毕业设计（论文）-转轴双向脉冲振动系统设计

XXXX大学毕业论文摘 要液压振动技术是一项新的领域，一直是人民们研究的重点。由于不同的作业对象，作业条件，液压振动能量的传递方式和工作机理也不同。本文叙述了目前振动利用的方式和结构，结合液压振动技术在实际生产中的应用，构思设计了新型双向脉冲液压发生器。新型双向脉冲液压发生器是利用机床本身的液压系统，通过控制液压油液在转轴内是否通过，从而带动主轴产生轴向振动。在双向脉冲液压发生器的设计过程中，为了减小因为高速往返运动造成的磨损和端部冲撞，特地设计了缓冲区间。该缓冲区间也是引入了机床本身的液压油，不但可以完成缓冲功能而且还能起到静压轴承的作用。双向脉冲液压发生器的结构的设计新颖，结构简单。利用机床本身的液压系统驱动，也就是对机床进行了简单的改造。实现了控制便捷，装置简单，使振动频率和冲击力连续可调。关键词：液压；转轴；发生器；双向脉冲- I -DESIGN OF BIDIRECTIONAL PULSE VIBRATION SYSTEM FOR ROTATING SHAFTAbstractHydraulic vibration technology is a new field, has been the focus of peoples research. Due to different working objects, working conditions, hydraulic vibration energy transfer mode and working mechanism are also different. In this paper, the mode and structure of vibration utilization at present are described. Combined with the application of hydraulic vibration technology in practical production, a new type of two-way pulse hydraulic generator is designed. The new type of bidirectional pulse hydraulic generator uses the hydraulic system of the machine tool itself to drive the spindle to produce axial vibration by controlling whether the hydraulic oil passes through the rotating shaft or not. In the design of bidirectional pulse hydraulic generator, in order to reduce the wear and end impact caused by High-speed Round-trip Movement, the buffer zone is specially designed. The buffer zone is also the introduction of the machine tool itself hydraulic oil, not only to complete the buffer function and can also play the role of hydrostatic bearing. The structure of the bidirectional pulse hydraulic generator is novel and simple. Using the hydraulic system of the machine tool itself to drive, that is, the machine tool was simply reformed. The utility model has the advantages of convenient control, simple device and continuous adjustable vibration frequency and impact force.Keywords: Hydraulic; Rotating Shaft; Generator;Bidirectional Pulse- II -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 振动的利用11.2 振动利用的发展11.3 振动机械加工71.3.1 超声振动加工71.3.2超声振动磨削81.3.3振动钻削91.4 论文研究内容132 新型双向脉冲液压发生器的结构及液压系统设计142.1 新型双向脉冲液压发生器的工作原理142.2 新型双向脉冲液压发生器的机械结构152.3 振体的机械结构162.4标准件的选择172.5非标件的设计202.6液压系统设计242.6.1液压元件的选择242.6.2新型双向脉冲液压源系统的液压油路设计252.6.3 油路走向263 有关技术问题及理论分析273.1 频率f的确定273.2冲击力F273.2.1冲击力f的确定283.2.2冲击力F的大小293.3 振幅A的确定293.4缓冲力的确定293.4.1引例293.4.2缓冲力大小的确定343.4.3缓冲区间的作用343.4.4缓冲区间的特点354 总结与展望374.1 总结374.2 展望37致谢39参考文献40- III -1 绪论1.1 振动的利用通常认为，某种量随时间大小的不断变化即为振动，它是物质运动的一种带有普遍意义的重要形式。