超声磨削装置设计

学校代码:本科毕业设计题目 超声磨削装置设计 学院:姓名:学号:专业:年级:指导教师:摘要旋转超声磨削是在传统机械磨削的基础上，将超声振动加入到磨削工具上的一种新型的复合加工方法。该方法不仅保留了传统机械磨削的一些优良特性，又因加入超声振动后，能较大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、复合材料等难加工材料磨削表面质量。本文旨在研制出旋转超声磨削装置，该装置能以附件的形式安装在数控机床上或普通机床上，进行常见表面、甚至一些较复杂型面的旋转超声磨削加工。关键词：旋转超声磨削，工程陶瓷，碳刷，超声磨削装配图AutoCAD图形167KB弹簧支座AutoCAD囹形69.超声磨削装配图AutoCAD图形167KB弹簧支座AutoCAD囹形69.5KB法兰弹性垫片AutoCAD图形58.9KB轴承支座AutoCAD囹形78.2KB主轴伴AutoCAD图形89.0KB主轴件2AutoCAD囹形73.5KB目录MicrosoftWord文档KB设计说明书MicrosoftWord文档772KB资料袋封面MicrosoftWord文档KB弹,挡板AutoCAD图形KB电机座AutoCAD图形70.0KB径向密封1AutoCAD图形57.4KB轴组件AutoCAD图形KB主轴件*AutoCAD图形55.3KB工：兰*笞推稿 _JLMicrosoftPowerPoint演示文稿■凶719KB任务书Microsoft33.5KB摘要MicrosoftWord文档26.5KBultrasonicmachiningdesignAbstract:Rotaryultrasonicgrinding(RUG)isanewmachiningmethodwhichintegratesrotarymovementoftraditionalgrindingwithultrasonicoscillation.ThismethodcankeepdownsomeexcellentgrindingcharactersofMechanicalgrinding,greatlyenhanceprocessrateandeffectivelyimprovetheeffectofgrindingsurfaceofdifficult-to-cutmaterials(stainlesssteelandcompositematerialandthelike).Theaimofthispaperisthatwedesignandmanufacturethegrindingdeviceofrotaryultrasonicmachining,Thisdevicecanbeinstalledonnumericalcontrolmachineorcommonmachinetoolasanaccessoryandcancarryoutrotaryultrasonicgrindingforusualsurfaceandevensomecomplicatedsurface.Keyword：rotaryultrasonicgrinding,engineeringchinaware,carbonbrush,m前言 错误！未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z1绪论 21.1超声的发展史 错误！未定义书签。1.2超声加工的原理及特点 错误！未定义书签。1.3工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 3\o"CurrentDocument"1.4超声加工的意义及前景 7\o"CurrentDocument"2设计说明书 8\o"CurrentDocument"2.1超声磨削装置的结构设计 82.1.1超声加工设备及其组成部分 8\o"CurrentDocument"2.1.2初步结构设计 8\o"CurrentDocument"2.1.3结构的比较 9\o"CurrentDocument"2.1.4最后结构的比较 11\o"CurrentDocument"2.2装置中的各部件的设计及校核 13\o"CurrentDocument"2.2.1电机的计算与选择 13\o"CurrentDocument"2.2.2压电陶瓷的选择 16\o"CurrentDocument"2.2.3轴强度的校核 17\o"CurrentDocument"2.2.4键的校核 18\o"CurrentDocument"3总结与展望 20\o"CurrentDocument"3.1总结 20\o"CurrentDocument"3.2展望 20\o"CurrentDocument"参考资料 22\o"CurrentDocument"致谢 23刖言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。