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超声珩磨装置关键机构的设计
来源: | 发布日期:2023-03-27

超声珩磨装置主要有超声波发生器、换能器、变幅杆、弯曲振动圆盘、挠性杆-油石座振动子系统等部分组成,其中超声波发生器、换能器、变幅杆的设计在第3~5章有详细的介绍,在此只介绍弯曲振动圆盘、挠性杆-油石座振动子系统的设计。


(1) 弯曲振动圆盘

弯曲振动圆盘位于变幅杆和珩磨杆之间。它是超声珩磨装置递振的重要零件,该零件的设计、制造质量的好坏,直接影响到变幅杆的振动能否通过它传递到挠性杆上,并保证振动时珩磨杆不振动。因此,弯曲振动圆盘设计时必须满足如下条件:

① 谐振频率接近理想值。

② 圆盘波腹振幅大于一定数值。

③ 准确地确定圆周节线位置。

④ 使圆盘圆周节线附近的振动传递到珩磨杆上的振幅达到最小,最好是零。

⑤ 圆盘有足够的刚度和强度。


弯曲振动圆盘相当于中心固定的薄圆盘,其共振(谐振)频率可按下式计算


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式中,h为圆盘厚度;r为圆盘半径;γ为泊松比;β为频率系数。


根据上式计算出来的共振频率04 只是理想值,实际制造使用时,应使用数字频率计测定圆盘的实际共振频率04 ,并进行修正,以接近理想共振频率。


圆盘圆周节线处不振动,但圆周节线附近肯定有一定的振动,由于圆盘与珩磨杆之间的过渡连接套有一定厚度,因此,这个过渡连接套不可避免地有一定振动,解决得不好就会将振动传到珩磨头上去。为了避免这个问题,在圆盘的周围节线处设置四分之一波长的声绝缘杆,然后将珩磨杆安装在声绝缘杆上,再将珩磨头体与珩磨杆连接在一起,从而使珩磨杆和珩磨杆头体上的振幅最小。


(2) 挠性 -油石座振动子系统

超声珩磨装置(轴向)的挠性杆-油石座振动子系统是由两段不同截面的均匀杆组成, 如图7-7所示,其频率方程为


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式中,07为挠性杆和油石座声速;08 为挠性杆和油石座长度;09为挠性杆和油石座截面积;10 为挠性杆和油石座材料密度;ω为角频率。


在设计挠性杆-油石座振动子系统时,一般应遵循如下八个设计步骤。

①首先确定挠性杆的材料,即确定11 


②根据换能器,变幅杆及弯曲振动圆盘的楷振(共振)状态,测定出它们的楷振频率(04 )作为挠性杆-油石座振动子系统的楷振频率,由此可求出挠性杆的声波波长12


③根据被珩磨孔径的大小和长度来确定挠性杆的长度13


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④根据珩磨材料和珩磨孔的长度来确定油石座的长度15,若15 较大,则选声速大的材料制作油石座;若15较小,则选声速小的材料来制作油石座。由此可确定出油石座的材料密度16 ,油石座声速17和油石座波长18


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考虑到油石座和油石要用弹簧拉紧,故通常油石座长度15 选用一个波长,即


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15更大时,则可选取


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在确定油石座长度15 大小时,不但要考虑超声能量的传递规律,而且还必须考虑油石座的强度、刚度,以确定油石座的厚度H。否则,在制造和使用油石座的过程中,油石座容易产生弯曲和扭曲变形,影响珩磨过程、加工精度和珩磨质量。


⑤根据珩磨头直径确定油石条数和油石宽度,从而确定油石座宽度B。

⑥根据油石座厚度H和油石座宽度B确定油石座截面积22,即22 = HB。

⑦由方程式(7-8)确定出挠性杆截面积  ,再求出挠性杆直径d。最后将所求d值圆整后取相近钢丝规格,再将所取的规格值代入上述频率方程解出22,调整H和B的参数。

⑧若确定的挠性杆和油石座几何尺寸不符合实际要求,应重复上述步骤,再进行选用、计算,直到满意为止。


(3) 弯曲振动圆盘

在超声珩磨工具中,油石和油石座的连接方式对超声珩磨的工艺效果有显著影响。珩磨中,油石的振动参数一般取为:频率f= 20kHz,振幅a = 8μm,最大振动加速度23,即油石振动的加速度为重力加速度的1.3万倍。在这样高的瞬时加速度作用下,欲保证声波能可靠、高效地传输,保证油石不会从油石座上脱落下来,油石与座体的连接方法是不容忽视的。目前二者常用的连接方法有四种,第一是粘接法,第二是热压成形法,第三是银焊法,第四是锡焊法。



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