超声磨削装置结构设计【优秀课程毕业设计含10张CAD图纸+带开题报告+外文翻译】-jxsj53

超声磨削装置结构设计【优秀课程毕业设计含10张CAD图纸+带开题报告+外文翻译】-jxsj53超声磨削装置结构设计摘  要带有旋转的超声磨削加工是在原有机械加工磨削的根本原理上，将超声加工的振动和磨削器械混合到一起的新型式加工的方法。该方式保存了原有机械磨削的某些好的特点，有了超声振动的参与，能极大地提升加工时的工作效率，更能对难加工材料磨削表面质量有所改善。这篇论文的意义是研究出旋转超声磨削装置结构，使用这个装置从事一些加工实验。全文主要内容概括如下：探讨分析旋转超声磨削机构这个装置，材料如何除去的原理。这个装置中去除材料的原理有相同时间具备冲击（磨具上的磨粒对工作件表面的高快速撞击）和磨蚀（旋转的磨削加工工具和进给中的运动可以变为模型化为磨削加工的过程）的作用。研究并制作一种新型式的旋转超声磨削装置。该结构装置能安装在不同种类的机床上，进行旋转超声磨削加工对常规表面和某些较多样型面的材料。关键词 超声加工意义；旋转超声磨削；结构设计与校核 Ultrasonic grinding deviceAbstractRotary ultrasonic grinding is a new machining method that combines ultrasonic vibration with grinding tools in the basic principle of the original mechanical grinding. This method saves some of the good features of the original mechanical grinding. With the participation of ultrasonic vibration, it can greatly improve the working efficiency and improve the quality of the grinding surface of difficult to machine materials. The significance of this paper is to study the structure of a rotating ultrasonic grinding device and to do some machining experiments with this device. The main contents are summarized as follows:The principle of how to remove material of rotary ultrasonic grinding mechanism is discussed. The material removal principle of this device in the same time (with the impact of abrasive abrasive on the work piece surface high impact and abrasion (fast) rotating grinding tool and feed movement in can be modeled as process of grinding) role.A new type of rotary ultrasonic grinding device is studied and fabricated. The structure can be installed on different kinds of machine tools, and rotary ultrasonic grinding is applied to conventional surfaces and some kinds of materials with various shapes.                                                      Keywords  Ultrasound processing significance，Rotate ultrasound grind，Structure design and checking目  录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 超声的发展史11.1.1 超声发展简介11.1.2 国外发展11.1.3 国内发展21.2 超声加工的原理及特点31.2.1 传统超声加工31.2.2 旋转超声加工41.3 超声加工陶瓷的意义及前景51.4 本章小节5第2章 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术62.1 结构陶瓷62.2 陶瓷基本复合材料72.3 功能陶瓷82.4 本章小结10第3章 装超声磨削装置的结构设计113.1 超声加工设备及其组成部分113.2 初步结构设计113.3 结构的比较133.4 最后结构的确定163.5 本章小结17第4章 装置中的各部件的设计及校核184.1 装电机的计算与选择184.2 变幅杆的设计204.3 压电陶瓷的选择224.4 轴强度的较核234.5 键的校核254.6 本章小结26第5章 超声磨削与环境保护275.1 目前我国环境现状275.2 超声加工对环境影响275.3 本章小结28结论29致谢30参考文献31【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】3D.stpPDF图纸打印.zip主轴件01A3.dwg主轴件02A4.dwg主轴件03A4.dwg参考proe三维建模及其他【不要的话请删除】.zip底座.dwg弹簧挡板.dwg弹簧支座.dwg文件清单.txt电机座.dwg联轴器左半A4.dwg评语.doc超声磨削装置总装配图A0.dwg超声磨削装置结构设计开题报告.doc超声磨削装置结构设计说明书正文.doc轴组件A2.dwg 附录 A of 2016, 8(6):556An is of in to of on of on so As an of a is of to of AD AE 1. he of of of is of If in in In of of