毕业设计（论文）珩磨装置设计

河南理工大学毕业设计（论文）摘 要超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或于磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声珩磨加工是利用超声振动的工具端面，促使悬浮在工作液体中的固结磨粒冲击工件表面，去除工件表面材料的加工方法。本次设计系统的介绍超声振动珩磨技术发展的概况。超声振动珩磨装置的总体设计；超声振动珩磨声学系统设计：超声波发生器和换能器的选用、变幅杆的设计计算、振动圆盘的设计计算、以及挠性杆和油石子系统的设计等；还包括关键机械机构的设计：电刷机构、分度进给机构、与夹具的配备形式-球头浮动连接等。并通过比较论证进一步阐述了超声振动珩磨技术的发展前景和应用范围。关键词：超声加工、变幅杆、珩磨、振动圆盘、油石Abstract Ultrasonic processing is the use of ultrasonic vibration tools in abrasive liquid medium, or abrasive produce abrasive shocks, he finds, hydraulic shocks and the resulting gas piping role in the removal of materials, or to the instrument or working along a certain direction by ultrasonic vibration frequency vibration for processing, or using ultrasonic vibration to her combined processing methods. Ultrasonic Honing processing is the use of ultrasonic vibration tools carry noodles, to the consolidation of liquid suspended in the work piece surface Moli shocks, removed her surface materials processing methods. This design system introduced ultrasonic vibration Honing technological development profile. Ultrasonic vibration Honing device design; Ultrasonic vibration Honing acoustic system designs: ultrasound generator and other devices to use, change Deputy pole design calculations, vibration disk design calculations, and flexibleness pole and rock subsystem design; The design also includes key machinery agencies: electronics brush agencies, sub-degrees into the body, jig equipped with the ball form - the first floating connecting. And through comparative study further elaborated ultrasonic vibration Honing technology development prospects and applications. Key words: Ultrasonic processing, percentage changes pole, Honing, vibration disk, rock 第一章 前 言毕业设计是本科学习最为关键的一部分。毕业设计是对大学四年来所学知识的系统的总结和综合运用，同时又是对我们分析和解决问题的检验与巩固，更是我们以后即将从事的专业性工作的正常过度，我们可以紧紧抓住这个机会认真学习并搞好毕业设计。众所周知，它对我们即将走上工作岗位或者更进一步深造有非常重要的意义，它将把我们过去的理论学习引向一个更高的层次。我想我们还要对本次设计给予更进一步的认识，那是什么呢？本次设计：（1）它多角度的培养我们综合运用和扩大所学知识面的能力，以提高理论联系实际的能力。（2）它让我们温故知新，使我掌握一般的机械设计的方法和步骤，以提高结构设计、工艺分析、方案评价、方案对比等实际的综合能力，从而掌握了超精加工和精加工的设备设计思想以及更多机械装置的工作原理。（3）它通过要求我们掌握细致的数据、准确的制图，培养了我们收集、整理、分析及运用资料的能力，提高我们独立工作的能力。 （4）它让我们在近一个多月的设计学习中，训练和提高设计的基本技能，如计算、制图以及方案的提出和优化选择能力。 （5）它在我们经常忽略的地方突然以新颖的形式出现，大大提高了我们适应设计环境的能力。我将尽最大的努力查阅资料，请教在此方面有所建树的老师以汲取他们的经验，同时也请他们指出本次设计过程中的不足之处。 （6）它不仅仅局限在机械基础知识上，另外涉及了有关电学、材料学、力学等多学科知识，使我们对交叉学科有了一定的涉足，拓宽了我们的知识面，更激发了进行本专业工作、学习的激情与兴趣。“珩磨装置设计”主要有以下几部分：装备简述、设计规划、方案、零件和机构设计以及校核。为了更好的展现以及表达我的设计，我力求图文并茂的对超声珩磨的工作和原理进行详尽的说明，但是设计工作对我们来说只是初步接触，难免在设计中有不足、不完善的地方，我将尽最大的努力查阅资料，请教在此方面有所建树的老师以汲取他们的经验，同时也请他们指出本次设计过程中的不足之处，力求做到及时修改尽自己最大的努力把设计搞好，力求把的产品设计得更具有良好的实用性，经济性和产品性能更可靠。 