超声磨削装置结构设计【全套含有CAD图纸三维建模】

超声磨削装置结构设计【全套含有CAD图纸三维建模】,全套含有CAD图纸三维建模,超声,磨削,装置,结构设计,全套,含有,CAD,图纸,三维,建模 超声磨削装置 摘 要 带有旋转的超声磨削加工是在原有机械加工磨削的根本原理上，将超声加工的振动和磨削器械混合到一起的新型式加工的方法。该方式保存了原有机械磨削的某些好的特点，有了超声振动的参与，能极大地提升加工时的工作效率，更能对难加工材料磨削表面质量有所改善。这篇论文的意义是研究出旋转超声磨削装置结构，使用这个装置从事一些加工实验。全文主要内容概括如下： 探讨分析旋转超声磨削机构这个装置，材料如何除去的原理。这个装置中去除材料的原理有相同时间具备冲击（磨具上的磨粒对工作件表面的高快速撞击）和磨蚀（旋转的磨削加工工具和进给中的运动可以变为模型化为磨削加工的过程）的作用。 研究并制作一种新型式的旋转超声磨削装置。该结构装置能安装在不同种类的机床上，进行旋转超声磨削加工对常规表面和某些较多样型面的材料。 关键词 超声加工意义；旋转超声磨削；结构设计与校核 -43- Ultrasonic grinding device Abstract Rotary ultrasonic grinding is a new machining method that combines ultrasonic vibration with grinding tools in the basic principle of the original mechanical grinding. This method saves some of the good features of the original mechanical grinding. With the participation of ultrasonic vibration, it can greatly improve the working efficiency and improve the quality of the grinding surface of difficult to machine materials. The significance of this paper is to study the structure of a rotating ultrasonic grinding device and to do some machining experiments with this device. The main contents are summarized as follows: The principle of how to remove material of rotary ultrasonic grinding mechanism is discussed. The material removal principle of this device in the same time (with the impact of abrasive abrasive on the work piece surface high impact and abrasion (fast) rotating grinding tool and feed movement in can be modeled as process of grinding) role. A new type of rotary ultrasonic grinding device is studied and fabricated. The structure can be installed on different kinds of machine tools, and rotary ultrasonic grinding is applied to conventional surfaces and some kinds of materials with various shapes. Keywords Ultrasound processing significance，Rotate ultrasound grind， Structure design and checking 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 超声的发展史 1 1.1.1 超声发展简介 1 1.1.2 国外发展 1 1.1.3 国内发展 2 1.2 超声加工的原理及特点 3 1.2.1 传统超声加工 3 1.2.2 旋转超声加工 4 1.3 超声加工陶瓷的意义及前景 5 1.4 本章小节 5 第2章 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 6 2.1 结构陶瓷 6 2.2 陶瓷基本复合材料 7 2.3 功能陶瓷 8 2.4 本章小结 10 第3章 装超声磨削装置的结构设计 11 3.1 超声加工设备及其组成部分 11 3.2 初步结构设计 11 3.3 结构的比较 13 3.4 最后结构的确定 16 3.5 本章小结 17 第4章 装置中的各部件的设计及校核 18 4.1 装电机的计算与选择 18 4.2 变幅杆的设计 20 4.3 压电陶瓷的选择 22 4.4 轴强度的较核 23 4.5 键的校核 25 4.6 本章小结 26 第5章 超声磨削与环境保护 27 5.1 目前我国环境现状 27 5.2 超声加工对环境影响 27 5.3 本章小结 28 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录A 32 附录B 38 第1章 绪论 1.1 超声的发展史 1.1.1 超声发展简介 近年来科学水平的快速提升和飞机火箭等加工的需要，难加工材料使用越来越多如1Cr18Ni9、复合材料、工程陶瓷等，它们的特殊性质使其制造加工有些费力。