【正文】 積很大，極細(xì)的切屑堆積于油石孔壁之間不易排出，造成油石面氣孔的堵塞，因此油石的切削能力極低，油石表面也變的很光滑，此時(shí)的油石磨削相當(dāng)于拋光。這些切屑對油石黏結(jié)劑的磨耗也很小。 （ 1）定壓進(jìn)給珩磨過程 定壓進(jìn)給中，進(jìn)給機(jī)構(gòu)以恒定壓力壓向孔壁，珩磨過程可以根據(jù)油石表面狀態(tài)的變化分為三個(gè)階段： 1）脫落階段 加工初始階段，由于孔表面粗糙，油 石與孔壁的實(shí)際接觸面積小，接觸壓力大，工件孔粗糙表面的凸起部分很快被磨去，而油石面因接觸壓力過大，加上切屑對油石黏結(jié)劑的磨耗使磨粒和黏結(jié)劑間的結(jié)合強(qiáng)度下降，因而有的磨粒在切削力作用下自行脫落，油石面即露出新的磨粒，即為油石的自銳。1S 開始，所以在加工表面上留下如圖 31 所示的特有的珩磨網(wǎng)紋。圖 31 為油石條上一點(diǎn) p 的切削路徑展開圖，即設(shè)旋轉(zhuǎn)速度為 v ，往復(fù)速度為 av ，合成切速度為 ev ： 22eav v v?? 斜角 ? ： 1 /()atg v v? ?? 通常珩磨機(jī)的主運(yùn)動(dòng)速度 v 是由單獨(dú)電機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)被加工工件的交叉角 ? （ 2??? ）確定后， 第 7 頁 共 45 頁 珩磨機(jī)穩(wěn)定工作時(shí) ? 是不變的。前兩種運(yùn)動(dòng)構(gòu)成珩磨的主運(yùn)動(dòng)，并使油石形成螺旋運(yùn)動(dòng)，因此，油石上大量的磨粒就在加工表面上刻劃下螺旋形交叉網(wǎng)紋的珩磨條紋，為避免每條油石的運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)，即不讓油石上的磨粒仍在原先刻出的條痕上刻劃，應(yīng)使油石在一個(gè)雙行程終了時(shí)的位置，相對 其行程的初始位置，在圓周方向上有一個(gè)附加的偏移量。徑向加壓運(yùn)動(dòng)是油石的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓壓力越大，進(jìn)給量就越大。 珩磨加工原理 珩磨是利用安裝在珩磨頭圓周上的若干砂條（油石），由漲開機(jī)構(gòu)將砂條沿徑向漲開，使其壓向工件的孔壁；與此同時(shí)，使珩磨頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對孔進(jìn)行低速磨削和摩擦拋光。 （ 4）具有較高的生產(chǎn)率，對機(jī)床精度的要求低 珩磨是大面積多刃切削加 工，因而具有較高的材料切除率，如珩磨直徑為 100mm 左右的缸套孔，其材料切除率可達(dá) 300～ 500 3/mm s 。但存在高的殘余壓應(yīng)力，這些有利于零件使用壽命的提高。 2）珩磨表面粗糙度 aR 值通常小于 m? 。但珩磨加工不能提高被加工孔的位置精度。加工直徑小于 50mm 的小孔時(shí)，其圓柱度可達(dá) 5 m? ，軸心線直線度可達(dá) 1 m? ；加工 50～ 200mm 中等尺寸孔時(shí)，其圓度誤差為 3～ 5 m? ，孔長在 300～ 400mm 時(shí)，圓柱度可達(dá) 10 m? 以下。現(xiàn)在珩磨已 不僅用做高精度要求的終加工工序，并且還可作為較大余量的中間工序，是一種高效、優(yōu)質(zhì)的加工方法。 3 珩磨 珩磨加工是利用可漲縮的磨頭使珩磨條壓向工作表面，以產(chǎn)生一定的接觸面積和相應(yīng)的壓力，在適當(dāng)?shù)溺衲ヒ鹤饔孟?，珩磨條對被加工表面做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)進(jìn)給的相對綜合運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到改善表面質(zhì)量、改善表面應(yīng)力狀態(tài)和提高被加工零件精度的目的，是一種多刃切削的精加工方法?？紤]到本論文設(shè)計(jì)的是超聲振動(dòng)珩磨裝置，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，彎曲振動(dòng)圓盤是超聲波振動(dòng)珩磨裝置遞振的重要零件 ,該零件的設(shè)計(jì) 、制造質(zhì)量的好壞，直接影響到變幅桿的振動(dòng)能否通過它傳遞到撓 第 4 頁 共 45 頁 性桿上，并保證振動(dòng)時(shí)珩磨桿不振動(dòng)。 超聲振動(dòng)珩磨裝置由超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、珩磨頭體級冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成。 