在工业技术领域,振动现象屡见不鲜各类振动机械、动力装置、仪器仪表和各种加工设备等，无一不存在振动问题。一般情况下，振动是有害的,例如，振动会影响精密仪器设备的功能，降低加工精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命，振动还可能引起结构的大变形破坏;但在一定的条件下，振动则是有利的,例如，振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动沉桩、振动消除内应力等等。有害的振动需要抑制，而有利的振动则要充分利用。由此振动工程学科有两大分支振动抑制工程和振动利用工程。本文着重阐述振动利用工程问题。振动利用工程学科的形成和发展振动学科曾经是物理学或力学的一个分支，原属于基础科学1。这一学科以力学和数学为基础，以现代测试技术、计算技术为手段，并从系统论、控制论及信息论等新兴学科吸取营养，而发展起来。它面向工程实际，以振动学科的理论、知识和方法来解决工程中日趋复杂的各种动力学问题，做出了富有成效的贡献，且越来越成熟，终于由基础学科发展成为一门工程学科振动工程。随着国内市场根据国家宏观经济发展方向，“十三五”期间国家将继续加大基础设施投资，拉动内需。投资重点仍然是交通、能源、水利及水电建设、建筑、电力通讯及环保行业。在国外市场近年来，由于亚洲、南美洲的经济持续发展，以及中东、东欧经济环境的改善，使得世界工程机械设备的销售额呈稳定增长趋势。在整个欧洲特别是南欧和北欧地区，工程机械市场将好于往年。东欧的道路和桥梁水平比较低，也是今后工程机械主要市场之一。新技术的研究应用还比较集中在研究院和高等院校，企业与科研院校的研究严重脱节。这种状况是导致企业的自主开发能力不强，技术创新能力不足的根本原因。液压振动技术是液压技术新领域,高频液压振动又是该领域的前沿课题，一直是人们研究的重点。由于振动机械的发展在提高国民经济中占有很重要的地位,因此未来振动机械的新产品开发仍是21世纪值得重视的问题。本课题就是针对实际情况，从振动加工形式即利用液压装置提供振源来实现辅助加工，这必将对提高技术性能提供使用参考有很大的意义。1.2 振动利用的发展将振动放在特定条件下，振动是有利的，并且在近二三十年来，振动与波利用技术在工程技术的各个部门及人类生活的各个方面的广泛应用，所以，对振动现象进行研究,找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会效益与经济效益,为人类造福。基此，“振动利用工程学科”应运而生，逐渐发展成为振动工程学与其他学科相结合的一门新学科。目前“振动利用工程”正处在迅速发展的过程中2。随着现代科技的进步，振动利用的研究取得了丰硕成果，在工程领域中得到了广泛应用。例如应用于工厂、矿山和建筑工地等各行各业的振动输送机、振动筛、振动脱水机、振动选矿机、振动破碎机、振动成型机、振动落砂机、振动压路机、振动沉拔桩机、振捣器和夯土机等。例如，在鞍山钢铁公司，各种振动给料机的使用量超过2500台，振动输送机的使用量超过300台，还有大量的振动筛分机械,在各种生产环节中使用。在煤炭生产系统中，选煤厂所使用的振动设备就占设备总重量的11%13%，比重很大。随着科技的发展，振动利用的研究和应用早已跨出了机械工程领域，扩展到了建筑工程、矿业工程和化学工程等诸多工程领域，并将经典力学、非线性力学、振动学与机械学、电机学、材料学、自动控制、信号分析和图像处理等诸多学科紧密结合，形成了多学科互相交叉渗透的局面；在医疗方面，利用振动超声波能够诊断、治疗疾病，彩超、医用CT和核磁共振等，都是振动与波动原理的实际应用；在石油开采上，还可利用振动提高石油产量；在许多工矿企业，可以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高工作效率。据不完全统计，目前用于工业生产中的振动机械有百余种之多。这些振动机械在各个工业部门已发挥了重要作用。振动引入加工过程中的振动源比较多，目前我国现有的振动设备的激振方式还是以惯性激振方式为主3。其中在年产20多亿吨煤的筛选系统中大量使用的振动筛大部分都是基于惯性激振的直线振动筛。例如使用广泛的ZKX型直线振动筛就是由电动机通过三角带驱动振动器的传动轴,使振动器工作。此振动器就是箱式偏心块结构振动器。