例如，在海洋里使用的零件一般用的是不锈钢，但是不锈钢加工很困难费时费力，切削不锈钢过程当中切削损耗功率多，切削时温度很高，而且还有表面质量较低的加工工件。又如飞机火箭上的发动机重要零件经常采用T、Ni合金等先进构造材料，而钛、镍这些复合材料加工切削又不是很好，主要体现在它们的热硬度和热强度很高，所需切削力强，对加工时使用的工件、刀具被损害很大。比如使用工程陶瓷的航天飞机，这种材料强度硬度脆性都很高，所以无论是加工还是成本都很高。此类复合材料的应用普遍，对机械制造业给出了很多需要解决的新加工问题。所以使用原有加工方式非常艰难，有些还加工不出来，因此新型的加工方式出现了那就是特种加工对它们的加工效果非常好。而在特种加工方法中，有特有的优势的就是超声加工，因此使用的非常普遍。超声波指的就是人耳听不到的动静。通常来说可以被人耳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。而在现实应用时，频率在16KHz以下的超声技术也被使用。1830年莎汝特讨论了人耳能听到的频率使用了多齿的轮产生超声，但通常认为，首次真正产生超声的应是弗勾扥的气哨测验。爆发第一次世界大战的时候，菈葛文发明了换能器，使用在水里的超声波，开始了真正的有效的研究超声具有的特点，如频率、波长、在固定路程内沿直线传导很好的束射性和方向性、并产生空化作用在液体中传播的时候。总而言之超声技术使用的越来越普遍。在一些高科技先进设备中发挥了不可替代的作用。 1.1.2 国外发展 1927年 ,美国物理学家悟㯖和路密斯做了超声加工实验，使用超声振动对玻璃板进行了加工。 1951年，美国的科恩制造世界第一台可用的超声加工机器 [1]1964 年，英格兰人莉葛发现了烧结或电镀金刚石刀具的旋转超声加工的方法，解决了有的超声加工深孔时加工速度低和精度差的问题。在 70 年待左右美国在超声钻中心孔、 声光整加工、 磨削、 拉管和焊接等部分，已进行了应用。超声车削、 钻孔、 镗孔、已经用于试验性研发制造设备基本阶段；工业上已经应用超声振动切削系统，现在已有了一些标准。美国拉斯加斯内和华内塔大学对ALO3瓷材料微清除量精密超声加工方法进行了探讨[2]。他们发现了低撞击力会使陶瓷材料的结构发生改变和晶粒错乱，而高撞击力会是他的中心有了裂纹和凹的痕迹。美国卡莎撕州的大学研究出了一种计算方法它是旋转超声加工陶瓷去除材料率的模式，确定了材料去除率和加工参数它们的关联。这项研究对陶瓷材料旋转超声加工技术的发展起到了推动的作用。巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。现在最好的加工设备之一是德玛基的超声波加工设备，进来研发生产了适合多种工件尺寸和加工任务的高速切削技术和五轴联动高速超声加工中心包括： ①HSC20linear 紧密型高速加工，其特性是紧密型机构设计，轮廓精度， 表面质量<0.2μm；自动换刀；②HSC20linear 高速精密加工中心 ，其特点是： 所有轴都是用高动态机能和高精度直线驱动技术， 标配28000r/min 高速切削主轴HSK-A63， 切削性能高，刀具使用时间长，花费少，表面质量好[3]。 1.1.3 国内发展 我国超声加工研究开始在20世纪50年代左右。 1960到1969年， 中国研究生产出了加工小孔的超声机床，1973 年，在上海的一家工厂研制了 CNM -2 型超声加工研磨机床。1984 年，中国科学院声学研究中心自主研发了超声旋转加工样品机床， 该样品功率为 400W， 工作频率为7～22k Hz，加工精度为 ：圆柱度0.03mm，圆度<0.005mm[4]。清华大学完成研究出了数控化的旋转超声加工机床，其Z 轴进给控制数控系统 、 旋转控制旋转、控制自动频率跟踪等使其功能模块化。天津大学对旋转超声加工方面也有着贡献，这就是机床分解成模块[5]。河南理工大学自主开发了旋转超声铣头设备，该设备成为立式数控铣床的一种配件，在立式数控铣床上安装，拆装都很便捷。大连理工大学也研制了基于分层清除技巧的超声铣削加工方式， 生产开发了超声数控铣削结构机床 ， 开始了使用超声加工技术数控加工工程陶瓷零部件的新道路。在分层去除材料的技术思想上，解决了原有超声加工中工具消耗损坏严重且不可以在线上抵偿的问题。河南理工大学对纳米复相陶瓷二维超声磨削对加工表面粗糙度的特点性探讨，二维超声振动磨削很大增大了复相陶瓷磨削的塑性加工面积[6]。旋转超声加工技术在我国未来的发方向正在向高精度 、微细化方向进展，很可能变成微电子机械系统技术的强化增补。 1.2 超声加工的原理及特点 1.2.1 传统超声加工 超声加工是运用工具端面做超声频晃动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成型方式加工原理如图1-1所示 图1-1超声磨削的原理 加工时工件与工具他两中间放入液体（水或煤油等）和磨料混合悬浮液并使工具用小的力压在工件上。产生1600Hz以上的超声频纵向振动是超声换能器并利用于变幅杆把振幅扩大到0.05-0.1mm前后驱动工具端面做超声振动强迫工作液中悬浮的磨粒快速度不断的撞击抛磨被加工表面，工件上冲击下来的是被工的材料碎裂成非常小的微粒。这样来看加工的速度就会很慢因为打击下来的材料较少，可是于它每秒冲击的次数在万次之上所以仍然有相当快的加工速度。这个相同的时候，工具端面超声振动作用产生的高频影响了工作液，工作液钻入被加工材料的微裂缝处是受到交变的正负液压冲击波和空化作用处，加快了机械加工破损功能[7]。超声加工是在局部撞击基础上的加工方式，所以脆硬材料受冲击遭受到破坏就大更加适合超声加工。相反对于脆性和硬度不大的并且韧性很高的材料由于他的缓和作用而加工困难。 