超聲磨削裝置設(shè)計(jì)

學(xué)校代碼:本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 超聲磨削裝置設(shè)計(jì) 學(xué)院:姓名:學(xué)號(hào):專(zhuān)業(yè):年級(jí):指導(dǎo)教師:摘要旋轉(zhuǎn)超聲磨削是在傳統(tǒng)機(jī)械磨削的基礎(chǔ)上，將超聲振動(dòng)加入到磨削工具上的一種新型的復(fù)合加工方法。該方法不僅保留了傳統(tǒng)機(jī)械磨削的一些優(yōu)良特性，又因加入超聲振動(dòng)后，能較大地提高加工效率，有效地改善工程陶瓷、復(fù)合材料等難加工材料磨削表面質(zhì)量。本文旨在研制出旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置，該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機(jī)床上或普通機(jī)床上，進(jìn)行常見(jiàn)表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)超聲磨削，工程陶瓷，碳刷，超聲磨削裝配圖AutoCAD圖形167KB彈簧支座AutoCAD囹形69.超聲磨削裝配圖AutoCAD圖形167KB彈簧支座AutoCAD囹形69.5KB法蘭彈性墊片AutoCAD圖形58.9KB軸承支座AutoCAD囹形78.2KB主軸伴AutoCAD圖形89.0KB主軸件2AutoCAD囹形73.5KB目錄MicrosoftWord文檔KB設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)MicrosoftWord文檔772KB資料袋封面MicrosoftWord文檔KB彈,擋板AutoCAD圖形KB電機(jī)座AutoCAD圖形70.0KB徑向密封1AutoCAD圖形57.4KB軸組件AutoCAD圖形KB主軸件*AutoCAD圖形55.3KB工：蘭*笞推稿 _JLMicrosoftPowerPoint演示文稿■兇719KB任務(wù)書(shū)Microsoft33.5KB摘要MicrosoftWord文檔26.5KBultrasonicmachiningdesignAbstract:Rotaryultrasonicgrinding(RUG)isanewmachiningmethodwhichintegratesrotarymovementoftraditionalgrindingwithultrasonicoscillation.ThismethodcankeepdownsomeexcellentgrindingcharactersofMechanicalgrinding,greatlyenhanceprocessrateandeffectivelyimprovetheeffectofgrindingsurfaceofdifficult-to-cutmaterials(stainlesssteelandcompositematerialandthelike).Theaimofthispaperisthatwedesignandmanufacturethegrindingdeviceofrotaryultrasonicmachining,Thisdevicecanbeinstalledonnumericalcontrolmachineorcommonmachinetoolasanaccessoryandcancarryoutrotaryultrasonicgrindingforusualsurfaceandevensomecomplicatedsurface.Keyword：rotaryultrasonicgrinding,engineeringchinaware,carbonbrush,m前言 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。TOC\o"1-5"\h\z1緒論 21.1超聲的發(fā)展史 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.2超聲加工的原理及特點(diǎn) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.3工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù) 3\o"CurrentDocument"1.4超聲加工的意義及前景 7\o"CurrentDocument"2設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8\o"CurrentDocument"2.1超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.1.1超聲加工設(shè)備及其組成部分 8\o"CurrentDocument"2.1.2初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"2.1.3結(jié)構(gòu)的比較 9\o"CurrentDocument"2.1.4最后結(jié)構(gòu)的比較 11\o"CurrentDocument"2.2裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核 13\o"CurrentDocument"2.2.1電機(jī)的計(jì)算與選擇 13\o"CurrentDocument"2.2.2壓電陶瓷的選擇 16\o"CurrentDocument"2.2.3軸強(qiáng)度的校核 17\o"CurrentDocument"2.2.4鍵的校核 18\o"CurrentDocument"3總結(jié)與展望 20\o"CurrentDocument"3.1總結(jié) 20\o"CurrentDocument"3.2展望 20\o"CurrentDocument"參考資料 22\o"CurrentDocument"致謝 23刖言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及航空航天等領(lǐng)域的需求，不銹鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷等難加工材料應(yīng)用日趨廣泛，而此類(lèi)材料的特殊性能使其加工制造非常困難。例如，海洋結(jié)構(gòu)件普遍采用耐腐蝕的不銹鋼，而不銹鋼加工起來(lái)切削力大、切削溫度高、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、加工硬化趨勢(shì)強(qiáng)等特點(diǎn)，使得不銹鋼切削過(guò)程中切削功率消耗大，切削溫度高，而且加工工件表面質(zhì)量較低。又如航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要零件如機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片等廣泛采用鈦、鎳基合金等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，而鈦、鎳基合金材料切削加工性較差，主要表現(xiàn)在材料熱硬度和熱強(qiáng)度很高，所需切削力很大，工件、刀具容易產(chǎn)生較大變形。航天飛機(jī)機(jī)頂首部廣泛采用工程陶瓷，但工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、高脆性等特點(diǎn)，使得陶瓷材料的加工十分困難，加工成本很高。此類(lèi)材料的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問(wèn)題。對(duì)此，采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無(wú)法加工，而特種加工很適合對(duì)這些材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)加工。