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超聲加工機床關鍵零部件的設計及三維造型

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更新時間：2018-06-25
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超聲加工的介紹
旋轉超聲加工的基本原理
旋轉超聲振動加工裝置的主要組成
變幅桿設計
變幅桿的有限元分析
參考文獻
一超聲加工的介紹
超聲加工是一種重要的特種加工方法，其加工分為磨料沖擊超聲加工、超聲磨削、超聲車削、鉆孔與鏜孔、超聲拋光、超聲噴丸、超聲清洗、超聲焊接等。
傳統的磨料沖擊超聲加工是利用加工工具作超聲振動，并通過磨料沖擊被加工工件表曲來碎除材料，加工材料一般為工程陶瓷與玻璃。在傳統超聲加工的基礎上發展的旋轉式超聲加工是將旋轉運動疊加在作超聲振動的工具上，工具是由在鋼表面電鍍立方氮化硼磨料(或余剛石)或由金屬粉末和立方氮化硼磨料(或金剛石)高溫燒結而成。在加工過程中，工具中的磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒去除，不需要加入磨料懸浮液，只需用水來帶走被加工材料的微粒并且對工具進行冷卻。
1旋轉超聲加工的特點及優勢
1)超聲加工可以加工導電性和非導電性等各種硬脆性材料，如陶瓷、寶石、硅、金剛石、大理石等非金屬材料，也適用于加工低塑性和硬度高于40HRC 的金屬材料，如淬火鋼、硬質合金、鈦合金等。
2) 由于工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削熱少，不會產生變形及燒傷而改變工件表面的化學/電性質，故加工精度和加工表面質量都比較好。與其它材料去除過程相比，超聲加工能達到更高精度和表面光潔度。在大多數超聲加工中，可以獲得的平均工件表面粗糙度是 0.50μm。使用合適的辦法，可以獲得 0.25μm的表面粗糙度。
3) 超聲加工中，可用較軟的材料制作較復雜形狀的工具，且不需要工具與工件復雜的相對運動，就可加工出各種復雜型腔和型面。故機床結構簡單，操作維修方便。
4)旋轉超聲加工，采用固結磨粒的工具對加工工件進行高頻、斷續加工，是超聲加工和切、磨削加工的復合加工方式，比單純的超聲加工和切磨削加工更具有突出的優勢。
5) 更好地提高加工精度和工具壽命。在普通超聲加工中，需要持續將磨料漿注入到工具與工件之間的間隙，并且需要不斷地將工具與工件的間隙處的磨料漿排出，結果導致材料去除率低，當加工深度較大時，甚至導致加工停止。而且磨料漿流經加工表面時，對已加工表面進行磨拋，大大影響了加工精度。另外，磨料對工具也具有磨損作用，導致工具磨損加劇，進而難以保證加工精密。而旋轉超聲加工采用固結磨料工具進行加工，不再需要游離磨料懸浮液作為加工介質，同時工作液更容易在加工工具及加工表面之間流動，容易促進超聲空化效果的產生，而且能更好地對工具及加工表面冷卻，及時的帶走磨屑，因而較普通超聲加工大大提高型面加工的精度。
6)更好地提高了已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性。如超聲絎磨汽缸套內孔表面加工中，刀具以高頻、斷續加工的方式在加工表面上形成數以萬計的微型儲油凹坑，在缸套和活塞工作的時候起到潤滑和降低摩擦系數的作用，防止粘著和咬合的出現，有效延長缸套使用壽命。
7)大大地提高了生產效率。旋轉超聲加工的復合加工機理，更適宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以達到普通切磨削的 6 到 10 倍，是普通超聲加工材料去除率的 10倍。
8)特別適用于難加工材料的深小孔加工，采用麻花鉆鉆削難加工材料深孔時，會出現很多問題，如切削液不易進入切削區、切削溫度高、刀刃迅速磨鈍、切削力大，鉆頭易折斷、排屑困難，需要經常退刀等，加工孔精度差，表明粗糙度大，刀具壽命短。采用超聲旋轉鉆削加工，超聲振動的作用使切屑與刀具、工件間的摩擦阻力減弱，使切屑的排出流暢，不需要退刀排屑，易實現自動化；若振幅選擇合適，超聲旋轉加工的軸向力比普通切削力下降 30%左右，從而提高鉆頭壽命。可見，超聲旋轉加工是難加工材料深小孔加工的有效方法。
各種超聲加工方法的加工機理雖然不同，但其加工裝置都主要有超聲波發生器、換能器和變幅桿組成。超聲波發生器的作用是將工頻交流電轉換為超聲頻振蕩，以供給工具端面往復振動和去除工件材料的能量。換能器的作用是將高頻電振蕩轉換成機械振動，將電能轉變為機械能。變幅桿在加工過程中處于極其重要的地位，其主要作用是在其輸出端將換能器輸入的機械振動的質點位移或速度放大，并且將超聲能量集中在較小的面積上。振幅放大比是變幅桿的重要性能參數。變幅桿的形狀與材料對于振幅放大比有較大影響，研究表明變幅桿輸出端的振幅在一定范圍內越大，工具對材料的去除率就越大。由此可見設計出具有大振幅比的變幅桿對于提高材料的去除率，提高超聲加工裝置的效率具有重大意義。由此可見設計出具有大振幅比的變幅桿對于提高材料的去除率，提高超聲加工裝置的效率具有重大意義。...

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