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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
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 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 ,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) 挠性杆 -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
式中,为挠性杆和油石座声速; 为挠性杆和油石座长度;为挠性杆和油石座截面积; 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 。
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( )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。
③根据被珩磨孔径的大小和长度来确定挠性杆的长度即
④根据珩磨材料和珩磨孔的长度来确定油石座的长度,若 较大,则选声速大的材料制作油石座;若较小,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 ,油石座声速和油石座波长 。
考虑到油石座和油石要用弹簧拉紧,故通常油石座长度 选用一个波长,即
若更大时,则可选取
在确定油石座长度 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,即 = 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,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,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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