而在眾多特種加工方法中，超聲加工有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而迅速得以發(fā)展和推廣。1.1超聲的發(fā)展史超聲波是指頻率高于人耳聽(tīng)覺(jué)上限的聲波。一般來(lái)講，人耳可以聽(tīng)到的聲波的頻率范圍約為16?20KHz。因此，人們常把高于20KHz的聲波稱(chēng)為超聲波。而在實(shí)際應(yīng)用種，有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在16KHz以下。早在1830年，為了探討人耳究竟能夠聽(tīng)到多高的頻率，F(xiàn).Savart曾用一個(gè)多齒的輪首次產(chǎn)生了頻率為2.4104Hz的超聲，但人們一般卻認(rèn)為，首次有效產(chǎn)生高頻聲的，應(yīng)是1876年F.Galton的氣哨實(shí)驗(yàn)。第一次世界大戰(zhàn)期間，P.Langevin發(fā)明了石英晶體換能器，用來(lái)在水中發(fā)射和接收頻率較低的超聲波，開(kāi)始了人類(lèi)真正科學(xué)的開(kāi)展超聲技術(shù)的研究。超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，如頻率高、波長(zhǎng)短、在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性、并在液體介質(zhì)中傳播時(shí)可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。因此，近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)發(fā)展極為迅速，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前，其應(yīng)用遍及航空、航海、國(guó)防、生物工程以及電子等領(lǐng)域，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。1.2超聲加工的原理及特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)超聲磨削的加工原理如圖1-2所示，其中，壓電陶瓷換能器用于將從外部接入的高頻電振蕩信號(hào)（由220V或380V的交流電經(jīng)超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)換而成）轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；由于壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振幅較?。ù蠹s有5pm），一般不能滿足需求，需用變幅桿將換能器的振動(dòng)振幅放大后（振幅為20?30pm）再傳至磨削工具，磨削工具在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也做縱向超聲振動(dòng)，其振動(dòng)方向如下圖中的箭頭所示。加工過(guò)程中，磨削工具既做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又做縱向超聲振動(dòng)，磨粒直接作用在工件上，可以看出，磨粒與工件是永久性接觸的，不存在速度與工件表面分離的特點(diǎn)，因此文中所研究的旋轉(zhuǎn)超聲磨削并沒(méi)有脫離傳統(tǒng)的機(jī)械磨削。并可知磨削工具上的單顆磨粒在磨削平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為縱向的正弦運(yùn)動(dòng)和砂輪線速度橫向的直線運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，因此相對(duì)于普通磨削(無(wú)超聲振動(dòng))，磨粒在工件表面刻劃出的痕跡較長(zhǎng)。研究表明，旋轉(zhuǎn)超聲磨削既能保留傳統(tǒng)磨削的較好的磨削特性，又能大幅度提高加工效率，且能有效改善不銹鋼、復(fù)合材料等難加工材料磨削表面質(zhì)量。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)在第42屆CIRP大會(huì)上，將超聲振動(dòng)應(yīng)用于磨削加工作為下一代精密加工的發(fā)展方向之一。旋轉(zhuǎn)超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它與傳統(tǒng)超聲加工的不同之處在于：工具在做超聲振動(dòng)的同時(shí)附加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使工具上的磨粒不斷沖擊和劃擦工件表面。因此可以說(shuō)，旋轉(zhuǎn)超聲加工是一種將傳統(tǒng)的超聲技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合的方法。目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工主要應(yīng)用于超聲鉆孔、套料、超聲螺紋加工、超聲銑削以及超聲磨削加工等幾個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，由于這種加工方法把傳統(tǒng)加工的一些優(yōu)良性能與工具的超聲頻振動(dòng)結(jié)合在一起，與常規(guī)鉆孔和采用游離磨料的傳統(tǒng)超聲加工方法相比，具有以下特點(diǎn)：加工速度快。例如，在光學(xué)玻璃上加工直徑為6mm的孔，加工速度可達(dá)100mm/min以上。同樣條件下，旋轉(zhuǎn)超聲加工RUM加工速度是傳統(tǒng)USM的10倍，是傳統(tǒng)磨削的6~10倍。超聲振動(dòng)減小了工具與加工表面的磨擦系數(shù)，切削力小，排屑通暢。鉆孔加工時(shí)，不需退刀排屑，可一次進(jìn)刀完成，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。由于所需的切削力小，可在工件的邊、角處鉆孔，而不產(chǎn)生破裂。對(duì)材料的適應(yīng)性廣。可用于脆性材料(如玻璃、石英、陶瓷、YAG激光晶體、碳纖維復(fù)合材料等)的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工等。特別適用于深小孔和細(xì)長(zhǎng)棒套料(已在玻璃上加工出直徑為1.6mm，深100mm以上的孔)?？商岣呒庸ぞ群透纳票砻尜|(zhì)量，而且工具磨損減小，使用壽命延長(zhǎng)。1.3工程陶瓷材料的使用價(jià)值及加工技術(shù)陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代技術(shù)陶瓷兩大類(lèi)。傳統(tǒng)陶瓷是指用天然硅酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品。因?yàn)樵系某煞只祀s和產(chǎn)品的性能波動(dòng)大，僅用于餐具、日用容器、工藝品以及普通建筑材料(如地磚、水泥等)，而不適用于工業(yè)用途。現(xiàn)代技術(shù)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能，通過(guò)嚴(yán)格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來(lái)的高性能材料，主要用于高溫和腐蝕介質(zhì)環(huán)境，是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一下面對(duì)現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個(gè)主要領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷作簡(jiǎn)單介紹。