畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1研究背景及意義自1980年代以來，隨著全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，先進(jìn)的制造技術(shù)也要求達(dá)到世界先進(jìn)水平。它的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)從提高勞動(dòng)生產(chǎn)率變成了以時(shí)間為核心的時(shí)間，成本和質(zhì)量三個(gè)要素。先進(jìn)的制造技術(shù)也已成為一個(gè)國(guó)家實(shí)力的體現(xiàn)。目前，美國(guó)，德國(guó)，日本等一些國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力處于全球領(lǐng)先水平[1]，這取決于它們的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界領(lǐng)先地位，先進(jìn)制造技術(shù)已成為一種世界發(fā)展攻擊的主要方向在經(jīng)濟(jì)和政策方面也已成為一個(gè)國(guó)家的完美體現(xiàn)[2]。研磨是工件超精密加工的重要方法，上下磨盤作用在工件上進(jìn)行加工，通過這種方法研磨的工件在精度上通常可以達(dá)到亞微米水平，并且工件表面的耐磨性也得到了顯著改善。研磨不僅可以提高加工事故的質(zhì)量，而且具有廣泛的加工材料，基本上可以加工任何固體材料[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)加工精度的要求越來越高。從原始的精密和超精密加工到目前的納米級(jí)加工，加工技術(shù)水平也在不斷提高。納米級(jí)高效研磨加工技術(shù)主要采用固定磨料高速研磨加工方法。固定磨具的高速研磨不同于傳統(tǒng)的松散磨具，并且磨料的密度分布是可控的。利用固定磨料的這一特性，根據(jù)工件和磨料之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的密度分布，合理設(shè)計(jì)了磨料上的磨料密度分布，以使磨料在研磨過程中的磨損不會(huì)影響表面精度，從而大大提高了工件的表面精度，避免了修整磨具的麻煩[4]。目前，國(guó)內(nèi)有許多高速研磨機(jī)制造商。但是，由于研磨加工的相關(guān)性很強(qiáng)，因此不同工件的研磨方法也大不相同，因此已經(jīng)研究開發(fā)出許多專用研磨機(jī)。就加工精度而言，研磨機(jī)基本上分為兩種：一種是加工不僅要求高精度而且具有表面精度的工件。另一種是處理只需要表面粗糙度的零件，例如LED。單面打磨和拋光各種材料，例如藍(lán)寶石襯底，光學(xué)玻璃晶片，石英晶片，硅晶片，晶片，模具，導(dǎo)光板和光學(xué)串接。這種研磨機(jī)適合加工一些小尺寸和大量零件。在研磨過程中，將工件和磨料一起放入一個(gè)容器中，振動(dòng)并拋光。國(guó)內(nèi)各種研磨機(jī)制造商生產(chǎn)的研磨機(jī)大多以第四代日本產(chǎn)品（90年代）為技術(shù)基礎(chǔ)。它具有諸如潤(rùn)滑和密封性差，難以調(diào)節(jié)每個(gè)車輪系統(tǒng)的相對(duì)速度以及工藝范圍狹窄等問題。它只能加工低端產(chǎn)品，不能滿足高端產(chǎn)品特別是藍(lán)寶石的要求。日本在21世紀(jì)生產(chǎn)的研磨機(jī)和研磨機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格超過100萬日元，迫切需要性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠，價(jià)格合理的研磨機(jī)[5]。1.2研磨加工技術(shù)研磨加工一般是指使用研磨工具作用在工件表面上，以去除待加工表面上的微量物質(zhì)，從而使工件的形狀和尺寸精度達(dá)到要求，并減小表面粗糙度并減少改性層的加工。通常，研磨是次精加工過程，需要去除少量的材料，將平面度降低到微米以下，并去除由先前過程產(chǎn)生的表面損傷層。除了具有高加工質(zhì)量的特征外，研磨還可以加工幾乎所有固體材料，包括許多很難用精密加工方法加工的硬質(zhì)和脆性材料。同時(shí)，研磨可以加工扁平，內(nèi)，外圓柱，球形表面，圓錐形表面，螺紋，齒輪表面，自由表面。各種復(fù)雜形狀，例如曲面，被廣泛使用。當(dāng)前，在生產(chǎn)實(shí)踐中通常使用在慢速研磨機(jī)上的傳統(tǒng)的松散磨料研磨方法。其主要優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，加工設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少[6]。1）磨料隨機(jī)分布在磨盤上，分布密度不均勻，導(dǎo)致研磨去除不均勻，表面精度不易控制。2）磨料飛散在磨盤上，影響磨盤的轉(zhuǎn)速。高速會(huì)導(dǎo)致磨料飛濺，浪費(fèi)磨料并污染環(huán)境。低速，低處理效率。3）磨料殘?jiān)c磨料混合并影響冷卻液流量控制。流量組件會(huì)沖走磨料，這浪費(fèi)了能量和磨料。小流量將導(dǎo)致差的冷卻效果，從而降低加工精度。4）磨料顆粒尺寸不均勻，大顆粒承受更大的壓力，容易在工件表面產(chǎn)生深劃痕，影響加工質(zhì)量。5）在研磨過程中，磨料顆粒之間既有相互作用又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致磨料之間相互研磨，從而增加了磨料和能量的浪費(fèi)。