1.1超声的发展史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16〜20KHz。因此，人们常把高于20KHz的声波称为超声波。而在实际应用种，有些超声技术使用的频率可能在16KHz以下。早在1830年，为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率，F.Savart曾用一个多齿的轮首次产生了频率为2.4104Hz的超声，但人们一般却认为，首次有效产生高频声的，应是1876年F.Galton的气哨实验。第一次世界大战期间，P.Langevin发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。1.2超声加工的原理及特点旋转超声磨削的加工原理如图1-2所示，其中，压电陶瓷换能器用于将从外部接入的高频电振荡信号（由220V或380V的交流电经超声波发生器转换而成）转换为超声频机械振动；由于压电陶瓷换能器产生的振幅较小（大约有5pm），一般不能满足需求，需用变幅杆将换能器的振动振幅放大后（振幅为20〜30pm）再传至磨削工具，磨削工具在由电机驱动做旋转运动的同时也做纵向超声振动，其振动方向如下图中的箭头所示。加工过程中，磨削工具既做旋转运动又做纵向超声振动，磨粒直接作用在工件上，可以看出，磨粒与工件是永久性接触的，不存在速度与工件表面分离的特点，因此文中所研究的旋转超声磨削并没有脱离传统的机械磨削。并可知磨削工具上的单颗磨粒在磨削平面上的运动轨迹为纵向的正弦运动和砂轮线速度横向的直线运动的合成运动轨迹，因此相对于普通磨削(无超声振动)，磨粒在工件表面刻划出的痕迹较长。研究表明，旋转超声磨削既能保留传统磨削的较好的磨削特性，又能大幅度提高加工效率，且能有效改善不锈钢、复合材料等难加工材料磨削表面质量。国际生产工程学会在第42届CIRP大会上，将超声振动应用于磨削加工作为下一代精密加工的发展方向之一。旋转超声加工是在传统超声加工基础上发展而来的。它与传统超声加工的不同之处在于：工具在做超声振动的同时附加了旋转运动，从而使工具上的磨粒不断冲击和划擦工件表面。因此可以说，旋转超声加工是一种将传统的超声技术和传统机械加工相结合的方法。目前，旋转超声加工主要应用于超声钻孔、套料、超声螺纹加工、超声铣削以及超声磨削加工等几个方面。国内外研究结果表明，由于这种加工方法把传统加工的一些优良性能与工具的超声频振动结合在一起，与常规钻孔和采用游离磨料的传统超声加工方法相比，具有以下特点：加工速度快。例如，在光学玻璃上加工直径为6mm的孔，加工速度可达100mm/min以上。同样条件下，旋转超声加工RUM加工速度是传统USM的10倍，是传统磨削的6~10倍。超声振动减小了工具与加工表面的磨擦系数，切削力小，排屑通畅。钻孔加工时，不需退刀排屑，可一次进刀完成，易实现机械化。由于所需的切削力小，可在工件的边、角处钻孔，而不产生破裂。对材料的适应性广。可用于脆性材料(如玻璃、石英、陶瓷、YAG激光晶体、碳纤维复合材料等)的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工等。特别适用于深小孔和细长棒套料(已在玻璃上加工出直径为1.6mm，深100mm以上的孔)。可提高加工精度和改善表面质量，而且工具磨损减小，使用寿命延长。1.3工程陶瓷材料的使用价值及加工技术陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。因为原料的成分混杂和产品的性能波动大，仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等)，而不适用于工业用途。现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能，通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料，主要用于高温和腐蚀介质环境，是现代材料科学发展最活跃的领域之一下面对现代技术陶瓷三个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作简单介绍。(1)结构陶瓷同金属材料相比，陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3)，因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类;氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化错、莫来石和钦酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题，原料价格低廉，生产工艺简单。氧化铝和氧化错具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性，主要缺点是在1000°C以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。