它的振动就是惯性激振，是通过偏心块在旋转过程中产生的离心力作为激振力而实现振动的。比如机械振动、脉动的液压力、超声振动，交变的电磁力等。随着科学技术的发展,振动利用的新技术、新工艺和新产品层出不穷,下面仅举几例。(1)振动输送技术，松散物料在输送过程中会产生扬尘,危害操作工人的身体健康4。带式和刮板式等传统输送机的工作机体很难实现完全封闭,不符合清洁生产要求。而振动输送机可以将工作机体封闭起来,达到防尘目的。电磁振动给料机利用可控硅调节振幅和控制给料量,因其重量轻、体积小、制造成本低、易于实现生产流程自动化等优点,为给料机械设备带来了重大变革。这种振动装置是利用电磁力的不断吸合来实现给料机的振动送料。电磁振动器，又名仓壁振动器。可用于各种振动机械，如给料机、小型输送机、振动筛、振动平台及仓壁振动等等场合，使用灵活方便。振动强度可用控制器随意调节电磁振动器是高效、节能振动器，广泛在化工、建材、矿产等粉体机械上使用。电磁振动器安装在粉料仓下部缩口处的外侧，电磁振动器产生的高频振动，可有效地消除粉料因内摩擦、潮解、带电和成份偏析等原因而引起的堵塞、搭拱现象。使用电磁振动器作疏料装置，结构简单，下料流畅，能稳定给料系统。电磁振动器也可用在其它需振动源的机械上。电磁振动器使用简单，在线圈绕组引线串接随振动器附带的二极管，接通220V交流电源即可工作。(2)振动破碎技术，物料破碎是工矿企业应用广泛的工艺过程5。传统破碎方法在物料抗压强度极限到达2108Pa时,破碎过程耗能较高,或难以破碎,或使物料过磨,导致设备复杂。惯性振动圆锥破碎机利用偏心块产生的离心力来破碎矿石或其他物料,利用挤压和冲击作用,破碎比远高于普通圆锥破碎机,克服了传统工艺的缺陷。这种振动装置是利用机械振动作为振源来实现振动破碎。机械振动如曲柄滑块机构、偏心轮机构等，其特点是振动的参数可调节的范围比较大，振幅和频率的调节也很准确，但振动频率比较低。采用交变的电磁力产生振动，其振幅难以控制和测量，振动频率与电磁频率不一致，振动的真实频率和振幅不易测量和调节。(3)振动时效工艺，振动时效就是通过对工件施加周期性应力，迫使工件在其共振频率范围内产生振动6。这种周期性动应力反复推动金属内部结构中的金属原子错位和晶格滑移，使内应力松弛和均化。振动时效可在一定程度上消除金属构件内部残余应力,稳定工件加工后的尺寸和形状。与热时效相比，振动时效具有易于操作、减少运输、变形小、缩短生产周期和节约能源等优点,是一项节能新工艺。(4)超声波振动切削工艺，振动切削降低了切削力和切削热,具有普通切削无法比拟的工艺效果7。超声波发生系统是超声波发生器，它可以将电流转化成超声频振动，为工具和磨料悬浮液往复运动及去除工件材料提供能量。超声振动系统主要包括发生装置、振动系统、振动系统的连接、冷却系统。超声波发生器的电路可分为震荡级、电压放大级、功率放大极及电源等超声波振动切削是超声频率的脉冲切削方式，镗杆水平方向受力由普通切削的切削力变为高频脉冲切削力。超声振动切削每一个周期T内只有tc时间在切削,有T-tc时间脱离工件，使切削液能充分地进入到切削区，冷却润滑充分,刀具散热条件改善，切削温度大幅度降低。超声切削刀具和工件材料非连续接触,刀具和工具亲和机会减少，温度又低，切削液润滑又充分，加上超声振动之刀具会带动其周围切削液超声振动，切削液对刀具和工件材料不会发生粘结。由刀具材料和工件材料不同而引起的加工表面粗糙度差异在超声切削时可以减少到最低限度,提高了加工精度和效率。超声波振动加工为特殊零件的精加工开辟了新的有效途径。(5)振动诊断技术，从19世纪产业革命时期起,人类就开始研究设备故障诊断技术，起初依靠感觉器官获取信息，凭经验做出判断。可靠性理论的应用，使人们能够依靠事先对材料寿命的分析与估计以及对设备性能的部分检测来完成诊断任务,而利用振动信号的不同特征对机械和结构的故障进行诊断，是近十多年来发展起来的一种新技术。目前，利用模糊理论、灰色理论或神经网络方法对振动信号进行分析与诊断，在各工业领域已经得到了广泛应用。在性能测量中，利用振动热成像技术进行复合材料无损检测，业已获得成功。（6）液压振动技术，随着液压振动技术的不断发展和完善，由此设计的振动器在冶金、建筑、铁路、煤炭、地质钻探等行业中应用广泛8。液压振动系统有它的特殊用途。回转型配流新型液压振动系统已应用于一些领域，正在开发节能型振动压机以及磨料行业的液压振动筛。回转型配流的某些参数设计计算不同于其它液压振动系统;回转型脉冲阀的结构参数选择也有其特点。本文即介绍这类系统的原理来介绍一般情况下液压振动的利用。产生液压振动的方法有交流液流法、直流液流法、液压自振荡法液压射流法、电液伺服法。设备、实验装置多采用电液伺服法；振动器具采用直流液流法。直流液流法产生振动可分为强制配流和自动配流两类。自动配流式液压振动系统在设计中，具有较强的针对性，针对振动器具的具体使用情况，将振动器具与执行元件设计成一体，使得振动频率等参数不易调节。回转式液压脉冲振动装置的工作原理及构成如图1.1所示。本机采用获得国家专利的回转式单向循环液压脉冲发生器作为振动源。