(1)結(jié)構(gòu)陶瓷同金屬材料相比，陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3)，因而在許多場(chǎng)合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無(wú)法勝任的場(chǎng)合，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結(jié)構(gòu)陶瓷可分為三大類(lèi);氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。氧化物陶瓷主要包括氧化鋁、氧化錯(cuò)、莫來(lái)石和欽酸鋁。氧化物陶瓷最突出優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問(wèn)題，原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。氧化鋁和氧化錯(cuò)具有優(yōu)異的室溫機(jī)械性能，高硬度和耐化學(xué)腐蝕性，主要缺點(diǎn)是在1000°C以上高溫蠕變速率高，機(jī)械性能顯著降低。氧化鋁和氧化錯(cuò)主要應(yīng)用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內(nèi)襯等。莫來(lái)石室溫強(qiáng)度屬中等水平， 但它在1400C仍能保持這一強(qiáng)度水平，并且高溫蠕變速率極低，因此被認(rèn)為是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的主要候選材料之一。上述三種氧化物也可制成泡沫或纖維狀用于高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內(nèi)存在廣泛的微裂紋，因而具有極低的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率。它的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，無(wú)法單獨(dú)作為受力元件，所以一般用它加工內(nèi)襯用作保溫、耐熱沖擊元件，并已在陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和賽龍(SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子間主要是以共價(jià)鍵結(jié)合在一起，因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力，并且能把這些性能的大部分保持到高溫，這是氧化物陶瓷無(wú)法比擬的。但它們的燒結(jié)非常困難，必須在極高溫度(1500?2500C)并有燒結(jié)助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產(chǎn)品，有時(shí)必須借助熱壓燒結(jié)法才能達(dá)到希望的密度(>95%)，所以非氧化物陶瓷的生產(chǎn)成本一般比氧化物陶瓷高。這些含硅的非氧化物陶瓷還具有極佳的高溫耐蝕性和抗氧化性，因此一直是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的最重要材料，目前已經(jīng)取代了許多超高合金鋼部件?，F(xiàn)有最佳超高合金鋼的使用溫度低于1100C，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的溫度在1300C以上，因而普遍采用高壓水強(qiáng)制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金鋼后，燃燒溫度可提高到1400C以上，并且不需要水冷系統(tǒng)，這在能源利用和環(huán)保方面具有重要的戰(zhàn)略意義。非氧化物陶瓷也廣泛應(yīng)用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本較高，但高溫韌性、強(qiáng)度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多，并且刀具壽命長(zhǎng)、允許切削速度高，因而在刀具市場(chǎng)占有日益重要地位。它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無(wú)潤(rùn)滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。玻璃陶瓷玻璃和陶瓷的主要區(qū)別在于結(jié)晶度，玻璃是非晶態(tài)而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)以前存在明顯的軟化，而陶瓷的軟化溫度同熔點(diǎn)很接近，因而陶瓷的機(jī)械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優(yōu)點(diǎn)是可在玻璃軟化溫度和熔點(diǎn)之間進(jìn)行各種成型，工藝簡(jiǎn)單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機(jī)械性能，它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品，然后高溫結(jié)晶化處理獲得陶瓷。工業(yè)玻璃陶瓷體系有鎂一鋁一硅酸鹽、鋰一鎂一鋁一硅酸鹽和鈣一鎂一鋁一硅酸鹽系列，它們常被用來(lái)制造耐高溫和熱沖擊產(chǎn)品，如炊具。此外它們作為建筑裝飾材料正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如地板、裝飾玻璃。(2)陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料是為了達(dá)到某些性能指標(biāo)將兩種或兩種以上不同材料混合在一起制成的多相材料，它具有其中任何一相所不具備的綜合性能。陶瓷材料的最大缺點(diǎn)是韌性低，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的突然性斷裂，陶瓷基復(fù)合材料主要是為了改善陶瓷韌性?；谔岣唔g性的陶瓷基復(fù)合材料主要有兩類(lèi):氧化錯(cuò)相變?cè)鲰g和陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)合材料是把部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末同其它陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化硅或莫來(lái)石)混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達(dá)到10Mpan，「，以上，而一般陶瓷的韌性?xún)H有3Mpa「"?:左右。這類(lèi)材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。纖維強(qiáng)化被認(rèn)為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強(qiáng)度一般比基體高得多.所以它對(duì)基體具有強(qiáng)化作用;同時(shí)纖維具有顯著阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料，例如碳化硅長(zhǎng)纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達(dá)30Mpani1-'以上，比燒結(jié)碳化硅的韌性提高十倍.但因?yàn)檫@類(lèi)材料價(jià)格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。