氧化铝和氧化错主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平， 但它在1400C仍能保持这一强度水平，并且高温蠕变速率极低，因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹，因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低，无法单独作为受力元件，所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件，并已在陶瓷发动机上得到应用。非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起，因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力，并且能把这些性能的大部分保持到高温，这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难，必须在极高温度(1500〜2500C)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品，有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度(>95%)，所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性，因此一直是陶瓷发动机的最重要材料，目前已经取代了许多超高合金钢部件。现有最佳超高合金钢的使用温度低于1100C，而发动机燃料燃烧的温度在1300C以上，因而普遍采用高压水强制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金钢后，燃烧温度可提高到1400C以上，并且不需要水冷系统，这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。非氧化物陶瓷也广泛应用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本较高，但高温韧性、强度、硬度、蠕变抗力优异得多，并且刀具寿命长、允许切削速度高，因而在刀具市场占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无润滑陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。玻璃陶瓷玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度，玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化，而陶瓷的软化温度同熔点很接近，因而陶瓷的机械性能和使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型，工艺简单而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能，它利用玻璃成型技术制造产品，然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁一铝一硅酸盐、锂一镁一铝一硅酸盐和钙一镁一铝一硅酸盐系列，它们常被用来制造耐高温和热冲击产品，如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用，如地板、装饰玻璃。(2)陶瓷基复合材料复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种以上不同材料混合在一起制成的多相材料，它具有其中任何一相所不具备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低，使用时会产生不可预测的突然性断裂，陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷基复合材料主要有两类:氧化错相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。氧化锆相变增韧复合材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其它陶瓷粉末(如氧化铝、氮化硅或莫来石)混合后制成的高韧性材料，其断裂韧性可以达到10Mpan，「，以上，而一般陶瓷的韧性仅有3Mpa「"•:左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多.所以它对基体具有强化作用;同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力，从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料，例如碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30Mpani1-'以上，比烧结碳化硅的韧性提高十倍.