旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床的研制及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)超聲加工是集傳統(tǒng)超聲加工與磨粒磨削加工為一體的復(fù)合加工，是加工硬脆性材料的一種有效方法，具有良好的應(yīng)用前景.然而能過(guò)大量文獻(xiàn)的閱讀及實(shí)際的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有生產(chǎn)完善的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床。本文試圖對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床的研制做些工作，設(shè)計(jì)、制作出結(jié)構(gòu)合理、易于操作、性能優(yōu)良、生產(chǎn)效率高適宜于孔、面加工的大功率旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床.在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，探索旋轉(zhuǎn)超聲加工在石材加工上的優(yōu)勢(shì)及工具磨損實(shí)驗(yàn)研究.論文主要內(nèi)容概括如下：

2、 1.利用通用的電子元器件，設(shè)計(jì)適用于本文要求的1000W超聲波電源，根據(jù)不同加工需要，電源應(yīng)具備頻率跟蹤功能、功率可調(diào)及阻抗匹配等特性. 2.依據(jù)一維振動(dòng)理論模型和機(jī)—電等效理論，綜合考慮各環(huán)節(jié)因素，設(shè)計(jì)適用于本文需要的三明治式壓　電陶瓷換能器;從換能器諧振工作點(diǎn)附近導(dǎo)納特性出發(fā)，分析和比較了換能器串并聯(lián)匹配的特點(diǎn)和效果用阻抗分析儀對(duì)設(shè)計(jì)換能器主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，諧振頻率偏離設(shè)計(jì)值僅0.8％，

3、圓滿完成本文換能器的設(shè)計(jì). 3.采用理論解析法近似求解階梯形變幅桿的尺寸大小.借助ANSYS有限元分析對(duì)變幅桿進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)對(duì)比計(jì)算確定了本文設(shè)計(jì)變幅桿的最優(yōu)過(guò)渡圓弧和變幅桿位移節(jié)面的位置，確立了較為準(zhǔn)確的法蘭盤的加工位置，從而最大可能降低超聲振動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)床的連接部分聲耦合以地超聲振動(dòng)系統(tǒng)的影響.將優(yōu)化設(shè)計(jì)的尺寸加工的變幅桿與換能器組裝成整個(gè)超聲振子進(jìn)行阻抗分析，數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)的超聲振子諧振頻率與換以有器諧振頻率相當(dāng)一致

4、，其誤差僅為0.2％。 4.針對(duì)目前超聲加工多數(shù)局限于陶瓷材料小孔加工的現(xiàn)狀，選擇典型的石材作炒工件進(jìn)行包括游離磨料非旋轉(zhuǎn)超聲、游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲和固結(jié)磨料旋轉(zhuǎn)超聲大截面加工實(shí)驗(yàn)研究。目前國(guó)內(nèi)外從事旋轉(zhuǎn)超聲加工研究所用的工具均為電鍍或者粉末冶金燒結(jié)的金剛石工具，但其磨損大，壽命短。眾所周知，釬焊金剛石工具能在結(jié)合界面上實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，具有高出露度的特點(diǎn)，可以提供更大的容悄空間，減小加工過(guò)程中工磨悄和工件的磨擦。但目前還沒(méi)有利用釬

5、焊工具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工的報(bào)道，而且對(duì)于工具端面的形狀對(duì)加工過(guò)程的影響，也少見報(bào)到。為此，從工具材料的選擇，斷續(xù)和連續(xù)環(huán)面工具基體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，釬焊金剛石工具的制備等方面開展工作，為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行做好準(zhǔn)備。 5.在以上工作的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床的設(shè)計(jì)。對(duì)于其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，給予詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。解決了機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)條件下的電能換向問(wèn)題;研制了氣動(dòng)恒力進(jìn)給工作;通過(guò)直流電機(jī)和電源的選擇，設(shè)計(jì)了符合本機(jī)床地求的調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超　

6、振動(dòng)系統(tǒng)的高速、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]操作的便利及安全性，設(shè)計(jì)分離的電箱柜。 6.在完成以上各項(xiàng)工作的情況下，對(duì)選擇的石材工件進(jìn)行不同輸入?yún)?shù)下的三種大截面超聲加工實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)訐材料去除率的大小，觀察工件加工表面質(zhì)量。通過(guò)加工過(guò)程中靜壓力及扭矩變化監(jiān)控，和光學(xué)顯微鏡對(duì)工件加工形貌和工具磨損的觀察、統(tǒng)訐，可以全面認(rèn)識(shí)和分析超聲加工過(guò)程，了解各加工參數(shù)對(duì)加工過(guò)程珠影響，揭示工具磨損的機(jī)理。 7.在游離磨料非旋轉(zhuǎn)超聲加工實(shí)驗(yàn)的研究中，對(duì)于

7、實(shí)驗(yàn)的工具、工件材料和25μm的超聲振幅辦理入條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，靜壓力F0＝60N時(shí)，材料的去除率最大。固定靜壓力F0＝60N不變，材料的去除率隨著工具振幅的增大而增大，于此同時(shí)，表面粗糙度也使之增加，加工表面質(zhì)量下降。 8.在游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲加工中，由于主軸轉(zhuǎn)速的引入，材料的去除率較普通超聲有了大幅度的增加。但是，對(duì)于較大截面的游離磨料旋轉(zhuǎn)超　聲加工，主軸的旋轉(zhuǎn)速度不宜過(guò)大，否則由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，會(huì)導(dǎo)致加工區(qū)域的磨粒分

8、布不均，影響材料的去除能力。與游磨料非旋連續(xù)轉(zhuǎn)超聲加工不同的是，游離磨料旋轉(zhuǎn)超聲加工中，就工件的振幅對(duì)材料的去除率來(lái)說(shuō)，并不是振幅越大越好，而是有個(gè)最佳看振幅值，本實(shí)驗(yàn)中振幅為30μm左右。對(duì)于扭矩的測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn)，扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨著振幅的增大而降低。 9.在釬焊金剛石斷續(xù)工具的旋轉(zhuǎn)超聲加工實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，材料的去除率隨著主軸旋轉(zhuǎn)速度和振幅的提高，都有了大幅度的增加。同樣條件下，斷續(xù)工具的材料去除能力是連續(xù)工具2.5倍以

9、上，而且其壽命得以大大提高。對(duì)于扭矩的測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn)，斷續(xù)工具加工過(guò)程中的扭矩較連續(xù)工具有顯著的降低。 10.在釬焊金剛石的旋轉(zhuǎn)超聲加工中，金剛石磨粒的磨損形式表現(xiàn)為完整、微破、宏破、斷裂和麻平五種形式。對(duì)于不同的工具條件，磨粒磨損過(guò)程存大很大差異，各種磨損形式的比例有所差異。對(duì)于連續(xù)截面工具，加工開始后的一段時(shí)間內(nèi)，磨粒以破碎和斷裂形式快速磨損。而斷續(xù)釬焊工具，在超始階段的加工過(guò)程很平穩(wěn)，金剛石的磨損緩慢，在加工的后期，工具的