an is to we of is to or or of s it is a in be 5 to in to in of is to to of 1 he on of on in to of of in to s to 2 he by n to a of a to BS it is to of of of be We to E to to a of s on he of s of to ). is to of is is a is to x x k d a is an be . If is no no is of at of a to s on of a In to a n of a of on as E n is on is as a of to . is as In n a be of a FE s is to of to as to BS or to to as By of u, of an we dr. is dc as of a s to OF of a OF of m Is by dr. u q is 01 2) of OF u is to OF q. q it to it in a of OF be by OF of to be s by n a q - N 3). : s a q no : 3 of of a is as a s In to of an on s 21 M K on q V D s Q to to is be to of a on a on is an in in is on it as of a is to on y y of to is In It is by a on x is up or to n to a to No of a to n as of is A is in : he is a to of a of OF of as a of of is as of a a 000 f a we of 3) 4). AD of n E b A of is n It to of s to a to be OF of as u. it is to us to of of to OF 9 OF 5 录 B 注塑机的动态模拟 2016, 8(6):556要 ： 讨论了充分考虑相关的参数是一个集成的设计方法为各子系统优化的整体系统，主要由光电 机械结构 成信息平台。基于的虚拟模型的参数驱动的方法，侧重于模式的转型的设计和分析的步骤之间的数据共享，所以并行仿的设计进行优化。作为应用实例，综合设计介绍了一种大型光学机械结构，包括光学设计，结构设计与分析，进一步验证了该方法的优点。由于分析了基于 程的设计，集成设计达到结构优化效率高。 关键词： 集成设计： 规模的结构：光学仪器 1. 介绍 产品整体不同技术的分 析，例如，机械、液压、控制系统，模拟软件可持续发展和更多计算机硬件操作变得越来越可行。结合特殊的软件程序包是可以和允许对所谓的机电一体化系统模拟的。如果在过去这些工具被应用与航空和汽车工业中，那么他们现在会找到更多应用工程技术的相同点。因此，被研究的是 限元（ 序， 维模拟软件，体动力模拟软件和 真设计控制工具都被用于这个目。结合这些不同的模拟工具并应用它们于合模机构，我们就能分析和理解机器的动态行为和不同子系统之间的联系。这就需要去提高性能，像减少磨损、循环时间或噪音，或者避免部件早期的错误。 合模机构是一个开启与合上模具并能够在注塑和保压阶段有效的紧闭的机构。 模机构是一个二板式液压合模系统。主要由动模板，合模工作台，定模板和四个拉杆构成。模板锁定和合模压力是通过动模板整合的合模栓塞实现的。合模栓塞可以旋转 45 度去啮合拉杆螺纹为了保证动模板在注塑位置上。合模机构的 主要功能是驱动液压油：液体压力被施加在合模栓塞上去产生需要的合模压力并且两个油缸被用于动模板的移动 1。 分析的焦点集中在两个方面：第一，压力作用在工作台之间的衬垫上和为了预见的基础并阻止机器在运转中爬行。第二，为了减少总体循环时间的最优化的喷射控制信号。因此，模拟模型被限制移动模版的注射。 2. 模拟模型 机械，液压，控制系统被分别的在 能包括由链接 面使用和 C 程序在模型中引起的不标准的现象。 用这个特点在两个 可能的程序上建立了一个 拟。另外， 型。因此，链接三个模拟工具和模拟整个机器是可能的。这里有两个可能估计：第一。各个整合它自己不平衡的部分并和其他的部分交换参数。第二，三个模型被完全的整合并只有模拟求解整合不同的因素部分。 图 1 模机构 此外，柔性的机械部件可以包括在 。我们用 生必要的 在被纳入 前降低这些大型模型自由度。 减少自由度方法是基于引用 组件式合成技术这是必要的。 图 2 模型的联合仿真 合模机构的刚性模型很简单 ,只分为两个部分 : 移动模板和固定模板和合模工作台还有拉杆（参见图 4）。合模工作台是固定在地面上装有线性弹簧 本上，报表式是一个穿透深度 X 和渗透速率 X 与压力成正比的非线性弹簧 和 d 分别的是接触刚度和阻尼系数， e 是一个指数，由于数值原因应选择大于 1。如果没有渗透，那么就没有压力作用，否则就会有接触，正常应在接触点和作用力两部分之间计算。该报表还包括了一个库仑摩擦 模型。从静态到动态的摩擦系数的变化，是基于相对速度的两个几何碰撞。最终，在两个模板之间定义了两个液压缸的压力和接触报表。为了有一个更准确的力学模型，同时，鉴于更为实际的分配作用在合模工作台上的力，他的不同部分被列为柔性机构。这些柔性机构是来自在被输入之前减少了的式。这种在 减少方法的实施是基于组件式频率合成器 ( 中的技术，即变形是被看作是线性组合模式形状。在 ，约束模式和固定边界的正常模式是用来生成组件矩阵模式 。这种方法被称为 法。接下来，在 基本的原则和柔性体积分的步骤被展示：更详细的理论介绍可以在 2式中看到。一个 型的建立可以足够详细的正确表达出模型的重要性。操作者这时可以选择充当 型的边界作为节点。被约束的运动和力被施加在这些边界节点上；其余的节点称为内部节点。由固定在边界节点上的自由度（ 和求解特征，我们得到固定边界常态模量 ，这个正常的设定模式通常是截断。约束模量 被定义为当其余边界节点自由度都受约束时，一个元件施加在一个边界节点的一个自由度的静态结构的变形。最后组成还原矩阵的模式 被解释为常态设定模式 和约束设定模式 。实际位移坐标 u 和组成广义坐标 q 之间的关系是 01 在方程（ 2）中，普遍的大量的自由度 q。然而， 使有时在多维仿真中难以直接利用它。