1.2.2 旋转超声加工 如图1-2所示是旋转超声磨削的加工原理，当中，将从外部接入的高频电振荡信号是压电陶瓷换能器转变为超声频率机械振荡形式；因为压电陶瓷换能器拥有的振幅很小大概约5μm，通常不能达到需要，所以使用变幅杆，把换能器的振动振幅扩大后（振幅为20～30μm）然后传递至磨削工具，磨削工具做旋转和纵向运动是由于电机驱动和变幅杆扩大的振动波的原因，如下图1-2所示。 图1-2旋转超声磨削的原理 在这个过程中，磨削工具的旋转运动和纵向超声振动，并且磨粒和工件直接作用，那么就能知道，磨粒与工件永远接触在一起，就没有速度与工件表面分开的现象，这么来说本篇文章研究的问题没有脱离原有的超声加工模式并且是在此基础上研究的[8]。还知道磨削工具上的每个磨粒在磨削平面上的运动行程为纵向和横向的直线运动的混合成运动轨迹，与普通磨削相比，磨粒在工件表面加工出的痕迹很大。近来我们发现了这种加工方式能很大程度上减小加工时间，那么有些材料的表面粗糙度和质量都提高很多。全国生产组织大会上提出了工业现代自动化和精密化它是在在第42届CIRP大会上提出的那么下一代超级精密一起主攻超声波这种特种加工。 在原来的超声加工的基础上有发展了旋转超声加工。这两种加工的相异的地方是：工件有了超声振动之后又混合了旋转，那么工件上的磨削粒子就能连续的摩擦工件表面。我们就可以认为，旋转超声加工是一种先进的特种加工方式比传统加工还要好很多。现在，旋转超声加工应用的还不是很广泛主要有钻孔，洗削，磨削等这几个方向。在国外有些研究说这种加工方式是一种新兴的结合性能的好方法，与通常钻孔和采取游离磨料的原有超声加工方法比较之后，它具有的特点有：加工迅速，举个例子想要加工一个小孔在光学玻璃上，加工速度为100mm/min甚至更快。相同情况先，传统USM比旋转超声加工RUM加工速度要慢10倍，比传统磨削的速度更快。超声加工地方是减小了工具与加工件表面的磨擦系数切削力，费屑好排出[9]。当进行钻孔的时候也不需要进行退刀排屑这项工作，可以一次性的完成加工进刀实现工业4.0机械化。因为工具的切削力小所以在工件的边角的地方钻孔没有破坏影响分裂的现象并且对材料的适应性广。对脆性好的材料进行钻孔、套料、端铣、表里圆磨削及螺纹加工等最适合加工深小孔细长的棒套料等（目前已经加工了直径为1.6 mm，深100 mm以上的孔在玻璃上）。可以改善加工精度表面质量等问题，而且加工件的磨损小寿命时间长。 1.3 超声加工陶瓷的意义及前景 以为科学技术提升了一些加工方法就有些落后所以需要研究新的加工方式，很多的科学家对超声加工有了浓厚的兴趣，最终有了很多成功制造出来的机床：日本一家企业自主研发了一台超声波振动切削装置叫做“FUM一1”通过施加扭转振动力对机床主轴作用，使得加工表面和粗糙度都得到了有效改善。为了提高刀具刀尖与工件的相互碰到次数该装置使用超声波微小扭转振动作用在机床主轴上，高质量的加工表面就是在高速慢走刀下情况下就能获得。德国一家工厂在中国举办的第八届世界机床机械展览会上展示了新型产品名字是DMS35超声振动加工机床，主轴转速为3 000～4 0000 r/min是这个机床的特性因此它对加工硬脆性材料简单的多。传统加工方式与这个机床相比较，会低出5倍的生产效率，Ra小于0.2μm的表面粗糙度可以被加工出来，更能加工0.3 mm精密小孔，这样来说这台机器是加工硬脆性复合材料的质的提升和飞越[10]。 虽然达到了如此的地步能加工的这么精密但是还有很多的技术没有被开发出来对于超声加工，现在来讲尤其是旋转超声加工这一方面它的加工机理、加工规律和稳定的加工特性等还是不全面的还有待探索发现，那么旋转超声磨削加工就更不值得一提研究的都是片面的冰山一角。在新的讨论中发现超声加工有着很多的优点特别是对于加工那些不好加工的材料，是它们的杀手锏也是最好的方式方法。所以重视它是必然的，是大势所趋，科学家们很重视它，而且它在未来有很大开发潜力。 1.4 本章小节 本章介绍了超生加工基本原理和一些国内国外的历史发展状况，并对它的未来发展趋势给予了肯定，并且越来越多的研究人员投身于超声加工的设计当中，旋转超声加工更是特种加工有效加工方式之一，通过研究发现它对硬脆性材料的加工很有效，但是我们还需要努力开发出更多有关超声加工的方法。 第2章 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 2.1 结构陶瓷 陶瓷有很多种类但是通常分为传统的和现代的这两种技术陶瓷。用天然硅酸盐粉末黏土、高岭土等为原料生产的物品为传统陶瓷黏。这个材料混合和多东西所以很不稳定只能适合用于生活之中如餐具碗盆等工艺品或者是建筑工地上的用的一些东西，在工业生产上是很不合适的。那么要根据要求和需要生产的产品功能而产生了现代技术功能陶瓷，它是通过严格的加工生产技术要求工艺控制等制造而成的，它使用的环境非常苛刻严格，高温和腐蚀介质环境都可以使用，在如今的材料科学进展中是最活泼的区当中的一个，那么现代技术陶瓷的领域主要由三个:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷，那么我就给大家如一介绍。 金属材料和结构陶瓷比较，温度很高机械性能是陶瓷的最明显的优点、还有耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比金属轻的多，那么慢慢的陶瓷就在很多应用中取缔了那些非常贵的金属材料再者还可以用于金属材料没法介入的场合，你比如发动机的气缸套、径向轴向密封圈、切削刀具的陶瓷等。三大类的结构陶瓷有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。 1．氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要的包括氧化铝莫莱石氧化软酸氯等。不存在氧化问题是氧化物陶瓷最显著的优势，它的原料价钱还便宜，而且生产起来很方便工艺还简单的很。