由于此次设计的角度限制和知识的不够系统和不够完善，难免有错误和不足之处敬请老师批评指正以完善此次设计，本人将感激终生。另外，我也要真诚祝愿各位老师今后工作取得更大的成绩并为社会主义祖国培养出越来越多的优秀人才。我相信在老师们辛勤的培养之下一定不乏有大量的高级知识分子来回报各位老师的辛勤付出，也希望在以后的工作学习过程中得到老师们继续热忱的知道和帮助。 毕业设计终究是一次深刻的检验，它会让我们发现不足，大使它又允许我们有充足的时间来弥补错误取得更加完整的系统化知识。那么我究竟在这个过程是如何做的呢？首先，在聆听了指导老师的部署安排以后，就着手在图书馆及电子图书馆去查阅了丰富的相关理论知识与各种介绍材料，逐渐取得了这种设计前期准备工作的良好开端。接下来，经过老师以及相关单位允许，深入地观看了本次设计的产品“超声珩磨装置”，更加坚定了自己做好毕业设计的信心和决心。然后，在与同学们的讨论及其老师的建议之后，开始规划自己在这紧凑的一个月时间里的设计计划。终于，明确自己应该先分析零部件结构以及工作原理，然后分别计算并查阅相关数据以致完成草图设计的全部尺寸及配合要求。在设计过程中得到了老师的有力知道非常感谢，以及在计算过程中遇到查阅不到的数据都在老师的耐心帮助下完成的。在尺寸以及配合要求以后，着手画出CAD图。最后经过紧张的准备以后，开始整理各种完成的前面的部分的工作，包括写出设计说明书、实习报告、画出了用以表达我们的思想的CAD制图和手工图 ，并且完成了老师交给的另一项重要的任务专业学术论文翻译。 至此，整个毕业设计已接近尾声，我们所忙碌的成果即将接受检验。同时我相信，付出的汗水会是会有相应的收获的。我真诚欢迎各位老师不吝赐教，让我们开共同郑重地见证本次毕业设计。第二章 超声加工技术及总体方案设计 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来说，正常人听觉的频率上限l620kHz之间，随年龄、健康状况等有所不同。值得注意的是，人们习惯上常把以工程应用为目的，而不是以听觉为目的的某些对听声的应用亦列入超声技术的研究范围。因此，在实际应用中，有些超声技术使用的频率可能在16kHz以下。而超声波频率的上限是10Hz，整个频率范围是相当宽广的。 超声波是声波的一部分，因此它遵循声波传播的基本规律。但超声波也有与可听声不同的一些突出特点。例如，超声波由于频率可以很高，因而传播的方向性较强，同时超声设备的几何尺寸可以较小；超声波传播过程中，介质质点振动的加速度非常大；在液体介质中，当超声波的强度达到一定值以后便产生空化现象，等等。正是这些特点，决定了超声波具有与可听声不同的、领域相当广阔的各种用途。21超声加工技术发展概况 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或于磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220v或380v的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，FSavrt曾用一个多齿的齿轮，第一次人工产生了2.410Hz的超声波，1876年加尔顿(F.Galton)的气哨实验产生的超声波的频率达到了310kHz，后改用氢气时，其频率达到了810kHz。这些实验使人们开始对超声波的性质有了一定的认识。 对超声学的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克(Titanic)号在首航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测冰山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦察德国潜艇的紧张研究。1916年以法国著名物理学家郎之万(P.Langcvin)为首的科学家开始研究产生和运用水下超声作为侦察手段，并在1918年发现压电效应可使石英板振动，制成了可用作超声源的石英压电振荡器。这就是现代声学的开端。 1927年，美国物理学家伍德(R.W.Wood)和卢米斯(A.E.Loomis)最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科思制成第一台实用的超声加工机，并引起广泛关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。 日本是较早研究超声加工技术的国家，20世纪50年代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正高教授，超音波工学形论和实际是他的代表作；另一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，精密加工、振功切削基础和应用是他的代表作。日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声动系统。1977年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对大型船用柴油机缸套进行镗孔。 原苏联的超声加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、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。为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。到80年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。 20世纪70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔已经处于试验性生产设备原型阶段。