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1、西安石油大学本科毕业设计（论文）超声振动深孔研磨技术研究超声振动深孔研磨技术研究 摘摘 要要：超声振动深孔研磨是超声振动加工技术在深孔研磨中的应用，能有效的解决普通研磨过程中加工效率低材料去除率低等问题，具有普通研磨不可比拟的工艺效果。因此，研究超声振动深孔研磨技术对深孔精加工和超精加工具有重要意义。通过理论分析和研究，建立超声振动深孔研磨磨粒运动模型并对超声振动研磨机理进行研究。对单颗磨粒附加轴向超声振动的材料去除率理论进行了分析并建立了相应的材料去除率理论模型和振动系统各传递环节的数学模型，为振动系统的振动特性分析和结构设计提供了理论依据。研究分析了变幅杆几何尺寸，锥形心轴，以及研磨套对振
2、动系统的影响。在分析超声振动深孔研磨机理的基础上，设计并制造了一套超声振动深孔研磨装置。对制造完成的超声振动深孔研磨装置进行试振和调试，获得了良好的振动效果。试验结果表明整个超声振动深孔研磨装置可以进行超声振动研磨。关键词：关键词：超声振动研磨；深孔研磨；研磨机理 西安石油大学本科毕业设计（论文）Research on Ultrasonic Vibration Deep-hole Lapping technologyAbstract: The ultrasonic vibration deep-hole lapping is a kind of application of the ultra
3、sonic vibration cutting technology in deep-hole lapping, which can effectively solve the problem of low machining efficiency, low material removal rate in the general lapping process, it is superior to the general lapping in craft. Therefore, the ultrasonic vibration deep-hole lapping technology has
4、 an important sense for the deep-hole finish machining and the super finish. Through theoretical analysis and research, the establishment of deep abrasive ultrasonic vibration and ultrasonic vibration grinding motion model to study the mechanism. Single grain of additional axial ultrasonic vibration
5、 theory of material removal rate were analyzed and the corresponding theoretical model of material removal rate. Transmit links mathematical model respectively about the every parts of the vibrating system was established, it provides the theoretical basis with the vibrating systems vibratory charac
6、teristic analysis and the structural design.Analysis of the horn geometry, conical mandrel, and the ground cover effect on the vibration system. Based on the analysis of the ultrasonic vibration deep-hole lapping, lots of theoretical analysis. In addition, a ultrasonic vibration deep-hole lapping in
7、 stallment was designed and manufactured.Completed the manufacture of ultrasonic vibration deep hole grinding device, the sound vibration of the vibration test and debug the system, vibration get a good result. The final test indicated that the ultrasonic vibration lapping can works well.Keywords: :
8、 ultrasonic vibration lapping；deep-hole lapping；lapping mechanism西安石油大学本科毕业设计（论文）目目 录录1 绪论11.1 研究超声振动深孔研磨技术的目的和意义.11.2 超声振动研磨加工技术的国内外研究现状.11.2.1 超声振动加工技术11.2.2 超声振动研磨加工技术41.3 设计内容及基本要求.71.4 设计思路.72 超声振动深孔研磨机理研究92.1 普通研磨与超声振动研磨.92.2 超声振动深孔研磨的机理分析.122.2.1 单颗磨粒运动模型122.2.2 单颗磨粒切削运动分析132.2.3 单颗磨粒切削用量分析16