室温机械性能是氧化铝和氧化错拥有优秀性质，它也具有耐化学腐蚀性和高硬，有优点也存在缺点那就是在1000℃以上温度时蠕变速率大，机械性能明显下降。重要使用氧化铝和氧化错的地方是陶瓷切削刀具、玻璃熔化池内衬、陶瓷磨料球和高温炉管等。室温强度处在中级地位的是莫来石，但是这一强度居然能在1400度下保持不变，更惊人的是它对蠕变速率也是相当的低，具有这么多的优点所以被用在了陶瓷发动机的重要选用材料[11]。制成泡沫或纤维状可以用以上描述的三种氧化物，也可制成高温保温材料。内部存在很多的微小裂纹的是钛酸铝陶瓷，因此热膨胀系数和热传导率非常的低。强度低是它的主要缺点，成为受力元件那是不可能的，那他只能用在加工内衬使用保温、作为耐热冲击的元件，现在已经是用在了陶瓷发动机上。 2．非氧化物陶瓷 碳化硅、赛龙氮化硅和氮化硅是组成非氧化陶瓷的材料。它与氧化物陶瓷是不同的，以共价键相结合在一块的是非氧化物陶瓷的原子间的事情，因此非氧化陶瓷拥有很高强的硬度、蠕变抗力模量、模量，而且还可以使得那些性能的大部分保持到很高的温度，这个性能氧化物陶瓷是根本比不了的。但它们也存在生产难的问题就是烧结有些困难，不在超高温度下是加工不出来的温度必须在1500～2500℃还得有烧结帮助助剂一起作用的情况下才可以获得很高端精密度的产品，有的时候必须使用热压烧结方法才能够获得盼望的密度＞95%，那么通常来说非氧化物陶瓷的生产花费要比氧化物陶瓷高很多。 非氧化物陶瓷是含有硅的它还拥有非常棒的耐蚀高温性和抗氧化性，它就成为了陶瓷发动机的非常重要的材料，很多的超高合金钢部件都被它取代了当今最好的超强合金钢的应用的温度低于1100度，可气的是发动机燃料燃烧的时候温度可以达到1300度还高，因此强制的制冷就得使用强压水强制制冷达到效果[12]。超高合金钢被非氧化物陶瓷代替的时候，就不用怕温度高的问题了因为它可以忍耐14000度的温度也不用强制制冷了，这就对能源问题环境问题有所解决。 陶瓷切削刀具也应用了非氧化物陶瓷。比较起来氧化物陶瓷的成本真是低的很，但是也有优点那就是强度、硬度、蠕变抗力、高温韧性优秀的很多，刀具使用的寿命时间长很多、切削的速度可以很快，那么刀具在市场上越来越火爆市场效果非常好。它的使用区域还包函了很多比如磨球轻质无润滑陶瓷轴承、窑具密封件、密封件等。 3．玻璃陶瓷 结晶度是玻璃和陶瓷的最重要的区别，非晶态是玻璃而多晶材料是陶瓷。玻璃在遇到高温的时候会变软，陶瓷就截然不同遇到高温的时候就不会，比较之后就知道陶瓷的机械性能使用温度等比玻璃强很多。玻璃也并不是一无是处也是拥有它的优势的可在软化的时候可以做成各种形状加工简单成本低的很[13]。于是研究的人员就把它们结合了一起就出现了玻璃陶瓷这种材料拥有了它们的所有优点和特性，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。铝一镁一硅酸盐、硅一铝一镁一锂酸盐和镁一钙一铝一硅酸盐一系列是工业的玻璃陶瓷体系，炊具就是用玻璃陶瓷制造出来的耐高温和热冲击产品，。在市场上也占有了有利地位很多的地板装饰品都在使用它。 2.2 陶瓷基本复合材料 将多种或者很多的不同材料混合到一块制合成的多相材料就是复合材料它是为了获得某些特性，它的综合性能是非常强大的其中所有的材料不具备的综合性能都可以拥有。陶瓷材料虽然综合性能很高但是也有缺点就是韧性低，当使用的时侯不知道什么时候就会发生突然性的断裂，所以研制了陶瓷基复合材料为的就是把它的韧性提升。陶瓷基复合材料为了提高韧性主要有两大类: 陶瓷纤维强化复合材料和氧化错相变增韧。    在陶瓷切削刀具获得了很多应用的氧化锆相变增韧复合材料，它是由部分稳定的氧化锆粉末和其它陶瓷粉末如氧化铝、氮化硅混合到一起后研制而成的高韧性材料，这样断裂韧性就能够到达10Mpa以上，3Mpa左右是一般陶瓷的韧性。非常广泛的应用是理所当然的。 最有希望的方法去提高陶瓷韧性的是纤维强化，它被认为是最有效最方式。纤维强度基体一般比纤维强度低得多。因此纤维对基体具有强化应用; 裂纹扩展也能被纤维明显阻碍裂纹这是纤维具有的能力，那么材料的韧性就可以提高了。纤维强化的复合材料是目前韧性最高的陶瓷复合材料，比如被碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30 Mp以上，他是烧结碳化硅的韧性的十倍之高.功能强大之后那价格也会相对提高很多，现在只能在军事上和航空航天领域上使用。还有一种让大家注意的是增强材料的陶瓷晶须。晶须的大小非常小，几乎接近完美的单晶体。在理论与实际当中没想到它的强度模量是相当接近理论值，强化陶瓷那是非常的实用啊。陶瓷刀具方面已经开始使用这类型的材料了，碳化硅晶须一氧化铝和碳化硅晶须一氮化硅碳化硅晶须一氧化铝一氧化铅是它的主要体系。 2.3 功能陶瓷 拥有电、光、热或磁性能的陶瓷被称为功能陶瓷，已将发展到很高的程度并拥有一系列的产业链。功能陶瓷的性能通过下文逐一介绍。 1．导电性能 陶瓷材料也是拥有很多的导电区间，从低到高的绝缘物体然后是半导体、超导体等。电绝缘性是很多数陶瓷本身就有的优秀性能，它的这一个性能被广泛应用。电子型和离子型半导体半导体的分类，电子型半导体是以晶体管集合成的电路为代表。只对有些特别的带电离子会有传导作用是离子型半导体，稳定氧化锆和β一氧化铝是相当能反应这一特性的。稳定氧化钻只有对氧离子有传导的这个特性，氧传感器、氧泵和燃料电池是这一系类的主要产品。拥有传导作的用β一氧化铝仅对钠离子，成为了制造钠一硫电池的好材料，使用了这一个材料制作出来的电池存储电能多并且对对环境的污染小很多[14]。陶瓷超导被发现不是在很早的时候而是近几年来的事情。它的临界超导转化温度高惊人是任何一个超导体中最高没有之一，液氮温度已经很高了但是它能达到这个温度之上。为钇一钡一铜一氧系列材料是典型的陶瓷超导体，现在已经获得了计算机，超精密机器的任可和使用。 