針對(duì)顆粒磨料研磨中的這些主要問題，技術(shù)人員進(jìn)行了各種研究，例如對(duì)漿料效果的研究[7,8]，不同磨料和不同磨盤的研磨效果[9,10]。傳統(tǒng)研磨方法有一定的改進(jìn)，但不能從根本上解決傳統(tǒng)研磨方法的不足。1.2.1研磨技術(shù)的發(fā)展隨著其他研究領(lǐng)域中新技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的研磨工藝注入了新的活力。許多新的研磨方法的出現(xiàn)從不同方面改善了傳統(tǒng)研磨的問題。這些新的研磨方法可分為一類：復(fù)合研磨，使用顆粒沖擊，施加特殊的研磨力以及使用特殊的研磨工具。化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)。它已成為半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)之一，并且正在不斷擴(kuò)展到其他領(lǐng)域[11]。CMP技術(shù)結(jié)合了摩擦學(xué)，化學(xué)和流體力學(xué)，材料去除包括機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕。在加工過程中，被加工零件的表層材料首先受到化學(xué)腐蝕，然后使用磨料的機(jī)械產(chǎn)物去除腐蝕產(chǎn)生的產(chǎn)物。學(xué)者們有不同的看法[12]。CMP處理中的主要問題是它對(duì)磨料顆粒的尺寸差異敏感。當(dāng)使用剛性研磨工具時(shí)，研磨劑中會(huì)有大量堅(jiān)硬的顆粒，這會(huì)導(dǎo)致劃痕，凹坑和其他損壞加工表面的現(xiàn)象。使用彈性研磨工具來緩解這種情況。發(fā)生問題時(shí)，由于研磨工具的彈性變形，大顆粒的壓力會(huì)增加，仍然會(huì)造成表面刮擦和其他損壞。彈性排放加工(EEM)采用浸入工作模式，使用軟聚氨酯球作為研磨工具。刀具的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)在研磨液中驅(qū)使粒徑為數(shù)十納米的磨料，從而以較小的入射角撞擊待加工的工件表面[13]。在加工過的表面上沒有塑性變形，也沒有諸如晶格轉(zhuǎn)移的缺陷。材料去除量可以控制在幾十到幾十個(gè)原子水平，并且表面粗糙度達(dá)到1nm。磁流變整理（MRF）最初是由KORDONSKY等人提出的。它是一種結(jié)合了流體動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)的處理技術(shù)。處理設(shè)備如圖1-3所示。利用磁性流體本身的流動(dòng)性和磁性材料的磁性，通過控制所施加的磁場(chǎng)使磨料顆粒和工件相對(duì)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了研磨方法。孫錫偉等。通過磁流變拋光處理直徑為R41.3mm，直徑為20mm的K9藍(lán)寶石球形工件，得到的表面粗糙度為8.441nm，表面精度為57.911nmPV[14]。在1980年代，日本的熊部邦一郎教授將超聲振動(dòng)技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合，形成了多種超聲復(fù)合加工技術(shù)，例如超聲車削，超聲鉆孔和超聲螺紋加工。壓電陶瓷勵(lì)磁技術(shù)已進(jìn)入研磨領(lǐng)域，并形成了壓電陶瓷勵(lì)磁研磨和壓電陶瓷勵(lì)磁磁研磨等多種復(fù)合加工技術(shù)。其原理是在原始研磨相對(duì)運(yùn)動(dòng)中增加超振動(dòng)。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是提高了處理效率。由于振動(dòng)加工的特殊研磨機(jī)理，在硬質(zhì)和脆性材料的加工中非常有效。目前，它是硬質(zhì)和脆性材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。除了上面介紹的幾種新的研磨方法外，還有許多其他方法在這里不再贅述。這些新的研磨技術(shù)改善了研磨的表面質(zhì)量，并在不同程度上提高了研磨的均勻性。更突出的特征是加工精度的提高。但是，提高處理效率的效果不理想。其中許多技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究和持續(xù)改進(jìn)的階段。盡管一些研究成果已經(jīng)成熟，但是由于在多個(gè)學(xué)科中都集成了先進(jìn)技術(shù)，因此它涉及復(fù)雜的研磨加工機(jī)制。它使研磨加工設(shè)備復(fù)雜，昂貴，控制過程需要高技術(shù)人員，給高新技術(shù)的推廣和應(yīng)用帶來了困難。綜合考慮效率和成本，機(jī)械慢速磨料研磨機(jī)在絕大多數(shù)加工車間中仍被廣泛使用。先進(jìn)的研磨技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用之間的脫節(jié)是國(guó)內(nèi)外普遍存在的現(xiàn)象。相反，固定磨料研磨技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)非常突出。他不僅克服了傳統(tǒng)的批量研磨方法的缺點(diǎn)，而且還繼承了研磨加工的特點(diǎn)。加工過程簡(jiǎn)單易控制，加工環(huán)境和加工設(shè)備要求低。并且在提高加工效率方面具有突出的效果。