9、2.2.4 单颗磨粒材料去除率理论分析182.3 小结.193 超声振动深孔研磨装置的设计与研制203.1 超声振动深孔研磨装置的设计原则.203.2 超声振动深孔研磨装置声振系统的设计.213.2.1 超声波发生器和换能器的选用与匹配213.2.2 超声变幅杆的设计253.2.2.1 超声变幅杆的选用.253.2.2.2 阶梯形变幅杆的设计.283.2.2.3 阶梯形变幅杆与换能器和研磨工具的连接.313.2.3 研磨工具的设计323.2.3.1 对研磨工具的技术要求.323.2.3.2 铸铁研磨工具.323.2.3.3 研磨工具的设计.333.3 超声振动深孔研磨装置的设计.343.4 小
10、结.364 超声振动深孔研磨声振系统试验研究374.1 声振系统的振动试验.374.1.1 试验目的和方法374.1.2 试验内容39西安石油大学本科毕业设计（论文）I4.1.3 试验步骤及数据记录404.1.3.1 换能器的试验.404.1.3.2 变幅杆的试验.404.1.3.3 锥形心轴的试验.424.1.3.4 声振系统的的试验.444.2 小结.445 结论45参考文献46致 谢48西安石油大学本科毕业设计（论文）01 绪论绪论在切削加工领域，提高工件加工精度的方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于努力减小工件加工过程中的切削力和切削热。超声振动加工技术在降低切削力和切削热方面起到
11、了积极的作用，令人信服地解决了普通切削加工中许多难以解决的工艺问题，特别是在难加工材料、难磨削材料以及精密加工等方面，超声振动加工技术更显示出无法比拟的工艺效果。1.1 研究超声振动深孔研磨技术的目的和意义研究超声振动深孔研磨技术的目的和意义深孔加工难度高，加工工作量大，是机械加工中的关键性工序。随着科学技术的进步，产品更新换代的迅速，新型高强度、高硬度、难加工零件的不断出现，对深孔加工的质量、加工效率和刀具耐用度都提出了更高的要求。由于仅仅依靠传统的加工方法已经无法实现精密或超精密加工的目的。在生产的迫切需求下，人们不断地研究和探索新的加工工艺和制造技术。超声振动加工技术是一种将超声振动应用
12、于精密或超精密加工的新技术，特别是在超硬材料、复合材料和难加工材料的加工方面显示出非常突出的优越性，它具有低的切削力、低的切削温度、低的表面粗糙度和高的加工精度等特点，而且被加工工件具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。超声振动深孔研磨技术是超声振动加工技术在深孔加工过程中的应用，它能够有效地提高研磨效率，使工件获得较高的尺寸精度和微观几何形状精度，从而为解决深孔的精加工问题开辟了一条新途径，具有广泛的应用前景。1.2 超声振动研磨加工技术的国内外研究现状超声振动研磨加工技术的国内外研究现状1.2.1 超声振动加工技术超声振动加工技术超声振动加工技术是近 40 年来逐步发展和完善的一种新型加工技术，该技
13、术横跨机械学、电学和声学三个学科，是典型的边缘学科。由于超声振动加工技术具有许多优点，与其它加工技术相比，常常能够大幅度地提高加工效率，提高加工质量并且还能够完成一般加工方法难以完成的加工工作。因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛地应用。大量的研究和实践已表明：超声振动加工技术应用于加工各种复合材料、难加工材料时能获得良好的工艺效果，具有广泛的理论价值与应用前景1。超声振动加工是指在刀具或工件上附加沿一定方向振动的超声振动进行切削加工的方法。超声振动加工系统一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系西安石油大学本科毕业设计（论文）1统、工具、工艺装置等构成。与传
14、统的机械加工相比，超声振动加工的工艺效果主要体现在以下几个方面2：a. 降低切削力 超声振动加工时，切削速度的大小和方向产生周期性变化，这种变化改变了整个工艺系统的受力情况。超声振动切削是一个在极短时间内完成的微量切削的过程，在一个切削循环过程中，切削刃在很小的位移上可获得很大的瞬时切削速度和切削加速度，在局部产生很高的能量。在超声振动的影响下，摩擦系数大大降低，只有普通切削的 1/10 左右，使超声振动切削力降低到普通切削的1/21/10，对一些塑性较大的材料其降低程度则更大。b. 降低切削温度 超声振动切削时，材料的弹塑性变形和切削刃接触面的摩擦系数大幅度降低，且加工中的力和热都以脉冲形式
15、出现，使切削热的平均值大幅度下降。c. 降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度 超声振动切削过程中，脉冲力的作用破坏了积屑瘤产生的条件，由于切削力小，切削温度低，使被加工工件表面粗糙度大大降低，表面几何精度大幅度提高。超声振动切削中，切削刃虽在振动，但在切削刃和工件接触并产生切屑的瞬间，切削刃所处的位置在加工过程中总是保持不变的，并且由于工件也不随时间发生变动，从而为提高工件加工精度创造了条件。超声振动加工由于其所产生的特殊的加工工艺效果而受到日本、英国、美国等工业发达国家的普遍重视，国内外许多专家学者从不同的方面对其进行了大量的研究。日本是较早研究超声振动加工技术的国家，20 世纪 50 年代
16、，日本就设立了专门的振动切削研究所。日本宇都宫大学隈部淳一郎教授早在 1956 年就提出了系统性的振动切削理论，并发表了大量论文，出版了精密加工振动切削基础与应用专著，详细阐述了振动切削的概念、机理、装置以及振动切削的工艺效果等3。日本金泽工业学院的研究人员研制出了用于加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统4。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备可以检测钻孔力的变化及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列试验，试验结果表明：将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。英国阿伯丁大学国王学院的研究人员对超声钻削难加工材料工艺参数对材料去除率的影响进行了研究，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因5。美
