超聲磨削裝置結構設計【全套含有CAD圖紙三維建?！?全套含有CAD圖紙三維建模,超聲,磨削,裝置,結構設計,全套,含有,CAD,圖紙,三維,建模 畢業(yè)設計(論文) 開 題 報 告 學生姓名 學 號 專 業(yè) 班 級 指導教師 2017 年 3 月 17 日 課題題目及來源： 題目：超聲磨削裝置結構設計 題目來源：自擬 課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 1.1研究目的 隨著科學技術的發(fā)展及航空航天等領域的需求，不銹鋼、復合材料、工程陶瓷等難加工材料應用日趨廣泛，而此類材料的特殊性能使其加工制造非常困難。例如，海洋結構件普遍采用耐腐蝕的不銹鋼，而不銹鋼加工起來切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴重、加工硬化趨勢強等特點，使得不銹鋼切削過程中切削功率消耗大，切削溫度高，而且加工工件表面質量較低。又如航空發(fā)動機重要零件如機匣、壓氣機風扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進結構材料，而鈦、鎳基合金材料切削加工性較差，主要表現(xiàn)在材料熱硬度和熱強度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易產(chǎn)生較大變形。航天飛機機頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強度、高硬度、高脆性等特點，使得陶瓷材料的加工十分困難，加工成本很高。此類材料的出現(xiàn)及廣泛應用，對機械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。對此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無法加工，而特種加工很適合對這些材料進行經(jīng)濟加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨特的優(yōu)點，因而迅速得以發(fā)展和推廣。 1.2研究意義 超聲波是指頻率高于人耳聽覺上限的聲波。一般來講人耳可以聽到的聲波的頻率范圍約為1620KHz。因此人們常把高于20KHz的聲波稱為超聲波。而在實際應用種有些超聲技術使用的頻率可能在16KHz以下。早在1830年為了探討人耳究竟能夠聽到多高的頻率F.Savart曾用一個多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為42.410Hz的超聲但人們一般卻認為首次有效產(chǎn)生高頻聲的應是1876年F.Galton 的氣哨實驗。第一次世界大戰(zhàn)期間P.Langevin發(fā)明了石英晶體換能器用來在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波開始了人類真正科學的開展超聲技術的研究。超聲具有許多獨特的性質和優(yōu)點如頻率高、波長短、在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性、并在液體介質中傳播時可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。因此近年來隨著科學技術的發(fā)展超聲技術發(fā)展極為迅速應用領域非常廣泛。目前其應用遍及航空、航海、 國防、生物工程以及電子等領域在我國國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越大的作用。由于各種客觀條件的限制，迄今為止對于超聲加工，特別是旋轉超聲加工的加工機理、工藝規(guī)律和加工穩(wěn)定性等的研究還處于早期的探索階段，而對旋轉超聲磨削加工的研究更是鳳毛麟角。而有研究表明，在超聲加工中，旋轉超聲磨削具有加工時磨削力小、加工效率高、精度高、工具磨損小以及對加工材料適應廣等優(yōu)點，也是復合材料、不銹鋼等難加工材料比較理想的加工方法。因此得到高度的重視,發(fā)展?jié)摿κ窍喈斁薮蟮摹? 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 日本研究成功一種半波長彎曲振動系統(tǒng)，其切削刀具安裝在半波長換能振動系統(tǒng)細端，該振動系統(tǒng)換能器的壓電陶瓷片采用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點是小型化，結構簡單，剛性增強。 日本還研制成一種新型“縱-彎”型振動系統(tǒng)，并已在手持式超聲復合振動研磨機上成功應用。該系統(tǒng)壓電換能器也采用半圓形壓電陶瓷片產(chǎn)生“縱-彎”型復合振動。 1994 年日本多賀電氣株式會社采用“縱一彎”型超聲復合振動系統(tǒng)制成研磨機，用于放電加工后的模具溝槽側壁研磨拋光。研磨工具做縱向振動和彎曲振動。研究結果表明，彎曲振動方向不同，可獲得不同的研磨效果。