固定磨料研磨技術(shù)及其應(yīng)用的研究對(duì)于解決目前該技術(shù)與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2.2固著磨料高速研磨技術(shù)固定磨料研磨技術(shù)是一種將松散的磨料固結(jié)成小球，然后將其轉(zhuǎn)變成不同形狀的磨具進(jìn)行研磨的技術(shù)。磨料固定后，磨盤的高轉(zhuǎn)速無需擔(dān)心磨料被拋棄并影響加工。固定磨具中磨具高速運(yùn)動(dòng)的主要特征是，該技術(shù)也稱為固定磨具高速研磨技術(shù)。傳統(tǒng)的塊狀磨料研磨方法的材料去除主要基于三體磨損機(jī)理。由于磨料顆粒的尺寸和分布不均勻以及軌跡的不確定性，表面加工質(zhì)量不穩(wěn)定，可控性差。材料去除類似于研磨。它是通過許多細(xì)小的研磨邊緣對(duì)材料進(jìn)行微研磨的過程。磨料顆粒的分布比較均勻，磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是可控的，因此更容易獲得穩(wěn)定的加工結(jié)果。固定磨料高速研磨技術(shù)結(jié)合了超精密研磨與傳統(tǒng)塊磨的特點(diǎn)，較好地解決了傳統(tǒng)塊磨方法中加工效率低，加工結(jié)果不穩(wěn)定，環(huán)境污染等缺點(diǎn)，同時(shí)克服了超精密研磨技術(shù)的不足。研磨過程中不依賴機(jī)床。與其他新的研磨方法相比，它對(duì)環(huán)境的要求低，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。因此，它一旦發(fā)布便受到了廣泛的關(guān)注。自1970年代以來，長(zhǎng)春科技大學(xué)一直致力于固定磨料的高速研磨技術(shù)研究，并討論了研磨壓力，研磨速度和冷卻液對(duì)加工效率和加工質(zhì)量的影響。北京工業(yè)大學(xué)查立宇教授和浙江大學(xué)曹天寧教授還討論了該技術(shù)的研磨機(jī)理，研磨過程以及磨具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有力地促進(jìn)了該技術(shù)的推廣。J.Kang和M.Hadfield使用固定磨料研磨技術(shù)來處理Si3N4陶瓷軸承輥，并分析了壓力和冷卻劑對(duì)材料去除率的影響。Hyuk-MinKim等人使用金剛石顆粒制成的顆粒來處理藍(lán)寶石襯底，研究了材料粒徑，研磨壓力與速度和材料去除率之間的功能關(guān)系，并從研磨機(jī)理進(jìn)行了分析[15]。Byoung-JunCho等。在Borofloat，BK7和石英上進(jìn)行了研磨比較實(shí)驗(yàn)，分析了工藝參數(shù)和冷卻液對(duì)材料去除率的影響并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化[16]。韓國(guó)的Jeong-DuKim和其他人也對(duì)工程陶瓷圓柱體的固定研磨進(jìn)行了類似的研究。許多學(xué)者對(duì)硅片固定磨料的研磨工藝進(jìn)行了深入的討論，研究了磨料的加工機(jī)理，磨料的改性和顆粒的制造工藝及其對(duì)研磨工藝的影響[17]。這些研究極大地促進(jìn)了固定磨料高速研磨技術(shù)的加工效率和加工質(zhì)量的提高，取得了良好的加工效果。1.3壓電材料用于激振器方面的研究自1980年代以來，研究人員一直在使用壓電陶瓷作為振動(dòng)激勵(lì)設(shè)備，但是它們僅限于當(dāng)時(shí)的條件，并且僅限于使用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)代替震動(dòng)管作為傳感器[18]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電材料在振動(dòng)中的應(yīng)用研究逐漸增多，但大多數(shù)研究集中在結(jié)構(gòu)阻尼和主動(dòng)控制上[19,20]，關(guān)于動(dòng)態(tài)激勵(lì)的系統(tǒng)研究很少。大連理工大學(xué)微系統(tǒng)研究中心的王曉東等研究人員設(shè)計(jì)并研究了一種壓電基勵(lì)磁裝置[21]，用于測(cè)試高過載條件下微部件的動(dòng)態(tài)特性，并使用該勵(lì)磁裝置測(cè)試環(huán)境加速度。在0?10000g（g為重力加速度）的條件下，微加速度計(jì)部件的動(dòng)態(tài)特性和變化。Shih-FuLing等人的研究人員。興博市南洋理工大學(xué)的[22，23]設(shè)計(jì)了一種基于壓電致動(dòng)器的一維激勵(lì)系統(tǒng)，以壓電陶瓷板和慣性質(zhì)量設(shè)計(jì)來測(cè)量結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。壓電振動(dòng)激勵(lì)器通過反應(yīng)原理來激勵(lì)簡(jiǎn)支梁，并通過阻抗分析儀測(cè)量電壓和電流以計(jì)算輸入阻抗，并通過模型分析來計(jì)算試件的原點(diǎn)傳遞函數(shù)四端子機(jī)電網(wǎng)絡(luò)。低頻小振幅振動(dòng)激勵(lì)。G.A.美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Lesieutrea等人與美國(guó)的PCBPiezotronics一起設(shè)計(jì)和研究了具有雙Unimorph執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的微型壓電激勵(lì)結(jié)構(gòu)[24]。該結(jié)構(gòu)使用兩個(gè)不同大小和不同厚度的PZT光盤作為驅(qū)動(dòng)源。