这套约束模式包含 6个刚体自由度，必须取而代之在 们必须被移除，因此在求解方程中，结构模型的矩阵被转化。 其中 k和 基础模量上处理的结果是； 3）中被表现。 : 最后一步 ,是一个纯粹的数学方法 ,并没有进一步减少自由度的数量。新的基础模量 就 没有了直接的物理意义了 ,而是针对上述的问题。 柔性体的运动模型 是与刚性体来自同一方程，即拉格朗日方程。为了计算动能和势能，柔性体上任意点的位置和速度是由广义坐标表示的。 x， y， z， ， ， ，为 局部参照系附加弹性体和描述六个刚体模式的坐标。最终形式的运动方程是 21 其中 为广义坐标， M 依赖于 的广义质量矩阵， K 只取决于 的广义刚度矩阵， D 阻尼矩阵定义模态阻尼 ，因此 D 是对角线， 适用于柔性体运动学约束方程， 拉格朗日乘数， Q 广义应用的力。 另外，一个柔性体在 式下相当的直截了当。不过，也有一些力量和关节限制，我们可以界定给它们。特别是在一个柔性体上摩擦力的问题，即动模板在工作台上滑动，是一个多维动力学的开放性问题。然而，它们制定的标准使得运行好并且被证明有用。 在我们的柔性模型中，技术的执行是基于上述的表诉。基本上它的模式如下 :对于每一个沿滑动路径选定的节点，一个力根据作用在动模板上垂直位置和速度的关系的方程（ 1）进行计算。然而，力只是在当节点和动模板的重叠部分起作用时才作用。事实上，重量的函数是基于节点和动模板之间的水平距离。力从零斜线上升或斜线降低到零是为 了保证应用能顺利和尽量减少任何间断。没有接触点和接触平均值计算。节点的距离和速度相对于动模板应采用总的坐标系统和适用于矢量单元坐标的接触和摩擦力。不过，这种做法是能够接受的结果，正如变形的合模基数很小。库仑摩擦力适用于同样的方法。 主要缺点是大量的分界节点都需要有充分代表性的移动接触力。不幸的是，这有太多的柔性体自由度和并且无法计算次数。现在， 并不是把这些节点作为边界节点 ，他们仍是内部节点。从纯理论的角度看，当使用内部节点作为边界节点时结果的准确性无法保证。然而，更多的选择标准模式，可以减少误差。比较采用内 节点的模型对对应采用表面节点的滑动模板会有一个非常一致的结果，同时还会加快计算速度。因此，我们使用这一模型进行模拟后，其他方法都没有测试过 ， 但 它 们 中 的 一 些 曾 在 上 述 中图 3 动模板弹性模型 哈尔滨理工大学毕业设计（论文） 评语 学生姓名： 马奇智 学号： 1330060314 学 院： 荣成学院 专业： 机械设计制造及其自动化 任务起止时间： 2017 年 2 月 27 日至 2017 年 6 月 23 日 毕业设计（论文）题目： 超声磨削装置结构设计 指导教师对毕业设计（论文）的评语 ： 指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语： 评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语： 答辩委员会评定， 该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表 哈尔滨理工大学 毕业设计 (论文 ) 开 题 报 告 学生姓名 马奇 智 学 号 1330060314 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 13 指导教师 赵金涛 2017 年 3 月 17 日 课题题目及来源： 题目： 超声 磨削 装置结构设计 题目来源： 自拟 课题研究的意义和国内外研究现状： 究目的 随着科学技术的发展及航空航天等领域的需求，不锈钢、复合材料、工程陶瓷等难加工材料应用日趋广泛，而此类材料的特殊性能使其加工制造非常困难。例如，海洋结构件普遍采用耐腐蚀的不锈钢，而不锈钢加工起来切削力大、切削温度高、粘刀现象严重、加工硬化趋势强等特点，使得不锈钢切削过程中切削功率消耗大，切削温度高，而且加工工件表面质量较低。又如航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料，而钛、镍基合金材料切削加工性 较差，主要表现在材料热硬度和热强度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易产生较大变形。航天飞机机顶首部广泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高强度、高硬度、高脆性等特点，使得陶瓷材料的加工十分困难，加工成本很高。此类材料的出现及广泛应用，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，而特种加工很适合对这些材料进行经济加工。而在众多特种加工方法中，超声加工有其独特的优点，因而迅速得以发展和推广。 究意义 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来讲人耳可 以听到的声波的频率范围约为 1620此人们常把高于 20声波称为超声波。而在实际应用种有些超声技术使用的频率可能在 16下。早在 1830 年为了探讨人耳究竟能够听到多高的频率 876年 气哨实验。第一次世界大战期间 明了石英晶体换能器用来在水中发射和接收频率较低的超声波开始了人类真正科学的开展超声技术的研究。超声具有许多独特的性质和优点如频率高 、波长短、在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性、并在液体介质中传播时可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。因此近年来随着科学技术的发展超声技术发展极为迅速应用领域非常广泛。目前其应用遍及航空、航海、 国防、生物工程以及电子等领域在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用 。 由于各种客观条件的限制，迄今为止对于超声加工，特别是旋转超声加工的加工机理、工艺规律和加工稳定性等的研究还处于早期的探索阶段，而对旋转超声磨削加工的研究更是凤毛麟角。而有研究表明，在超声加工中，旋转超声磨削具有加工时磨削力小、加工效率高 、精度高、工具磨损小以及对加工材料适应广等优点，也是复合材料、不锈钢等难加工材料比较理想的加工方法。因此得到高度的重视 ,发展潜力是相当巨大的 。 