1979年通用超声振动切削系统已供应工业界应用。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。例如，英国于1964年提出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削的研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1983年10月，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985年，广西大学、南京电影机械厂和南京刀具厂联合开发了我国第一套“CZQ250A型”超声振动切削系统。同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了良好的工艺效果。1987年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年，我国研制成功超声珩磨装置。1991年研制成功变截面细长杆超声车削装置。 20世纪末到本世纪初的十几年间，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、拉丝模具型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、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。2.1.1 超声加工技术的概况 超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但有关工艺与设备的相关技术有待于进一步研究开发。 (1)超声振动切削技术 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。 研制和采用新的刀具材料。在现代产品中，难加工材料所占的比例越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与使用上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。 对振动切削机理深入研究。当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中在对振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析和振动切削机理的微观研究及数学描述两个方面。 超声椭圆振动切削的研究与推广。超声椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加坡等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究工作。但是，超声椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部品和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。超声铣削加工技术。基于分层去除技术思想的超声铣削加工技术正在被更多的学者所关注。大连理工大学研制了超声数控铣削机床，提出了一种新的利用超声铣削加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削数控加工技术解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题，使加工带有尖角和锐边的复杂型面三维工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷和其他超硬材料的广泛应用提供了有力的技术支持。 (2)超声复合加工技术 目前，超声电火花机械三元复合加工技术已经得到较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声电火花磨料三元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。 针对现代模具手动光整加工的弊端，华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP人工神经网络对加工表面粗糙度进行了预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地用于形状复杂的模具型腔光整加工。但包括材料去除机理的许多方面的内容有待进一步研究。近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条新的途径。但该技术在加工过程中短路频繁，山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究。在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电火花铣削技术正在受到重视，哈尔滨工业大学研究了超声辅助分层去除微细电火花加工技术，对电极轴向施加的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性等方面起到了重要的作用但是该工艺尚有待于进一步完善以达到实用化。由于新材料(尤其是难加工材料)的涌现和对产品质量与生产效益的要求不断提高，新的加工方法也不断出现。可以预见，超声复合加工将日益显现出其独特的魅力，并将拓展其更加广阔的应用领域。(3)微细超声加工技术随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化，特别是随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，硬脆材料的高精度三维微细加上技术己成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定于超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。