超声波加工以及机床设计-机械设计论文.pdf

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1. 绪论 1.1 论文的提出及其应用价值 1.1.1 课题所属研究领域 由于各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现,对机械制造 业提出了一系列迫切需要解决的问题。对这些材料用传统加工方法十分困难,于 是产生了特种加工技术,双面超声波加工就是其中一种。 超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产 生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料,或给工具或 工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工,或利用超声波振动使工件相互 结合的加工方法。几十年来,超声波加工技术的发展迅速,在超声波振动系统、 深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研 究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,取得了良好 的效果。超声波加工非常适合于加工硬脆材料,而且不会损害工件表面,所以是 加工硅工件的理想方法[1]。 超声波加工方法是近50年来逐步发展的一种新型加工方法。在难加工材料和 精密加工中,超声波加工方法具有普通加工无法比拟的工艺效果,具有广泛的应 用范围。超声波加工技术横跨机械学、电学、和声学三个学科,因而可把超声波 加工视为交叉学科[1]。 1.1.2 课题的理论意义和应用价值 如今的一些材料,如硅晶体具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、 比重低和自润滑等优良特性,已在电子、机械、能源、航空航天等众多领域显示 出相当广泛的应用前景。然而,硅材料的加工十分困难,尤其是对于具有复杂型 面的硅材料零件至今尚无有效的加工手段。目前硅材料的加工技术已成为制造业 研究的热点。 材料的加工技术中,金刚石磨削方法只能加工简单型面的零件,而对于较复 杂的型面,如有锐角要求的槽形零件和非回转体表面,就无能为力了;激光束加 工(LBM)技术虽然可用于硅零件的加工,但会使加工表面产生达50m 的微观裂 纹,很难适应航空航天重要零件的要求;此外,由于硅材料电导率低且化学稳定 性好的限制,使得电火花(EDM)及电化学(ECM)加工方法不适于加工硅零件。 而超声波加工(USM)不需工件导电,可加工任何超硬材料,且不属于热过程,对 1 加工表面损害极小,可稳定地加工出精度为 5m ,表面粗糙度为Ra≤O.51~0.76 m 的零件,已成为加工硅晶体最具潜力的方法之一[4]。 超声波加工(USM)是利用超声波振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产 生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料,或给工具或 工件沿一定方向施加超声波频振动进行振动加工,或利用超声波振动使工件相互 结合的加工方法[5]。 几十年来,超声波加工技术的发展迅速,在超声波振动系统、深小孔加工、 拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声波复合加工领域均有较广泛的研究和应用,尤 其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,取得了良好的效果。 1.2 国内外超声波加工研究现状和发展趋势 超声波加工技术的研究最早可追溯到1927年R.W.Word和A.L.Looms的奠基性工 作,并于1954年由L.Balamuch研制出第一台超声波加工机床。 从50年代以来,许多国家都对这一技术进行了研究。日本政府设立了专门的 振动切削研究所,许多大学和研究机构也都设有这个研究课题。原苏联在这方面 的研究也较早,在超声波车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生 产应用,并取得了良好的经济效果。60年代初美国就开始了超声波加工的研究,70 年代中期,美国在超声波波钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面,已 处于生产应用阶段:超声波车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段 ;通 用超声波振动切削系统已供工业应用,日前已形成部分标准。德国和英国也对超 声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作,并发表了许多有价值的论文, 在生产中也得到了积极的应用[5]。 英国Harwe11国家原子能权威机构是此理论的早期探索者之一,他们的研究需 要在耐火材料成形的特殊陶瓷上钻一些1.016~25.4mm,传统机械加工的局限性激 发了他们探索新技术的兴趣。美国从1969年开始使用金刚石工具的超声波旋转加 工技术。 经过近40年的时间,各国的研究者们进行了许多实验,研究出控制参数(如 超声波波振幅、静压力、转速、金刚石类型、磨粒尺寸及连接类型等)与加工结 果(如材料去除率、工具磨损等)之间的关系。建立了有关材料去除的塑

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