研究的途徑及方法 （ 1）了解 首先通過收集資料，了解我國超聲振動(dòng)加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，對其工作原理和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行深入研究，從而才能設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工程需要和本課題要求的超聲珩磨裝置。 （ 2）掌握機(jī)械加工中珩磨加工原理。1993 年研制成功了 ? 86 鋼質(zhì)薄壁缸套的力式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，該裝置取得了國家專利 。 中北大學(xué)是國內(nèi)研究功率超聲振動(dòng)珩磨的最早單位之一，八十年代初期已進(jìn)行了功率超聲振動(dòng)切削方面的理論研究。近十幾年來，振動(dòng)切削技術(shù)方面的理論研究和應(yīng)用取得了顯著成績，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣西大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)等單位在功率超聲振動(dòng)理論、加工不同材料的實(shí)驗(yàn)、加工精度與表面質(zhì)量、刀具的磨損耐用度等方面的研究中均取得了一定成績，超聲振動(dòng)加工在生產(chǎn)中也得到 了廣泛應(yīng)用。俄羅斯于八十年代末研制出功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，其特點(diǎn)是油石徑向振動(dòng)，借助于在 油石旋轉(zhuǎn)軸線垂直平面內(nèi)發(fā)送超聲振動(dòng)的功率超聲珩磨裝置，油石由于受徑向超聲 振動(dòng)的影響，金剛石顆粒于被加工材料的接觸性質(zhì)起了變化，從而消除了黏結(jié)、堵塞現(xiàn)象，油石表面變的清潔，已加工表面質(zhì)量高。有鑒于此，世界各國目前均在重點(diǎn)開發(fā)和研究超聲振動(dòng)在磨削加工領(lǐng)域的高技術(shù)和應(yīng)用課題，超聲振動(dòng)加工綜合應(yīng)用于磨削加工已經(jīng)成為下一代精密加工的發(fā)展方向之一。但是，由于磨削加工的復(fù)雜性，超聲磨削加工的許多機(jī)理還不十分明了，進(jìn)一步的加工應(yīng)用技術(shù)還在研究之中。 2 綜述 功率超聲珩磨裝置概述 磨削加工是機(jī)械制造中重要的加工工藝，超聲振動(dòng)珩磨加工是近年來新興的一種超精加工技術(shù)。通過努力我改正了在設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤以及不足之處。 這次設(shè)計(jì)是我第一次深入研究超聲振動(dòng)加工的相關(guān)知識。這次設(shè)計(jì)得到了范文斌、祝錫晶老師的悉心指導(dǎo)，同時(shí)也得到了同學(xué)的大力幫助。 第 1 頁 共 45 頁 1 引言 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們走向社會(huì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不盡體現(xiàn)了我們大學(xué)四年學(xué)到知識的多少，還體現(xiàn)了我們獨(dú)立思考、獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。為我們在以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)。在這里我非常感謝老師以及同學(xué)給我的這些幫助。雖然以前學(xué)過相關(guān)理論，但并不是很精湛，所以在設(shè)計(jì)中遇到了一些困難，也出現(xiàn)了一些失誤。但人無 完人，我知道我的這次設(shè)計(jì)還存在許多不足之處，對于在本次設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的這些不足之處，懇請老師予以指正并提出你們的寶貴意見。在超聲振動(dòng)加工技術(shù)的研究方面，日本走在前列，迄今已有許多方面比較成熟并應(yīng)用與實(shí)踐。超聲振動(dòng)加工具有低切削力、低磨削溫度、低的表面粗糙度和高精度，以及被加工零件良好的耐 磨耐腐性，特別是同等加工條件下只需很小的機(jī)床動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。 