2．介电性能    介电性能也是很多数陶瓷具拥有的优异的性能之一，这一性能主要体现在其很高的低介电损耗和介电常数。介电陶瓷很重要的应用就是陶瓷电容器。以钛酸钡作为基体的材料是现代电容器介电陶瓷里的应用。被另一个金属原子置换后的钡或钛离子会获得到有不同介电性能的电介质。介电常数高达l000以上是认酸钛基电介质，在过去应用的云母却小的很只有10左右，所以现在都是用用钛酸钡制成的电容器了，因为它体积小、储存电的能力很高存。正电效应也是钛酸钡基电介质具有的特性之一。呈现半导体钟电状态是当温度低于某一个临界值的时候，研究发现温度过高远远超出了这一临界值时，电阻率会猛增加最后变成绝缘体。恒温电阻加热元件和有电路限流元件利用了这一效应并都是其生产出来的产品。压电效应也被许多陶瓷所具有如错钛酸错就是其中之一。当外力作用在陶瓷上的时候，电信号也随之产生了，反过来却截然不同，这样就能使电能和机械能互相转换。压电陶瓷用在了很多的生产行业中，、超声波发生器压力传感元件等都是其中的产品。 3．光学性能 包括光透光陶瓷、陶瓷光信号发生器、吸收陶瓷和光导纤维陶瓷在内都是陶瓷在光学方面的应用。在人们的生活里日常的生活中利用陶瓷光吸收特性哪里都可以见到。比如涂料、珐琅陶瓷釉和陶瓷釉。陶瓷的这一特性还应用到了核工业中，这种工业使用了含钡、铅等重离子。核辐射波被陶瓷吸收。核废料清除方面应用也应用到了。制造用透过不同波长的光线也应用陶瓷的的光学性能，红外线透射陶瓷是当中最主要的设备，它可以然红外光线透过，制造红外窗口应用了这一个性能，在新进制造行业里也得到很广很大的引用比如军事武器。硫化锌陶瓷和莫来石在这类材料中有很强的代表作用。固体激光发生器里面也有陶瓷并且是核心部件，忆榴石激光器和红宝石激光器是典型的代表。现代的通讯信号主要使用的是光导纤维这一传输媒介，高纯二氧化硅制成了这一媒介，高保真性和信号损耗低、、容量大是其具有的特性，金属传导要慢的很多根本无法比你的。 4．磁学性能 磁性材料金属是有损耗大电阻率低的特性，特别是在高频下此现象更加明显，现代科技的需求已经高的很在使用这类材料就是损耗并且也达不到要求了。就在这个时候陶瓷的磁性性能就凸显出来了，它具有电阻率高、磁性范围广泛、损耗低等特性。铁氧体一种含铁的复合氧化物是陶瓷磁性材料的代表。把它的成分严格的控制住就能够制造出矩磁材料、硬磁材料和矩磁材料软磁材料。磁导率高的很的是软磁材料磁损耗低饱和磁感应强度大。小型变压器、电感线圈、录音磁头都应用了这一性能。最特别的代表有锰一锌和锂一锌铁氧体软磁材料有镍一锌。矫顽力大不易退磁是硬磁材料的特性，应用于永久磁体，铁酸钡为代表材料。 因为在韧性和强度方面脆性材料在它们之间有很大的差异，通常高脆性材料金刚石的纯断裂过程与它的加工方式是不同的，金属材料的塑性剪切过程也与它是不同的。在通常的加工当中，主要是材料以断裂去除为准，断裂力学基础上才能研究它对加工机理；在加工硬脆材料使用超精密的加工方法，主要是材料用塑性方式去除，从微观的这一方面去研究材料的去除机理。脆性材料超精密加工被现在很多的国家进行了很多的研究，特别是最近几年来国外也对这种材料产生了兴趣并进了很多实验和研究。 使用金刚石磨粒砂轮来磨削结构陶瓷材料的这个过程中会产生磨削热，就是这个热两会影响到被磨工件表面质量。选择磨削参数和机械物理性能上的差异是陶瓷材料的首要问题，而且还会影响到工件的表面磨削温度。罗大润对SiC和ZrO2表面磨削温度开始测量性实验，就是这个实验区得了很多有用的数据得知实际情况，明确分析了磨削温度的影响因素[15]。善广轻、孙淳还进行切削试验这个实验就是硬脆材料的切削，通过此实验建立了模型，塑性变形和断裂行为被探讨了在硬脆材料有磨粒作用下的情况，有了这个切削实验，得出了硬脆性材料的一些规律，规律就发生塑性变形的时候是在切深很小，材料所受围压力相当大的情况下；金属材料与硬脆材料的断裂有着根本的本质性的差异。 2.4 本章小结 本章主要介绍了陶瓷的各种种类有些用于做器皿有些用于机械工程加工，甚至人们还研发出了一些具有功能性的陶瓷这种功能陶瓷具有一些特定的功能用于特殊需要的设备中，比如军事领域航空航天核电领域等等。因为陶瓷脆性大，所用超声加工是其最好的选择。 第3章 装超声磨削装置的结构设计 3.1 超声加工设备及其组成部分 旋转超声磨削装置结构的设计主要包括的零部件电机、超声波发生器、径想密封圈、变幅杆、压电陶瓷换能器、轴承、法兰盘、工具磨头、主轴、装置外壳底座等零部件，工具磨头是镀上了金刚石磨粒。联轴器连接了主轴与电机，前法兰连接了主轴与变幅杆，在设计的时候想到磨损稳定性等在振动节面的位置上设计了前法兰。经过后期实践侯发现施加负载或工具磨损严重，换能器不是很稳定并且频路忽高忽低，那么连接处必然会受到影响，于是考虑在主轴端面上加一橡皮垫圈，这样就能减少法兰固定之后变幅杆不稳定振动的问题。磨削工具被固定在变幅杆上是通过变幅杆小端部的内螺纹，因此拆装方便，结构简单明确。这样设计的旋转超生加工装置可以配合很多种机床进行加工，只要通过变换底座就可以安装到不同的机床上，进行加工。在工作到时候，电机旋转带动轴承通过联轴器的链接和传动使得主轴和它连接在一块的磨削工具和变幅杆旋转；超声波发生器产生声波在同一时间内，高频机械振动就由压电陶瓷换能器产生，变幅杆把振动幅度放大之后，传递到磨削工具上。由此一来磨削工具不仅拥有了旋转运动，也拥有了轴向超声振动，这就是旋转超声加工。 3.2 初步结构设计 我们设计的超声磨削装置要与XPK851型的数控铣床装配到一起，要把它放置在铣床的床头。由于加工的需求，这个装置必须处于高速的回旋状态。那么链接的地方需要更稳定。尤其是变幅杆与主轴的连接处，不要在加工的过程中产生剧烈的振动。 在使用超声加工的实际应用当中，变幅杆的种类也是多得很都是根据实际的要求来研制出来的，最常见的有：阶梯形、悬链线形、指数形和圆锥形变幅杆，这一类型的变幅杆都是单一的简单的。 