东京大学生产技术研究所对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5m的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。同其他特种加工技术一样，超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前超声加工技术主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及对具有小孔窄缝而清洁度要求较高的零件的清洗。可以预测，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。 综上所述，超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术的发展又为材料的加工提供了一种强有力的加工手段，而促进了材料加工的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。2.1.2超声加工的特点和用途1、 超声加工的特点适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。既可加工玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨、金刚石、大理石等不导电的非金属材料，又可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、铁合金等硬质或耐热导电的金属材料。由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ru0.63一0.08mm，尺寸度可达0.03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般地，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。 可以与其他多种加工方法结合应用，如超声电火花加工和超声电解加工等。 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大、故生产率较低。 利用超声焊接技术可以实现同种或异种材料的焊接，不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊接处理要求不高。2、超声加工的用途超声加工与其他加工方法相结合，逐渐形成了多种多样的超声加工方法和方式在生产中获得了广泛的应用。超声加工的应用范围列于表21。随着超声加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩大。超声材料去除加工超声切削加工超声车削、超声钻削、超声镗削、超声插齿、超声滚齿、超声攻丝、超声锯料、超声铣削、超声振动铰孔超声磨削加工超声修整砂轮，超声清洗砂轮、超声磨削、超声磨齿磨料冲击加工超声打孔、超声切割、超声珩齿超声焊接和其他应用超声焊接、超声清洗、超声电镀超声塑性加工超声拉丝、超声拉管超声冲截、超声轧制、超声弯管、超声挤压超声复合加工超声电火花复合加工超声电解复合加工表2-12.1.3超声珩磨技术 普通珩磨时，油石易堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨钢、铝、钛合金等韧件材料管件时，油石极易堵塞，从而导致油石寿命的过早结束，零件已加工表面质量差，加工效率很低。使用超硬磨料制作的油石进行普通珩磨时，由于价格昂贵，若发生油石严重堵塞现象，使其性能不能充分发挥会造成严重浪费。 超声珩磨具有珩磨力小、珩磨温度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工质量好、零件滑动面耐磨性高等许多优点，完全能够解决普通珩磨存在的问题尤其是铜、铝、钛合金等韧性材料管件以及陶瓷、淬火钢等硬脆材料管件的珩磨问题。超声技术用于珩磨是功率超声应用的新发展，超声技术用于珩磨加工的技术难度比用于切削大，原因在于超声能量从换能器传输到油石上去的路径长，能量传递元件多，需要转换振动方向，需要有较大功率的超声设备，并且对超声的传输效率要求也高，否则不但在加工区得不到足够的声能使效果变差，而且容易损坏超声振动系统。因此研制超声珩磨装置，开展超声珩磨工艺及其应用的研究，是非常必要的。2.2总体方案确定及其超声珩磨装置2.2.1总体方案确定超声能量是利用超声珩磨装置传输到珩磨加工区的。根据油石的振动方向，超声珩磨装置可分为纵向振动超声珩磨装置和弯曲振动超声珩磨装置两种类型。图21是纵向振动超声珩磨装置。超声珩磨装置由珩磨头体、珩磨杆、浮动机构、油石胀开机构、超声振动系统等五个部分构成，它是超声珩磨工艺系统的关键部分。而超声振动系统又由换能器、变幅杆、弯曲振动圆盘、挠性杆油石座振动子系统、油石等零部件组成。超声振动系统的工作原理是：换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，变幅杆将换能器的纵向振动放大后传给弯曲振动圆盘，挠性杆再将弯曲振动圆盘的弯曲振动变成纵向振动后传给油石座，油石座带动与连接在一起的油石进行纵向振功。 图 2-1 纵向振动超声珩磨装置1、2、3珩磨油石；4-挠性杆；5-弯曲振动圆盘；6-变幅杆；7-换能器；8-珩磨杆；9-弹簧；10-油石座；11-珩磨头体；A-油石振动方向；BC-往复运动和回转运动方向。在图21中，件1、2、3表示在位移节点附近断开、与油石座连接在一起的珩磨油石，件7是纵向振动换能器，件4是挠性杆，它的一端连接在弯曲振动圆盘5的振动腹上，另一端同油石座10相连。弯曲振动圆盘5是在变幅杆6的推动下产生弯曲振动的。