但因为这类材料价格昂贵，目前仅在军械和航空航天领域得到应用。另一引人注目的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体.其强度和模量接近材料的理论值，极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用，主要体系有碳化硅晶须一氧化铝一氧化铅、碳化硅晶须一氧化铝和碳化硅晶须一氮化硅。(3)功能陶瓷功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷，已经具有极高的产业化程度。下面简介几类主要功能陶瓷的性能。导电性能陶瓷材料具有非常广泛的导电区间，从绝缘体到半导体、超导体。大多数陶瓷具有优异的电绝缘性，因而被广泛用于电绝缘体。半导体分为电子型和离子型半导体，以晶体管集成电路为代表的是电子型半导体。离子型半导体仅对某些特殊的带电离子具有传导作用，最具有代表性的是稳定氧化锆和P一氧化铝。稳定氧化钻仅对氧离子具有传导作用，主要产品有氧传感器（主要用来测定发动机的燃烧效率或钢水中氧浓度）、氧泵（从空气中获得纯氧）和燃料电池。。一氧化铝仅对钠离子具有传导作用，主要用来制造钠一硫电池，其特点是高效率、对环境无危害和可以反复充电。陶瓷超导体是近10年才发展起来的.它的临界超导转化温度在所有类超导体中最高，已经达到液氮温度以上。典型的陶瓷超导体为钇一钡一铜一氧系列材料，已经在计算机、精密仪器领域得到广泛应用。介电性能大多数陶瓷具有优异的介电性能，表现在其较高的介电常数和低介电损耗。介电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其它金属原子置换后，会得到具有不同介电性能的电介质。认酸钛基电介质的介电常数高达1000以上，而过去使用的云母小于10，所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体钟电状态，但当温度超过这一临界值时，电阻率突然增加到I，，-U.倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热元件。许多陶瓷，如错钛酸错，具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时，会产生一个相应的电信号，反之亦然，从而实现机械能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛，产品有压力传感元件、超声波发生器等。光学性能陶瓷在光学方面的应用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中随处可见.如涂料、陶瓷釉和珐琅。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面应用非常广泛。陶瓷也可被制造用来透过不同波长的光线，其中最重要的就是红外线透射陶瓷，它仅允许红外光线透过，被用来制造红外窗口，在武器、航空航天领域和高技术设备上得到广泛应用。这类材料的典型代表有硫化锌陶瓷和莫来石等.陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，典型代表有红宝石激光器和忆榴石激光器。光导纤维是现代通讯信号的主要传输媒介，它是用高纯二氧化硅制成的，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性，是金属信号传愉线无法比拟的。磁学性能金属和合金磁性材料具有电阻率低、损耗大的特性，尤其在高频下更是如此，已经无法满足现代科技发展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有电阻率高、损耗低、磁性范围广泛等特性.陶瓷磁性材料的代表为铁氧体一种含铁的复合氧化物。通过对成份的严格控制，可以制造出软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。软磁材料的磁导率高，饱和磁感应强度大，磁损耗低.主要用于电感线圈、小型变压器、录音磁头等部件。典型的软磁材料有镍一锌、锰一锌和锂一锌铁氧体。硬磁材料的特性是剩磁大、矫顽力大、不易退磁，主要应用为永久磁体，代表材料为铁酸钡。矩磁材料的剩余磁感应强度非常接近于饱和磁感应强度.它是因磁滞回线呈矩形而得名，主要应用于现代大型计算机逻辑元件和开关元件，代表材料为镁一锰铁氧体。采用金刚石磨粒砂轮对结构陶瓷材料进行磨削加工过程中产生的磨削热是影响被磨工件表面质量的重要因素。陶瓷材料在机械物理性能上的差异，以及磨削参数的选择，均对工件的表面磨削温度产生重要影响。