另一引人注目的增強(qiáng)材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎完美的纖維狀單晶體.其強(qiáng)度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強(qiáng)化。目前這類(lèi)材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要體系有碳化硅晶須一氧化鋁一氧化鉛、碳化硅晶須一氧化鋁和碳化硅晶須一氮化硅。(3)功能陶瓷功能陶瓷是具有光、電、熱或磁特性的陶瓷，已經(jīng)具有極高的產(chǎn)業(yè)化程度。下面簡(jiǎn)介幾類(lèi)主要功能陶瓷的性能。導(dǎo)電性能陶瓷材料具有非常廣泛的導(dǎo)電區(qū)間，從絕緣體到半導(dǎo)體、超導(dǎo)體。大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性，因而被廣泛用于電絕緣體。半導(dǎo)體分為電子型和離子型半導(dǎo)體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導(dǎo)體。離子型半導(dǎo)體僅對(duì)某些特殊的帶電離子具有傳導(dǎo)作用，最具有代表性的是穩(wěn)定氧化鋯和P一氧化鋁。穩(wěn)定氧化鉆僅對(duì)氧離子具有傳導(dǎo)作用，主要產(chǎn)品有氧傳感器（主要用來(lái)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率或鋼水中氧濃度）、氧泵（從空氣中獲得純氧）和燃料電池。。一氧化鋁僅對(duì)鈉離子具有傳導(dǎo)作用，主要用來(lái)制造鈉一硫電池，其特點(diǎn)是高效率、對(duì)環(huán)境無(wú)危害和可以反復(fù)充電。陶瓷超導(dǎo)體是近10年才發(fā)展起來(lái)的.它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度在所有類(lèi)超導(dǎo)體中最高，已經(jīng)達(dá)到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導(dǎo)體為釔一鋇一銅一氧系列材料，已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、精密儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。介電性能大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，表現(xiàn)在其較高的介電常數(shù)和低介電損耗。介電陶瓷的主要應(yīng)用之一是陶瓷電容器。現(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當(dāng)鋇或鈦離子被其它金屬原子置換后，會(huì)得到具有不同介電性能的電介質(zhì)。認(rèn)酸鈦基電介質(zhì)的介電常數(shù)高達(dá)1000以上，而過(guò)去使用的云母小于10，所以用鈦酸鋇制成的電容器具有體積小、電儲(chǔ)存能力高等特點(diǎn)。鈦酸鋇基電介質(zhì)還具有優(yōu)異的正電效應(yīng)。當(dāng)溫度低于某一臨界值時(shí)呈半導(dǎo)體鐘電狀態(tài)，但當(dāng)溫度超過(guò)這一臨界值時(shí)，電阻率突然增加到I，，-U.倍成為絕緣體。利用這一效應(yīng)的產(chǎn)品有電路限流元件和恒溫電阻加熱元件。許多陶瓷，如錯(cuò)鈦酸錯(cuò)，具有顯著壓電效應(yīng)。當(dāng)在陶瓷上施加外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷用途極其廣泛，產(chǎn)品有壓力傳感元件、超聲波發(fā)生器等。光學(xué)性能陶瓷在光學(xué)方面的應(yīng)用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號(hào)發(fā)生器和光導(dǎo)纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見(jiàn).如涂料、陶瓷釉和琺瑯。核工業(yè)中，利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面應(yīng)用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來(lái)透過(guò)不同波長(zhǎng)的光線，其中最重要的就是紅外線透射陶瓷，它僅允許紅外光線透過(guò)，被用來(lái)制造紅外窗口，在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。這類(lèi)材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來(lái)石等.陶瓷還是固體激光發(fā)生器的重要材料，典型代表有紅寶石激光器和憶榴石激光器。光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通訊信號(hào)的主要傳輸媒介，它是用高純二氧化硅制成的，具有信號(hào)損耗低、高保真性、容量大等特性，是金屬信號(hào)傳愉線無(wú)法比擬的。磁學(xué)性能金屬和合金磁性材料具有電阻率低、損耗大的特性，尤其在高頻下更是如此，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有電阻率高、損耗低、磁性范圍廣泛等特性.陶瓷磁性材料的代表為鐵氧體一種含鐵的復(fù)合氧化物。通過(guò)對(duì)成份的嚴(yán)格控制，可以制造出軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。軟磁材料的磁導(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，磁損耗低.主要用于電感線圈、小型變壓器、錄音磁頭等部件。典型的軟磁材料有鎳一鋅、錳一鋅和鋰一鋅鐵氧體。硬磁材料的特性是剩磁大、矯頑力大、不易退磁，主要應(yīng)用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度非常接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度.它是因磁滯回線呈矩形而得名，主要應(yīng)用于現(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)邏輯元件和開(kāi)關(guān)元件，代表材料為鎂一錳鐵氧體。采用金剛石磨粒砂輪對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的磨削熱是影響被磨工件表面質(zhì)量的重要因素。陶瓷材料在機(jī)械物理性能上的差異，以及磨削參數(shù)的選擇，均對(duì)工件的表面磨削溫度產(chǎn)生重要影響。林彬、于思遠(yuǎn)、徐燕申等對(duì)SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削溫度進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了這兩種材料表面磨削溫度隨磨削參數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)影響磨削溫度的因素進(jìn)行了分析。尚廣慶、孫春華等通過(guò)對(duì)硬脆材料（玻璃）的切削試驗(yàn)，建立了硬脆材料的磨削模型，討論了硬脆材料在磨粒作用下的塑性變形和斷裂行為，通過(guò)對(duì)硬脆材料（玻璃）的切削試驗(yàn)，分析討論了硬脆材料在力作用下的變形規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)切深很小，材料所受?chē)鷫毫ψ銐虼髸r(shí)硬脆材料會(huì)發(fā)生塑性變形；硬脆材料的斷裂行為與金屬材料有著本質(zhì)區(qū)別。