弯的振动圆盘5通过挠性杆4把纵向振动换能器的振动能量分配到各个油石座上，而油石沿着箭头A所指的方向进行纵向振动，并于箭头C、B所指的回转运功及直线往复运动叠加在一起进行超声珩磨加工。2.2.2超声珩磨装置1) 超声波发生器 超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡放大型和逆变型两种。常用的电子管发生器、晶体管发生器和模拟集成电路发生器均属于前一种，可控硅发生器则属于后一种。在这里我们只讨论前者，后者在实际应用中很少遇到。1、模拟电路超声波发生器图22为振荡放大型超声波发生器结构方框图。由图中可以看出，振荡放大型超声波发生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器。但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载，所以它在结构上又有自己的特点。下面逐一介绍超声波发生器的各个部分。图2-21.1 超声波振荡器 超声波振荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。它可以是一个独立的振荡器，也可以是一个反馈网络。习惯上，把前一种称为它激式超声波发生器，后一种则称为自激式超声波发生器。它激方式产生的超声波振荡频率比较稳定，并且可以在较宽的频率范围内调节。自激式超声波发生器的结构比较简单，且有利于实现频率的自动跟踪。1.2 超声波放大器 超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器是用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管(三极管、场效应管和IGBT器件)。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。(1)晶体管超声波放大器目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路所垄断。与电子管发生器相比，晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲，由于受到反向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器纳输出能力，除了有赖于高性能器件的开发外，还必须采用高效率的电路。 (2)绝缘栅双极型晶体管(1GBT)放大器 随着电力电子器件的发展，特别是IGBT的发展和成熟，开关式放大器的输出功率提高很多。IGBT是一种MOS管与双极型晶体管结合的产物，既有MOS管开关频率高(40-50kHz)，驱动简单等优点，又有双极型晶体管导通压降小、耐压高、抗冲击能力强等优点。最大功率输出可以达到5KW，是理想的超声波放大器件。1.3 匹配电路和频率自动跟踪超声波发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发声器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常地工作。2 数字电路超声波发生器2.1 数字电路起声波发生器的基本原理 采用数字电路超声波发生器，可以消除温度漂移等常规模拟发生器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自功诊断，有助于实现超声波发生器的智能化。2) 超声换能器超声换能器是超声振动系统的核心部件。超声加工处理设备利用超声换能器的作用将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工处理。目前，广泛采用的超声换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器两大类，下面我们将根据材料的特性和换能器的工作原理对这两类换能器分别进行讨论。1、磁致伸缩换能器的工作原理 磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料制作的铁芯外面缠绕线圈面成，如图23所示。当线圈中通以定直流电流产生最佳偏磁场后，再通以交变电流I使其产生交变磁场，位移作用于之上，由此铁芯中的磁场将在水平上变化。在交变磁场的作用下，由于材料的磁致伸缩效应(焦耳效应)，换能器两端面产生与交流电频率相同的交变伸缩，当交变电流的频率与换能器的共振频率一致时，换能器短部振动最强烈，由此从换能器两端面向介质辐射出超声波。图23 磁致伸缩换能器1.1 磁致伸缩换能器的材料对用于磁致伸缩换能器材料的基本要求：1) 磁致伸缩应力常数要尽可能大；2) 磁滞及涡流损耗要尽可能小；3) 对高强度辐射换能器所用的材料，饱和磁致伸缩值要大；4) 材料疲劳强度要高；5) 对于金属磁致伸缩材料，要易于轧制成薄片及加工成型。 常用磁致伸缩材料可分为两大类，一类是金属磁致伸缩材料，如镍、铁钴合金、铝铁合金等；另类是铁氧体磁致伸缩材料。常用的铁氧体磁致伸缩材料有镍铜系和镍锌系铁氧体。2、压电换能器21 晶体的压电效应及压电换能器的工作原理 (1)晶体的压电效应 具有压电性能的晶体统称为压电晶体。对这种晶体在适当的方向上施加作用力时，其内部的电极化状态会发生变化，产生内部电场，并会在压电晶体相对两表面内出现与外力成正比的、符号相反的束缚电荷，这种外力作用使压电晶体带电的现象叫做压电效应。相反，若在压电晶体上加一外电场，在此电场作用下，压电晶体内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象、这一现象叫做逆压电效应。压电晶体通过逆压电效应可以将电能转换成机械能。其他压电材料(包括压电陶瓷等材料)也具有上述特性。 有两种压电效应是很常用的，一种是形变的方向与电场的方向相重合，这种压电效应如图2-4所示，称之为纵向压电效应；另一种是形变的方向与电场的方向相垂直，这种压电效应如图25所示，称之为横向压电效应。