超声换能器是能量转换器件，实现电能转换成声波再由声波产生的振动具体来说就是在超声频率范围内把交变的电信号转换成声信号或者逆向转换。超声加工的时候是将电信号转换成机械振动信号。 在这个转换的过程当中有两种物理效应：磁致伸缩效应、压电效应的逆效应这样来看结构就太过于简单了，在现实生产当中就是不实用，加工最主要的就是精度但是由于轴孔的加工长度很长精度就嫩以保证了。。轴承端盖还将这强烈的振动传导到整个装置中，噪声就会因此产生对环境就会有污染。解决振动对轴承的影响问题是这个装置的首要问题。所以初步设计了几种方案如下。 结构设计一 如图3-1 1—电机；2—联轴器；3—轴承外圈端盖；4—轴承内圈端盖；5—集电环；6—电刷；7—压电陶瓷；8—变幅杆。 图3-1 结构设计一 结构设计二如图3-2 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。 图3-2 结构设计二 结构设计三如图3-3 1— 电机；2—集电环；3—轴承外端盖。 图3-3结构设计三 结构设计四如图3-4 图3-4 旋转超声磨削装置 3.3 结构的比较 这四个图就是设计的四种方案结构，整体结构基本相同的是结构方案一、三、四，都是使用的是联轴器加电机，使用的是皮带轮和电机是结构方案二。概括的来讲，结构方案二要比结构方案一、三、四的整体尺寸达和多，那么装置的重量就会有所减轻。 固定内外圈方法在结构方案一中是里头两个轴承之间使用轴承衬套，钢料制成的轴承衬套具有很强的是刚性，当压电陶瓷开始振动时两个轴承也会伴随振动。轴承肯定承受不了这么强大频率和速度的振动，几分钟过后就坏掉了。轴承端盖还将这强烈的振动传导到整个装置中，噪声就会因此产生对环境就会有污染。解决振动对轴承的影响问题是这个装置的首要问题。 结构方案四与结构方案一、三比较，一三大装配比较简单，但有一个问题就是电机与轴的同轴度保证起来有些困难，同轴度在高速旋转下要是保证不了的话，轴承就会损坏的很快，以此反复的循环装置的工作状态就难以保证良好，轴因此摆动起来。加工精度就没有办法达到较高的水平，那精密加工就没有了任何必要了。换句话来说太同轴度不是很好的话，轴也不可能达到很高的转速，高速磨削加工的目的也就没法达到了。中联轴器在电机座的里面的是结构方案四，定位销保证了轴座和电机座之间的同轴度，上述的问题就可以完美解决了。 电机加皮带轮是结构方案二，占有的空间是很大的。受到很大的弯矩作用的轴是必须考虑到的因此在设计实验中要保证轴径要有相当强的弯矩强度，刚性也是必要考虑因素。因为刚性不够的话，轴就会很轻易的被拉弯，摆角就会在轴的另一端出现，这样也就保证不了加工精度了。 电机座支撑这结构方案四中的整个装置，四个螺钉就能固定了电机，那么在电机座后部的大部分不对对电机起到支撑功能，若是增加多余的材料那就是加重了机器的重量。这样看起来的结构就不匀称前面轻小后边笨重。整体看来就不是很好看。 有共同缺点的结构方案一、二、三，他们的轴座内径一样相同，连一点层次变化都没有。这样来看结构就太过于简单了，在现实生产当中就是不实用，加工最主要的就是精度但是由于轴孔的加工长度很长精度就嫩以保证了。轴向的窜动的问题也不容忽视，要是发生了这样的问题那对加工的攻坚是有害的。集电环是电源供给装置，所以它的作用是及其重要的。如图所示3-5 图3-5集电环 图中1—结构方案一中的集电环；2—为结构方案二、三、四中的集电环；在结构一中，集电环是涂了一层绝缘漆在轴上，涂上绝缘漆后又镀上了一层金属，说起来简单但是实际操作起来的工艺是相当的复杂，那么可靠性稳定性基本是保证不了的，花费也随之增加很多。二、三、四方案相比之下就简单很多它电机使用的是集电环，定做起来非常便宜，品质也是非常的高还耐用。因此二、三、四结构中的集电环比一好很多。 在结构一中压电陶瓷在两轴承之间，超声振动在这样的结构中有轴承的阻挡传到工具杆上是很难的，压电陶瓷在外边的二、三结构中，自然少了轴承的阻碍，工具杆就很容易获到超声振动，因此就会减少了很多的能量消耗。 电机加联轴器是结构一、三将转动传这种运动方式传动到工具杆上，结构二则不是这样的它是电机加带轮的形式。使用带轮结构的结构二轴需要承受有转矩作用和弯矩作用两个作用，因此一边两个是这两个轴承分布的方式，目的就是把径向力减小，这个理是单个轴承承受的，最终可以是轴承使用的时间更长。 同属于一样的类型是结构一、二中轴承外端盖，螺纹环的形式是结构三、四如图3-6 图3-6外端盖 虽然两种方案的密封设计和固定是不同的但是其起到作用是一模一样的，都是对起到轴承固定的作用，除了固定还有一些其他的作用如密封、防尘等作用。高速旋转的轴承是结构三、四中的轴承外端盖非常适用。总体来说结构一和三占用的地方比其他都要小很多，显然重量也必然轻的多的。 3.4 最后结构的确定 通过这几种方案的比较，总结了各个方案的优点缺点然后又更改了它们的不足的地方。最后得出了最有好的设计结构如图3-7。 图3-7 旋转超声磨削装置 这个装置时使用的是联轴器和电机结构，把电机座壳和轴壳材料都是用铸铁制铁制成的，因为铸铁的有一个很好的好处就是铸造的性能非常棒，它还可以减缓振动的性能，一般来说机床的底座和整体床身都用铸铁来制作。连接座的机械强度很高所以铣床的连接座必须用铸钢，因为铸钢和铸铁相比较抗拉强度很高，就不能使用铸铁了。 具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点是滚动轴承，然而滑动轴承却没有。主要承受径向载荷是深沟球轴承，有的时候它也承受很小轴向载荷[16]。可用来承受纯轴向载荷是当摩擦系数最小的时候，或者是高转速时。在很高速下正常工作并且能够承受径向载荷及轴向载荷是角接触球轴承，它还能够独子承受轴向载荷。 在震动装置中它的振动力很大会影响其他的装置，机床磨削装置也会根着一起振动，在加工的过程中稳定性就难以保证，还会影响到使用的时间加工的精度和整体系统。那么隔振元件在整个装置中是必不可少的。