畢業(yè)論文-超聲加工研究

摘要：超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行加工,或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。本論文介紹了超聲加工的工作原理和技術(shù)發(fā)展歷程，分析了各組成單元的功用和技術(shù)難題，對超聲發(fā)生器和變幅桿進(jìn)行了相對研究，并分析了時下主要的旋轉(zhuǎn)超聲加工的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵字：超聲頻振動，超聲發(fā)生器，變幅桿，旋轉(zhuǎn)超聲。第1章．前言超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行振動加工,或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法[1]。幾十年來,超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速,在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用,尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題,取得了良好的效果。第2章．超聲加工技術(shù)的發(fā)展歷程超聲加工起源于20世紀(jì)50年代初。最早研究超聲加工技術(shù)的國家是日本。70年代中期，日本對振動切削與超聲磨削方面的研究已相當(dāng)深入且已應(yīng)用于生產(chǎn)。20世紀(jì)50年代末60年代初，原蘇聯(lián)對超聲加工研究也發(fā)表過很有價值的論文。其在超聲車削、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟效益。1973年，前蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟效果和實用價值，對這項新技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。美國于20世紀(jì)60年代初開始對超聲加工進(jìn)行研究。由于當(dāng)時超聲加工技術(shù)還不是很成熟，包括聲振系統(tǒng)、換能器、發(fā)生器的設(shè)計制造和質(zhì)量都較差，因此停止了其研究工作。在20世紀(jì)70年代中期，其超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段；超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產(chǎn)設(shè)備原形階段；通用超聲振動切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。我國超聲加工的研究始于20世紀(jì)50年代末，由于當(dāng)時超聲波發(fā)生器、換能器、聲振系統(tǒng)的不成熟，缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作，很快就冷了下來[2]。目前，研究人員對工程陶瓷超聲加工進(jìn)行了基礎(chǔ)的實驗研究，得出了工程陶瓷超聲加工的一些規(guī)律，為今后工程陶瓷的應(yīng)用提供了更為廣闊的前景[3]；利用改裝后的數(shù)控超聲加工裝置對Al2O3進(jìn)行了工藝試驗，其數(shù)控超聲加工是對傳統(tǒng)超聲加工的技術(shù)創(chuàng)新，具有傳統(tǒng)超聲加工所無法比擬的特點，初步掌握了對Al2O3的加工工藝規(guī)律[4]。在用超聲加工技術(shù)對陶瓷進(jìn)行的加工中，介紹了超聲加工的原理和特點，綜述了國內(nèi)外超聲加工在陶瓷材料加工方面的應(yīng)用研究，并對二維超聲振動磨削加工技術(shù)在陶瓷加工中的可行性進(jìn)行了分析，為拓展超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)發(fā)展提供借鑒[5]。通過數(shù)學(xué)物理模型分析超聲加工聲學(xué)系統(tǒng)的動力學(xué)規(guī)律，探討工具桿的局部共振現(xiàn)象，得出當(dāng)工具桿發(fā)生局部共振時，變幅桿和工具桿連接處為位移節(jié)點，且此時系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)的結(jié)論；并推導(dǎo)了超聲波發(fā)生器的可調(diào)頻率范圍與刀具桿的磨損率關(guān)系[6]。隨著超聲加工設(shè)備的不斷完善和理論研究的不斷深入，它將在我國技術(shù)進(jìn)步和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)中起到重要的作用。