回转式液压脉冲型振动装置采用的是一类新型的回转型强制配流液压振动，其核心元件是回转式脉冲阀，以回转式单向循环液压脉冲发生器作为振动源，通过脉冲发生器转子的转动，使转子上的进油油道和回油油道周期性的交替发生改变，从而产生有规律、可控的周期性变化的压力油脉冲分别接执行元件。由于该脉冲发生器的转数、油压及油液流量能周期性改变，故可实现无级调频、无级调幅。其结构如图1.1所示。1.轴承2.转子3.阀套4.阀体5.端盖图1.1 回转式液压脉冲振动装置结构图回转式液压脉冲型振动装置由液压泵、脉冲发生器、液压阀及执行元件构成。脉冲发生器在结构上有特点，脉冲发生器内部受力处于静力平稳状态。脉冲发生器产生的周期性变化的液压油分别接执行元件，执行元件是一个双作用活塞缸。由执行元件作用于外负载上，通过调节脉冲发生器液流的周期及频率来调节执行元件的振动，故执行元件的振动由脉冲发生器液流变化周期来改变。当我们改变转子的转速时，输出的压力油脉冲在单位时间内的脉冲数也将改变，能极方便地获得所需压力油脉冲的工作频率、压力脉冲值和每脉冲排量。其具有如下功能：频率高并能进行控制实现无级调速；执行元件的振幅(输出排量)能进行控制，实现无级调幅；输出的压力脉冲波形有一定规律，其峰值能够调整。该振动系统原理图如图1.2：1.振动缸2、14.蓄能器3.液控单向阀4、8.耐振压力表5.二位四通电磁阀6.脉冲发生器7、16.二位二通电磁阀9.Y型电机10.胶管总成11.齿轮泵12.网式过滤器13.调速阀15.液压马达17.溢流阀图1.2振动系统原理图（7）电动式和电磁式振动装置，电动式振动装置是将交变电流通入动线圈，使线圈在给定的磁场中受电磁激励力的作用而产生振动。电动式激振器的恒定磁场是借直流电通入励磁线圈而产生的，再将交流电通入动线圈中，动线圈受到周期变化的电磁激励力的作用带动顶杆作往复运动。使顶杆与被激件接触，便可获得预期的振动。电磁是激振器是将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激励力。振动机械中应用的电磁式激振器，通常由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成，在铁芯与衔铁之间装有弹簧。当向线圈输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，便可产生周期变化的激励力，这种激振器通常是将衔铁直接固定于需要振动的工作部件上。1.3 振动机械加工通过不断地搜集和研究，目前国内外的机床振动辅助加工装置主要是利用超声作为发生振动装置、采用交变的电磁力产生振动、采用液压产生振动、复合式振动系统等。本文将以以下几个例子来进行举例分析。1.3.1 超声振动加工“超声振动加工”，顾名思义，是在切削过程中加入了振动元素。频率超过20kHz的声波为超声波。在此讨论的振动加工频率范围是：17.50048kHz，基本属于超声波的频率范围，所以称之为“超声振动加工”。由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或是砂轮，在加工过程中对零件表面进行高达20000次/s以上的连续敲击，即便是最硬的材料，在如此高频的振动敲击下，一个很小的切削力也可将其瓦解。当然，使用的进给力仍然是相对很大的。超声振动加工是在工具或工件上沿一定方向施加高于20 kHz的超声波振动而进行加工和处理的一种工艺方法。超声振动加工系统一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递装置和加工工具或处理工具组成。超声振动加工技术是一种多学科交叉的高新技术，在声能、机械能、电能的综合效应作用下,实现各种各样的加工和处理。超声波振动切削能改善零件加工表面质量与加工精度，延长刀具寿命，提高切削效率，扩大切削加工应用范围，可广泛地用于车、刨、铣、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面.这种新型加工方法，目前在发达国家已取得了较大的进展。日本对这项技术的研究应用最早，早在1977年已将振动切削与振动磨削用于生产，目前已有生产振动切削车床的厂家。美国在超声振动钻中心孔、磨削及光整加工等方面已处于生产应用阶段，振动车、钻、研磨等切削加工已处于试验性生产设备阶段。我国在近10年来也奋起直追取得了显著成绩.从理论研究到设备制造都已有了一定的基础.目前已有应用到实际加工中的实例，但主要还处在试验研究阶段.由于超声振动切削这种加工方法在某些条件下应用取得了令人意想不到的好效果，所以人们争相将它移植开发，取得不少成果。但它并不是所在都能应用的，所以从理论上研究它的局限性，或者说它的应用条件无疑对它的具体开发应用具有指导意义。大量实践证明，当在加工工具或工件上附加了超声振动后，材料在加工过程中的变形行为、加工机制和工具受力状态等就会发生完全不同于常规机械加工的变化，因而具有其它加工方法无法比拟的工艺效果，所以其应用的范围相当广泛。超声波振动的特点是振动频率很高，振动的频率易于调节，但振幅较小，而且工作时会产生高温，而且温度不易控制，影响加工精度。 