内外研究现状 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器 (压电振子 )，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 日本还研制成一种新型 “ 纵 型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生 “ 纵 型复合振动。 1994 年日本多贺电气株式会社采用 “ 纵一弯 ” 型超声复合振动系统制成研磨机，用于放电加工后的模具沟槽侧壁研磨抛光。研磨工具做纵向振动和弯曲振动。研究结果表明，弯曲振动方向不同，可获得不同的研磨效果。哈尔滨工业 大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统，在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸缩换能器发热大，采用了加装制冷装置的 方法解决冷却问题，但致使其结构复杂 。 1996 年前后华北工学院辛志杰、刘刚通过对超声振动内圆磨削机理的探讨，研制了一套超声内圆磨削装置，在改善工件表面质量、提高生产 率和内圆磨削系统结构设计上有了新的突破 。 1997 年英国研制了硬脆材料纳米磨削中心，可实现硬脆材料超声纳米表面加工；日本 野邦昭分别进行了工程陶瓷超声磨削的研究。多项研究结果表明：超声磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；当工具与工件上同 时施加超声振动时，加工效率可提高 2 3 倍。 1997 年前后西北工业大学史兴宽等人研制了一种超声内圆磨削装置，此装置较专用超声磨床主轴系统结构简单，但因发热大而使用了冷却装置，这就使此超声磨头的结构显得复杂，虽然加工效率和加 工质量有一定的提高，但其复杂的结构不利于推广使用。 2002 年弗劳恩霍夫生产技术研究院研制出了新型超声研磨设备 0，采用该设备对超声辅助磨削过程进行了技术性分析。并且，国外已研究出先进的超声振动主轴，其转速可达 4000r 30， 000r 以实现加工过程中砂轮的振动，并使其转速达到传统磨削工艺的水平。 德国 究中心和布莱梅大学精密工程中心采用非圆周对称结构在单纵振激励的条件下产生了 10:1 的椭圆振动，提高了刀具寿命，也保证了加工精度。另外新加坡制造技 术研究所仿照德国研究人员的结构也制作除了超声椭圆振动切削不锈钢的装置。 天津大学于思远、刘殿通等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器研制了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高 。南京航空航天大学杨卫平、徐家文设计了用于加工三维型面的超声磨削装置，推导了用于数控加工的超声磨削装置变幅杆设计的数学模型，此装置采用电机直连进行旋转，电信号传输采用碳刷集流环的传输 方式。河南工业大学机电工程学院李华、殷振等人设计了超声波椭圆振动内圆磨削磨头，并在超声振动内圆磨削系统中采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题 25 。 德国 司和日本马扎克公司将超声振动头安装在加工中心上，进行了零件异形沟槽加工、内外圆磨削、平面磨削加工、以及导电陶瓷材料的超声振动磨削研究，取得良好效果，并已实现商业化生产应用 。 在第八届中国国际机床展览会(，德国 司展出了其新产品 声振动加工机床，该机床主轴转速 3 000 4 0000 r/别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高 5 倍，加工表面粗糙度 m，可加工 密小孔，堪称硬脆材料加 （ 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 本内容 研究对象： 超声磨削装置结构设计 ； 研究的问题： 1、阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析； 2、根据主 要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据； 3、对 超声磨削装置 进行机械结构设计；完成 超声磨削装置 运动设计、零部件的具体结构设计； 4、对所设计的结构进行精度和刚度校核； 5、得出设计结论。 要解决问题 1、 超声加工设备及其组成部分 结构设计： 超声磨削装置要与数控立式床身铣床联接，装置要座于铣床的铣头。因为加工需要，所以本装置一直处在高速运转的状态。因此变幅杆与主轴的连接处，需要更稳定，防止装置在加工过程中产生震动的现象。 初步设计采用四种方案，方案一 三 四采用电 机加联轴器方案二采用电机加皮带轮，方案一 三 四比方案二的整体尺寸相对结构要小得多， 这对减轻装置的重量大有意义 ， 结构方案一、三与结构方案四相比，前两者的装配较方便，但是，电机与轴的同轴度很难保证，在高速旋转下同轴度如果没发保证的话，轴承会很快磨损，装置的工作状态就会呈现出恶性循环，轴就会摆动。如此一来装置的加工精度就没法保证了，本装置的精密加工就失去了意义。再者如果同轴度不好，轴的速度也不会达到较高速度。这也没法实现高速磨削的目的。 结构方案四中联轴器处于电机座的内部，轴座和电机座之间的同轴度靠两者之间的定 位销来保证，这样就可以避免上述问题的出现。结构方案二为电机加皮带轮， 整体上显得系统所占空间较大。轴受到较大的弯矩作用，因此在设计中要注意轴径是否有足够的弯矩强度，同时还要注意是否有足够的刚性。如果刚性不足的话，那么轴就会被拉弯，轴的另一端就会出现摆角，装置的加工精度也就没法保证了。 结构方案四中的电机座是整个装置的支撑，电机仅仅是靠其端部四个螺钉来固定 的，因此看来电机座后面的大部分对电机不起支撑作用，多余的材料就增加了系统的重量。而且装置整体看来显得前小后大，前面薄弱刚性不足，后面材料过多，笨重有余。从 审美的观点来看也显得不够美观。总的来说上的几种结构方案各有各的优缺点，最终结构方案是综合上面几种结构方案中的可取之处，同时弥补其不足之点而成的 。 2、 变幅杆的设计 ： 需要 尽力提高放大系数，从而提高超声加工的效率，并综合考虑变幅杆的设计、制造采用由圆柱形和圆锥形变幅杆组合而成的复合型变幅杆且此变幅杆两段采用不同截面、不同材料， 因此材料选择变的很重要，初步选定材料有 铝合金、钛合金和 45 号钢 等。 