林彬、于思远、徐燕申等对SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削温度进行了测量，通过实验得到了这两种材料表面磨削温度随磨削参数的变化规律，并对影响磨削温度的因素进行了分析。尚广庆、孙春华等通过对硬脆材料（玻璃）的切削试验，建立了硬脆材料的磨削模型，讨论了硬脆材料在磨粒作用下的塑性变形和断裂行为，通过对硬脆材料（玻璃）的切削试验，分析讨论了硬脆材料在力作用下的变形规律，认为当切深很小，材料所受围压力足够大时硬脆材料会发生塑性变形；硬脆材料的断裂行为与金属材料有着本质区别。硬脆材料在磨削过程中形成很多相互交贯的裂纹，使切屑呈粉碎状并在被切削表而留下许多裂纹。1.4超声加工的意义及前景超声加工是目前应用较普遍的一种加工方法。尽管该加工方法的生产率比电火花、电解加工等低，但其精度和表面光洁度却比它们高，可稳定地加工出精度为±5pm，表面粗糙度为Ra<0.51〜0.76^m的零件；其应用不受工件材料的电、化学特性限制，不需要工件导电，也不像激光、电火花等特种加工一样给工件带来热损伤和残余应力。超声加工是利用超声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频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。后来，在传统超声加工的基础上发展了旋转超声加工技术，其与超声加工的不同之处在于后者在加工中加入了旋转运动。研究表明，旋转超声加工许多独特的特点：低切削力、低磨削温度、低表面粗糙度和高精度，而且加工效率相对于传统超声加工有所提高。超声加工方法是近40年来逐步发展的一种新型加工方法，它不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆性金属材料，而且适合于半导体和不导电的非金属硬脆材料（如半导体硅片、玻璃、陶瓷以及金属基碳化硅复合材料等）的精密加工和成形加工。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。2设计说明书2.1超声磨削装置的结构设计2.1.1超声加工设备及其组成部分设计的旋转超声磨削装置结构，它由无刷电机、碳刷铜环、超声波发生器、压电陶瓷换能器、轴承、变幅杆、前法兰、磨削工具、主轴、装置底座等零部件组成，磨削工具右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。电机与主轴是通过联轴器连接的，而主轴与变幅杆是通过变幅杆上的前法兰连接的，虽然在设计时将前法兰设计在振动节面（变幅杆中质点位移振幅为零的面）位置，但考虑到施加负载或工具磨损后，换能器振动频率将会发生变化，从而导致连接处有微弱振动，因此在主轴端面加一橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。磨削工具是通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上的，其具有结构简单、拆卸方便等优点。该装置能以附件的形式安装在数控机床上，也可通过变换装置底座安装在普通机床上，进行常见表面、甚至一些较复杂型面的旋转超声磨削加工。工作时，由电机（其转速是通过外带的电机变频调速器调节）通过联轴器驱动主轴以及与之连接在一起的变幅杆和磨削工具旋转；同时在外部超声波发生器的激励下，压电陶瓷换能器产生高频机械振动，其振幅在经过变幅杆进行放大后，作用于磨削工具上。这样磨削工具既具有旋转运动，也具有轴向超声振动，从而可实现旋转超声加工。2.1.2初步结构设计超声磨削装置要与X52K立式铣床联接，装置要座于铣床的铣头。铣头与工作台之间的高度有限，这就要求装置的体积和重量都不应太大。结构设计一图中：1一电机；2一联轴器；3一轴承外圈端盖；4一轴承内圈端盖;5一集电环；6一电刷；7一压电陶瓷；8一变幅杆。结构设计二图中：1—电机；2—带轮；3—皮带；4—集电环螺母;5—集电环；6—电刷；7—压电陶瓷。结构设计三图中：1—电机；2—集电环；3—轴承外端盖。2.1.3结构的比较以上三图为三种结构，结构方案一、三的整体结构相似，均采用的是电机加联轴器，而结构方案二采用的是电机和皮带轮。总的来说，结构方案一、三的整体尺寸相对结构方案二而言要小的多，这对减轻装置的重量大有意义。结构方案一中内部两个轴承之间用轴承衬套固定内外圈，但是当压电陶瓷开始振动时，轴承衬套由于是用钢料制成的，是刚性的，因此两个轴承会随着压电陶瓷的振动而振动。不难想象轴承在约20000Hz的高频下，以大加速度振动，结果是一会儿时间轴承就烧坏掉了。还有振动经轴承端盖将振动传到整个装置，产生很大的噪声进而对环境造成污染。因此本装置就必须要解决振动对轴承的影响问题。对于结构方案一、三，两者的装配较方便，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。结构方案一、二、三的共同缺点是，三者的轴座内径一样大小，没有出现阶梯变化。首先这样的结构看上去比较简单，但是在实际情况中是不实用的，轴孔的加工长度较长，其精度难以保证。