通過在軸向上施加交流電壓，PZT圓盤在徑向上會(huì)伸縮，當(dāng)慣性質(zhì)量由輸出端驅(qū)動(dòng)并施加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反作用力。到機(jī)制的底部，形成一個(gè)激振力。韓國(guó)仁荷大學(xué)的SBChoi使用壓電致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)部件，對(duì)慣性勵(lì)磁機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[25]。理論推導(dǎo)是基于壓電方程式進(jìn)行的，并且比最初的方法小得多。已經(jīng)在自然頻率100-500Hz的范圍內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)前對(duì)壓電激勵(lì)系統(tǒng)的大多數(shù)研究都不涉及高頻范圍。同時(shí)，存在每單位輸入電壓的激振力的輸出值太小的缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的振動(dòng)激勵(lì)中使用的效果受到很大限制，并且尚未得到廣泛使用。1.4研磨機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀研磨機(jī)是一種用涂覆或嵌入磨料的研磨工具研磨工件表面的研磨機(jī)。它主要用于研磨工件中的高精度平面，內(nèi)外圓柱面，圓錐面，球面，螺紋面和其他輪廓。研磨機(jī)是保證研磨過程的重要條件，因此人們研究了各種不同的研磨機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)有許多高速研磨機(jī)制造商。但是，由于研磨過程的相關(guān)性強(qiáng)，針對(duì)不同工件的研磨方法也有很大的不同，因此已經(jīng)研究和開發(fā)了許多專用研磨機(jī)。就加工精度而言，研磨機(jī)基本上分為兩種：一種是加工不僅要求高精度而且具有表面形狀精度的工件。另一種是只加工表面粗糙度的零件，例如各種材料的機(jī)械密封環(huán)，陶瓷板，氣缸活塞環(huán)，油泵葉片軸承端面以及硅，鍺，石英晶體，石墨，藍(lán)寶石，光學(xué)晶體，玻璃，金屬材料的平面研磨，例如鈮酸鋰，硬質(zhì)合金，不銹鋼和粉煤灰冶金。這種研磨機(jī)適合加工一些小尺寸和大量零件。在研磨過程中，將工件和磨料一起放入一個(gè)容器中，振動(dòng)并拋光。其他人則專門開發(fā)了相應(yīng)的振動(dòng)研磨機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)外已有這類振動(dòng)研磨機(jī)的生產(chǎn)廠家，并且這種研磨加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛。1.4.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外的雙面研磨機(jī)現(xiàn)在處于世界前列，這主要是因?yàn)樽?980年代中期以來，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家一直關(guān)注研磨機(jī)的發(fā)展。在雙面研磨機(jī)方面，國(guó)家投入了大量的人力和物力，取得了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,介紹國(guó)外一些研磨機(jī)的現(xiàn)狀和研究。德國(guó)彼得·沃爾特（PeterWolter）是高精度研磨，拋光，珩磨和制造的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該設(shè)備可以用于各個(gè)領(lǐng)域，也可以滿足單面研磨和雙面研磨的各種工藝要求。平面度，平行度和表面光潔度可達(dá)到亞微米水平，并可通過循環(huán)程序中控制器的編程來調(diào)節(jié)工作壓力，從而大大提高了工件的加工精度和生產(chǎn)效率，并減少了生產(chǎn)過程減少了生產(chǎn)成本。瑞士雙面研磨機(jī)可以自動(dòng)連續(xù)地調(diào)節(jié)磨盤的轉(zhuǎn)速和產(chǎn)品上的壓力，但是沒有用于成品的測(cè)量裝置。該產(chǎn)品具有數(shù)字光導(dǎo)測(cè)量傳感器和錯(cuò)誤診斷系統(tǒng)。潤(rùn)滑冷卻液可以滿足各種研磨工藝要求。日本的日清雙面研磨機(jī)，日本的4B研磨雙面研磨機(jī)，實(shí)際上，日本富士的雙面研磨機(jī)是最具代表性的。主要特征是：可以同時(shí)拋光雙面，這比單面研磨（當(dāng)然是單面研磨）更高效。它可以研磨非磁性體，玻璃，銅，鋁，陶瓷等。此外，即使在處理磁性體時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生磁力。機(jī)器的剛度非常大，工作臺(tái)可進(jìn)行星形運(yùn)動(dòng)。它的操作很簡(jiǎn)單，只有一個(gè)按鈕可以完成整個(gè)周期。最大研磨直徑為250MM，最大研磨厚度為100MM。國(guó)外優(yōu)質(zhì)研磨機(jī)已系列化，加工精度達(dá)到很高的水平。例如，SPEEDFAM高速平面研磨機(jī)具有粗磨和精磨的廣泛研磨能力，并且可以在短時(shí)間內(nèi)以低成本獲得高平行度，平面度和表面粗糙度。即使是不熟練的操作員也可以達(dá)到高精度的加工水平，其尺寸公差為3μm，平面度為0.3μm，平行度為3μm，并且粗糙表面在Ra0.2μm之內(nèi)。另一個(gè)例子是由TakaoNAKAMURA等人開發(fā)的晶片研磨機(jī)，它可以同時(shí)處理5個(gè)直徑為125mm的晶片。