第3章．超聲加工的原理及設(shè)備第3.1節(jié)超聲波的加工原理超聲波是縱波，可在不同介質(zhì)中傳播，因介質(zhì)不同，傳播速度存在一定的差異；超聲波可以傳播很強的能量，可用能量密度來表征，即垂直于傳播方向上單位面積的能量；當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，將以極高的頻率壓迫液體質(zhì)點振動，在液體介質(zhì)中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域，由于液體基本上不可壓縮，由此產(chǎn)生壓力正、負(fù)交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象，從而引起固體物質(zhì)分散、破碎等效應(yīng)?？栈F(xiàn)象是液體中常見的一種物理現(xiàn)象，在液體中由于渦流或超聲等物理作用，致使某些地方形成局部的暫時負(fù)壓區(qū)，從而引起液體或液-固體界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。液體中產(chǎn)生的這些空泡或氣泡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，有初生，發(fā)育和隨后迅速閉合的過程。當(dāng)他們迅速閉合破滅時，會產(chǎn)生微激波，因此局部有很大的壓強。這種空泡或氣泡在液體中形成和隨后閉合的現(xiàn)象，成為空化現(xiàn)象。由于空化現(xiàn)象產(chǎn)生氣泡的非線性震動，以及他們破滅時產(chǎn)生爆破壓力，所以伴隨空化現(xiàn)象能產(chǎn)生許多物理和化學(xué)效應(yīng)。這些效應(yīng)有腐蝕破壞工件的消極作用，也有在工程技術(shù)中得到應(yīng)用的積極作用。超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料,或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行振動加工,或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法第3.2節(jié)超聲加工的設(shè)備超聲加工設(shè)備包括超聲發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床本體和磨料工作液循環(huán)系統(tǒng)。3.2.1、超聲發(fā)生器。超聲波發(fā)生器的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，以提供工具端面往復(fù)振動和去除被加工材料的能量。對超聲發(fā)生器的基本要求是輸出功率和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最好能具有對共振頻率自動跟蹤和自動微調(diào)的功能。在超聲加工中,為得到大的振幅以提高加工質(zhì)量,發(fā)揮超聲加工的優(yōu)越性,要求振動系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)[7]。一般,超聲振動系統(tǒng)工作前,通過調(diào)節(jié)電源的電頻率,可滿足系統(tǒng)處于共振的工作條件。但是,在實際加工中,振動系統(tǒng)的溫度、剛度、靜載荷、加工面積、工具磨損等因素的變化,使得系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生漂移,參見圖1。此時,若不及時調(diào)整換能器的電源頻率,振動系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài),從而使振動系統(tǒng)的輸出振幅減小,造成加工質(zhì)量下降,當(dāng)失諧嚴(yán)重時,超聲振動加工的優(yōu)越性就會消失。因此,在超聲振動加工中采用自動頻率跟蹤是非常必要的,這就要求超聲加工系統(tǒng)具有頻率自動跟蹤功能,同時為保證加工質(zhì)量和保護(hù)超聲系統(tǒng),要求發(fā)生器具有根據(jù)負(fù)載調(diào)整輸出功率,穩(wěn)定振幅的功能。在加工過程中,振動系統(tǒng)的固有頻率變化分為緩慢頻率變化和瞬間頻率變化[8]。由工具磨損和溫度變化引起的諧振頻率和漂移屬于緩慢變化;由負(fù)載系統(tǒng)剛度的變化引起的諧振頻率的漂移屬于瞬間變化,頻率自動跟蹤要求發(fā)生器能快速、準(zhǔn)確地跟蹤超聲振動系統(tǒng)的固有頻率的緩慢或瞬間變化。