硬脆材料在磨削過(guò)程中形成很多相互交貫的裂紋，使切屑呈粉碎狀并在被切削表而留下許多裂紋。1.4超聲加工的意義及前景超聲加工是目前應(yīng)用較普遍的一種加工方法。盡管該加工方法的生產(chǎn)率比電火花、電解加工等低，但其精度和表面光潔度卻比它們高，可穩(wěn)定地加工出精度為±5pm，表面粗糙度為Ra<0.51?0.76^m的零件；其應(yīng)用不受工件材料的電、化學(xué)特性限制，不需要工件導(dǎo)電，也不像激光、電火花等特種加工一樣給工件帶來(lái)熱損傷和殘余應(yīng)力。超聲加工是利用超聲振動(dòng)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(lái)去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。后來(lái)，在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)，其與超聲加工的不同之處在于后者在加工中加入了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。研究表明，旋轉(zhuǎn)超聲加工許多獨(dú)特的特點(diǎn)：低切削力、低磨削溫度、低表面粗糙度和高精度，而且加工效率相對(duì)于傳統(tǒng)超聲加工有所提高。超聲加工方法是近40年來(lái)逐步發(fā)展的一種新型加工方法，它不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆性金屬材料，而且適合于半導(dǎo)體和不導(dǎo)電的非金屬硬脆材料（如半導(dǎo)體硅片、玻璃、陶瓷以及金屬基碳化硅復(fù)合材料等）的精密加工和成形加工。在難加工材料和精密加工中，超聲波加工方法具有普通加工無(wú)法比擬的工藝效果，具有廣泛的應(yīng)用范圍。2設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2.1超聲磨削裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1超聲加工設(shè)備及其組成部分設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削裝置結(jié)構(gòu)，它由無(wú)刷電機(jī)、碳刷銅環(huán)、超聲波發(fā)生器、壓電陶瓷換能器、軸承、變幅桿、前法蘭、磨削工具、主軸、裝置底座等零部件組成，磨削工具右端部位的陰影部分為在其上鍍制的金剛石磨粒。電機(jī)與主軸是通過(guò)聯(lián)軸器連接的，而主軸與變幅桿是通過(guò)變幅桿上的前法蘭連接的，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)將前法蘭設(shè)計(jì)在振動(dòng)節(jié)面（變幅桿中質(zhì)點(diǎn)位移振幅為零的面）位置，但考慮到施加負(fù)載或工具磨損后，換能器振動(dòng)頻率將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致連接處有微弱振動(dòng)，因此在主軸端面加一橡皮墊圈用于減少法蘭固定后對(duì)變幅桿振動(dòng)振幅的影響。磨削工具是通過(guò)變幅桿小端部的內(nèi)螺紋固定在變幅桿上的，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。該裝置能以附件的形式安裝在數(shù)控機(jī)床上，也可通過(guò)變換裝置底座安裝在普通機(jī)床上，進(jìn)行常見(jiàn)表面、甚至一些較復(fù)雜型面的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工。工作時(shí)，由電機(jī)（其轉(zhuǎn)速是通過(guò)外帶的電機(jī)變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)）通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主軸以及與之連接在一起的變幅桿和磨削工具旋轉(zhuǎn)；同時(shí)在外部超聲波發(fā)生器的激勵(lì)下，壓電陶瓷換能器產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，其振幅在經(jīng)過(guò)變幅桿進(jìn)行放大后，作用于磨削工具上。這樣磨削工具既具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也具有軸向超聲振動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工。2.1.2初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超聲磨削裝置要與X52K立式銑床聯(lián)接，裝置要座于銑床的銑頭。銑頭與工作臺(tái)之間的高度有限，這就要求裝置的體積和重量都不應(yīng)太大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一圖中：1一電機(jī)；2一聯(lián)軸器；3一軸承外圈端蓋；4一軸承內(nèi)圈端蓋;5一集電環(huán)；6一電刷；7一壓電陶瓷；8一變幅桿。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二圖中：1—電機(jī)；2—帶輪；3—皮帶；4—集電環(huán)螺母;5—集電環(huán)；6—電刷；7—壓電陶瓷。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三圖中：1—電機(jī)；2—集電環(huán)；3—軸承外端蓋。2.1.3結(jié)構(gòu)的比較以上三圖為三種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案一、三的整體結(jié)構(gòu)相似，均采用的是電機(jī)加聯(lián)軸器，而結(jié)構(gòu)方案二采用的是電機(jī)和皮帶輪?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)方案一、三的整體尺寸相對(duì)結(jié)構(gòu)方案二而言要小的多，這對(duì)減輕裝置的重量大有意義。結(jié)構(gòu)方案一中內(nèi)部?jī)蓚€(gè)軸承之間用軸承襯套固定內(nèi)外圈，但是當(dāng)壓電陶瓷開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，軸承襯套由于是用鋼料制成的，是剛性的，因此兩個(gè)軸承會(huì)隨著壓電陶瓷的振動(dòng)而振動(dòng)。不難想象軸承在約20000Hz的高頻下，以大加速度振動(dòng)，結(jié)果是一會(huì)兒時(shí)間軸承就燒壞掉了。還有振動(dòng)經(jīng)軸承端蓋將振動(dòng)傳到整個(gè)裝置，產(chǎn)生很大的噪聲進(jìn)而對(duì)環(huán)境造成污染。因此本裝置就必須要解決振動(dòng)對(duì)軸承的影響問(wèn)題。對(duì)于結(jié)構(gòu)方案一、三，兩者的裝配較方便，但是，電機(jī)與軸的同軸度很難保證，在高速旋轉(zhuǎn)下同軸度如果沒(méi)發(fā)保證的話，軸承會(huì)很快磨損，裝置的工作狀態(tài)就會(huì)呈現(xiàn)出惡性循環(huán)，軸就會(huì)擺動(dòng)。如此一來(lái)裝置的加工精度就沒(méi)法保證了，本裝置的精密加工就失去了意義。再者如果同軸度不好，軸的速度也不會(huì)達(dá)到較高速度。這也沒(méi)法實(shí)現(xiàn)高速磨削的目的。結(jié)構(gòu)方案二為電機(jī)加皮帶輪，整體上顯得系統(tǒng)所占空間較大。軸受到較大的