當(dāng)晶片的厚度為500-515μm時(shí)，經(jīng)過24-30min的拋光，尺寸可以達(dá)到480±3μm，平均材料去除率0.51?0.57μm/min。1.4.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀1980年代中國(guó)研發(fā)出第一臺(tái)PJM320型平面研磨機(jī)。榮獲國(guó)家科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。現(xiàn)在，在此基礎(chǔ)上對(duì)西安秦川開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PJM320B進(jìn)行了改進(jìn)。在光學(xué)加工中，研磨也稱為精磨，因此研磨機(jī)也稱為精磨機(jī)。目前，南京益濟(jì)有限公司生產(chǎn)的PLM-400精密拋光機(jī)，臺(tái)灣高宇精密有限公司生產(chǎn)的各種精磨機(jī)。其中平面精磨機(jī)為DL-380，CDL-600和CDL-900型號(hào)和雙面精磨機(jī)是CDL-4B-4L和CDL-6B-6L和CDL-9B-5L。其中，CDL-380型研磨機(jī)具有較高的研磨精度，可達(dá)到的平整度為0.2μm?0.5μm，表面粗糙度Ra<0.1μm，可加工各種材料。為了提高加工效率，人們開發(fā)了雙面研磨機(jī)，例如蘭州東升機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的DSL9B-5P雙面研磨機(jī)，其生產(chǎn)精度為10微米的產(chǎn)品，并且數(shù)以千計(jì)的平面度和并行度。一毫米深圳宏達(dá)公司還生產(chǎn)了一種雙平面研磨機(jī)，其平行度和平面度也為千分之一毫米。球面高速研磨機(jī)根據(jù)被加工工件表面的曲率半徑分為大球面，中球面和小球面三種。其中，Q875高速精磨機(jī)和QJM-40小型球形高速精磨機(jī)和QJM-100中型球形高速研究機(jī)的應(yīng)用較為普遍。1.3研究的內(nèi)容和方法這款振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)研究?jī)?nèi)容主要包括前期資料查詢、查找成功案例并且對(duì)案例進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)改造，并且對(duì)設(shè)計(jì)改造完的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，通過分析將振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)分成機(jī)械設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和動(dòng)力的選取，采用電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，動(dòng)力液壓傳動(dòng)方式，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行可靠性分析，驗(yàn)證結(jié)束后進(jìn)行產(chǎn)品說明和機(jī)械制圖等主要工作。提出設(shè)計(jì)思路和問題與老師和同學(xué)們進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，認(rèn)真學(xué)習(xí)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)資料，明確需要分析的成功案例，了解振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，爭(zhēng)取在畢業(yè)設(shè)計(jì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)提前完成相應(yīng)的任務(wù)，與此同時(shí)多了解一些振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)和最新的技術(shù)發(fā)展。通過實(shí)際生產(chǎn)調(diào)查和相關(guān)行業(yè)查閱書籍資料，不斷分析和優(yōu)化成功案例的優(yōu)點(diǎn)與不足，利用匯集的技術(shù)資料設(shè)計(jì)一款滿足要求的振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)。1.4本章小結(jié)本章主要是對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的研究背景、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和需求分析進(jìn)行了初步的研究，對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)目前的狀況有了比較清晰的認(rèn)識(shí)和了解，明確了設(shè)計(jì)的內(nèi)容和研究的方法，確定了接下來需要做的事情和研究計(jì)劃，通過上述分析讓自己對(duì)后期的資料研究、問題發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)分析更加的有信心。