在装置中最好不要有振动，所以在靠近变幅杆那边的轴承前后两侧，都必须加上防止振动的防震圈。 与铣床联接的是装置铣床联接座，一开始我们使用的都是六角头螺栓来固定，但是慢慢发现由于联接座的结构本身的限制，安装起来非常不方便，于是使用了内六角圆柱头螺钉。这样安装起来非常简单便捷，那么生产的时间也就大大缩短。 为了保证在加工的时候电环螺母不松动我们在其上加上紧定螺钉，这样一来松动的问题就可以解决了，你要知道轴在高速旋转的过程中电环螺母很轻松的就会发生松动，最后制造出来的后果是不可想象的，严重的是电刷接触不到超声发生器，电也就供给不到压电陶瓷，之后就会产生一系列的问题最终破坏轴的使用寿命加工也难以保障。集电环螺母是必须不能松动的。 联轴器需要按非标准件来设计那是因为这个装置的轴径很小根本选择不到标准的部件。柱销孔在联轴器的加工位置也需要非常的精确。装配要求是非常严格的。 最后确定的结构和方案在以上的方案中都有所改善，但是也有它不足的地方也需要后续研究和实验才能逐步的改善达到完美的目的。 3.5 本章小结 本章主要介绍了旋转超声磨削的结构设计分别设计了四种方案每种方案都有自己的优点和缺点经过仔细的衡量和考虑权衡了优点和缺点考虑加工的材料、加工方式、经济、密封、防震动、使用寿命、螺栓等最终综合所有方案的然后制作出了最终的旋转超声磨削装置如图3-8是绘制出来的三维图 图3-5旋转超声磨削装置三维爆炸图 第4章 装置中的各部件的设计及校核 4.1 装电机的计算与选择 1.磨削力计算 在真正的磨削过程当中，会发生很多复杂和难以想象的问题，比如磨粒和砂轮表面。因此我们想要结合和实际来栓磨削力是非常的困难的需要找到合理的公式和演算方法。在此选用陶瓷磨削力的经验公式。 单位m/s是磨削速度， 单位m/min是工件速度， 单位mm是被吃刀量。设计这个装置的时候转速n规定大概为8000 rpm,工具杆端部的砂轮直径是d12mm。则那么磨削速度为 m/s 在此算一下集电环处的线速度：集电环的直径为DΦ50mm； =26.18 m/s 工件速度选用约30m/s。 算出三种典型的陶瓷材料磨削力的多少对于陶瓷 径向力 切向力 将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 径向力 17.63N 切向力3.925N 对于陶瓷 径向力 切向力 将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 径向力17.038N 切向力4.084N 对于陶瓷 径向力 切向力 将磨削速度、工件速度、被吃刀量三值代入得： 径向力18.565N 切向力4.150N 要算最大扭矩，因此取用陶瓷的磨削力来算装置所受的扭矩。 0.093N.m 由此可以看出本装置的磨削力极其产生的扭矩都很小。 2．电机所需功率的计算 每分钟金属磨除量Z可用下式计算： 查表得： 工件速度 m/min 砂轮轴向进给： mm（为砂轮的宽度,取其宽度为10 mm） mm 外圆功率消耗取吃刀量=0.016 mm mm3/min kW 联轴器和轴承的机械效率、为0.99、0.98。则总的机械效率为 可得电机需提供的功率为： 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10000-80000 g·cm。 4.2 变幅杆的设计 通常情况下，在20kHz范围内的超声换能器辐射面的振动幅度就有微米的长度。高声强超声加工的应用中，比如超声焊接、超声加工、超声成形、超声乳化、超声雾化还有一些超声外科医疗设备及超声抗疲劳试验中都有应用，辐射面的振动幅度是有要求的，通常必须达到到好几十甚至到几百微米。用下面的三种方式就可以增大振幅： 1.把输入电功率增大。只要在线性工作范围内的压电陶瓷，把超声换能器的工作电压改变输入电功率也就被增加，增大换能器的输出振动速度和位移振幅也是可以的。增大输入电功率之后也会伴随着一系列的问题，那就是，换能器尾端振速振幅获得了基本一样的比例的上升，这样一来对于整个振动系统来说根本就没有什么改变前后振速比。另外非常大的功率，产生的热量也非常的高温度上生之后，带来的危害也是相当的大啊，那么这些问题是不能忽视的也是不可以避免的所以应当值得注意。 2.把整个系统的效率提高。系统的效率就是使换能器和超声发生器的阻抗配合到一起，还有换能器振子本身的效率也要得到匹配。它们之间的匹配，那就是使用匹配变电感线圈和匹配压器。前面的是让超声发生器输出阻抗让换能器的阻抗于它的部分匹配，后面的是因为普通压电换能器是容性抗分量，所以必须并联或串联接入电感线圈，那么在工作频率上就会达到回路谐振，无功损失就可以简单的消除了。但是值得关注的是在设计超声发生器时应该想到跟踪频率的系统，因为这样的大振幅超声换能器机械品质因数很高，在谐振频率的基础之上大功率驱动时候，阻抗产生改变，频率就会飘移。 3. 在换能器振子前部接上变幅杆。机械振动的质点位移和速度被放大是超声变幅杆发挥的作用，再将它的能量集合到小面积上就是聚合能量的作用。 使用了第一种方法不可以改变换能器前左右的振速比，工作效率还很低，还有不挺的工作就会引发换能器产生热量，最后换能器工作效率及功率容量会就降低。第二种方法即能够提高输出振幅，但是呢设计起来那又非常复杂花费的时间精力都非常的多最后换能器、超声波发生器复杂化了复杂化了，变幅杆的放大作用是必不可缺的，有了变幅杆输出振幅就很大。获得很大的输出振幅是第三种方法，拥有的变幅杆还起到其他的功能，那就是起到阻抗变换的作用。最后达到能量能够非常有效率的传送。最后确定了装置使用在换能器与工具间加上变幅杆使得振幅得以放大来满足加工需求。 在使用超声加工的实际应用当中，变幅杆的种类也是多得很都是根据实际的要求来研制出来的，最常见的有：阶梯形、悬链线形、指数形和圆锥形变幅杆，这一类型的变幅杆都是单一的简单的。 慢慢的随着研究的发展人们开发出了更强大的变幅杆，就是组合形式，这种变幅杆就是由多种变幅杆和单一复杂变幅混合制造而成。