彎矩作用，因此在設(shè)計(jì)中要注意軸徑是否有足夠的彎矩強(qiáng)度，同時(shí)還要注意是否有足夠的剛性。如果剛性不足的話，那么軸就會(huì)被拉彎，軸的另一端就會(huì)出現(xiàn)擺角，裝置的加工精度也就沒(méi)法保證了。結(jié)構(gòu)方案一、二、三的共同缺點(diǎn)是，三者的軸座內(nèi)徑一樣大小，沒(méi)有出現(xiàn)階梯變化。首先這樣的結(jié)構(gòu)看上去比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際情況中是不實(shí)用的，軸孔的加工長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其精度難以保證。再者軸可能會(huì)出現(xiàn)軸向的竄動(dòng)，這對(duì)加工工件當(dāng)然是有害的。作為電源供給裝置，集電環(huán)的作用是很重要的。如圖所示：圖中：1—結(jié)構(gòu)方案一中的集電環(huán)；2—為結(jié)構(gòu)方案二、三中的集電環(huán).結(jié)構(gòu)一中集電環(huán)是在軸上先圖有絕緣層，然后再在上面鍍上金屬層，這種方案制造工藝復(fù)雜，而且其可靠性難以得到保證，同時(shí)也增加了制造成本。而二、三、四方案中采用通常電機(jī)使用的集電環(huán)，可以在廠家定做，其質(zhì)量能夠得到保證，相對(duì)于前者當(dāng)然較為可靠。故二、三、結(jié)構(gòu)中的集電環(huán)較好。結(jié)構(gòu)一中壓電陶瓷處于兩軸承之間，在這樣的結(jié)構(gòu)中超聲振動(dòng)經(jīng)過(guò)軸承的阻礙使其很難傳到工具桿上，而二、三結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷處于外部，沒(méi)有軸承的阻礙，因此超聲振動(dòng)很容易傳到工具桿上，而不至在還未傳出時(shí)超聲振動(dòng)能量就消耗了很多。結(jié)構(gòu)一、三是電機(jī)加聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到工具桿上，而結(jié)構(gòu)二是電機(jī)加帶輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到工具桿上。由于結(jié)構(gòu)二采用帶輪結(jié)構(gòu)，因此軸將承受的不僅僅有轉(zhuǎn)矩作用而且還有彎矩作用，故二中軸承分布為一邊兩個(gè)，其作用是可以減小單個(gè)軸承所承受的徑向力，從而達(dá)到延長(zhǎng)軸承壽命的作用。外圈軸向緊固的常用方法有：用嵌入外溝槽內(nèi)的孔用彈性擋圈，用于軸向力不大且需減小軸承裝置尺寸時(shí)；用軸向彈性擋圈嵌入軸承外圈的的止動(dòng)槽內(nèi)緊固，用于帶有止動(dòng)槽的深溝球軸承，當(dāng)外殼不便設(shè)凸肩且外殼為剖分式結(jié)構(gòu)式時(shí);用軸承蓋緊固，用于高轉(zhuǎn)速及很大向心力時(shí)的各類(lèi)向心、推力和向心推力軸承；

用螺紋環(huán)緊固，用于軸承轉(zhuǎn)速高、軸向載荷大，而不適于使用軸承端蓋緊固的情況。結(jié)構(gòu)一、二中軸承外端蓋是一樣的類(lèi)型，結(jié)構(gòu)三為螺紋環(huán)的形式。兩種結(jié)構(gòu)方案中的軸承端的作用是一樣的，即固定軸承的作用，除此之外還有密封、防塵等作用。結(jié)構(gòu)三中的軸承外端蓋適于高速旋轉(zhuǎn)的軸承。結(jié)構(gòu)一、三與結(jié)構(gòu)二相比其所占空間較后者要小一些，當(dāng)然起重量也較后者輕一些。2.1.4最后結(jié)構(gòu)的確定總的來(lái)說(shuō)上的幾種結(jié)構(gòu)方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，最終結(jié)構(gòu)方案是綜合上面幾種結(jié)構(gòu)方案中的可取之處，同時(shí)彌補(bǔ)其不足之點(diǎn)而成的。如下圖為最終所確定的結(jié)構(gòu)方案。圖中：1一電機(jī)；2—電機(jī)座殼；3軸承座；4一夾具體底座。裝置采用的是電機(jī)加聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。軸殼和電機(jī)座殼的材料均為鑄鐵，鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)是其鑄造性能很好，而且鑄鐵還具有消震性能，通常機(jī)床的床身、底座均用鑄鐵鑄造。銑床連接座采用鑄鋼，因?yàn)槠錂C(jī)械強(qiáng)度高，而鑄鐵材料的抗拉強(qiáng)度很低，因此不采用鑄鐵材料。軸殼和電機(jī)座殼的聯(lián)接定位采用內(nèi)螺紋圓錐銷(xiāo)。銷(xiāo)孔的加工采用配鉆，即將聯(lián)軸器和電機(jī)、軸裝好之后，緊上螺栓，然后鉆銷(xiāo)孔。這樣能夠保證軸和電機(jī)軸的同軸度。滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。深溝球軸承主要承受徑向載荷，有時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)摩擦系數(shù)最小，在高轉(zhuǎn)速時(shí)也可用來(lái)承受純軸向載荷。但是其承載能力是少量的軸向載荷。角接觸球軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷，且能在較高速下正常工作，其承受軸向載荷的能力與接觸角a有關(guān)，接觸角大的承受軸向載荷的能力也高。在本設(shè)計(jì)中選取的是接觸角a為40?。由于振動(dòng)裝置在軸向方向上的超聲振動(dòng)很大，會(huì)引起機(jī)床磨削裝置的振動(dòng)，而影響整個(gè)加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加工精度和系統(tǒng)的使用性能，使用壽命等。因此，設(shè)計(jì)時(shí)加有隔振元件。裝置的振動(dòng)最好不傳到軸的外部，因此在最終結(jié)構(gòu)中靠近變幅桿一邊軸承的左右兩側(cè)，內(nèi)外圈都加有防震墊圈。這樣防震墊圈就對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)起到阻隔作用。裝置銑床聯(lián)接座與銑床聯(lián)接，開(kāi)始采用的是六角頭螺栓，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，由于聯(lián)接座的結(jié)構(gòu)所限制，扳手?jǐn)Q的角度很小，因此最后采用了內(nèi)六角圓柱頭螺釘。這樣一來(lái)，擰螺釘時(shí)可在360°范圍內(nèi)擰動(dòng)，故工作效率大為提高。由圖上可看出，軸座與電機(jī)座聯(lián)接處極可能出現(xiàn)過(guò)定位，因此兩者的同周度必須要得到保證，此處使用定位銷(xiāo)。要保證較高的同軸度，就要注意軸座與電機(jī)座上的定位銷(xiāo)孔的加工方法。本裝置定位銷(xiāo)孔的加工方法采用的是配作法，即先將軸、軸座、聯(lián)軸器以及電機(jī)，調(diào)好同軸度，再將軸座和電機(jī)座的螺栓擰緊，然后鉆、鉸定位銷(xiāo)孔，由此達(dá)到裝配的同軸度要求。由于本裝置的軸徑太小選不到標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器，所以只得按非標(biāo)準(zhǔn)件一樣來(lái)加工。聯(lián)軸器上的柱銷(xiāo)孔的加工的位置精度要求也十分嚴(yán)格。聯(lián)軸器左右兩半也必須配鉆、配鉸，才能達(dá)到裝配要求。聯(lián)軸器的類(lèi)型當(dāng)屬?gòu)椥月?lián)軸器，其彈性元件為尼龍柱銷(xiāo)。