第2章振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案2.1振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)總體方案振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)總體方案如圖2-1所示，包括床身、振動(dòng)組件、立柱、X軸運(yùn)動(dòng)組件、Y軸運(yùn)動(dòng)組件、Z軸運(yùn)動(dòng)組件、研磨盤、工件組件組成。研磨盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z方向的直線運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)研磨盤在Z方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為研磨加工提供所需的壓力及控制Z向尺寸，X、Y方向的直線運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪，帶動(dòng)滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)X、Y方向的運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)組件。圖2-1振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)2.2壓電陶瓷激振研磨設(shè)計(jì)壓電陶瓷振動(dòng)研磨系統(tǒng)通常由壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)生器，傳感器，變幅桿和研究工具組成。壓電陶瓷激勵(lì)發(fā)生器通過換能器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)的幅度很小，通常為0.005?0.01μm。不能用于物料去除處理。振幅需要放大并通過變幅桿傳遞到工具，最終在工具的末端會(huì)產(chǎn)生足夠大的機(jī)械振動(dòng)。結(jié)合不同的研磨技術(shù)，超聲振動(dòng)研磨又分為粒狀磨料超聲研磨和固定磨料超聲研磨。不同方法的材料去除機(jī)理本質(zhì)上是不同的。前者是在研磨工具和工件表面之間注入含有磨料顆粒的懸浮液。研磨工具以不小于20kHz的頻率振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)磨料顆粒沖擊和拋光工件表面。同時(shí)，懸浮液的氣蝕腐蝕了工件的表面，導(dǎo)致工件的表面材料破裂。后者的研磨劑由研磨工具固定，研磨劑和研磨工具會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)。研磨工具上的所有研磨刀片均以每秒不小于20,000次的頻率進(jìn)行精細(xì)研磨（研磨）。工件表面的切口均勻細(xì)密，加工精度高。固定磨具的超聲振動(dòng)研磨可根據(jù)刀具的振動(dòng)方向分為三種：徑向，切向和軸向，如圖2-2所示。不同的振動(dòng)方向加上不同的刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng)方式將對(duì)研磨加工產(chǎn)生不同的影響。就平面研磨而言，在徑向和切向振動(dòng)處理中磨料顆粒的切削深度保持不變。磨料顆粒在工件表面上間歇地研磨，這對(duì)于獲得良好的表面處理質(zhì)量更有利。在軸向振動(dòng)處理中，磨料顆粒的切削深度不斷變化，并且磨料顆粒與工件分離。這種振動(dòng)模式更有利于提高加工效率，并且對(duì)工具的磨損和工件表面粗糙度的減小影響較小。圖2-2固著磨料壓電陶瓷激振研磨2.3平面驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一：采用凸輪驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)。方案二：采用偏心輪驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)。凸輪在工作過程中的剛性沖擊與柔性沖擊，剛性沖擊，是由于加速度變化導(dǎo)致慣性力變到無窮大，使機(jī)械產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。加速度變化比較大，導(dǎo)致力變化很大。而柔性沖擊，相對(duì)而言，其加速度，引起慣性力的有限值的突變所引起的沖擊比較小，加速度變化很小，力變化也很小。從動(dòng)件在升程/降程中間部分等速運(yùn)動(dòng)（中間部分直徑變化很小，開始與停止部分直徑變化大），但從動(dòng)件在啟動(dòng)與停止運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)時(shí)刻，由于速度突然變化，其加速度理論上趨于無窮大，因而將產(chǎn)生極大的慣性力，該慣性力將引起剛性沖擊。使用偏心輪設(shè)計(jì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。在這種情形下，顯然，直線導(dǎo)軌是一個(gè)很好的選擇。直線導(dǎo)軌已經(jīng)有了非常成熟的技術(shù)，根據(jù)具體的載荷和工作要求，通過網(wǎng)絡(luò)選擇了合適規(guī)格的導(dǎo)軌，如圖2-3所示。圖2-3平面驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2.4豎直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Z運(yùn)動(dòng)軸采用力矩控制模式，以控制研磨壓力（指上、下研磨盤與工件的上、下表面之間的接觸壓力），Z運(yùn)動(dòng)軸的位置精度采用Z運(yùn)動(dòng)軸的位移傳感器控制，因此Z軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠控制研磨盤上下運(yùn)動(dòng)，如圖2-4所示。圖2-4數(shù)值驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