3、 压电陶瓷的选择 ： 考虑到 磁致伸缩换能器的主要缺陷在于高电能损失（例如涡流损失）和低能量利用率（ ，这些损失表现 为热，因此换能器必须水冷或空冷而且体积很大。与压电式的相比，它也不能产生高的振动强度。而压电换能器能量效率很高（可达 9096%），不需要任何冷却。不易于热损伤，更容易构建，也更适于旋转超声加工 。 4、 轴强度的较核 与 键的校核 ： 根据具体的受力载荷情况分别进行大量计算对于主要 承受扭矩的轴（传动轴），应按扭转强度计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应安弯矩强度计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（转轴），应按弯扭合成强度计算，需要时还应按疲劳强度条件进行计算。通常只按工作面上的挤压应力进行强度较核计算。对于导向平键联 接，其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度较核计算。 5、 电机的计算与选择 ： 磨削过程中，由于磨粒的作用以及砂轮表面上有效的状况异常复杂，因而要想建立一个十分切合实际的陶瓷磨削力数学模型非常困难。 所以需要经过大量计算来确定电机的功率， 分别计算了电环处线速度，材料磨削力大小，最大扭矩， 联轴器和轴承的机械效率 ， 总的机械效率 ， 电机需提供的功率 。最终确定所选电机。 课题研究所需的参考文献： 1 濮良贵等主编 高等教育 出版社， 2001 2 孙桓等主编 高等教育出版社， 2001 3 陈日曜主编 机械工业出版社， 2000 4 王先逵主编 机械工业出版社， 2001 5机械设计（原书 6 版）（德）穆斯 等编著，孔建益 译 /2012机械工业出版社 6机械设计 王军，田同海 主编 /2015机械工业出版社 7先进制造技术， 盛晓敏 ， 邓朝晖 主编 机械工业出版社 8超声加工技术，曹凤国， 机械工业出版社 9难加工材料的磨削 ， 任敬心主编 ， 国防工业出版社 , 1999 10 顾煜炯等 ， 超声振动系统设计及性能分析的解析方法 ， 华北电力大学学报 , 1998 11 s 1213导教师审查意见： 指导教师签字： 20 年 月 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 20 年 月 日 哈尔滨理工大学学士学位论文 声磨削装置 摘 要 带有 旋转 的 超声磨削 加工 是在 原有 机械 加工 磨削的根 本原理 上，将超声 加工 的振动和 磨削 器械混合到一起的新型式加工的方法。该方式保存了原有机械磨削的某 些 好的特点，有了超声振动的参与 ，能极大地提升加工时的工作效率，更能对 难加工材料磨削表面质量 有所改善 。 这篇论文的意义是研究 出旋转超声磨削装置 结构，使用这个 装置 从事一些加工实验 。全文主要内容概括如下： 探讨分析 旋转超声磨削 机构这个装置， 材料 如何除去的原理 。 这个装置 中 去除 材料 的原 理 有相同时间具备冲击（磨具上的磨粒对工作件 表面的高 快速撞 击）和磨蚀（ 旋转 的 磨削 加工工具 和进给 中的运动 可 以变为模型化 为磨削 加工的 过程） 的作用 。 研究并制作 一种 新型式的 旋转超声磨削装置。该结构装置能 安装在 不同种类的机床上 ， 进行旋转超声磨削加工对常规表面和某些较多样 型面 的材料 。 关键词 超声加工意义 ； 旋转超声磨削 ；结构设计与校核 哈尔滨理工大学学士学位论文 is a in of of of of it of of to of is to of a to do as of to of is of in of on in be as of A of is be on of is to of 尔滨理工大学学士学位论文 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 声的发展史 . 1 声发展简介 . 1 外发展 . 1 内发展 . 2 声加工的原理及特点 . 3 统超声加工 . 3 转超声加工 . 4 声加工陶瓷的意义及前景 . 5 章小节 . 5 第 2 章 工程陶瓷材料的使用价值及加工技术 . 6 构陶瓷 . 6 瓷基 本 复合材料 . 7 能陶瓷 . 8 章小结 . 10 第 3 章 装超声磨削装置的结构设计 . 11 声加工设备及其组成部分 . 11 步结构设计 . 11 构的比较 . 13 后结构的确定 . 16 章小结 . 17 第 4 章 装置中的各部件的 设计及校核 . 18 电机的计算与选择 . 18 幅杆的设计 . 20 电陶瓷的选择 . 22 强度的较核 . 23 的校核 . 25 章小结 . 26 第 5 章 超声磨削与环境保护 . 27 前我国环境现状 . 27 哈尔滨理工大学学士学位论文 声加工对环境影响 . 27 章小结 . 28 结论 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 附录 A . 32 附录 B . 38 哈尔滨理工大学学士学位论文 1章 绪论 声的发展史 声发展简介 近年来科学水平 的 快速提升和飞机火箭等加工的需要 ， 难加工材料使用越来越多如 1合材料、工程陶瓷 等 ， 它们的特殊性质使其制造加工有些费力 。例如， 在海洋里使用的零件一般 用的是不锈钢 ， 但是不锈钢加工很困难费时费力， 切削 不锈钢 过程 当 中切削 损耗 功率 多 ，切削 时温度 很 高，而且 还有表面质量较低的 加工工件。又如 飞机火箭上的 发动机重要零件 经常采用 T、 金等先进 构造材料，而钛、镍这些复合 材料 加工 切削 又不是很好 ，主要 体现 在 它们的 热硬度和热强度很高，所需切削力强 ， 对加工时使用的 工件、刀具 被 损害很大 。 比如使用工程陶瓷的航天飞机，这种材料强度硬度脆性都很高，所以无论是加工还是成本都很高。 此类 复合 材料的 应用普遍 ，对机械制造业 给出 了 很多需要解决 的新 加工 问题。 所以使用原有加工方 式非常艰难 ， 有些还加工不出来 ， 因此新型的加工方式出现了那就是特种加工对它们的加工效果非常好 。而在特种加工方法中， 有特有的优势的就是 超 声加工， 因此使用的非常普遍 。 超声波指的就是人耳 听不到的 动静 。 通常来说 可以 被人耳 听到的声波的频率范围约为1620此，人们常把高于 20声波称为超声波。而在 现实 应用时 ，频率在 16下 的 超声技术 也被使用。 