工程陶瓷小孔旋转超声磨削装置及工艺研究

发布时间：2020-06-24 23:50

【摘要】：工程陶瓷材料具有优异的物理特性,耐磨性好,摩擦系数低,拥有很高的硬脆特性。由于硬度高,线速度小,加工间隙小,排屑散热困难,工具头刚性差,工程陶瓷小孔磨削成了一大技术难题。旋转超声磨削是传统磨削与超声加工技术的结合,是学术界公认的磨削陶瓷小孔廉价高效的方法之一。国内外研究人员对此作了大量的研究,并研制了旋转超声磨削设备。但是国外产品过于昂贵,广大中小企业望而却步。为了推动社会生产力的发展,本文研制了一款旋转超声主轴,并作了工艺实验研究,主要内容如下:基于超声振动理论,使用解析法、矩阵传输法自行推导了换能器和四段式复合变幅杆的频率方程。利用频率方程,设计了换能器的结构尺寸,通过对结构、材料的合理简化,计算出了变幅杆(工具头)尺寸的大致范围。利用ANSYS对不同长度的变幅杆(工具头)进行结构静力分析、模态分析、谐响应分析,研究了工具头长度对振动子振动性能的影响。仿真结果表明,工具头越长,谐振频率越小,振幅越大。通过实验研究了工具头长度对谐振频率的影响,其结果与仿真一致,并据此确定了工具头的尺寸。通过实验还研究了工具头上螺母预紧力矩大小对振动子振动性能的影响。实验结果表明,预紧力矩越大,谐振频率越大,动态电阻越小。对振动子进行测量,其谐振频率为40027Hz,品质因数为635.7,动态电阻为132Ω,振幅32μm。以振动子为出发点,设计了额定转速10000rpm的旋转超声主轴。设计了一种带锥度的翻边法兰,保证了振动子振动性能和安装精度。设计了非接触式感应供电装置。用千分表对旋转超声主轴锥面进行了测量,径向跳动为4μm。在旋转超声磨削和传统磨削两种加工方式下,对主轴转速、轴向进给速度、径向进给速度进行了研究。研究表明,旋转超声磨削均较传统磨削的表面粗糙度低7.8%～27.5%。同时,在两种加工方式下还研究了超声电源电压对表面粗糙度的影响。研究表明,旋转超声磨削均较传统磨削的表面粗糙度低13.7%～27.4%,在30V～80V之间,电压越大,表面粗糙度越小。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.6
【图文】：

工程陶瓷材料,工程陶瓷

图 1-1 工程陶瓷材料在各领域的应用igure 1-1 application of engineering ceramic materials in various fie材料具有优异的物理和化学特性，耐磨性好，摩擦系数正因如此，导致其加工困难。磨削具有加工精度高，加工[7]具有不可替代的作用。是工程陶瓷最常见的机械加工右[8]。孔加工又占了很大比重[9]，其中以小孔（Φ0.5~主要表现为：线速度小，磨削效率低，加工质量差；加工具头细长，刚性差；高速情况下容易共振[12]。一直是现代制造业的关键技术之一。尤其近几年，随着磨削的场合越来越多。为了克服工程陶瓷小孔磨削的困技术。小孔的磨削方法有多种。传统磨削加工效率低，能耗大度高、刚性大，并不适用于小孔加工；ELID 磨削对于磨

磨削力,线速度,砂轮,高效深磨

1.2 研究背景1.2.1 陶瓷小孔磨削技术磨削较其他加工方式具有诸多优点，例如磨削质量好、磨具寿命长、磨削力小工精度高、设备低廉，具有不可替代的作用。但是传统的磨削方式，也存在效、能耗大等不足。经过多年的科学发展，传统的磨削已经演变出了很多新技术用的小孔磨削技术有高效深磨、ELID 磨削、旋转超声磨削。高效深磨[14]是德国居林公司在 20 世纪 80 年代初期结合了超高速磨削和深切给磨削的特点，提出的一种先进制造技术。它采用超硬磨料砂轮，以大切深(0.10 mm)，高砂轮线速度(80～200 m/s)，不降低工件进给速度(0.5～10 m/min)为主艺特征，既能实现高的切除率，又能保证高的加工表面质量[10,15～18]。谢桂芝等[过试验发现，将高效深磨技术应用于陶瓷材料的加工是一种切实可行的加工方法极大地提高陶瓷材料的加工效率、降低加工成本。

【参考文献】