裝置與銑床聯(lián)接底座，如結(jié)構(gòu)方案三所示，底座沒(méi)有凸臺(tái)，即底座與銑頭之間沒(méi)有配合要求，次種方案不妥。最終結(jié)構(gòu)方案中底座有凸臺(tái)，底座與銑床之間有配合關(guān)系，這對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定工作很重要，更重要的是裝置與銑床聯(lián)接之間得到很好的定位。集電環(huán)螺母在隨軸作高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中很容易變松，其后果是集電環(huán)軸向移動(dòng)，從而電刷無(wú)法與其接觸，壓電陶瓷也就得不到電，振動(dòng)沒(méi)法繼續(xù)，更有甚者集電環(huán)在移動(dòng)過(guò)程中破碎，危及軸承。因此集電環(huán)螺母是不可松動(dòng)的，在其上加有緊定螺釘是防止其松動(dòng)的有效方法。最終結(jié)構(gòu)方案相對(duì)于前面的幾種初步結(jié)構(gòu)方案來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，但或許還有其他地方有待改進(jìn)。2.2裝置中的各部件的設(shè)計(jì)及校核2.2.1電機(jī)的計(jì)算與選擇模效過(guò)程中，由于磨粒的作用以及砂輪表面上有效的狀況異常復(fù)雜，因而要想建立一個(gè)十分切合實(shí)際的陶瓷磨削力數(shù)學(xué)模型非常困難。在此選用陶瓷磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式。磨削速度匕單位m/s，工件速度Vw單位m/min，被吃刀量“p單位mm。在本裝置設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)速n約為8000rpm,工具桿端部砂輪直徑為d12mm。則磨削速度匕=n"=8000x3.1415926x12,(1000x60)=5.026m/s在此算一下集電環(huán)處的線速度：集電環(huán)的直徑為D①45mm；V=n兀D=8000x3.1415926x45/(1000x60)=18.85m/s工件速度選用Vw約25m/min。在此算出三種典型的陶瓷材料磨削力的大小。對(duì)于ZrO2陶瓷徑向力F=166.86V-o.469V0.468a0.742F=60.789V-0.779V0.701。0.927切問(wèn)力t swp將磨削速度Vs、工件速度Vw、被吃刀量ap三值代入得:徑向力Fn=10.4577N切向力F=3.8098N對(duì)于AlO3陶瓷徑向力F=216.843V-o.49sV0.617a0.918切向力F=405.592V-0.826V0.509a1.207將磨削速度匕、工件速度，、被吃刀量ap三值代入得:徑向力Fn=1.9253N切向力Ft=3.6011N對(duì)于S’2°3陶瓷徑向力F=241.343V-0.501V0.745a1.03切向力F=350.509V-O.497V0.365a1.174將磨削速度匕、工件速度\、被吃刀量ap三值代入得:徑向力Fn=1.5616N切向力F=2.268N由于此計(jì)算比較復(fù)雜，需要用磨削力程序來(lái)運(yùn)算，在程序中Fn1、Ft1是Z?2作為工件材料時(shí)的磨削力；Fn2、Ft2是Al2O3作為工件材料時(shí)的磨削力；Fn3、Ft3是S2O3作為工件材料時(shí)的磨削力，磨削力的單位是N。要算最大扭矩，因此取用Z02陶瓷的磨削力來(lái)算裝置所受的扭矩。扭矩：T=Ftxd2=10.4577x0.012/2=0.0627462N-m合61491g?cm由此可以看出本裝置的磨削力極其產(chǎn)生的扭矩都很小。電機(jī)所需功率的計(jì)算每分鐘金屬磨除量Z可用下式計(jì)算:Z=1000-Vwfapmm3,/min查表得：工件速度V廣25mmin砂輪軸向進(jìn)給：fa~0.1bsmm（bs為砂輪的寬度，取其寬度為10mm）

f=0.1%=0.1f=0.1%=0.1X10=1mm外圓功率消耗100"cm-min取吃刀量ap=0.01mmnZ=1000匕faap=1000X25X1X0.01=250mm3.min則P—Zx10-3x100x10一2=0.25kw聯(lián)軸器和軸承的機(jī)械效率氣、門(mén)2為0.99、0.98。則總的機(jī)械效率為門(mén)=氣XI?=0.9702可得電機(jī)需提供的功率為：P/n=0.250.9702n0.26kw選用55ZWN-70型無(wú)刷直流電機(jī)，額定功率200-700瓦，額定轉(zhuǎn)速2000-30000rpm，額定轉(zhuǎn)矩10000-80000g-cm。2.2.2壓電陶瓷的選擇超聲是由壓電換能器產(chǎn)生的，壓電超聲換能器的基本工作原理是建立在壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上。壓電材料包括壓電單晶體以及多晶體的壓電材料。這些材料當(dāng)受外力發(fā)生變形時(shí)，在晶體表面會(huì)出現(xiàn)電荷，晶體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)；反之當(dāng)晶體承受外電場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生變形。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為壓電效應(yīng)，前者叫正壓電效應(yīng)，后者叫負(fù)壓電效應(yīng)。目前應(yīng)用最為廣泛的是鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷。壓電晶體都有自己的閥值溫度，超過(guò)這個(gè)溫度便失去其壓電性，這個(gè)溫度叫居里溫度。石英的居里溫度為576°C，PZT的居里溫度隨配方而稍異，約為300^-400^o壓電元件常做成簡(jiǎn)單的形狀，最常見(jiàn)的是平片，也有做成棒狀、管狀、球殼狀等。在激發(fā)超聲時(shí)，加在元件的電場(chǎng)，或者是時(shí)間諧振的，或者是短暫的。元件便隨時(shí)間作尺度變化，也就是作穩(wěn)態(tài)的或做瞬時(shí)的振動(dòng)。壓電元件的振動(dòng)方式，或叫模式，不僅依賴(lài)元件的形狀，而且依賴(lài)這個(gè)形狀對(duì)軸的相對(duì)關(guān)系，以及電場(chǎng)的取向。振動(dòng)模式可以由壓電方程、運(yùn)動(dòng)方程等基本式來(lái)預(yù)計(jì)。不同形狀壓電元件以及它們不同的振動(dòng)模式，可以用來(lái)在流體或固體中激發(fā)或接受不同頻率、不同類(lèi)型、不同空間分布的超聲波，有時(shí)也用來(lái)做不同頻率的諧振器件。通常的壓電元件是壓電陶瓷，壓電陶瓷通過(guò)氧化物混合（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）高溫?zé)Y(jié)，粉粒之間發(fā)生固相反應(yīng)后無(wú)規(guī)則集合而成的多晶體，具有壓電性的陶瓷稱(chēng)為壓電陶瓷。它存在的電疇在極化（加直流電壓）自發(fā)極化，依外電場(chǎng)方向充分排列并在撤消外電場(chǎng)后仍保持剩余極化。由于壓電陶瓷材料的抗張強(qiáng)度低（抗壓強(qiáng)度高），因此在有的場(chǎng)合不能直接用于發(fā)射大功率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，法國(guó)科學(xué)家郎之萬(wàn)（Langevin）把壓電材料夾持在兩個(gè)金屬片之間。通過(guò)夾持給壓電材料一定的預(yù)緊力（甚至不受到張力），這樣實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射。本裝置采用的是夾心式換能器，這種換能器叫夾心換能器，也叫郎萬(wàn)換能器。如圖：其中：1為后蓋板，2為絕緣管，3為電極片，4為壓電陶瓷，5為螺栓，6為前蓋板。