第3章重要零部件設(shè)計(jì)校核3.1壓電激振裝置設(shè)計(jì)壓電激勵(lì)器是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將周期性變化的輸入電壓轉(zhuǎn)換為周期性輸出位移并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的設(shè)備。壓電激勵(lì)裝置的總體設(shè)計(jì)如圖3-1所示。勵(lì)磁機(jī)發(fā)電結(jié)構(gòu)的主體由壓電疊層，慣性質(zhì)量，預(yù)緊彈簧，預(yù)緊固定基座等組成，用于產(chǎn)生激振力。下壓力傳感器和預(yù)緊基座通過螺栓緊密連接，用于測(cè)量激勵(lì)力和反饋控制。圖3-1壓電激裝置在激振力產(chǎn)生部中，慣性質(zhì)量采用圓柱形狀，其中心被鉆孔以允許預(yù)緊螺釘穿過，并且壓電陶瓷疊層也采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。由于壓電疊層結(jié)構(gòu)承受拉力的能力低，因此有必要通過使用中的預(yù)拉伸方法來提供壓縮力。在此，碟形彈簧用作預(yù)緊彈簧。底座的上部和下部是帶有外螺紋的螺釘，上部是長(zhǎng)螺釘形式。壓電疊層和慣性質(zhì)量被預(yù)緊彈簧壓縮，并且預(yù)緊力可以通過頂螺母調(diào)節(jié)。底座的下部設(shè)計(jì)有短螺栓，用于安裝和與力傳感器連接。預(yù)拉伸力可以改善壓電陶瓷疊層的性能，不僅可以防止由于大的拉伸力而損壞壓電陶瓷疊層，而且還可以提高陶瓷的線性度并減弱蠕變。預(yù)載力通常大于勵(lì)磁系統(tǒng)的最大輸出力（主要是指拉力），另一方面，它小于材料強(qiáng)度極限的允許力值以避免結(jié)構(gòu)損壞。此處使用碟形彈簧。盡管其剛度通常具有非線性特性，但是可以認(rèn)為它在較小的變形范圍內(nèi)具有局部近似線性的特性。激勵(lì)力產(chǎn)生部分的動(dòng)力學(xué)建模與分析，考慮到壓電陶瓷疊層可以簡(jiǎn)化為動(dòng)力應(yīng)用中的力源發(fā)生器，慣性質(zhì)量和基體簡(jiǎn)化為兩個(gè)集中質(zhì)量，而預(yù)緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈簧，平行阻尼結(jié)構(gòu)，因此激勵(lì)力生成部分可以等效于包含質(zhì)量，彈簧和阻尼的雙自由度的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其中包含一個(gè)力源發(fā)生器，如圖3-2所示。圖3-2激振裝置模型其中：m1是慣性質(zhì)量塊質(zhì)量；m2是底座的質(zhì)量；k1是預(yù)緊彈簧的剛度；c1是預(yù)緊機(jī)構(gòu)的阻尼系數(shù)；fp是壓電陶瓷疊堆的驅(qū)動(dòng)力。針對(duì)壓電疊堆的工作特點(diǎn)，其屬于厚度方向的振動(dòng)，且電場(chǎng)方向平行于振動(dòng)方向，基于第一類壓電方程，壓電元件在厚度方向同時(shí)外加電場(chǎng)和受到作用力時(shí)產(chǎn)生變形的壓電方程可描述為：可見壓電疊堆的實(shí)際位移量是在電場(chǎng)和外力共同疊加作用下的結(jié)果，如圖3-3所示。圖3-3壓電疊堆受力示意圖壓電疊堆的位ΔL與電位移D3可由方程分別表示為:其中，n為壓電陶瓷的片數(shù)，A為壓電陶瓷的橫截面積，t為壓電陶瓷片的厚度，為應(yīng)力恒定時(shí)壓電陶瓷的介電常數(shù)，d33為壓電應(yīng)變常數(shù)，為電場(chǎng)恒定時(shí)彈性柔順常數(shù)，V為外加電壓，Q為電極上的電荷量。對(duì)上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得到壓電疊堆結(jié)構(gòu)作為力源發(fā)生器時(shí)的驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式為：其中：壓電疊堆的等效剛度；可看作為壓電器件在電信號(hào)作用下的電壓-力系數(shù)。3.2平面驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之前已經(jīng)進(jìn)行過分析，在這種設(shè)計(jì)中，偏心輪用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上移動(dòng)。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，偏心輪的驅(qū)動(dòng)力為600N。因此，應(yīng)首先設(shè)計(jì)偏心輪的尺寸，以便可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)所需的輸出扭矩。選擇合適的步進(jìn)電機(jī)以提供較低的速度。然后根據(jù)用途設(shè)計(jì)偏心輪，連桿以及連桿與工作臺(tái)之間的連接結(jié)構(gòu)。