第 2 頁 共 45 頁 功率超聲珩磨裝置的研究現(xiàn)狀 日本是最早研究、應(yīng)用功率超聲振動(dòng)珩磨的國家，代表人物是隈部淳一郎，他們研究的功率超聲超聲振動(dòng)珩磨裝置的特點(diǎn)是換能器為磁致伸縮換能器，振動(dòng)形式為縱向振動(dòng)，油石以及芯軸等組成的整個(gè)頭體都振動(dòng)。 六十年代初，我國已開始了振動(dòng)切削技術(shù)的研究，直到八十年代初期該技術(shù)才受到普遍重視。在車削、銑削、刨削、磨削、鉆孔、攻絲、珩磨等各種加工方法中都有應(yīng)用，并取得了較好的效果。 1988 年研制成功了臥式功率超聲振動(dòng)珩磨裝置，并通過了北方工業(yè)集團(tuán)公司軍品部鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)成果屬國內(nèi)首創(chuàng)、振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到了八十年代末國際先進(jìn)水平。 第 3 頁 共 45 頁 功率超聲珩磨裝置的研究內(nèi)容及方法 研究內(nèi)容 本課題是關(guān)于“功率超聲珩磨裝置設(shè)計(jì)”的研究，研究的主要任務(wù)和要求是： （ 1）掌握功率超聲振動(dòng)加工的基本原理。 （ 3）在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)功率超聲珩磨加工裝置。 （ 2）存在的不足及研究方法 由于現(xiàn)有的超聲振動(dòng)珩磨裝置傳遞環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量損失大，振動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的匹配性能差，嚴(yán)重影響了超聲珩磨的推廣應(yīng)用，所以在研究本超聲珩磨裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量優(yōu)化設(shè)計(jì)振動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡量減小能量傳遞的損失，讓超聲珩磨裝置工作性能更加穩(wěn)定。對它的研究方法融合了力學(xué)、聲學(xué)、材料學(xué)等諸方面的研究方法。根據(jù)前面的介紹，本論文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是彎曲振動(dòng)圓盤。近幾年來，由于珩磨技術(shù)的發(fā)展，如人造金剛石和立方氮化硼等超硬磨料的應(yīng)用，把珩磨技術(shù)推向一個(gè)新的階段。 珩磨加工的特點(diǎn)： 珩磨加工與一般切削加工相比的下列特點(diǎn)： （ 1）可獲得高的加工精度 珩磨可以在較短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)地獲得較高的形狀精度及尺寸精度。經(jīng)珩磨加工的內(nèi)孔，尺寸精度可達(dá) IT6～ IT7。 （ 2）可以獲得高的表面質(zhì)量 1） 珩磨的加工表面具有交叉網(wǎng)紋，有利于潤滑油的儲(chǔ)存及油膜的 第 5 頁 共 45 頁 保持，能承受較大的載荷，工件耐磨性好。 3）珩磨加工表面幾乎沒有熱損傷、 變質(zhì)層、嵌沙或冷硬現(xiàn)象。 （ 3）加工范圍廣 珩磨能加工各種內(nèi)孔（通孔、盲孔、多臺(tái)階空、圓錐孔、橢圓孔和擺線孔等）、平面、外圓柱表面、球面、齒輪表面、發(fā)動(dòng)機(jī)曲線表面等；能加工的孔徑范圍為 ? 2～ ? 200mm，孔長為 1 ～24000mm、長徑比約為 1/50～ 300；幾乎能加工所有工業(yè)材料。 因珩磨時(shí)珩磨頭或工件要求能浮動(dòng)，珩磨頭與機(jī)床的連接屬于柔性連接，故對機(jī)床的精度要求低，并可用車床、鏜床、鉆床等機(jī)床改裝。旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié) 果，油石上的磨粒在孔的表面上的切削軌跡成交叉而又不重復(fù)的網(wǎng)紋，因而獲得表面粗糙度較小的加工表面。 珩磨運(yùn)動(dòng)過程 珩磨時(shí)，珩磨頭由機(jī)床主軸帶動(dòng)相對工件作旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn) 第 6 頁 共 45 頁 動(dòng)，同時(shí)油石對被加工表面作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 圖 31 珩磨網(wǎng)紋生成原理 圖 31 表示了珩磨網(wǎng)紋的生成原理。