泵控马达激振系统是由变量液压泵带动液压马达旋转，再通过挠性联轴器带动惯性激振器旋转，虽然把液压技术应用于振动机械，而且具有其本身的优点，但是从根本上讲还是惯性激振，只是改变了惯性激振的驱动系统，仍然解决不了参振系统的质量大，功率损耗大的问题。超声波发生系统是超声波发生器，它可以将电流转化成超声频振动，为工具和磨料悬浮液往复运动及去除工件材料提供能量。超声振动系统主要包括发生装置、振动系统、振动系统的连接、冷却系统。超声波发生器的电路可分为震荡级、电压放大级、功率放大极及电源等。1.3.2超声振动磨削随着新技术的开发应用，磨削的效率和精度显著提高。在陶瓷等难加工材料的高效高精度加工中，磨削起着非常重要的作用。与普通磨削相比，超声振动加工和超声复合磨削加工更适用于陶瓷材料的加工，已成为普遍关注的一种加工方法。有研究表明：超声振动磨削的加工效率随着材料脆性的增大而提高，同时工件加工表面质量也得到显著改善。一维、二维超声磨削工程陶瓷的加工状态分别具体装置模型如图1.3所示：a 一维超声装置b二维超声装置图1.3超声装置我们可以看出上面的超声振动加工是利用工件的振动实现振动加工。而本文设计的双向脉冲液压发生器是带动砂轮振动。1.3.3振动钻削在现代制造业中,微小深孔加工的数量日益增多,对其加工质量的要求也越来越高。因此，微小深孔的高效、高质量、低成本加工已成为现代制造技术中一项极为重要的研究课题。振动钻削新工艺融振动理论和切削理论于一体，改变了传统钻削中刀具与工件之间的时空关系和钻削机理,在降低切削力和切削热方面有明显的效果，尤其在难加工材料的加工和精密加工中,其良好的工艺效果已引起国内外普遍关注。振动钻削,即在钻头正常工作进给的同时，对钻头施加某种有规律振动,使钻头在振动中切削,形成脉冲式的切削力波形，使切削用量按某种规律变化,以达到改善切削效能的目的。根据实际加工的需要，适当选择振动参数(频率,振幅及频率与工件转速的比例关系),可以控制切屑的大小和形状,得到满意的切屑,并避免切屑堵塞。可提高生产效率几倍到十几倍,提高加工精度12级，且加工表面质量也有较大改善。一般情况下，可以分为超声振动钻削和机械振动钻削。（1）超声振动钻削超声振动钻削分为轴向(纵向)、扭转、弯曲和复合振动四大类,虽然超声复合振动和扭转振动钻削的加工效果较好，但由于加工功率较大，强度较高的换能器制造困难，振动装置的结构比较复杂9。此外,对于小直径深孔的超声振动钻削来说,另外一个主要因素就是:钻头的刚性差,容易折断,也不适宜采用弯曲振动。因此，小直径深孔的超声振动钻削一般都采用轴向振动的加工方法。超声轴向振动钻削又分为刀具振动与工件振动两种类型,它们虽然振动体不同,但刀具与工件的相对振动都是轴向的,因此加工效果基本一致。对于外形尺寸、质量较大的工件不宜采用工件振动的加工方法，一般都采用刀具振动的加工方法。超声振动钻削依靠新设计制造的专用机床进行加工当然是理想的，但是，把原有机床按照钻头的振动方向加以改造或增加一些辅助机构，图1-5所示为在摇臂钻床上设计了一套超声轴向振动钻削辅助装置，当使用普通钻削，将超声振动钻削装置取下即可，而原机床的结构保持不变。1主轴2、3推力轴承 4集流环5集流环支架 6压电换能器7变幅杆 8钻夹头9钻头10电刷11超声波发生器图1.4超声振动钻削装置在进行振动钻削时，超声波发生器11产生的超声频电振荡信号，经过碳刷10和集流环4传递给换能器6,换能器6将超声频电振荡信号转换成机械振动，再经变幅杆7将振幅放大后传递给钻头9来实现轴向超声振动钻削。超声振动钻削效果的好坏,在很大程度上取决于振动钻削装置。典型的超声振动钻削装置的声振系统包括超声波发生器、换能器、变幅杆和刀具等。设计的关键是使超声波发生器、换能器、变幅杆和刀具组成一个谐振系统,从而使刀具能产生最大的振幅。由于超声波发生器和换能器一般是由专业生产厂家设计制造,故主要考虑变幅杆的设计以及变幅杆与刀具的连接问题。关于变幅杆的设计方法，国内外学者都做了大量的研究。（2）机械振动钻削系统的组成振动钻削按振动性质分为自激振动钻削和强迫振动钻削;按振动频率分为高频振动钻削和低频振动钻削;按振动方向分为轴向振动钻削、扭转振动钻削和混合式振动钻削。深孔振动钻削系统的组成如图1.5所示,机床1上配有授油器4、负压抽屑装置7、电机8和振动装置9。由于工件2和钻杆5都比较长,分别由中心架3和支撑架6辅助支撑。其中低频振动钻削装置采用机械式双偏心轮机构,振幅可在00. 5 mm连续可调;频率采用交流变频调速,调速范围为0100Hz;负压抽屑装置采用了负压机理,以保证切屑顺利排出。深孔振动钻削断屑机理：深孔钻削断屑可分为力学断屑和几何断屑,力学断屑是通过改变切屑形成的外部环境,以产生新的力学机制,使切屑内部应力超过其应力极限,达到断屑目的;几何断屑是通过改变切削层几何参数,使切削面积有规律地变为零,或者使切削产生薄弱环节,而实现断屑。1.机床2.工件3.中心架4.授油器5.钻杆6.支撑架7.抽屑装置8.电机9.振动装置图1.5机械振动钻削系统低频轴向振动钻削方式是几何断屑的代表之一,其加工原理如图1.6所示。