哈爾濱工業(yè) 大學的吳永孝、張廣玉等人研制的超聲波振動小孔內(nèi)圓磨削系統(tǒng)，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，所用磁致伸縮換能器發(fā)熱大，采用了加裝制冷裝置的方法解決冷卻問題，但致使其結構復雜。1996 年前后華北工學院辛志杰、劉剛通過對超聲振動內(nèi)圓磨削機理的探討，研制了一套超聲內(nèi)圓磨削裝置，在改善工件表面質量、提高生產(chǎn)率和內(nèi)圓磨削系統(tǒng)結構設計上有了新的突破。1997 年英國研制了硬脆材料納米磨削中心，可實現(xiàn)硬脆材料超聲納米表面加工；日本UNNO 海野邦昭分別進行了工程陶瓷超聲磨削的研究。多項研究結果表明：超聲磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；當工具與工件上同 時施加超聲振動時，加工效率可提高2—3 倍。1997 年前后西北工業(yè)大學史興寬等人研制了一種超聲內(nèi)圓磨削裝置，此裝置較專用超聲磨床主軸系統(tǒng)結構簡單，但因發(fā)熱大而使用了冷卻裝置，這就使此超聲磨頭的結構顯得復雜，雖然加工效率和加工質量有一定的提高，但其復雜的結構不利于推廣使用。 2002 年弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術研究院研制出了新型超聲研磨設備DMS 50，采用該設備對超聲輔助磨削過程進行了技術性分析。并且，國外已研究出先進的超聲振動主軸，其轉速可達 4000r／min 至30，000r／min?？梢詫崿F(xiàn)加工過程中砂輪的振動，并使其轉速達到傳統(tǒng)磨削工藝的水平。 德國 Fraunhofer 研究中心和布萊梅大學精密工程中心采用非圓周對稱結構在單縱振激勵的條件下產(chǎn)生了 10:1 的橢圓振動，提高了刀具壽命，也保證了加工精度。另外新加坡制造技術研究所仿照德國研究人員的結構也制作除了超聲橢圓振動切削不銹鋼的裝置。 天津大學于思遠、劉殿通等人對各種先進陶瓷小孔加工進行了系統(tǒng)研究，采用無冷壓電陶瓷換能器研制了一臺陶瓷小孔超聲波磨削加工機床，在工程陶瓷小孔磨削時對磨頭施以超聲振動，提出了高效的超聲磨削復合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高6 倍以上，表面質量也有大幅度提高 。南京航空航天大學楊衛(wèi)平、徐家文設計了用于加工三維型面的超聲磨削裝置，推導了用于數(shù)控加工的超聲磨削裝置變幅桿設計的數(shù)學模型，此裝置采用電機直連進行旋轉，電信號傳輸采用碳刷集流環(huán)的傳輸方式。河南工業(yè)大學機電工程學院李華、殷振等人設計了超聲波橢圓振動內(nèi)圓磨削磨頭，并在超聲振動內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中采用了新型的回轉式非接觸超聲波電能傳輸方式，解決了碳刷、集流環(huán)電能傳輸方式中存在的問題 [25] 。 德國 DMG 公司和日本馬扎克公司將超聲振動頭安裝在加工中心上，進行了零件異形溝槽加工、內(nèi)外圓磨削、平面磨削加工、以及導電陶瓷材料的超聲振動磨削研究，取得良好效果，并已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)應用。在第八屆中國國際機床展覽會(CIMT2003)上，德國DMG 公司展出了其新產(chǎn)品 DMS35Ultrasonic 超聲振動加工機床，該機床主軸轉速3 000～4 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5 倍，加工表面粗糙度 Ra＜0.2μ m，可加工0.3mm 精密小孔，堪稱硬脆材料加 （DMS35Ultrasonic） 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法： 2.1基本內(nèi)容 研究對象：超聲磨削裝置結構設計； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對國內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀進行總結和分析； 2、根據(jù)主要技術指標，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎上制定總體設計方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、對超聲磨削裝置進行機械結構設計；完成超聲磨削裝置運動設計、零部件的具體結構設計； 4、對所設計的結構進行精度和剛度校核； 5、得出設計結論。 2.3所要解決問題 ? 1、超聲加工設備及其組成部分結構設計：超聲磨削裝置要與數(shù)控立式床身銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。因為加工需要，所以本裝置一直處在高速運轉的狀態(tài)。