所謂自動頻率跟蹤,是指在加工過程中,當(dāng)由換能器、變幅桿、刀具組成的振動系統(tǒng)在外界因素影響下,其固有振動頻率發(fā)生變化時,控制系統(tǒng)能立即發(fā)現(xiàn)變化后的固有頻率并及時調(diào)整供電頻率與變化后的固有頻率相同,使振動系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài),以維持振動系統(tǒng)的最大振幅。自動頻率跟蹤的任務(wù)在于提取與超聲機械振動成比例的信號,并將電源的頻率調(diào)諧到超聲振動系統(tǒng)的固有頻率上。而能否準(zhǔn)確地提取有效信號是自動頻率跟蹤能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。自動頻率跟蹤系統(tǒng)按獲得反饋信號的方法可分為電反饋系統(tǒng)和聲反饋系統(tǒng)。在電反饋系統(tǒng)中,利用電—機換能器的電輸入信號與換能器工作部分的振動速度或其位移成比例的原理,通過拾取此電信號,組成自動頻率跟蹤系統(tǒng)。在聲反饋系統(tǒng)中,是通過拾取換能器或變幅桿振動系統(tǒng)輸出的機械信號,來組成頻率跟蹤系統(tǒng)的。獲取和傳送自動頻率跟蹤系統(tǒng)控制信號的不同方案如圖2所示[9]。需要指出的是,曾經(jīng)有人用模擬試驗的方法去跟蹤頻率。其基本思想是通過模擬試驗,根據(jù)工作時的載荷分布情況,找出各種載荷下的對應(yīng)固有頻率f,調(diào)節(jié)電源的頻率至相應(yīng)的f處,從而保證系統(tǒng)的諧振工作狀態(tài)。該方法思路簡單,所需的設(shè)備少,但存在明顯缺陷;1)由于各種加工設(shè)備的性質(zhì)不同,即使載荷相同,其固有頻率變化也不會相同,因此實驗數(shù)據(jù)通用性差。2)由于振動系統(tǒng)的固有頻率受多種因素影響,而模擬試驗不可能照顧到各個方面,因此,數(shù)據(jù)的可靠性不強,失諧在所難免。3)不易自控。鑒于以上缺陷,該法沒有得到推廣使用。3.2.2、超聲換能器超聲振動系統(tǒng)主要包括超聲換能器、超聲變幅桿和工具。其作用是將由超聲波發(fā)生器輸出的高頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動能，并通過變幅桿使工具斷面做小振幅的高頻振動，以進(jìn)行超聲加工。主要的換能器有磁致伸縮式和壓電式兩種。3.2.3、變幅桿變幅桿是超聲加工設(shè)備中的一個重要組成部分，如圖所示。它主要有兩個作用:①聚能作用———即將機械振動位移或速度振幅放大,或者把能量集中在較小的輻射面上進(jìn)行聚能;②有效地將聲能傳遞給負(fù)載———作為機械阻抗的變換器,在換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配,使超聲能量由換能器更有效地向負(fù)載傳輸。幾種常見的變幅桿在超聲的應(yīng)用中,由于換能器端面上的振幅十分微小(0.001～0.010mm),不能驅(qū)使磨料對工件表面形成有效的沖擊。變幅桿作為振幅擴大裝置,應(yīng)該在一定的頻率下,為工具端面提供最大的振幅,以提高超聲加工的材料去除率。目前,常見的變幅桿類型有:指數(shù)形、懸鏈線形、階梯形和圓錐形等。此外,為了改善變幅桿的某些性能,如提高形狀因數(shù)、增加放大系數(shù)等,需使用各種復(fù)合型變幅桿,這類變幅桿由兩種以上不同形狀的桿組合而成。對于這種截面形狀呈復(fù)雜變化的復(fù)合型變幅桿,按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能給出解析解,這給設(shè)計高效的復(fù)合型變幅桿帶來了困難。在超聲加工中,要使變幅桿有效和可靠地工作,保證所加工零件的精度和加工效率,變幅桿須有良好的動態(tài)特性,因此,必須對變幅桿進(jìn)行動力學(xué)研究。其中主要包括兩個方面:固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析。所謂固有振動特性分析,是研究在無阻尼自由振動的條件下變幅桿的固有特征,即固有頻率和振動應(yīng)力。響應(yīng)分析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的軸向載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),目的是計算出變幅桿的動力響應(yīng),并得到響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力。對于諧響應(yīng)分析,峰值響應(yīng)發(fā)生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時,換句話說,只有當(dāng)工作頻率和變幅桿的固有頻率相等時,變幅桿端面才能達(dá)到最大位移。因此,在諧響應(yīng)分析解之前,應(yīng)該首先進(jìn)行模態(tài)分析以確定變幅桿的固有頻率。