再者轴可能会出现轴向的窜动，这对加工工件当然是有害的。作为电源供给装置，集电环的作用是很重要的。如图所示：图中：1—结构方案一中的集电环；2—为结构方案二、三中的集电环.结构一中集电环是在轴上先图有绝缘层，然后再在上面镀上金属层，这种方案制造工艺复杂，而且其可靠性难以得到保证，同时也增加了制造成本。而二、三、四方案中采用通常电机使用的集电环，可以在厂家定做，其质量能够得到保证，相对于前者当然较为可靠。故二、三、结构中的集电环较好。结构一中压电陶瓷处于两轴承之间，在这样的结构中超声振动经过轴承的阻碍使其很难传到工具杆上，而二、三结构中压电陶瓷处于外部，没有轴承的阻碍，因此超声振动很容易传到工具杆上，而不至在还未传出时超声振动能量就消耗了很多。结构一、三是电机加联轴器将转动传到工具杆上，而结构二是电机加带轮将转动传到工具杆上。由于结构二采用带轮结构，因此轴将承受的不仅仅有转矩作用而且还有弯矩作用，故二中轴承分布为一边两个，其作用是可以减小单个轴承所承受的径向力，从而达到延长轴承寿命的作用。外圈轴向紧固的常用方法有：用嵌入外沟槽内的孔用弹性挡圈，用于轴向力不大且需减小轴承装置尺寸时；用轴向弹性挡圈嵌入轴承外圈的的止动槽内紧固，用于带有止动槽的深沟球轴承，当外壳不便设凸肩且外壳为剖分式结构式时;用轴承盖紧固，用于高转速及很大向心力时的各类向心、推力和向心推力轴承；

用螺纹环紧固，用于轴承转速高、轴向载荷大，而不适于使用轴承端盖紧固的情况。结构一、二中轴承外端盖是一样的类型，结构三为螺纹环的形式。两种结构方案中的轴承端的作用是一样的，即固定轴承的作用，除此之外还有密封、防尘等作用。结构三中的轴承外端盖适于高速旋转的轴承。结构一、三与结构二相比其所占空间较后者要小一些，当然起重量也较后者轻一些。2.1.4最后结构的确定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。如下图为最终所确定的结构方案。图中：1一电机；2—电机座壳；3轴承座；4一夹具体底座。装置采用的是电机加联轴器结构。轴壳和电机座壳的材料均为铸铁，铸铁的优点是其铸造性能很好，而且铸铁还具有消震性能，通常机床的床身、底座均用铸铁铸造。铣床连接座采用铸钢，因为其机械强度高，而铸铁材料的抗拉强度很低，因此不采用铸铁材料。轴壳和电机座壳的联接定位采用内螺纹圆锥销。销孔的加工采用配钻，即将联轴器和电机、轴装好之后，紧上螺栓，然后钻销孔。这样能够保证轴和电机轴的同轴度。滚动轴承与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力，功率消耗少，启动容易等优点。深沟球轴承主要承受径向载荷，有时承受小的轴向载荷。当摩擦系数最小，在高转速时也可用来承受纯轴向载荷。但是其承载能力是少量的轴向载荷。角接触球轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷，且能在较高速下正常工作，其承受轴向载荷的能力与接触角a有关，接触角大的承受轴向载荷的能力也高。在本设计中选取的是接触角a为40・。由于振动装置在轴向方向上的超声振动很大，会引起机床磨削装置的振动，而影响整个加工系统的稳定性，加工精度和系统的使用性能，使用寿命等。因此，设计时加有隔振元件。装置的振动最好不传到轴的外部，因此在最终结构中靠近变幅杆一边轴承的左右两侧，内外圈都加有防震垫圈。这样防震垫圈就对系统的振动起到阻隔作用。装置铣床联接座与铣床联接，开始采用的是六角头螺栓，后来发现，由于联接座的结构所限制，扳手拧的角度很小，因此最后采用了内六角圆柱头螺钉。这样一来，拧螺钉时可在360°范围内拧动，故工作效率大为提高。由图上可看出，轴座与电机座联接处极可能出现过定位，因此两者的同周度必须要得到保证，此处使用定位销。要保证较高的同轴度，就要注意轴座与电机座上的定位销孔的加工方法。本装置定位销孔的加工方法采用的是配作法，即先将轴、轴座、联轴器以及电机，调好同轴度，再将轴座和电机座的螺栓拧紧，然后钻、铰定位销孔，由此达到装配的同轴度要求。由于本装置的轴径太小选不到标准的联轴器，所以只得按非标准件一样来加工。联轴器上的柱销孔的加工的位置精度要求也十分严格。联轴器左右两半也必须配钻、配铰，才能达到装配要求。联轴器的类型当属弹性联轴器，其弹性元件为尼龙柱销。装置与铣床联接底座，如结构方案三所示，底座没有凸台，即底座与铣头之间没有配合要求，次种方案不妥。最终结构方案中底座有凸台，底座与铣床之间有配合关系，这对整个装置的稳定工作很重要，更重要的是装置与铣床联接之间得到很好的定位。集电环螺母在随轴作高速旋转的过程中很容易变松，其后果是集电环轴向移动，从而电刷无法与其接触，压电陶瓷也就得不到电，振动没法继续，更有甚者集电环在移动过程中破碎，危及轴承。因此集电环螺母是不可松动的，在其上加有紧定螺钉是防止其松动的有效方法。最终结构方案相对于前面的几种初步结构方案来说，结构上有所改进，但或许还有其他地方有待改进。