【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 國(guó)的超聲加工業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)在新興工業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)奠定又一個(gè)良好的基礎(chǔ)。超聲振動(dòng)切削技術(shù)是把超聲波振動(dòng)的力有規(guī)律地加在刀具上使刀具周期性地切削和離開(kāi)工件的加工技術(shù), 是結(jié)合超聲波技術(shù)和傳統(tǒng)切削工藝的一種新型切削技術(shù)。日本隈部淳一郎先生在20世紀(jì)60年代對(duì)超聲振動(dòng)切削技術(shù)完成了大量開(kāi)創(chuàng)性工作, 他的實(shí)驗(yàn)表明, 在刀具施加一定頻率和振幅的超聲波振動(dòng),可以改變傳統(tǒng)金屬切削的切削性質(zhì), 改善切削效果, 他把該技術(shù)稱之為振動(dòng)切削( vibration pulse cutting)。到目前為止, 英、美、蘇、德、日、中等國(guó)家己對(duì)超聲振動(dòng)加工設(shè)備的研制以及工藝方法作了一些研究，但是大規(guī)模的將超聲振動(dòng)技術(shù)投入到實(shí)際加工中還存在這不少需要攻克的技術(shù)難題：1. 切削效率的問(wèn)題2. 超聲波發(fā)生系統(tǒng)的問(wèn)題3. 超聲切削刀具裝置本課題要求學(xué)生以普通手持式切割機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)添加一超聲振動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率，體積不大，成本不高，符合市場(chǎng)需求，同時(shí)力求新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠讓工人操作起來(lái)方便，安全。 目前國(guó)內(nèi)外超聲加工的發(fā)展情況超聲加工是利用超聲振動(dòng)的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊，拋磨，液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來(lái)去除材料，或給工具或工件沿著一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或者利用超生振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，振動(dòng)傳遞系統(tǒng)，工具，工藝裝置等構(gòu)成。超聲波發(fā)生器的作用是將220V或者380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)；換能器[13]的作用是將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；變幅桿的作用是將換能器的振動(dòng)振幅放大；超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量和工件作用，進(jìn)行加工。超聲加工技術(shù)是超聲學(xué)的一個(gè)重要分支。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學(xué)的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。早在1830年，為探討人耳究竟能聽(tīng)到多高的頻率，，1876年加爾頓的氣哨實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的超聲波的頻率達(dá)到了3萬(wàn)赫茲，后改用氫氣時(shí)，其頻率達(dá)到了8萬(wàn)赫茲。這些實(shí)驗(yàn)使人們開(kāi)始對(duì)超聲波的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。對(duì)超聲學(xué)的誕生起重大推進(jìn)作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克號(hào)在首航中碰撞冰山后沉沒(méi)，這個(gè)當(dāng)時(shí)震驚世界的悲劇促使科學(xué)家提出用聲學(xué)方法來(lái)探測(cè)冰山。這些活動(dòng)啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵查德國(guó)潛艇的緊張研究1927年，美國(guó)物理學(xué)家伍德（）和盧米斯（）最早做了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上。1951年，美國(guó)的科恩制成了第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)，并引起廣泛關(guān)注，為超聲加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。日本是較早研究超聲加工技術(shù)的國(guó)家，20世紀(jì)50年代，日本已經(jīng)設(shè)立專門(mén)的振動(dòng)切削研究所，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也都設(shè)有這個(gè)研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學(xué)的島川教授，《超聲波工學(xué)——理論和實(shí)際》是他的代表作。另一位是宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授，《精密加工、振動(dòng)切削基礎(chǔ)和應(yīng)用》是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加工用在普通設(shè)備上，而且在精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床中也引入了超聲振動(dòng)系統(tǒng)。1977年日本將超聲振動(dòng)切削與磨削用于生產(chǎn)，可對(duì)直徑為600毫米大型船用柴油機(jī)缸套進(jìn)行鏜孔。原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20世紀(jì)50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過(guò)很有價(jià)值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。為了推動(dòng)超聲加工的應(yīng)用，1973年原蘇聯(lián)召開(kāi)了一次全國(guó)性的討論會(huì)，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟(jì)效果和實(shí)用價(jià)值，對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)在全國(guó)的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。到80年代末期，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動(dòng)鉆削裝置。20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段。1979年通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已經(jīng)供應(yīng)工業(yè)界應(yīng)用。德國(guó)和英國(guó)也對(duì)超聲加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了額大量的研究，并發(fā)表了許多有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應(yīng)用。例如，英國(guó)于1964年提出使用燒結(jié)或者電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的缺點(diǎn)，取得了較好的效果。