4 和刻度盘 6旋转一周 ,销 3 通过推销 2 推动推杆向左移动 ,由于推杆与胀锥用螺纹连接 ,所以胀锥也向左移 1 的接触面 进行珩磨加工。 2 4 浮动连接 与回复装置 2 4 1 浮动连接 珩磨夹具与珩磨头都有刚性与浮动两种，浮动的目的是为了补偿误差，二者必须根据工件特征合理搭配使用，以调整珩磨夹具中的工件孔与导向套、珩磨机主轴的同轴度，即谓之“对中”，保证对中要求才能收到减小误差、提高珩磨质量的效果。 所以 在该设计中，珩磨 头连接杆选择球头浮动连接杆。浮动连接部分的结构示意图如图 6 示 : 图 6 浮动连接部分结构示意图 1 珩磨头本体 , 2 浮动球头 , 3 圆柱销 , 4 端盖 . 浮动连接装置不仅起连接作用，而且还要传递往复直线运动，利用两个圆柱销置于浮动球杆的开槽内，与槽内壁采用间隙配合，圆柱销在槽内有相对滑动，起到浮动连接作用。圆柱销与珩磨头体的连接孔采用过渡配合，并用一端盖盖于上面，防止圆柱销由于松动而掉 出。端盖通过螺纹与珩磨头体连接，并起到压紧浮动球杆的作用。由于圆柱销受到较大剪切力，在选材方面应注意其强度。在本设计中选用了调质处理的 45#钢 . 2 4 2 回复装置 回复装置的主要作用是当油石座要缩回时，利用弹簧的回复力让胀锥复位， 从而使油石在箍簧的收缩力作用下回缩 ,然后顺利退出工件孔而不碰伤已加工表面 . 图 7 为回复装置部分的示意图 : 在该结构中 ,推杆左端通过螺纹与胀锥连接 ,右端与手动进给结构相接 ,弹簧在底版和压板间被压缩 加工工件 ,做进给运动时 ,手动进给机构推动推杆来使胀锥左行从而使油石胀出进行加工 ,加工完毕后 ,进给机构不再进给 ,推杆在弹簧压缩力作用下右行回到初始位置 ,而油石在箍簧的恢复力作用下回缩 . 图 7 回复装置结构示意图 1 推杆 2 底版 3 弹簧 4 压板 三 设计成果及工作原理介绍 图 8 即为我在毕业设计中设计的超声珩磨头装置。它的 右端（即主轴右端）与同组另一成员设计的由液压驱动的珩磨头支座用销钉连接在一起，液压系统将驱动珩磨头完成加工运动中的往复直线运动。 超声珩磨头装置中的手动进给机构：刻度尺上螺纹螺距为 1 ，通过刻度盘将其均匀划分，通过旋转手柄带动刻度套和刻度盘旋转一小格，可推动推杆和胀锥进而使油石胀出进行珩磨加工。由第五章中的计算可知，本次设计的珩磨头装置的加工精度可达到 1 m 。 超声振动系统由超声波换能器、变幅杆、弯曲振动圆盘、挠性杆 要作用是将超 声波发生器发出的高频电振荡转化为高频机械振动，但此时超声波振幅太小不能直接用于珩磨加工，故需经变幅杆将超声波振动振幅放大，然后经弯曲振动圆盘再将由变幅杆放大的超声波通过与之粘结的挠性杆 浮动球头连接部分主要用来均衡珩磨头体加工过程中受到的非均匀载荷和减小珩磨头体自重对加工精度的影响，最终保证加工孔径的圆柱度。浮动连接装置 不仅起连接作用，而且还要传递往复直 线运动，利用四 个圆柱销置于浮动球杆的开槽内，与槽内壁采用间隙配合，圆柱销在槽内有相对滑动，起到 垂 直方向和水平方向的 浮动连接作用。 回复装置的作用是珩磨加工结束之后，由回复装置中的压缩弹簧的回复力带动胀锥恢复到原位置，而油石在箍簧的拉伸力作用下回缩，从而使珩磨头体顺利退出工件孔并不碰伤已加工表面。 珩磨头体部分则是直接与工件接触进行加工的部分油石粘结在油石座上，油石座与胀锥接触面为 5锥角，故可将胀锥的沿珩磨头本体轴向的运动转化为油石座和油石沿珩磨头本体径向的进给运动，对工件内壁进行珩磨加工。 手动进给机构超声振动系统浮动连接部分回复装置珩磨头体图 8 超声珩磨装置 参考文献； 【 1】 曹风国主编 , 超声加工技术 , 化学工业出版社 , 1995 【 2】 张云电主编 , 超声加工及其应用 , 国防工业出版社 , 1993