凸轮在电机的带动下高速旋转,迫使钻杆做一定频率和振幅的振动,对工件进行振动钻削。1.工件2.刀具3.凸轮图1.6加工原理进行轴向振动钻削时,由于在刀具的轴向施加了一个附加的周期性振动,刀刃上同一点相对于工件的运动轨迹就由普通钻削时的空间螺旋线变成了一条带有振纹的空间曲线设所加的轴向振动。利用轴向振动的钻削，在钻床上应用很好，但是，它无法是现在磨床上。因此在磨床上采用机械振动来实现辅助加工也具有不可行性。从总的研究情况来看，我国超声振动加工技术的研究和应用相对比较落后，虽然近年来一些大专院校和研究所也开展了大量的研究,但由于成果转化缓慢、技术成熟程度差和缺少超声加工专用设备等原因，加之许多研究工作还处在实验室阶段,因此没有在生产上得到广泛的应用和推广。变幅杆是将超声振幅加以放大，用于实际的振动加工。为了过的加大的振幅以便加工，变幅杆材料要求声阻抗小，疲劳强度高，抗腐蚀性能好等等。为提高变幅杆的抗腐蚀和声学性能，还要求材料的纤维方向和传播方向一致。变幅杆的形状、尺寸对振动能量的传播和振幅的放大倍数有着非常大的影响，一般采用圆锥形、阶梯型、指数型、悬链线形等，因此加工特别难。要应用超声振动切削，充分利用刀具材料性能，而又不降低加工效率，就必须制造频率更高更稳定的超声波发生源和传输损耗低而幅度递增大的变幅杆。由于超声切削功率主要消耗在振动刀头即动力主要源于超声振动系统。 由此可见，要想使超声振动切削有更广的应用范围，需要制造大功率超声波发生器以及高效可靠的换能器。从现有理论来看，超声振动切削的脉冲切削过程与普通切削没有本质的区别，脉冲力峰值不会比普通方法降低很多。由于超声振动切削刀具的强度条件是脉动循环疲劳极超声振动切削只能用在载荷小的切削加工场合，如精加工、超精加工、有色金属半精加工等。超声波振动系统是换能装置，可以将高频电能转化成机械能时工具表面做高频率小振幅的振动以进行加工，它主要由换能器和变幅杆及刀具组成超声换能器主要分为磁致伸缩换能器和电压换能器两种。磁致伸缩换能器利用了材料的磁致伸缩效应，具有工作效能稳定，单位面积辐射功率大，频率范围广，在磨损范围加大的情况下，仍能继续工作。但是存在发热较多的问题，并且磁致伸缩效应与换能器的温度有关，换能器温度升高会引起延伸率降低等问题。因此还需要冷却装置，因而整个机床变得非常繁琐和庞大，浪费空间资源还受温度的限制。电压换能器是利用材料的“电压效应”，是该物质产生了高频伸缩变形从而产生超频振动。为了过的最大的超声波强度，一般晶体片厚度是超声波半波长的整数倍，使晶体处于共振状态。但是振动系统的设计、制造、调整精度要求高，并且频率范围窄。虽然回转式液压脉冲型振动装置的设计实现了轴向振动，也是非常新颖的创新的设计，但是从上面的原理可以看出这个装置无法实现在机床上的应用。采用交变的电磁力产生振动，其振幅难以控制和测量，振动可能产生滞后，其振动频率与电磁频率不一致，振动的真实频率和振幅不易测量和调节。1.4 论文研究内容由以上可以用看出超声振动切削还存在占用空间大、变幅杆不易加工和制作，且振动源多为压电陶瓷，压电陶瓷存在冲击力较小、发热较多的问题，因此还无法连续使用，而且整个机床因为加增振动系统会变得非常繁琐和庞大，浪费空间资源还受温度的限制。机械振动如曲柄滑块机构、偏心轮机构等，其特点是振动的参数可调节的范围比较大，振幅和频率的调节也很准确，但振动频率比较低。采用交变的电磁力产生振动，其振幅难以控制和测量，振动频率与电磁频率不一致，振动的真实频率和振幅不易测量和调节本论文所设计的双向脉冲液压发生器是使油液通过锥形间隙和小孔组合节流产生阻尼来吸收和消耗运动负载的动能，实现运动负载的紧急制动，使其获得一个波形可调的制动加速度脉冲。使装置产生频率可调和振幅可控的振动，通过控制转轴内液压油液的是否通过，从而带动主轴产生有规律的轴向振动。具有构造简单、成本低廉、冲击力大、频率和冲击力的幅值连续可调等特点。研究内容如下：（1）双向脉冲液压发生器的原理设计。（2）双向脉冲液压发生器的结构设计和关键零部件的选择。（3）根据已确定的双向脉冲液压源系统的方案，建立总体系统工作原理图。2 双向脉冲液压发生器的结构及液压系统设计2.1 双向脉冲液压发生器的工作原理图2.1是液压脉冲发生器结构原理图和实物图，该结构功能是使油液通过锥形间隙和小孔组合节流产生阻尼来吸收和消耗运动负载的动能，实现运动负载的紧急制动，使其获得一个波形可调的制动加速度脉冲。 图2.1双向脉冲液压发生器结构原理图和实物图冲击脉冲发生器工作过程中，运动负载以一定的速度推动活塞杆和活塞挤压阻尼腔的油液。在活塞运动的整个过程中，油液的流动状态分成三个不同的节流阶段。第一阶段在活塞进入节流环之前，阻尼腔的油液主要是通过图2.2a所示锐缘阀口和可调节流口排出；第二阶段为活塞进入节流环，图2.2a中的锐缘阀口消失，阻尼腔中油液由锥形间隙和可调节流口同时排出（图2.2b）；第三阶段为活塞锥形段完全进入节流阀中（图2.2c），阻尼腔中油液由锥形间隙-环形间隙组成的通道和可调节流口排出。活塞在节流环运动过程中，由于油液的通流面积发生变化，所以节流产生了不断变化的阻尼力，使运动负载在阻尼腔高压油液的制动下获得一个冲击脉冲。