图 24 纵向压电效应 图 25 横向压电效应(2)压电换能器的工作原理压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性，即上述压电晶体的逆压电效应而制成的超声换能器，如图26所示，将压电材料做成片状，上下两面涂上银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两电极间加上电场。可能出现两种情况：图26 压电换能器的工作原理1) 外加电场与压电片极化方向相同。外加电场起到了使压电片的极化度增大的作用。极化强度的增大，使压电片沿极化方向产生伸长的形变。2) 外加电场与极化方向相反。反向电场将削弱压电片的极化强度，使压电片沿极化方向产生缩短的形变。 利用这两种现象，将外加电场换为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波。当外加电场频率与压电片固有频率相同产生谐振时，压电片振动最大，声辐射也最强烈。22 压电换能器的结构形式。 超声加工处理设备中常用的压电换能器结构形式有以下几类： 薄长片形换能器； 圆环形换能器； 薄圆片形换能器，又分薄圆片换能器和薄圆片加透声板的复合换能器； 夹心式换能器，又分螺杆夹心式换能器、胀力壳夹心式换能器、多孔结构宽频带夹心式换能器。图2-7薄长片形换能器 图2-8圆环形换能器3) 变幅杆1 概述 超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器，其外形通常为变截面杆，是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。在超声振动系统工作过程中，由超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，当工作频率在20kHz范围内超声换能器辐射面的振幅只有几微米，而在超声加工、超声焊接、超声搪锡、超声破坏细胞、超声金属成型(包括超声冷拔管丝和铆接)等大量高强度超声应用中所需要的振幅大约为几十至几百微米，所以必须借助变幅杆的作用将机械振动质点的位移量和运动速度进行放大，并将超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用。超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间架起桥梁，进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。此外，在超声加工处理设备的结构工艺上，通常在变幅杆或半波长等截面杆(即振幅放大倍数等于1)的波节平面处加带一个法兰盘，利用法兰盘将超声振动系统固装在超声设备上。在向高温介质或腐蚀介质辐射超声能量时，还可以借助于变幅杆把换能器与恶劣环境隔离开，使换能器避免被腐蚀，减少受到热的影响。 变幅杆可分为纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、扭转振动变幅杆。其中纵向振动变幅杆可分为简单形、复合形。简单形又可分为；指数形、圆锥形、悬链形、阶梯形。而复合形是由各种简单形变幅杆根据实际需要组合而成的。纵向振动变幅杆单一变幅杆(1)单一变幅杆的特件参数超声变幅杆的性能主要是由变幅杆的共振长度，放大系数，形状因数，位移节点，输入力阻抗和弯曲劲度等参数加以描述的。其中放大系数是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，通过变幅杆所能达到的最大振动速度也越大。如等截面杆的值为1，常用变幅杆的值都接近于3，而某些特殊形状的变幅杆，值可达5左右；输入力阻抗定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化而变化的幅度要小；弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数，弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。4) 弯曲振动圆盘弯曲振动圆盘位于变幅杆和珩磨杆之间。它是超声所磨装置递振的重要零件，该零件的设计、制造质量的好坏，直接影响到变幅杆的振动能否通过它传递到挠性杆上，并保证振动时珩磨杆不振动。因此，弯曲振动圆盘设计时必须满足如下条件： 谐振频率接近理想值； 圆盘波腹振幅大于一定数值； 准确地确定圆周节线位置； 使圆盘圆周节线附近的振动传递到珩磨杆上的振幅达到最小，最好是零； 圆盘有足够的刚度和强度。图2-9 弯曲振动圆盘(2)挠性杆-油石座振动子系统 图 2-10超声珩磨装置(轴向)的挠性杆油石座振动子系统是由两段不同截面的均匀杆组成如图所示，其频率方程为式中，、为挠性杆和油石座声速；、为挠性杆和油石座长图 2-10 挠性杆-油石座振动子系统度；、为挠性杆和油石座截面积；、为挠性杆和油石座材料密度；为角频率。5) 油石 超声珩磨油石是超声珩磨装置的磨具。在超声珩磨中，超声能量最终要通过油石传递珩磨加工区。超声珩磨油石性能的优劣，直接影响到超声珩磨的工艺效果。如何保证超声能量可靠地传输到油石上，油石在超声能量作用下的工况如何，超声珩磨油石的磨料如何选择，一直是从事设计、研制超声珩磨装置的科研人员和工厂技术人员所关心的问题。6) 油石和油石座的连接方法 在很高的瞬时最大加速度的作用下，为了保证超声能可靠、高效的传输，为了保证油石不会从油石座上脱落下来油石和油石座的连接方法研究成功了四种连接方法。1.粘接法粘接剂的性能应该满足抗拉强度大、耐高温（150）、传声效率高、寿命长的要求。粘接前，应将油石和油石座的被粘接面用砂布打糙，然后使用丙酮或汽油将油石座的被粘接面清洗干净涂敷粘接剂后，在1060条件下给油石和油石座施加3000Pa的压力，保持68h。撤除压力后待23d即可使用。需要注意的是，为厂保证粘接可靠，必须保证油石和油石座的被粘接面的平面度误差0.05mm。2.