1830 年 莎汝特 讨论了人耳能听到 的频率 使用了多齿的轮产生 超声，但 通常 认为，首次 真正 产生 超 声的应是 弗勾扥 的气哨 测验 。 爆发第一次世界大战的时候，菈葛文 发明了换能器 ， 使用在水里 的超声波， 开始了真正的有效的研究超声具有的特点 ，如频率、波长、在 固定路程 内沿直线 传导 很 好的束射性和方向性、并 产生空化作用在液体中传播的时候 。 总而言之超声技术使用的越来越普遍 。 在一些高科技先进设备中发挥了不可替代的作用 。 外发展 1927 年 ,美国物理学家 悟 和 路密斯 做了超声加工 实验，使用超声振动对玻璃板进行了加工 。 1951 年 ，美国的科恩制 造世界 第一台 可用 的超声加工机 器 11964 年，英格兰 人 莉葛发现了 烧结或电镀金刚石刀具的旋转超声加工的方法， 解决 了 有的 超声加工深孔时加工速度低和精度差的 问题 。在 70 年 待左右 美国在超声钻中心孔、 声光整加工、 磨削、 拉管和焊接等 部分 ，已 进行了应用 。超声车削、 钻孔、 镗孔、 已经用于 试验性 研发制造 设备 基本阶段； 工业 上已经应用 超声振动切削系统 ，现在 已 有了一些 标准 。 美国 拉斯加斯内 和 华内塔 大学对 材料微 清除 量精密超哈尔滨理工大学学士学位论文 加工 方法 进行了 探讨 2。 他们发现了 低 撞击 力会 使 陶瓷材料的结构 发生改变 和晶粒 错乱 ，而高 撞击 力会 是他的 中心 有了 裂纹和凹 的痕迹。 美国 卡莎撕州的 大学 研究出了 一种 计算方法 它是旋转超声加工陶瓷去除材料率的模式 ，确定了材料去除率和加工参数它们 的 关联 。 这 项 研究 对 陶瓷材料旋转超声加工技术的发展 起到了推动的作用 。巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。 现在 最 好 的加工设备之一 是 德 玛基 的超声波加工设备， 进来研发生产 了适 合多种 工件尺寸和加工任务的高速切削技术 和 五轴联动高速超声加工中心包括： 密 型高速加工，其特 性 是紧 密 型 机构设计，轮廓精度 ， 表面质量 r. is dc as of a s to OF of a OF of m Is by dr. u q is 01 2) of OF u is to OF q. q it to it in a of OF be by OF of to be s by n a q - N 3). : s a q no : 3 of of a is as a s In to of an on s 哈尔滨理工大学学士学位论文 21 M K on q V D s Q to to is be to of a on a on is an in in is on it as of a is to on y y of to is In It is by a on x is up or to n to a to No of a to n as of is A is in 哈尔滨理工大学学士学位论文 : he is a to of a of OF of as a of of is as of a a 000 f a we of 3) 4). AD of n E b A of is n It to of s to a to be OF of as u. it is to us to of of to OF 9 OF 5 尔滨理工大学学士学位论文 录 B 注塑机的动态模拟 2016, 8(6):556要 ： 讨论了充分考虑相关的参数是一个集成的设计方法为各子系统优化的整体 系统，主要由光电 机械结构 成信息平台。基于的虚拟模型的参数驱动的方法，侧重于模式的转型的设计和分析的步骤之间的数据共享，所以并行仿的设计进行优化。作为应用实例，综合设计介绍了一种大型光学机械结构，包括光学设计，结构设计与分析，进一步验证了该方法的优点。由于分析了基于 程的设计，集成设计达到结构优化效率高。 关键词： 集成设计： 规模的结构：光学仪器 1. 介绍 产品整体不同技术的分析，例如，机械、液压、控制系统，模拟软件可持续发展和更多计算机硬 件操作变得越来越可行。结合特殊的软件程序包是可以和允许对所谓的机电一体化系统模拟的。如果在过去这些工具被应用与航空和汽车工业中，那么他们现在会找到更多应用工程技术的相同点。因此，被研究的是 塑机夹紧装置的动态特性。 限元（ 序， 维模拟软件， 体动力模拟软件和真设计控制工具都被用于这个目。结合这些不同的模拟工具并应用它们于合模机构，我们就能分析和理解机器的动态行为和不同子系统之间的联系。这就需要去提高性能，像减少磨损、循环时间或噪音，或者避免部 件早期的错误。 合模机构是一个开启与合上模具并能够在注塑和保压阶段有效的紧闭的机构。 模机构是一个二板式液压合模系统。主要由动模板，合模工作台，定模板和四个拉杆构成。模板锁定和合模压力是通过动模板整合的合模栓塞实现的。合模栓塞可以旋转 45 度去啮合拉杆螺纹为了保证动模板在注塑位置上。合模机构的主要功能是驱动液压油：液体压力被施加在合模栓塞上去产生需要的合模压力并且两个油缸被哈尔滨理工大学学士学位论文 于动模板的移动 1。 分析的焦点集中在两个方面：第一，压力作用在工作台之间的衬垫上和为了预见的基础并阻止 机器在运转中爬行。第二，为了减少总体循环时间的最优化的喷射控制信号。因此，模拟模型被限制移动模版的注射。 2. 模拟模型 机械，液压，控制系统被分别的在 能包括由链接 面使用和 C 程序在模型中引起的不标准的现象。 用这个特点在两个可能的程序上建立了一个 拟。另外， 理插件允许使用者用模拟链接 此，链接三个模拟工具和模拟整个机器是可能的。这里有两个可能估计：第一。各个整合它自己不平衡的部分并和 其他的部分交换参数。第二，三个模型被完全的整合并只有模拟求解整合不同的因素部分。 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 模机构 此外，柔性的机械部件可以包括在 。我们用 生必要的 式，并在被纳入 前降低这些大型模型自由度。 减少自由度方法是基于引用 组件式合成技术 这是必要的 。 图 2 模型的联合仿真 哈尔滨理工大学学士学位论文 合模机构的刚性模型很简单 ,只分为两个部分 : 移动模板和固定模板和合模工作台还有拉杆（参见图 4）。合模工作台是固定在地面上装有线 性弹簧 本上，报表式是一个穿透深度 X 和渗透速率 X 与压力成正比的非线性弹簧 和 d 分别的是接触刚度和阻尼系数， e 是一个指数，由于数值原因应选择大于 1。