鈦酸鋇（BaTiO3）是廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷，它的化學(xué)性質(zhì)比羅謝耳鹽穩(wěn)定，能在較大的溫度范圍內(nèi)工作。和別的壓電陶瓷比起來(lái)，它的居里溫度較低，約為115°C,而且還有-90°C（三方一正交晶型）和0°C（四方一正較晶型）兩個(gè)相變點(diǎn)，這樣其機(jī)電性能在常溫下很不穩(wěn)定，并具有較大的老化率。因此在這里不選用鈦酸鋇。鋯鈦酸鉛壓電陶瓷簡(jiǎn)稱(chēng)PZT,其居里點(diǎn)比鈦酸鋇高的多，在300-400°C之間，沒(méi)有較低的相變點(diǎn)，在較大溫度范圍內(nèi)性能都比較穩(wěn)定。作為換能材料，它的壓電效應(yīng)顯著?？梢酝ㄟ^(guò)變更其化學(xué)組分在很大范圍內(nèi)調(diào)整其性能，以滿足多種不同的需要。PZT-8是一種界電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、壓電常數(shù)較低的材料，然而其抗張強(qiáng)度和穩(wěn)定性較優(yōu)，并具有高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，適用于高機(jī)械振幅的激勵(lì)。因此在本超聲磨削裝置中選用PZT-8壓電材料。壓電陶瓷的超聲功率大約為300瓦，其振幅約為3um，將其與放大系數(shù)相乘，到達(dá)工具桿時(shí)的振幅大約為21um左右，因此該振幅符合本課題所需的振動(dòng)振幅。2.2.3軸強(qiáng)度的較核進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載荷及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取其許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸）應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)安彎矩強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。本裝置按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，下圖即為裝置中所用的軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：TT= TWT實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度可轉(zhuǎn)化為:―PT9550000-丁廣兒T]T式中：tt—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MP；T一軸所受的扭矩，單位為N.mm；WT一軸的抗扭截面系數(shù)；單位為mm3；n—軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；P一軸傳遞的功率，單位為KW；d—計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；EtJ—許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為MP。本裝置軸的材料為20*其許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力Itt］約為50MPa。軸所受扭矩為： T=0.0627462N?m；電機(jī)需提供的功率為：P/n=0.250.9702n0.26kw；最小的軸徑d為：28mm；軸的轉(zhuǎn)速n約為：8000rpm；9550000P9550000義26t_——牝 n_ 8000_1.1659MP<<50MPTW 0.2d3 0.2X283 a aT可以看出軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此此處滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。軸與變幅桿聯(lián)接處為一段空心軸，其D為90mm,d為70mm；空心軸的強(qiáng)度條件為：16x90f0.°627462=0.00000084mp<50MP3.14004-704) aa則此處軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也滿足要求，由這兩處可得此軸能夠滿足工作中的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。2.2.4鍵的校核平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，聯(lián)接中各零件的受力情況如圖所示。對(duì)于采用常見(jiàn)的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面被潰。除非有嚴(yán)重的過(guò)載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度較核計(jì)算。對(duì)于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作面的過(guò)度磨損。因此，通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度較核計(jì)算。假定載荷在鍵的工作面上分布均勻，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為："2搭兀p］式中：T一傳遞的轉(zhuǎn)矩（T=Fxy機(jī)Fxd；2），單位為N-mm;k一鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處h為平鍵的高度，單位mm；l—鍵的工作長(zhǎng)度，單位mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里L(fēng)為鍵的公稱(chēng)長(zhǎng)度，單位mm，b為鍵的寬度，單位mm；d—軸的直徑，單位mmtp］一鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位MP,L］一鍵、軸、輪轂三者中最脆弱材料的許用應(yīng)力，單位MP。

軸所受扭矩T=Fxd::2=0.0627462N-m本裝置設(shè)計(jì)中選用的鍵為GB1096-90鍵C16x50（集電環(huán)與軸之間的鍵h=10）。GB1096-90鍵C8x30（聯(lián)軸器右半與軸之間的鍵h=7）。GB1096-90鍵C6x20（聯(lián)軸器左半與軸之間的鍵h=6）。In尸］=300MPGB1096-90鍵C6x20的校核：bP12Tx103

kld2x0.0627462bP12Tx103

kld2x0.0627462x1033x17x20=0.12303MP<<300MP實(shí)際上該鍵所受扭矩為電刷的摩擦力所產(chǎn)生的，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸所受的扭矩T，則GB1096-90鍵C6x20必符合要求。GB1096-90鍵C8x30的校核：2Tx103 2x0.0627462x103b= = p2 kld3.5x26x28=0.04925MP<300MP則GB1096-90鍵C8x30也符合要求。GB1096-90鍵C16X50的校核：2Tx103b= p3 kld2x0.0627462x1035x42x55=0.01087MP<300MP則GB1096-90鍵C16X50也符合要求。3總結(jié)與展望3.1總結(jié)各種高性能材料諸如，復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼、工程陶瓷以及硬質(zhì)合金等，因有著令人矚目的特性，如強(qiáng)