热压成形法超声对磨油石可以采用热压法直接在油石座上成形。热压法成形是借助液压机、模具和其他工具，将混合好的成形料置于模具内搅拌均匀将成形料刮平后，装好模具，放入液压机平台上。先将模具和成形料加热至140 左右，最后施加一定的压力(例如0.5MPa)并保压30min压制而成。成形后的磨具坯体有一定密度、定形状和规格。为了保证油石和油石座的连接强度，热压成形前，应将油石座被连被面铣出若干条纵横交错的沟槽(宽15mm，深1mm)。热压成形法，可使油石和油石座的连接强度高、传声效率高，使用方便，适用于树脂结合剂的油石，这种方法需要根据油石尺寸的大小、设计、制造一套与油石尺寸相适应的成形模具。3.银焊法为了保证声能的高效传输，可以采用银焊法。例如，使用银焊料Bag45CuZn，银焊温度为677743。银焊法的优点是传声效率高，油石和油石座的连接寿命最长。银焊法并不能适用于各种结合剂的油石。树脂结合剂的油石不能采用银焊法，只能采用粘接法或热压成形法；青铜结合剂的油石可以采用银焊法，当然也可以来用粘接法或热压成形法。银焊法的另一缺点是价格昂贵，银焊费用基本上等于超硬磨料油石的费用。一船情况下，不宜使用银焊法。4.锡焊法将油石应加热至150200，先后把锡焊膏、焊锡均匀涂敷在焊接面上，再将预热后的油石放在焊锡上，轻压、移动，然后放置自然冷却。 锡焊法适用于金属结合剂的油石，连接强度低于银焊法，价格便宜。这种方法连接可靠传声效率高，适于超声珩磨使用。7) 冷却液在珩磨加工中，油石对工件接触面积大、珩磨压力小、珩磨速度低，出此发热量小。即使如此，温度的变化仍不可忽视。温度对孔径的影响为0.01mm15，所以在冬天或夏天，都有必要调整珩磨尺寸精度。在选择冷却液时应注意以下几点：(1)冷却液流量要大，以满足散热要求。对孔径为100mm的工件，需有1.322.11Lmin流量的冷却液。(2)能有效冲洗掉磨屑、磨粒及其他微粒，冷却液应经过良好的过滤，排除运动受阻，保证动作协调。杂质划伤加工表面的可能性必须排除。 (3)一般来说，冷却液应是油性的。考虑到安全和对环境的影响，不宜用煤油要用矿物油加极化添加剂。第三章 超声珩磨声学系统设计 超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声加工系统首先由超声波发生器将50Hz的交流电(220V或380V)转变为超声频电振荡信号，然后由换能器将超声频振荡信号转换成超声频机械振动，再由变幅杆将振动振幅放大，使其能用于加工。3.1超声波发生器和换能器的选用3.1.1超声波发生器的选用 超声波发生器又称超声频发生器，是供给超声换能器超声电能的能源，其作用是将交流电转变为超声频电功率输出，以提供工具往复运动并去除被加工材料的能量。它主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成，其中，振荡器是超声波发生器的心脏。就超声波激励方式而言有两种:自激式和他激式。自激式超声波发生器把振荡、功放、输出变压器及换能器作为一个整体，形成一个闭合回路，使之满足幅度、相位反馈的自激振荡，组成谐振于换能器的机械共振频率上的振荡器。他激式超声波发生器由振荡器、驱动放大、功率放大器组成。通过输出变压器偶合，把超声能量加到压电换能器上。为了保证超声波发生器的频率稳定，发生器和换能器的匹配，以便发生器效率最高，变幅杆振幅最大，超声波发生器必须满足下列要求:输出功率应达到技术指标;频率稳定，在所需范围内连续调节，最好有频率自动跟踪系统;发生器的输出阻抗应与换能器阻抗相匹配。对超声波发生器的其它要求是结构简单、工作可靠、经久耐用、价格便宜。 由于国内现有的超声波发生器不具有频率和振幅振动跟踪和显示功能，因此，在超声复合加工中存在着当负载、温度切削条件等变化时振速不稳定的现象，这样在磨削过程中，振速的不稳定将会导致超声加工中的谐振频率漂移、振动振幅降低、加工效率降低、加工质量不稳定等一系列问题，针对这种情况我所自行研制了频率自动跟踪与振幅自动显示的新型超声发生器，实践证明，这种超声发生器性能稳定，能满足使用。晶体管与电子管混合兼顾二者的优点，具有体积小、功率大等特点。采用实验室研制的频率自动跟踪与振幅自动显示的新型超声波发生器，其型号为H66MC，电源电压220，频率50HZ，输出功率大于250W，频率可调范围为18KHz-22 KHz。3.1.2超声波换能器的选用换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换成超声频机械振动，它是超声设备的关键部件之一。为了研究和利用超声，人们己经设计和研制成功了多种换能器。超声加工中使用的换能器主要有磁致伸缩换能器、压电换能器和电磁换能器三种，由于电磁换能器使用得很少，所以在这里主要讨论磁致换能器和压电换能器。磁致伸缩换能器在五、六十年代得到了广泛应用，它是利用某些铁磁体在变化磁场中所产生的磁致伸缩效应而制成的。所谓磁致伸缩效应是指将铁磁体置于变化的磁场内，由于磁场的变化导致铁磁体产生长度变化的现象，也称焦尔效应。这种换能器有以下特点:可以在工作条件变化很大的情况下使用，切削力的变动及振动系统本身的一些变化对工具振动形态的影响比较小;机械强度高，振动系统使用安全可靠，换能器寿命长;频率范围宽，因此即使工具在磨损范围较大的情况下，仍能找到谐振频率点:它的缺点是转换效率低，一般情况下为30%左右;此外由于其对温度的敏感性，在使用时需加水套进行冷却，工艺比较复杂。压电换能器尺寸小，冷却散热条件要求低，是利用材料在电场作用下的压电效应而制成的。所谓压电效应是指在石英等物质的两界面上加上一定的电压后，材料将产生一定的机械伸缩效应，这种加交变电压使材料产生伸缩的现象称为压电效应。压电换能器与磁致伸缩换能器比较，优点是尺寸小，体积小，价格便宜，声电转换效率高，能够长时间地连续工作，瞬时输出功率达35-40w/cm，当然在连续振动时只能达到它的1/5左右，并且由于发热会使它的特性明显下降;采用这种换能器的工具振动系统，如果与换能器固有频率不是完全一致，利用局部共振原理，也能设计、制造出性能优良、易于找到谐振频率的声振系统，以满足超声加工的需要;冷却简便，不需专用水套。