因此變幅桿與主軸的連接處，需要更穩(wěn)定，防止裝置在加工過程中產(chǎn)生震動的現(xiàn)象。初步設計采用四種方案，方案一 三 四采用電機加聯(lián)軸器方案二采用電機加皮帶輪，方案一 三 四比方案二的整體尺寸相對結構要小得多，這對減輕裝置的重量大有意義，結構方案一、三與結構方案四相比，前兩者的裝配較方便，但是，電機與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉下同軸度如果沒發(fā)保證的話，軸承會很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會擺動。如此一來裝置的加工精度就沒法保證了，本裝置的精密加工就失去了意義。再者如果同軸度不好，軸的速度也不會達到較高速度。這也沒法實現(xiàn)高速磨削的目的。 結構方案四中聯(lián)軸器處于電機座的內(nèi)部，軸座和電機座之間的同軸度靠兩者之間的定位銷來保證，這樣就可以避免上述問題的出現(xiàn)。結構方案二為電機加皮帶輪， 整體上顯得系統(tǒng)所占空間較大。軸受到較大的彎矩作用，因此在設計中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強度，同時還要注意是否有足夠的剛性。如果剛性不足的話，那么軸就會被拉彎，軸的另一端就會出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒法保證了。 結構方案四中的電機座是整個裝置的支撐，電機僅僅是靠其端部四個螺釘來固定 的，因此看來電機座后面的大部分對電機不起支撐作用，多余的材料就增加了系統(tǒng)的重量。而且裝置整體看來顯得前小后大，前面薄弱剛性不足，后面材料過多，笨重有余。從審美的觀點來看也顯得不夠美觀?？偟膩碚f上的幾種結構方案各有各的優(yōu)缺點，最終結構方案是綜合上面幾種結構方案中的可取之處，同時彌補其不足之點而成的。 2、變幅桿的設計：需要盡力提高放大系數(shù)，從而提高超聲加工的效率，并綜合考慮變幅桿的設計、制造采用由圓柱形和圓錐形變幅桿組合而成的復合型變幅桿且此變幅桿兩段采用不同截面、不同材料，因此材料選擇變的很重要，初步選定材料有鋁合金、鈦合金和45號鋼等。 3、壓電陶瓷的選擇：考慮到磁致伸縮換能器的主要缺陷在于高電能損失（例如渦流損失）和低能量利用率（-50%），這些損失表現(xiàn)為熱，因此換能器必須水冷或空冷而且體積很大。與壓電式的相比，它也不能產(chǎn)生高的振動強度。而壓電換能器能量效率很高（可達90~96%），不需要任何冷卻。不易于熱損傷，更容易構建，也更適于旋轉超聲加工。 4、軸強度的較核與鍵的校核：根據(jù)具體的受力載荷情況分別進行大量計算對于主要承受扭矩的軸（傳動軸），應按扭轉強度計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應安彎矩強度計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉軸），應按彎扭合成強度計算，需要時還應按疲勞強度條件進行計算。通常只按工作面上的擠壓應力進行強度較核計算。對于導向平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進行條件性的強度較核計算。 5、電機的計算與選擇：磨削過程中，由于磨粒的作用以及砂輪表面上有效的狀況異常復雜，因而要想建立一個十分切合實際的陶瓷磨削力數(shù)學模型非常困難。所以需要經(jīng)過大量計算來確定電機的功率，分別計算了電環(huán)處線速度，材料磨削力大小，最大扭矩，聯(lián)軸器和軸承的機械效率，總的機械效率，電機需提供的功率。最終確定所選電機。 課題研究所需的參考文獻： [1] 濮良貴等主編.機械設計.高等教育出版社，2001 [2] 孫桓等主編.機械原理.高等教育出版社，2001 [3] 陳日曜主編.金屬切削原理. 機械工業(yè)出版社，2000 [4] 王先逵主編.機械制造工藝學.機械工業(yè)出版社，2001 [5]機械設計（原書.第16版）（德）穆斯　等編著，孔建益　譯?/2012-03-01?/機械工業(yè)出版社 [6]機械設計王軍，田同?！≈骶?/2015-07-01?/機械工業(yè)出版社 [7]先進制造技術，盛曉敏，鄧朝暉　主編 機械工業(yè)出版社 [8]超聲加工技術，曹鳳國，機械工業(yè)出版社 [9]難加工材料的磨削， 任敬心主編，國防工業(yè)出版社, 1999 [10] 顧煜炯等，超聲振動系統(tǒng)設計及性能分析的解析方法，華北電力大學學報, 1998 [11] Shigley’s Mechanical Engineering Design, [12]Mechanical Engineering Handbook,by Frank Kreith [13]Automotive Engineering Fundmentals,by Richard Stone,Jeffrey K.Ball 指導教師審查意見： 指導教師簽字：　 20 年 月 日 指導委員會意見審核意見： 組長簽字： 　　　20　年 月 日