由于阻尼力大小可以通过阻尼腔油液的等效通流面积来调节，所以冲击脉冲的幅值和脉宽调节可以通过控制可调节流口的通流面积来实现。图2.2双向脉冲液压发生器节流过程2.2 双向脉冲液压发生器的机械结构 2.3 振体的机械结构在不影响装配机床主轴情况下，主轴加工成一个阶梯轴，在轴上完成振体的设计。也就是在轴肩两侧圆周上开4个间距相等，开口交替相反的油槽，这样设计的好处是振体的抗震能力强，传递振动的效率高，工作时间长。但是由于不断地往复轴向振动，轴肩和上盖、底座会产生干摩擦和撞击，因此，再次利用机床的液压系统，在箱体的上箱体和下箱体上揩油管路，将液压油引入，这样不仅达到了缓冲的作用，还起到静压轴承的作用，对主轴起到一定的保护作用。振体的机械结构主要由上箱体、下箱体和振子组成。其结构图如图2.4所示。图2.3振体的结构图2.4标准件的选择（1）电机根据技术指标要求，振动频率需要达到180Hz且频率连续可调，经过查阅手册，选择24V 755直流电机，空载转速12000 r/min，可根据电压变化改变转速，实现无级变速，满足设计要求。如图2.5所示图2.5 755电机（2）联轴器由于电机转速最高可达12000 r/min，经查阅手册，我们选择BF512 D25L34系列梅花联轴器，最高承载转速可以达到16000 r/min，并且带有轴向补偿与径向补偿，保证精度。如图2.6所示图2.6 梅花联轴器 （3）液压管接头根据技术指标要求，选择DN6G1/8铜制液压管接头。如图2.7所示图2.7 液压管接头 （4）轴承根据技术指标要求，选择61902E深沟球轴承。如图2.8所示图2.8 轴承 （10）油封根据技术指标要求，选择非标毛毡油封。如图2.9所示图2.9 油封（12）电机座根据技术指标要求，选择与755电机相匹配的755电机座。如图2.10所示图2.10 755电机座2.5非标件的设计（1）转轴根据技术指标要求，转轴需要连续高速的旋转且承受一定的液压油液所产生的连续冲击力，所以需要有较高的的韧性与强度，根据查阅机械材料手册，转轴材料选择45#钢。如图2.11所示图2.11转轴（2）轴套根据技术指标要求，轴套需要与转轴配合且需要承受转轴连续高速旋转所带来的摩擦力，还需要承受一定的液压油液所产生的连续冲击力，所以需要有较高的的韧性与强度，根据查阅机械材料手册，轴套材料选择20#钢。如图2.12所示图2.12轴套（3）端盖根据技术指标要求，端盖需要对轴承产生固定作用，还需承受一定的液压油液所产生的冲击力，所以需要较高的韧性与强度，根据查阅机械材料手册，端盖材料选择20#钢。如图2.13、2.14所示图2.13端盖I图2.13端盖II2.6液压系统设计液压系统是整个设计装置的动力源，因而液压系统的设计起着至关重要的作用。该液压系统是由机床自身的液压来提供，只需将机床本身液压系统引入一个支流即可，这样既不占用空间，启用和停控也非常方便，而且也不影响机床正常工作反而会实现辅助加工来提高加工效率和加工精度。2.6.1液压元件的选择液压元件是液压系统的组成部分，通过液压系统 可以实现将电能转变为液压能，再将液压能转换为机械能。油缸：储存油液的装置，提供给系统液压油，在这里它是机床液压系统本的所带有的元件。液压泵：将油液从油缸中引入油路中。过滤阀：过滤油液中的杂质以及用来滤除可能侵入阀类等元件的污染物。节流阀：是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。节流阀的外形结构与截止阀并无区别，只是它们启闭件的形状有所不同。节流阀的启闭件大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流和压力。节流阀在这个系统中的作用是通过调节流体的流速来调节液压油液通过激振器转轴时的流量。溢流阀：是稳定一个油路的压力,当通过此油路的油压超过所设定的压力时,溢流阀就在压力的作用下开启回路排油卸压,这样就能控制一个安全不超压的油路.保护后面油路。开关：本系统的开关即为755电机的开关，通过控制电机的启停、电压从而控制整个系统的工作。插装式锥阀：在结构上它是一种不包括阀体，直接将阀芯装入一个共同阀体内的特殊二位二通阀，其阀芯基本结构通常是一个锥阀，可以用来实现最基本的逻辑功能，所以也称为插装式锥阀或逻辑阀。由于插装式元件已经标准化，将几个插装式元件组合一下便可组成复合阀。在电磁阀通电时，油路相通，此时液压油通入到转轴双向脉冲液压激振器的管道中实现工作，当电磁阀断电时，两个方向都不能通油，如图2.14所示。图2.14插装式锥发用作二位二通阀2.6.2新型双向脉冲液压源系统的液压油路设计液压系统是由机床自身的液压来提供，只需将机床本身液压系统引入一个支流即可，这样既不占用空间，启用和停控也非常方便，而且也不影响机床正常工作反而会实现辅助切削来提高加工效率和加工精度。如图2.15所示图2.15液压油路图液压系统的开始一端是油缸，液压泵将油液通过过滤阀的过滤从油缸中引出，过滤阀的作用是过滤油液中的杂质以及用来滤除可能侵入阀类等元件的污染物。