2.2装置中的各部件的设计及校核2.2.1电机的计算与选择模效过程中，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。在此选用陶瓷磨削力的经验公式。磨削速度匕单位m/s，工件速度Vw单位m/min，被吃刀量“p单位mm。在本装置设计中，转速n约为8000rpm,工具杆端部砂轮直径为d12mm。则磨削速度匕=n"=8000x3.1415926x12,(1000x60)=5.026m/s在此算一下集电环处的线速度：集电环的直径为D①45mm；V=n兀D=8000x3.1415926x45/(1000x60)=18.85m/s工件速度选用Vw约25m/min。在此算出三种典型的陶瓷材料磨削力的大小。对于ZrO2陶瓷径向力F=166.86V-o.469V0.468a0.742F=60.789V-0.779V0.701。0.927切问力t swp将磨削速度Vs、工件速度Vw、被吃刀量ap三值代入得:径向力Fn=10.4577N切向力F=3.8098N对于AlO3陶瓷径向力F=216.843V-o.49sV0.617a0.918切向力F=405.592V-0.826V0.509a1.207将磨削速度匕、工件速度，、被吃刀量ap三值代入得:径向力Fn=1.9253N切向力Ft=3.6011N对于S’2°3陶瓷径向力F=241.343V-0.501V0.745a1.03切向力F=350.509V-O.497V0.365a1.174将磨削速度匕、工件速度\、被吃刀量ap三值代入得:径向力Fn=1.5616N切向力F=2.268N由于此计算比较复杂，需要用磨削力程序来运算，在程序中Fn1、Ft1是Z?2作为工件材料时的磨削力；Fn2、Ft2是Al2O3作为工件材料时的磨削力；Fn3、Ft3是S2O3作为工件材料时的磨削力，磨削力的单位是N。要算最大扭矩，因此取用Z02陶瓷的磨削力来算装置所受的扭矩。扭矩：T=Ftxd2=10.4577x0.012/2=0.0627462N-m合61491g•cm由此可以看出本装置的磨削力极其产生的扭矩都很小。电机所需功率的计算每分钟金属磨除量Z可用下式计算:Z=1000-Vwfapmm3,/min查表得：工件速度V广25mmin砂轮轴向进给：fa~0.1bsmm（bs为砂轮的宽度，取其宽度为10mm）

f=0.1%=0.1f=0.1%=0.1X10=1mm外圆功率消耗100"cm-min取吃刀量ap=0.01mmnZ=1000匕faap=1000X25X1X0.01=250mm3.min则P—Zx10-3x100x10一2=0.25kw联轴器和轴承的机械效率气、门2为0.99、0.98。则总的机械效率为门=气XI?=0.9702可得电机需提供的功率为：P/n=0.250.9702n0.26kw选用55ZWN-70型无刷直流电机，额定功率200-700瓦，额定转速2000-30000rpm，额定转矩10000-80000g-cm。2.2.2压电陶瓷的选择超声是由压电换能器产生的，压电超声换能器的基本工作原理是建立在压电效应的基础上。压电材料包括压电单晶体以及多晶体的压电材料。这些材料当受外力发生变形时，在晶体表面会出现电荷，晶体内部出现电场；反之当晶体承受外电场作用时，就会发生变形。这种现象称之为压电效应，前者叫正压电效应，后者叫负压电效应。目前应用最为广泛的是锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷。压电晶体都有自己的阀值温度，超过这个温度便失去其压电性，这个温度叫居里温度。石英的居里温度为576°C，PZT的居里温度随配方而稍异，约为300^-400^o压电元件常做成简单的形状，最常见的是平片，也有做成棒状、管状、球壳状等。在激发超声时，加在元件的电场，或者是时间谐振的，或者是短暂的。元件便随时间作尺度变化，也就是作稳态的或做瞬时的振动。压电元件的振动方式，或叫模式，不仅依赖元件的形状，而且依赖这个形状对轴的相对关系，以及电场的取向。振动模式可以由压电方程、运动方程等基本式来预计。不同形状压电元件以及它们不同的振动模式，可以用来在流体或固体中激发或接受不同频率、不同类型、不同空间分布的超声波，有时也用来做不同频率的谐振器件。通常的压电元件是压电陶瓷，压电陶瓷通过氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结，粉粒之间发生固相反应后无规则集合而成的多晶体，具有压电性的陶瓷称为压电陶瓷。它存在的电畴在极化（加直流电压）自发极化，依外电场方向充分排列并在撤消外电场后仍保持剩余极化。由于压电陶瓷材料的抗张强度低（抗压强度高），因此在有的场合不能直接用于发射大功率。为了解决这个问题，法国科学家郎之万（Langevin）把压电材料夹持在两个金属片之间。通过夹持给压电材料一定的预紧力（甚至不受到张力），这样实现大功率发射。本装置采用的是夹心式换能器，这种换能器叫夹心换能器，也叫郎万换能器。如图：其中：1为后盖板，2为绝缘管，3为电极片，4为压电陶瓷，5为螺栓，6为前盖板。