小型超声振动加工设备设计Word文档格式.docx

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1.1

小型超声加工设备的选题背景及意义

随着科技的不断发展，硬脆材料，例如聚晶粒金刚石、工程陶瓷、硬质合金等由于

具有良好的机械性能而在现代工业、国防科技等领域内得到了广泛的应用。

但是，材料

本身固有的硬脆特性使其加工性能变差，至今还没有形成一套较为成熟、实用的加工方

法体系，这在一定程度上限制了硬脆材料在许多领域的应用[1]。

另外，随着科技的发展，虽然传统的加工制造技术自身得到了长足的发展并与其它

技术不断的融合。

众多研究人员对以往很难加工的硬脆，超硬脆材料的加工进行了大量

的研究工作，并取得了一定的成就[2]。

但是，在实际的加工中，超声加工、电火花加工

等特种加工方法仍然是硬脆材料的主要加工方式。

经过半个多世纪的研究与发展，特种加工技术已经成为制造领域不可缺少的重要组

成部分。

其中，超声波加工和电火花加工方法已经比较成熟，也是目前应用最广泛的特

种加工方法。

据统计，目前电火花加工机床已经占机床市场的

6%。

近年来许多学者充

分利用电火花加工、超声波加工等加工方法的优点，将两种或多种加工方法融合，在加

工过程中使其互为有利条件来改善加工状态，提高材料去除率。

同时，新工艺、新概念

不断充实到特种加工技术中，为特种加工的发展注入了新的活力，促使特种加工向精密、

高效、智能方向发展。

目前，现有的加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要，特别是加工成本过高，

阻碍了新材料及复杂零件的推广。

因此，超硬脆材料加工技术的研究与先进加工设备的

开发，具有十分明显的经济意义和社会意义。

于是，整合超声加工、放电加工和传统磨

削加工优点的超声复合加工设备的研究应运而生。

1.2

国内外超声加工技术发展概况和前景

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的

磨料对被加工表面的锤击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，在英语中称为

（Ultrasonicmachining

）。

超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。

原苏联的超声加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表了很多有

价值的论文。

在超声切削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并

取得了良好的经济效果。

我国的超声加工技术始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削研究，

1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声波研磨机。

1982年，上海钢管厂、

中国科学院声学研究所及上海超声仪器厂研制成功超声波拉管设备。

20

世纪末到本世

纪初的几十年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝

模、型腔模具、研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、玛

瑙、玉石、花岗岩、大理石、淬火刚、模具钢、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解

决了许多关键性问题，取得了良好的效果。

将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。

超声复合加

工，强化了原有加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，

实现了低耗高效的目标。

罗马尼亚的学者对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究，建立了电极

在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间

隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。

该研究直

接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能[3]。

法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。

结果表明，超声

振动提高了加工速度,并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的

面积增大。

北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进

行研究。

于1987年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。

这项发明技术是世

界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。

与纯

超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。

山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究，并对工程陶瓷进行

了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特性。

结果表明，超声频间隙脉冲放电加工

的加工效率高于普通电火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普

通电火花加工[4]。

南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究，它跟以往

的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作

液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。

研究结果表

明，工件越薄对排屑就越有利，加工速度提高的越快。

南京航空航天大学对硬脆金属材

料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。

结果表明，该复合加工方法使加工速度、

精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。

导轨的有效行程：

300mm

目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。

哈尔滨工业大

学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工

中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景[5]。

随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究

新的工作介质是解决这个问题的关键。

超声波加工技术发展及其取得的应用成果是可喜

的，展望未来超声振动对改善硬脆材料的加工性问题有一定的指导意义。

未来发展方向

应重点解决超声波加工在微机械加工中的应用问题，尽量设计出加工精度高，可靠性高，

生产成本低的超声加工设备。

1.3

本课题的主要设计任务及参数

本课题的主要设计任务是设计本台小型超声振动加工设备的床身、主轴振动系统、

进给系统等。

具体是：

完成超声振动加工设备的总体方案；

确定各系统的功能；

进行超

声振动加工设备的主轴头振动系统、主轴的进给执行机构和旋转加工机构进行详细的设

计和计算；

绘制总装配图和重要零件的二维图；

设备总体的三维造型。

本课题的主要设

计参数如下：

；

工具头振幅：

10mm；

工作台有效行程200´

200mm。

2超声振动复合加工中的加工原理及特点

2.1

超声振动加工的原理

超声加工的工作原理是：

由超声发生器产生高频电振荡（一般为16～25千赫），施

加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。

超声振动通过变幅杆放大振幅，

并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。

工具端部通过磨料

不断地锤击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，

工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。

总之，超声波加工是磨料悬

浮液中的磨粒，在超声振动下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。

其

中，磨粒的撞击作用是主要的。

由此可见，脆硬的材料，越受冲击作用越容易被破坏，

故尤其适于超声加工。

所谓“空化”作用：

是指当工具端面以很大的加速度离开工件表

面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体中形成很多微腔，当工具以很大加

速度接近工件时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程[7]。

超声加工的主要特点是：

不受材料是否导电的限制；

工具对工件的宏观作用力小、

热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；

被加工材料的脆性越大越容易加工，材

料越硬或强度、韧性越大则越难加工；

由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的

硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；

可以与其他多种加工

方法结合应用。

图2.1

所示是超声波加工原理图。

图2.1超声波加工原理图

在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振荡波,经过换能器转

换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局

部破坏而撞击下来。

在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加

工过程。

因此,超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的干磨料或液体介质产生磨

料的冲击，超声振动系统由换能器、变幅杆，超声波发生器等部件组成。

2.2

放电加工的原理

电火花加工起源于1943年，前苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐

蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化而被蚀除掉。

研究

结果表明，电火花腐蚀的主要原因是电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，使金

属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。

电火花加工是通过工件和工具电极

间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能的加工方法。

电火花成型加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。

工具电极和工件均淹没于具

有一定绝缘性能的工作液中。

在自动进给调节装置的控制下，当工具电极与工件的距离

小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，两极间最近处的工作液被击穿，工具电极不断

地向工件进给，就可以将工具电极的形状复制到工件上，加工出所需要的和工具形状阴

阳相反的零件。

电火花加工应具备的条件：

1.必须是工具电极和工件被加工面之间经常保持一定的

放电间隙。

通常约为几微米到几百微米。

间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而

不会产生火花放电。

间隙过小，容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。

在电火

花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。

2.火花放电必须是瞬时的脉冲

性放电。

放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为

10-7～10-3s

。

目的是使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在

很小的范围内，否则，像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。

为此，

电火花加工必须采用脉冲电源。

3.电火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进

行，例如煤油、皂化液或去离子水等。

液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘

强度，以利于产生脉冲性的火花放电。

液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属

切屑、碳黑等放电蚀除物，在放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好

的冷却作用。

2.3

辅助磨削加工的机理

在磨削加工中，加工过程受磨粒形状、尺寸和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律

复杂性等因素的影响，磨削加工过程非常复杂。

硬脆材料在磨粒磨削作用下的受力情况

很复杂，在磨削刃尖附近，材料受到很高的压力产生剪切移动或者剪切破坏形成密实核。

远离磨粒刃尖的区域发生大块的张性崩碎[8]，即磨粒前端和磨粒下面材料破碎是在磨粒

加工的表面圆周应力和