压电换能器的缺点是:机械强度低，工作时所加电压较高，并且因它的声电转换效率高，因此振动系统的设计、制造和调整精度要求较高:换能器频率范围窄。功率超声加工中经常采用压电换能器。 换能器是中间转换元件，前端与发生器相连，后端与变幅杆相连根据本课题组多年的试验研究，换能器与变幅杆之间采用螺栓连连接介面上涂硅油。换能器与超声波发生器连接，需考虑到二者配，二者的匹配包括两方面的内容:一是发生器的输出阻抗与换的动态阻抗一致:二是在额定输入电功率条件下，换能器输出的率最大。 换能器与发生器的匹配方法是，首先准确测量换能器的动态阻抗及其变化范围，然后合理选择发生器输出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通过反复调试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。根据以上特点，本次设计采用压电换能器YP-5020-2L，固有频率为20KHz，其输出振幅为4m -5m。直径50mm，总长120mm。3.2、超声变幅杆的设计3.2.1 变幅杆的作用变幅杆的主要作用和功能如下:(1) 用作放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中到较小的面积上即聚能作用。超声换能器辐射面的位移振幅在加kHz时只有几4-IOm。而超声加工对振幅的要求往往需要达到几十甚至几百微米级，这就必须借助于变幅杆将换能器的振幅放大。变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过它的任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计)，截面小的地方能量密度变大。由于能量密度Pr正比于振幅a的平方，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。(2)变幅杆可作为机械阻抗变换器，使换能器更好地与负载匹配偶合声能;(3)变幅杆也是为了用来固定整个机械(在波节处固定)从而尽可能地减少机械能量的损耗;(4)变幅杆使换能器和工作介质之间获得热学和化学上的隔绝。3.2.2 变幅杆的性能参数超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中最常用的是:共振频率(共振长度)，放大系数，形状因数，输入力阻抗和弯曲劲度等等。放大系数MP是指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值:形状因数势时衡量变幅杆所能达到的最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，p值越大，所能达到的最大振动速度也越大;输入力阻抗21定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小;弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关.3.2.3 变幅杆材料的选择变幅杆一方面是在时变载荷作用下工作，另一方面在传递和放大超声波的振动能量的同时会产生温升。因此，要求变幅杆材料应该满足以下要求:(1) 在工作频率范围内材料的损耗小:(2) 材料的疲劳强度高，而声阻抗率小;(3) 易于机械加工，当负载为液体时还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀，抗酸性。目前常用的变幅杆材料为铝合金和铁合金。3.2.4 变幅杆的类型与选择在功率超声的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变幅杆。较常用的简单变幅杆有:指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形变幅杆。这类变幅杆称为单一变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组合而成。在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一类问题。在高声强超声处理应用中，例如超声切钻硬脆材料、超声焊接、超声乳化等等，变幅杆主要起放大聚能作用。在这些应用中对变幅杆的要求主要是有尽可能大的放大系数。其次，根据不同的负载情况来选择变幅杆的其它参量，如输入阻抗特性、弯曲劲度等等。当变幅杆的负载是液体或液体与固体粒子的混合液时(如乳化、破碎固体粒子或细胞)，在超声处理过程中负载变化较小，而且不需要外加静压力。此时对变幅杆的输入阻抗特性及弯曲劲度要求不高，因此常常采用简单阶梯形变幅杆，因其机械加工较容易，而且在面积系数相同的情况下，放大系数最大。3.2.5 超声变幅杆的工程设计原理为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声振动波的半波长或其整倍数。变幅杆宽端(输入端)的尺寸取决于换能器辐射面面积，一般其截面线度应等于或大于换能器辐射面的线度，但其横向尺寸在一般情况下应小于1/4波长，以减少横向振动的影响:变幅杆窄端(输出端)的尺寸则应根据所处理的对象来选取。超声变幅杆是超声珩磨加工系统的重要部件，其结构的合理性及与系统的匹配性直接影响超声珩磨的速度及系统工作的可靠性。因此，超声变幅杆的结构设计必须合理，并应能与振动系统中的超声波发生器、换能器、工具头、支架等良好匹配。为对超声变幅杆的几何尺寸进行合理化设计，首先必须建立变幅杆的振动、放大数学模型，并对其进行理论分析。许多讨论变幅杆的专门书籍，大多是指半波长变幅杆而言。所谓“半波长”，就是指在无负载，ZR=O，输入阻抗Z：l=0的特定情况。本论文中，需要的输出振幅比较大，故选用了圆锥形变幅杆，下面重点分析半波长圆锥形变幅杆的设计，该圆锥形变幅杆为