钛酸钡（BaTiO3）是广泛应用的压电陶瓷，它的化学性质比罗谢耳盐稳定，能在较大的温度范围内工作。和别的压电陶瓷比起来，它的居里温度较低，约为115°C,而且还有-90°C（三方一正交晶型）和0°C（四方一正较晶型）两个相变点，这样其机电性能在常温下很不稳定，并具有较大的老化率。因此在这里不选用钛酸钡。锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT,其居里点比钛酸钡高的多，在300-400°C之间，没有较低的相变点，在较大温度范围内性能都比较稳定。作为换能材料，它的压电效应显著。可以通过变更其化学组分在很大范围内调整其性能，以满足多种不同的需要。PZT-8是一种界电常数、机电耦合系数、压电常数较低的材料，然而其抗张强度和稳定性较优，并具有高机械品质因数，适用于高机械振幅的激励。因此在本超声磨削装置中选用PZT-8压电材料。压电陶瓷的超声功率大约为300瓦，其振幅约为3um，将其与放大系数相乘，到达工具杆时的振幅大约为21um左右，因此该振幅符合本课题所需的振动振幅。2.2.3轴强度的较核进行轴的强度计算时，应根据轴的具体受载荷及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅（或主要）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。本装置按扭转强度计算，下图即为装置中所用的轴扭转强度条件为：TT= TWT实心轴的扭转强度可转化为:―PT9550000-丁广儿T]T式中：tt—扭转切应力，单位为MP；T一轴所受的扭矩，单位为N.mm；WT一轴的抗扭截面系数；单位为mm3；n—轴的转速，单位为r/min；P一轴传递的功率，单位为KW；d—计算截面处轴的直径，单位为mm；EtJ—许用扭转应力，单位为MP。本装置轴的材料为20*其许用扭转应力Itt］约为50MPa。轴所受扭矩为： T=0.0627462N•m；电机需提供的功率为：P/n=0.250.9702n0.26kw；最小的轴径d为：28mm；轴的转速n约为：8000rpm；9550000P9550000义26t_——牝 n_ 8000_1.1659MP<<50MPTW 0.2d3 0.2X283 a aT可以看出轴的扭转应力远小于许用扭转应力，因此此处满足扭转强度要求。轴与变幅杆联接处为一段空心轴，其D为90mm,d为70mm；空心轴的强度条件为：16x90f0.°627462=0.00000084mp<50MP3.14004-704) aa则此处轴的扭转强度也满足要求，由这两处可得此轴能够满足工作中的扭转强度要求。2.2.4键的校核平键联接传递转矩时，联接中各零件的受力情况如图所示。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被溃。除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，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。假定载荷在键的工作面上分布均匀，普通平键联接的强度条件为："2搭兀p］式中：T一传递的转矩（T=Fxy机Fxd；2），单位为N-mm;k一键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为平键的高度，单位mm；l—键的工作长度，单位mm，圆头平键l=L-b，平头平键l=L，这里L为键的公称长度，单位mm，b为键的宽度，单位mm；d—轴的直径，单位mmtp］一键、轴、轮毂三者中最脆弱材料的许用挤压应力，单位MP,L］一键、轴、轮毂三者中最脆弱材料的许用应力，单位MP。

轴所受扭矩T=Fxd::2=0.0627462N-m本装置设计中选用的键为GB1096-90键C16x50（集电环与轴之间的键h=10）。GB1096-90键C8x30（联轴器右半与轴之间的键h=7）。GB1096-90键C6x20（联轴器左半与轴之间的键h=6）。In尸］=300MPGB1096-90键C6x20的校核：bP12Tx103

kld2x0.0627462bP12Tx103

kld2x0.0627462x1033x17x20=0.12303MP<<300MP实际上该键所受扭矩为电刷的摩擦力所产生的，它远远小于轴所受的扭矩T，则GB1096-90键C6x20必符合要求。GB1096-90键C8x30的校核：2Tx103 2x0.0627462x103b= = p2 kld3.5x26x28=0.04925MP<300MP则GB1096-90键C8x30也符合要求。GB1096-90键C16X50的校核：2Tx103b= p3 kld2x0.0627462x1035x42x55=0.01087MP<300MP则GB1096-90键C16X50也符合要求。3总结与展望3.1总结各种高性能材料诸如，复合材料、高强度钢、工程陶瓷以及硬质合金等，因有着令人瞩目的特性，如强