如果没有渗透，那么就没有压力作用，否则就会有接触，正常应在接触点和作用力两部分之间计算。该报表还包括了一个库仑摩擦模型。从静态到动态的摩擦系数的变化，是基于相对速度的两个几何碰撞。最终，在两个模板之间定义了两个液压缸的压力和接触报表。为了有一个更准确的力学模型，同时，鉴于更为实际的分配作用在合模工作台上的力，他 的不同部分被列为柔性机构。这些柔性机构是来自在被输入之前减少了的 式。这种在 减少方法的实施是基于组件式频率合成器 ( 中的技术，即变形是被看作是线性组合模式形状。在 ，约束模式和固定边界的正常模式是用来生成组件矩阵模式 。这种方法被称为法。接下来，在 基本的原则和柔性体积分的步骤被展示：更详细的理论介绍可以在 2式中看到。一个 型的建立可以足够详细的正确表达出模型的重要性。操作者这时可以选择充当 约束的运 动和力被施加在这些边界节点上；其余的节点称为内部节点。由固定在边界节点上的自由度（ 和求解特征，我们得到固定边界常态模量 ，这个正常的设定模式通常是截断。约束模量 被定义为当其余边界节点自由度都受约束时，一个元件施加在一个边界节点的一个自由度的静态结构的变形。最后组成还原矩阵的模式被解释为常态设定模式 和约束设定模式 。实际位移坐标 u 和组成广义坐标 q 之间的关系是 01 在方程（ 2）中，普遍的大量的自由度 有少数混合现实和虚拟的自由度 q。然而， 使有时在多维仿真中难以直接利用它。这套约束模式包含 6个刚体自由度，必须取而代之在 们必须被移除，因此在求解方程中，结构模型的矩阵被转化。 哈尔滨理工大学学士学位论文 中 k和 基础模量上处理的结果是 ； 3）中被表现。 : 最后一步 ,是一个纯粹的数学方法 ,并没有 进一步减少自由度的数量。新的基础模量 就 没有了直接的物理意义了 ,而是针对上述的问题。 柔性体的运动模型 是与刚性体来自同一方程，即拉格朗日方程。为了计算动能和势能，柔性体上任意点的位置和速度是由广义坐标表示的。 x， y， z， ， ， ，为 局部参照系附加弹性体和描述六个刚体模式的坐标。最终形式的运动方程是 21 其中 为广义坐标， M 依赖于 的广义质量矩阵， K 只取决于 的广义刚度矩阵， D 阻尼 矩阵定义模态阻尼 ，因此 D 是对角线， 适用于柔性体运动学约束方程， 拉格朗日乘数， Q 广义应用的力。 另外，一个柔性体在 式下相当的直截了当。不过，也有一些力量和关节限制，我们可以界定给它们。特别是在一个柔性体上摩擦力的问题，即动模板在工作台上滑动，是一个多维动力学的开放性问题。然而，它们制定的标准使得运行好并且被证明有用。 在我们的柔性模型中，技术的执行是基于上述的表诉。基本上它的模式如下 :对于每一个沿滑动路径选定的节点，一个力根据作用在动模板上垂直位置和速度的 关系的方程（ 1）进行计算。然而，力只是在当节点和动模板的重叠部分起作用时才作用。事实上，重量的函数是基于节点和动模板之间的水平距离。力从零斜线上升或斜线降低到零是为了保证应用能顺利和尽量减少任何间断。没有接触点和接触平均值计算。节点的距离和速度相对于动模板应采用总的坐标系统和适用于矢量单元坐标的接触和摩擦力。不过，这种做法是能够接受的结果，正如变形的合模基数很小。库仑摩擦力适用于同样的方法。 哈尔滨理工大学学士学位论文 要缺点是大量的分界节点都需要有充分代表性的移动接触力。不幸的是，这有太多的柔性体自由度和并且无法计算次数。现在， 并 不是把这些节点作为边界节点 ，他们仍是内部节点。从纯理论的角度看，当使用内部节点作为边界节点时结果的准确性无法保证。然而，更多的选择标准模式，可以减少误差。比较采用内节点的模型对对应采用表面节点的滑动模板会有一个非常一致的结果，同时还会加快计算速度。因此，我们使用这一模型进行模拟后，其他方法都没有测试过，但它们中的一些曾在上述中图 3 动模板弹性模型 附录 A of 2016, 8(6):556An is of in to of on of on so As an of a is of to of AD AE 1. he of of of is of If in in In of of an is to we of is to or or of s it is a in be 5 to in to in of is to to of 1 he on of on in to of of in to s to 2 he by n to a of a to BS it is to of of of be We to E to to a of s on he of s of to ). is to of is is a is to x x k d a is an be . If is no no is of at of a to s on of a In to a n of a of on as E n is on is as a of to . is as In n a be of a FE s is to of to as to BS or to to as By of u, of an we dr. is dc as of a s to OF of a OF of m Is by dr. u q is 01 2) of OF u is to OF q. q it to it in a of OF be by OF of to be s by n a q - N 3). : s a q no : 3 of of a is as a s In to of an on s 21 M K on q V D s Q to to is be to of a on a on is an in in is on it as of a is to on y y of to is In It is by a on x is up or to n to a to No of a to n as of is A is in : he is a to of a of OF of as a of of is as of a a 000 f a we of 3) 4). AD of n E b A of is n It to of s to a to be OF of as u. it is to us to of of to OF 9 OF 5 录 B 注塑机的动态模拟 2016, 8(6):556要 ： 讨论了充分考虑相关的参数是一个集成的设计方法为各子系统优化的整体系统，主要由光电 机械结构 成信息平台。