超声加工的很多应用中使用，如超声磨削、超声焊接、超声洗削等等，单一变幅杆是有局限性的他不能完全满足所有需要比如尽其所能放大振动系数，那么复合变幅杆或者多级单一变幅杆组合就成了装置的必然应用。 提高放大系数要尽其所能不予余力的，因为这样可以改善超声加工的效率，不但要考虑放大系数还要考虑并幅杆是怎样设计的、还要想到很多的因素等等，经过综合考虑我们设计的结构是使用由圆柱形和圆锥形变幅杆相互组合最后形成复合型变幅杆。 变幅杆作用虽然很轻大他工作起来也会带有一些问题，比如在传递和放大超声波的振动能量的时候就会是温度升高。那么，变幅杆材料的选择就是有要求的: 1．损耗小，材料的抗疲劳强度高，声阻抗率小； 2．机械加工简单，变幅杆的辐射面的材料要有耐腐蚀，抗酸性； 3．应锻造出变幅杆材料，声传输线和纤维伸长方向相同，它的抗疲劳性能和声学性能得以提高。 钛合金、铝合金和45号钢都是经常化经常使用变幅杆的材料。设计超声变幅杆两种主要方法：一设计的时候要根据实际的要求特定的性能来设计变幅杆；二是使用数据和图形来演算出波动方程比如有些随坐标有规律变化的外形函数就可以来判断，各种性能参量就能根据这样的方法来计算。 以下是加工变幅杆的过程时的要求： 1. 工具头和变幅杆相连的时候，对于连接部分之间的同轴度需求是非常的高。 2. 振动系统连接的时候接触的那个地方必须紧密这样一来跳动振动都可以缓冲减少了能量损耗。加工精度必须提高，尤其是接触表面加工精度必须要高。还要在在螺纹连接处涂上凡士林，空气间隙就不能存在了，因为通过空气的超声波时会衰减的很快。 3．照波动的组成基本原理解释来说，处在共振状态的系统，自由在这个时候，就会从一个方向入射波和相反的方向反射波最后导致质点位移无论是大小还是方向都相等，位移相当与没有变。 换能器长度在一半的位置时只要有点处在中间截面上，简单的来说就是一动不动的波节点，波腹点的出现在两端处振幅逐渐增大，换能器与变幅杆交界面上振幅为最大的地方[18]。 在这之后振幅慢慢减小又一次出现波节点，波腹点出现在振幅更大的工具端面处。节面加工的地方要连接法兰是因为变幅杆、换能器和整个振动系统必须在振幅不存在的驻波节点上固定。 4.3 压电陶瓷的选择 超声换能器是能量转换器件，实现电能转换成声波再由声波产生的振动具体来说就是在超声频率范围内把交变的电信号转换成声信号或者逆向转换。超声加工的时候是将电信号转换成机械振动信号，在这个转换的过程当中有两种物理效应：磁致伸缩效应、压电效应的逆效应。现在应用的换能器比较普遍的有两种：一种是压电换能器；一种是磁致伸缩换能器。两种换能器主要原理和功能在下文介绍： 1. 磁致伸缩式换能器 用一些铁磁材料制作而成的是磁致伸缩换能器它是拥有磁致伸缩效应而这个类型叫做机声转换发声器。在很早的时候超声波实际应用当中最长使用的是磁致伸缩换能器，它对优势是在各种复杂工作条件变下，切削力有变化和振动系统发生的改变的影响对工具的振动形态基本没什么变化，机械强度依然很高。 组成的工具振动系统是磁致伸缩换能器的话，使用更加安全可靠，调整便捷；使用的时间很长；又有广范围频率范，工具受到磨损很严重的时候，谐振频率点还是很容易的找到；功率容量大、性能稳定。转换效率低是磁致伸缩换能器的缺点，产生的热量大，遇到复杂电路材料的机械加工很困难，大量生产产品的时候不适用。 磁饱和现象是任何磁滞伸缩材料都具有，外加的磁场逐渐增大，应变也就伴随着变大，应变不再增大的时候，磁场增加到固定程度之侯，磁饱和现象就出现了。磁滞伸缩材料受到温度影响的很大，当温度慢增加，磁滞伸缩效应就会慢慢减弱，磁滞伸缩效应会完全消失的时候是温度到达一定的时候，磁致伸缩换能器的应用也就是这个了。 2. 压电陶瓷换能器 放在一些天然晶体上一定数量的砝码，电荷就会在这些天然晶体的表面会产生，电荷的数量和砝码的重量是正比，发生的着一种现象被叫做压电效应[19]。 压电效应是可逆的，一定数量电荷在晶体表面时，晶体的形状就会发生变化，压电逆效应就是这么来的。压电效应不存在的时候有一个值叫做阀值，条件是压电材料的温度超过该阀值，这个改变的界温度就叫做压电材料的居里温度。居里温度通常固定不变的是天然压电晶体，人工压电晶体的居里温度就是可以调整的。 压电超声换能器是应用很多种有压电效应的电介质，把电信号转换成声信号，或者相反的转化，能量的转换得以实现。压电式换能器大小非常合适，具有很高瞬时输出功率机械强度低，电压在工作是较高。因为声电转换的快，所以要求要求要有很的高振动系统的设计制造和调整精度。 压电陶瓷材料在超声加工十几亿UN功用是最常见的，为什么这么常见呢因为：机电转换效率极其高，80%的范围通常来说就可达到；成型简单，想要什么形状就加工出什么形状； 通过更改里面的内部结构就能够得到拥有各不同性能的超声换能器；价格便宜性能稳定，被很多的工厂使用。不好的地方也有很多比如：抗张强度低，不易加工等。通过以上的解释，总体来说压电换能器要比磁致伸缩换能器好的多因为磁致伸缩换能器损耗大效率低。压电式不能产生高的振动强度压电换能器能量效率很高，应用十分广泛节约能源对环境没有影响所以它非诚适用于旋转超声加工。 4.4 轴强度的较核 轴强度计算我们要对轴的实际受到载荷和应力的现实情况，用合理的计算方法来计算，许用应力应合理的选用。还要有扭转强度计算；弯矩强度计算；弯扭合成强度计算等。按扭转强度计算这个装置，下图4-1就是这个装置中的轴。 图4-1轴主件 轴的扭转强度条件为： 实心轴的扭转强度可转化为： 式中 —扭转切应力，单位为MPa； —轴所受的扭矩，单位为N.mm； —轴的抗扭截面系数；单位为mm3； —轴的转速，单位为r/min； —轴传递的功率，单位为kW； d—计算截面处轴的直径，单位为mm； —许用扭转应力，单位为MPa。 本装置轴的材料是20它的许用扭转应力 约为50MPa。 轴所受扭矩为： 0.093； 电机需提供的功率为：