当转轴双向脉冲液压激振器工作时，通过控制电机的启停控制液压油液是否通过，通过控制电机的转速控制液压油液通过转轴通孔的流量与流速。在液压传动系统中节流元件与溢流阀并联于液泵的出口，构成恒压油源，使泵出口的压力恒定。如图所示,此时节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻，液压泵输出流量qp不变,流经节流阀进入液压缸的流量q1和流经溢流阀的流量q的大小由节流阀和溢流阀液阻的相对大小来决定。若节流阀的液阻大于溢流阀的液阻，则q1q;反之则q1q。节流阀是一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过调节节流阀的液阻，来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度；但若在回路中仅有节流阀而没有与之并联的溢流阀，则节流阀就起不到调节流量的作用。液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。改变节流阀节流口的大小，只是改变液流流经节流阀的压力降。节流口小，流速快；节流口大，流速慢，而总的流量是不变的，因此液压缸的运动速度不变。所以，节流元件用来调节流量是有条件的，即要求有一个接受节流元件压力信号的环节(与之并联的溢流阀或恒压变量泵)。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。2.6.3 油路走向当激振器转动90时（即前半个周期）液压油液从油路1进入振体A端，在油液压力的作用下振子向右移动，多余的油液从B端进入油路3流回到油池；激振器继续旋转90（即后半个周期）液压油液从油路3进入振体B端，在油液压力的作用下振子向左移动，多余的油液从A端进入油路2流回到油池，完成一个周期的振动。由于振子在箱体内连续往复振动，所以箱体与振子间会产生干摩擦使振体与箱体受到损害。为此特意设计了缓冲油路5与缓冲油路6，通过这两个油路往振体内注入少量的液压油液完成缓冲，在缓冲油路完成缓冲作用的同时，这个缓冲油路还起到了一定的静压轴承的作用，振子与箱体被外界供给的一定压力的承载介质完全隔开，从而减少振体和箱体间冲击和相对摩擦，介质膜体的形成不受相对滑动速度的限制，在各种速度（包括零速度）下，均有较大承载能力。3 有关技术问题及理论分析液压振动系统的指标参数主要有频率范围、振幅、激振力。而液压冲击系统的指标参数为频率、冲击功等，即在一定质量下的冲击末速度。本文主要针对频率范围、振幅、激振力和缓冲单元的缓冲力进行了研究讨论。3.1 频率f的确定转轴每转动一次，振子往返振动一次，即一个周期转动两次。振动频率的定义为单位时间内，完成周期性振动的次数。755电机额定转速为12000r/s因此，转轴双向脉冲液压激振器的振动频率为 (3.1)其中n是电机转速，m是转轴转动一圈时振体往返振动的次数，这里取m=1；本文电机选取755直流电机，根据电压变化可以调节转速，n=0 12000r/min，故频率f在0180Hz之间。3.2冲击力F液压油在瞬间振体后，振子侧面受力。由于振动发生装置的通油油口是对称的，他们共同作用在油槽侧面的力是有效作用力，每个的大小是F=PA，P 为液压油作用在侧面上有效作用面积的压强，A 为有效作用面积，如图3-1所示，所以转子式液压激振器的激振力为 。z为一侧通油油口，本文采用z=4，所以。图3.1冲击力分布图3.2.1冲击力f的确定液体流经细长孔时，一般都是层流状态，可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算，当孔口的截面积为A =d2/4时，可写成 (3.2)可发现，通过孔口的流量与孔口的面积、孔口前后压力差以及孔口形式决定的特性系数有关。 统一即 qKApm 。式中A为流量截面面积，m2；p为孔口前后的压力差，N/m2；m为由孔口形状决定的指数，0.5m1，当孔口为薄壁小孔时，m0.5，当孔口为细长孔时，m1；K为孔口的形状系数，当孔口为薄壁小孔时， ；当孔口为细长孔时，Kd2/32l。液压油流经细长小孔时，一般都是层流状态，引用直管流量公式：q = (3.3)公式中：d 为管道直径，单位是m；l 为管道长度，单位是m; u 为管道中流动的液体的动力粘度，单位是NS/；P为管道l长度上的压力奖（压力损失），P=P1+P2-P3-P4；q 为通过管道流量。管路中总的压力损失等于所有管路延程压力损失和局部压力损失之和，P=Pr+Pf. (3.4)式中：为局部阻力系数，一般由试验确定 ，也可以由查阅液压传动设计手册；为液体平流速度，一般情况下均指局部阻力后部的流速。 (3.5)因为代入式中得： (3.6)式中称为沿程阻力系数，的理论值是 ,Re为雷诺系数。雷诺数是一个无量纲，是由以下三组数据组成:管中流动状态和平均流速,管道直径d ,液体运动粘度.P=P2=P1-.P为液压油作用在油槽侧面的压强，由于有效面积已知，进而可求出作用力,合力为3.2.2冲击力F的大小冲击力的大小与背压阀有直接的关系，背压阀压力越大冲击力就越小，反之则