一根油石條的路徑是 S S S3，在與之對稱的位置上的油石條從相位差為半周的 39。 珩磨加工過程 在珩磨的切削過程中，油石的表面狀態(tài)、油石的壓力、被加工表面三者的變化情況及相關(guān)關(guān)系，因采用的擴(kuò)漲進(jìn)給方式不同而不同。 2）破碎切削階段 隨著珩磨的進(jìn)行，孔表面越來越光滑，接觸面積也逐漸增大，單位面積接觸壓力下降，切削效率低，同時(shí)切下的切屑既少又細(xì)。因此，油石面的磨粒脫落很少，油石主要不是靠新磨粒切削，而是由磨粒尖頂切削，因此磨粒尖頂?shù)呢?fù)荷很大，磨粒易于破裂、崩 碎而形成新的切削刃。但當(dāng)油石堵塞嚴(yán)重而產(chǎn)生黏結(jié)性堵塞時(shí)，油石完全失去切削能力并嚴(yán)重 第 8 頁 共 45 頁 發(fā)熱，加工精度與表面粗糙度均可受到破壞。 圖 32 中粗折線表示珩磨的磨削量和油石損耗量與時(shí)間的關(guān)系，雙點(diǎn)劃線將珩磨過程分為三個(gè)階段，兩條水平虛線Ⅰ和Ⅱ代表不同的工件前工序表面粗糙度或磨粒直徑，水平虛線 Ⅰ位置高，表示前工序表面粗糙度值小或磨粒直徑大，因而破碎切削時(shí)間延長，脫落切削及堵塞切削的時(shí)間縮短。這三個(gè)切削階段不一定在同一工件的加工過程中表現(xiàn)出來。 ⅡⅠ單位時(shí)間內(nèi)磨削量、油石磨耗量加工時(shí)間 圖 32 珩磨磨削階段的劃分 1—— 脫 落切削區(qū) 2—— 破碎切削區(qū) 第 9 頁 共 45 頁 3—— 堵塞切削區(qū) （ 2）定量進(jìn)給珩磨過程 定量進(jìn)給珩磨時(shí)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)以恒定的速度擴(kuò)漲進(jìn)給，使磨粒強(qiáng)制性的進(jìn)入工件，因此珩磨過程只存在脫落切削和破碎切削，不可能產(chǎn)生堵塞切削現(xiàn)象。 （ 3）定壓 定量進(jìn)給珩磨過程 加工開始以定壓進(jìn)給珩磨，當(dāng)油石進(jìn)入堵塞切削階段時(shí)，轉(zhuǎn)化為定 量進(jìn)給方式珩磨，讓磨粒只產(chǎn)生脫落、破碎使油石恢復(fù)切削能力，提高效率，最后可用無進(jìn)給珩磨提高孔的精度和降低表面粗糙度。切削過程中，刀具周期性的離開和接觸工件，其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向是不斷變化的。 超聲波振動(dòng)加工的工藝效果 關(guān)于超聲振動(dòng)加工的工藝效果主要有以下幾個(gè)方面： （ 1）切削力小的效果 超 聲振動(dòng)加工時(shí)，切削速度的大小和方向產(chǎn)生周期性的變化，這種變化改變了整個(gè)工藝系統(tǒng)的受力情況。在這純切削時(shí)間內(nèi)，切刃沿切削法向那些的切削長度 5/ 8 10tl v f m m?? ? ? 。在一個(gè)切削循環(huán)過程中，切刃在很小的的位移上可獲得很大的瞬時(shí)切削速度和切削加速度，在局部產(chǎn)生很高的能量。因此可以想象，這時(shí)被加工材料在局部微小體積內(nèi)必將發(fā)生重大變化。對一些塑性大的材料下降程度更大。 大幅度降低磨削力正是磨削工作者多年來追 求的目標(biāo)，超聲振動(dòng)磨削加工為這一目標(biāo)提供了有效的手段。 （ 3） 低的表面粗糙度和高的加工精度效果 超聲波振動(dòng)切削由于脈沖力作用破壞了產(chǎn)生積屑瘤的條件，又由于切削力小，切削溫度低，使被加工表面粗糙度大大降低，表面幾何精度 第 11 頁 共 45 頁 大幅度提高。由于工件也不隨時(shí)間發(fā) 生變動(dòng)，送而為提高加工精度創(chuàng)造了條件。 （ 4） 提高了切削液的使用效果 振動(dòng)磨削時(shí)，珩磨過程是斷續(xù)發(fā)生的，當(dāng)磨刃與工件分離時(shí)，珩磨液可以順利的進(jìn)入磨削區(qū)，包圍著磨粒進(jìn)行冷卻潤滑。此外超聲振動(dòng)所形成的空化作用，一方面也可使珩磨液均勻浮化；另一方面，切削液更容易滲到材料的微裂紋內(nèi)，進(jìn)一步提高了珩磨液的使用效果。其實(shí)質(zhì)是將超聲振動(dòng)與普通珩磨相復(fù)合的一種加工方法。三種振動(dòng)方式都使油石的合成速度附加了正弦波的振動(dòng)，若油石振動(dòng)形式為正弦波 sin2A ft? ，則合成速度變化如圖 41 所示： 第 12 頁 共 45 頁 圖 41 合成速度分析 第 13 頁 共 45 頁 軸向振動(dòng)： 22()ea a fv v v v? ? ? 22( ) ( 2 c o s 2 )ad n v A f ft