我國(guó)超聲加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代末，60年代末開(kāi)始了超聲振動(dòng)車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功ＣＮＭ－２型超聲研磨機(jī)。1982年上海鋼管廠、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所及上海超聲波電子儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備，為我國(guó)超聲加工在金屬塑性加工填不了空白。1983年10月，我國(guó)第一次“振動(dòng)切削專題研討會(huì)”召開(kāi)，促進(jìn)了超聲加工技術(shù)在我國(guó)的深入研究和推廣。1985年，廣西大學(xué)，南京電影機(jī)械廠和南京刃具廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一套“QZC250A型”超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)。同年，機(jī)械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，在玻璃、陶瓷等脆性材料的鉆孔、端銑、螺紋加工等取得了良好的工藝效果。1987年，北京電加工研究所在國(guó)際首次提出超聲加工等取得了良好的工藝效果。1987年，北京電加工研究所在國(guó)際首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國(guó)研制成功超聲研磨裝置。1991年研制成功變截面細(xì)長(zhǎng)桿超聲車削系統(tǒng)裝置。20世紀(jì)末到本世紀(jì)初，我國(guó)的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅猛，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛石、陶瓷、瑪瑙、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的問(wèn)題。取得了良好的效果。 超聲加工的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工[2]有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 適合加工各種硬脆材料，不受材料是否導(dǎo)電的限制。既可加工玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨、金剛石、大理石等不導(dǎo)電的非金屬材料，又可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鐵合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料。2. 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗糙度也很低，~,，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。3. 工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便可加工各種復(fù)雜的型腔和型面。一般的，超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作、維修也比較方便。4. 可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)用，如超聲電火花加工和超聲電解加工等。5. 利用超聲焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的焊接，不需要焊劑和外加熱，不因受熱而變形，沒(méi)有殘余應(yīng)力，對(duì)焊件表面的焊接處理要求不高。 本課題的主要研究工作針對(duì)瓷磚、超薄零件在傳統(tǒng)切割機(jī)切割易碎現(xiàn)象，本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應(yīng)力、切削熱很小的優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)切割機(jī)上嵌入一個(gè)超聲震動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行超聲震動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合小型超聲切割機(jī)的傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)小型超聲切割機(jī)。使用小型超聲切割機(jī)，切割瓷磚、超薄零件更加平穩(wěn)，成品率更高。本課題要求學(xué)生以普通手持式切割機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)添加一超聲振動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率。2 小型超聲切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案 小型超聲切割機(jī)整體設(shè)計(jì)方案的擬定小型超聲切割機(jī)是在傳統(tǒng)切割機(jī)的基礎(chǔ)上，利用超聲加工適合加工各種脆性材料、切削應(yīng)力和切削熱更小的特點(diǎn)，嵌入一個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)，使之實(shí)現(xiàn)超聲加工，加工脆性材料、超薄零件。這設(shè)計(jì)包括基本傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超聲振動(dòng)系統(tǒng)兩部分，以這樣的組合方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擬定方案一：沒(méi)有任何傳動(dòng)，采用電機(jī)直接輸出動(dòng)力，整個(gè)系統(tǒng)就一根軸，動(dòng)力直接輸出提供到鋸片，實(shí)現(xiàn)切割。如圖21所示。圖21 電機(jī)軸方案二：電機(jī)軸輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)一對(duì)直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)，進(jìn)行降速升扭作用，然后通過(guò)輸出軸將動(dòng)力提供給鋸片，實(shí)現(xiàn)切割。如圖223所示。圖22 直齒輪傳動(dòng)圖23 斜齒輪傳動(dòng)方案三：電機(jī)軸輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器傳遞動(dòng)力，然后通過(guò)輸出軸輸出動(dòng)力給鋸片實(shí)現(xiàn)切割。如圖24所示。圖24 剛性聯(lián)軸器方案的分析：方案一：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，符合傳動(dòng)鏈盡量短的原則，但是沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何傳動(dòng)副，這樣會(huì)導(dǎo)致超聲系統(tǒng)裝置無(wú)法安裝到切割機(jī)上面，所以不合理，不予采納。方案二：經(jīng)過(guò)了直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)，得到了一定的降速升扭的作用，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但是由于小型超聲切割機(jī)是采用嵌入超聲振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲加工，而對(duì)于超聲振動(dòng)來(lái)說(shuō)，超聲振動(dòng)只能振動(dòng)小件的，輕的刀具，所以這對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分有一定的要求，也就是說(shuō)要使切割機(jī)的外形盡可能的小型化，而對(duì)于直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，切割機(jī)的鋸片是裝