由于變幅桿有許多固有頻率,故只需求得工作頻率附近的一個固有頻率。第4章超聲加工的發(fā)展旋轉(zhuǎn)超聲加工的特點在于它的超聲頭在工作時會隨著主軸旋轉(zhuǎn)。超聲旋轉(zhuǎn)加工是在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它與傳統(tǒng)超聲加工的不同之處在于:工具在作超聲振動的同時附加了旋轉(zhuǎn)運動;工具由金屬粉末和人造金剛石或立方氮化硼磨料按一定比例燒結(jié)而成;將冷卻水而不是磨料懸浮液輸入到工具和工件表面之間。這種加工方法把金剛石工具的優(yōu)良切削性能工具的超聲頻振動結(jié)合在一起。第4.1節(jié)旋轉(zhuǎn)超聲加工的幾項關(guān)鍵技術(shù)4.1.1工具損耗的在線補償技術(shù)用簡單工具(如圓柱形)像銑刀一樣進(jìn)行超聲成形加工,從原理上說并不困難,因為現(xiàn)在的數(shù)控技術(shù)發(fā)展得很成熟。該加工方式的關(guān)鍵技術(shù)是工具損耗的在線補償?shù)目刂萍夹g(shù)。此外,需要大量的工藝實驗研究各種工藝參數(shù)(包括工具尺寸、加工壓力、工具運動軌跡、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量)對工具損耗的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上建立工具軸向補償?shù)臄?shù)學(xué)模型。分層厚度對成形精度的影響很大,這種分層方式不可避免地使型腔輪廓出現(xiàn)階梯效應(yīng),分層厚度越小,加工精度越高。超聲分層銑削加工是一種新技術(shù),其最佳分層厚度、工具軌跡、最佳加工壓力、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的確定及其對工具磨損、材料去除率等的影響還需進(jìn)一步的實驗研究。4.1.2超聲波頻率自動跟蹤技術(shù)清華大學(xué)[10]開發(fā)出了粗精頻率跟蹤的超聲波發(fā)生器。其原理是數(shù)控插補分為粗插補和精插補,粗插補由軟件實現(xiàn),精插補由硬件實現(xiàn)。類比數(shù)控插補原理,采用粗跟蹤由軟件實現(xiàn),采用變頻搜索法;精跟蹤由硬件實現(xiàn),采用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)。工作時,先由PC機設(shè)定超聲波發(fā)生器的啟動頻率,單片機收到此值時開始工作,首先將檢測到的換能器側(cè)輸入電流送入單片機,單片機根據(jù)變頻搜索法調(diào)整超聲波發(fā)生器的頻率,使其向系統(tǒng)諧振頻率靠攏,一旦進(jìn)入鎖相環(huán)電路的捕獲帶范圍,即開始由硬件電路進(jìn)行頻率精跟蹤,并將超聲波發(fā)生器的輸出頻率鎖定在整個振動系統(tǒng)的諧振頻率上。4.1.3旋轉(zhuǎn)超聲機床的電氣控制技術(shù)旋轉(zhuǎn)超聲機床采用可編程多軸控制器PMAC為控制核心,開發(fā)超聲數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)軟件,實現(xiàn)四軸聯(lián)動,完成系統(tǒng)初始化,參數(shù)設(shè)置,控制程序編制、數(shù)據(jù)通訊及文件操作等功能。系統(tǒng)采用高性能工控機為基礎(chǔ),在Windows操作系統(tǒng)的支持下,引入多軸運動控制器,充分利用其內(nèi)部自帶的插補功能模塊、刀具補償模塊及內(nèi)置的PLC邏輯控制模塊等技術(shù)來實現(xiàn)主機與外部系統(tǒng)通訊。軟件設(shè)計采用對話框交互方式,使整個操作過程簡單明了,具有良好的人機交互界面,把整個控制軟件劃分為很多小模塊,用類來表示并封裝這個子模塊的各種屬性和功能函數(shù),減少了整個系統(tǒng)程序編制的工作量,提高了工作效率。軟件實現(xiàn)的主要功能有:系統(tǒng)狀態(tài)初始化、狀態(tài)參數(shù)設(shè)置、位置過程顯示、加工控制與通訊、壓力數(shù)據(jù)采集等。參考文獻(xiàn)[1]曹鳳國,張勤儉.超聲加工技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[2]張云電.超聲加工及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.[3]呂正兵，徐家文.工程陶瓷超聲加工的基礎(chǔ)實驗研究［J］.電加工與模具，2004（2）：57－60[4]王超群，李潔，康敏.數(shù)控超聲加工Al2O3的工藝試驗［C］.中國機械工程學(xué)會年會，2007.[5]梁晶晶，劉永姜，吳雁，等.超聲加工技術(shù)及其在陶瓷加工中的應(yīng)用［J］.機械管理開發(fā)，2