基于的虚拟模型的参数驱动的方法，侧重于模式的转型的设计和分析的步骤之间的数据共享，所以并行仿的设计进行优化。作为应用实例，综合设计介绍了一种大型光学机械结构，包括光学设计，结构设计与分析，进一步验证了该方法的优点。由于分析了基于 程的设计，集成设计达到结构优化效率高。 关键词： 集成设计： 规模的结构：光学仪器 1. 介绍 产品整体不同技术的分 析，例如，机械、液压、控制系统，模拟软件可持续发展和更多计算机硬件操作变得越来越可行。结合特殊的软件程序包是可以和允许对所谓的机电一体化系统模拟的。如果在过去这些工具被应用与航空和汽车工业中，那么他们现在会找到更多应用工程技术的相同点。因此，被研究的是 限元（ 序， 维模拟软件，体动力模拟软件和 真设计控制工具都被用于这个目。结合这些不同的模拟工具并应用它们于合模机构，我们就能分析和理解机器的动态行为和不同子系统之间的联系。这就需要去提高性能，像减少磨损、循环时间或噪音，或者避免部件早期的错误。 合模机构是一个开启与合上模具并能够在注塑和保压阶段有效的紧闭的机构。 模机构是一个二板式液压合模系统。主要由动模板，合模工作台，定模板和四个拉杆构成。模板锁定和合模压力是通过动模板整合的合模栓塞实现的。合模栓塞可以旋转 45 度去啮合拉杆螺纹为了保证动模板在注塑位置上。合模机构的 主要功能是驱动液压油：液体压力被施加在合模栓塞上去产生需要的合模压力并且两个油缸被用于动模板的移动 1。 分析的焦点集中在两个方面：第一，压力作用在工作台之间的衬垫上和为了预见的基础并阻止机器在运转中爬行。第二，为了减少总体循环时间的最优化的喷射控制信号。因此，模拟模型被限制移动模版的注射。 2. 模拟模型 机械，液压，控制系统被分别的在 能包括由链接 面使用和 C 程序在模型中引起的不标准的现象。 用这个特点在两个 可能的程序上建立了一个 拟。另外， 型。因此，链接三个模拟工具和模拟整个机器是可能的。这里有两个可能估计：第一。各个整合它自己不平衡的部分并和其他的部分交换参数。第二，三个模型被完全的整合并只有模拟求解整合不同的因素部分。 图 1 模机构 此外，柔性的机械部件可以包括在 。我们用 生必要的 在被纳入 前降低这些大型模型自由度。 减少自由度方法是基于引用 组件式合成技术这是必要的。 图 2 模型的联合仿真 合模机构的刚性模型很简单 ,只分为两个部分 : 移动模板和固定模板和合模工作台还有拉杆（参见图 4）。合模工作台是固定在地面上装有线性弹簧 本上，报表式是一个穿透深度 X 和渗透速率 X 与压力成正比的非线性弹簧 和 d 分别的是接触刚度和阻尼系数， e 是一个指数，由于数值原因应选择大于 1。如果没有渗透，那么就没有压力作用，否则就会有接触，正常应在接触点和作用力两部分之间计算。该报表还包括了一个库仑摩擦 模型。从静态到动态的摩擦系数的变化，是基于相对速度的两个几何碰撞。最终，在两个模板之间定义了两个液压缸的压力和接触报表。为了有一个更准确的力学模型，同时，鉴于更为实际的分配作用在合模工作台上的力，他的不同部分被列为柔性机构。这些柔性机构是来自在被输入之前减少了的式。这种在 减少方法的实施是基于组件式频率合成器 ( 中的技术，即变形是被看作是线性组合模式形状。在 ，约束模式和固定边界的正常模式是用来生成组件矩阵模式 。这种方法被称为 法。接下来，在 基本的原则和柔性体积分的步骤被展示：更详细的理论介绍可以在 2式中看到。一个 型的建立可以足够详细的正确表达出模型的重要性。操作者这时可以选择充当 型的边界作为节点。被约束的运动和力被施加在这些边界节点上；其余的节点称为内部节点。由固定在边界节点上的自由度（ 和求解特征，我们得到固定边界常态模量 ，这个正常的设定模式通常是截断。约束模量 被定义为当其余边界节点自由度都受约束时，一个元件施加在一个边界节点的一个自由度的静态结构的变形。最后组成还原矩阵的模式 被解释为常态设定模式 和约束设定模式 。实际位移坐标 u 和组成广义坐标 q 之间的关系是 01 在方程（ 2）中，普遍的大量的自由度 q。然而， 使有时在多维仿真中难以直接利用它。这套约束模式包含 6个刚体自由度，必须取而代之在 们必须被移除，因此在求解方程中，结构模型的矩阵被转化。 其中 k和 基础模量上处理的结果是； 3）中被表现。 : 最后一步 ,是一个纯粹的数学方法 ,并没有进一步减少自由度的数量。新的基础模量 就 没有了直接的物理意义了 ,而是针对上述的问题。 柔性体的运动模型 是与刚性体来自同一方程，即拉格朗日方程。为了计算动能和势能，柔性体上任意点的位置和速度是由广义坐标表示的。 x， y， z， ， ， ，为 局部参照系附加弹性体和描述六个刚体模式的坐标。最终形式的运动方程是 21 其中 为广义坐标， M 依赖于 的广义质量矩阵， K 只取决于 的广义刚度矩阵， D 阻尼矩阵定义模态阻尼 ，因此 D 是对角线， 适用于柔性体运动学约束方程， 拉格朗日乘数， Q 广义应用的力。 另外，一个柔性体在 式下相当的直截了当。不过，也有一些力量和关节限制，我们可以界定给它们。特别是在一个柔性体上摩擦力的问题，即动模板在工作台上滑动，是一个多维动力学的开放性问题。然而，它们制定的标准使得运行好并且被证明有用。 在我们的柔性模型中，技术的执行是基于上述的表诉。基本上它的模式如下 :对于每一个沿滑动路径选定的节点，一个力根据作用在动模板上垂直位置和速度的关系的方程（ 1）进行计算。然而，力只是在当节点和动模板的重叠部分起作用时才作用。事实上，重量的函数是基于节点和动模板之间的水平距离。力从零斜线上升或斜线降低到零是为 了保证应用能顺利和尽量减少任何间断。没有接触点和接触平均值计算。节点的距离和速度相对于动模板应采用总的坐标系统和适用于矢量单元坐标的接触和摩擦力。不过，这种做法是能够接受的结果，正如变形的合模基数很小。库仑摩擦力适用于同样的方法。 主要缺点是大量的分界节点都需要有充分代表性的移动接触力。不幸的是，这有太多的柔性体自由度和并且无法计算次数。现在， 并不是把这些节点作为边界节点 ，他们仍是内部节点。从纯理论的角度看，当使用内部节点作为边界节点时结果的准确性无法保证。然而，更多的选择标准模式，可以减少误差。比较采用内 节点的模型对对应采用表面节点的滑动模板会有一个非常一致的结果，同时还会加快计算速度。因此，我们使用这一模型进行模拟后，其他方法都没有测试过 ， 但 它 们 中 的 一 些 曾 在 上 述 中图 3 动模板弹性模型