3.2.1偏心輪的設(shè)計(jì)在這種設(shè)計(jì)中，單個(gè)偏心輪以20mm的行程進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了減小偏心輪的尺寸，同時(shí)提高偏心輪的強(qiáng)度和耐磨性，制備了16MnCr合金鋼作為生產(chǎn)材料，其中Cr可以細(xì)化碳化物，從而提高滲碳鋼的耐磨性層。在該結(jié)構(gòu)中，偏心輪主要承受徑向力的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4偏心輪3.2.2三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型偏心輪的最大驅(qū)動(dòng)力設(shè)置為600N，安裝時(shí)，連桿和電機(jī)輸出軸處于同一高度，因此，連桿與偏心輪之間的壓力為600N。為了使偏心輪正常旋轉(zhuǎn)，沒有必要克服偏心輪與連桿之間產(chǎn)生的摩擦。通過查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，鋼材之間的干摩擦摩擦系數(shù)為0.15，因此它們之間的摩擦力為90N。可以通過計(jì)算得出，摩擦力臂的最大值為35mm。所以摩擦力所形成的最大力矩為:在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，并且將出現(xiàn)步進(jìn)損耗，甚至轉(zhuǎn)子鎖定[11]。因此，在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須將工作轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù)。此設(shè)計(jì)是步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制，因此安全系數(shù)應(yīng)在2.5?4之間選擇，其中安全系數(shù)為4，步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為：在正常工作時(shí)，偏心輪還會(huì)產(chǎn)生慣性力矩，從而對(duì)步進(jìn)電機(jī)造成一定的影響。但是，在本機(jī)構(gòu)中，由于偏心輪的質(zhì)量和半徑都比較小，其在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩也比較小。設(shè)定該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止啟動(dòng)到運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)時(shí)需要兩秒，由下列公式求解：有上述公式求得，M慣性矩=0.03N.m，由于該數(shù)值遠(yuǎn)小于之前求得步進(jìn)電機(jī)的最大靜力矩，因此可忽略該慣性力矩對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的影響。通過查閱相關(guān)資料，最終選擇了型號(hào)為SM132的三相步進(jìn)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為20N.m。3.2.3偏心輪處的軸為了降低偏心輪對(duì)電機(jī)輸出軸的磨損，決定用一根軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接。首先，以45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼作為軸的材料。然后，按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)軸的最小直徑,由以下公式：通過機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以知道45＃鋼為25?45MPa，這里計(jì)算出中間值35MPa，解為d≥8.47mm。因此，軸的最小直徑為10mm。然后根據(jù)偏心輪軸的尺寸和步進(jìn)電機(jī)的輸出軸的尺寸選擇合適的彈性聯(lián)軸器。選擇后，選擇型號(hào)為BD10×24D60L72的彈性聯(lián)軸器，配合長(zhǎng)度應(yīng)小于30mm，其額定扭矩為15N.m，滿足使用要求。然后，開始選擇正確的軸承和軸承座。根據(jù)需要，此部分的軸直徑應(yīng)比10毫米大4至6毫米，因此此部分的軸直徑設(shè)計(jì)為15毫米。接下來，決定使用帶有沖壓垂直座的球面球軸承。通過參考設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇了帶有座式類型UEPP202的球面軸承。該軸承座允許的最大徑向載荷為1.25kN，符合使用要求。根據(jù)球軸承的組裝要求，安裝座軸承的軸長(zhǎng)應(yīng)大于28.6mm。偏心輪軸和偏心輪的匹配長(zhǎng)度為20mm，軸直徑設(shè)計(jì)為15mm。根據(jù)上述安裝要求，將偏心軸的長(zhǎng)度設(shè)置為77.6mm。對(duì)偏心軸進(jìn)行靜態(tài)分析，并通過繪制彎矩圖和扭矩圖找到危險(xiǎn)區(qū)域。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)偏心軸與偏心輪之間的界面是危險(xiǎn)區(qū)域。其中，步進(jìn)電機(jī)對(duì)偏心輪軸的扭矩為4.25Nm，偏心輪本身的慣性矩為0.03N.mm，連桿對(duì)偏心輪的摩擦扭矩為-4.25N.mm。偏心輪對(duì)偏心輪軸的徑向力為600N，徑向力作用線與座椅軸承之間的距離為48mm。按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度時(shí)，由于該偏心輪軸為單向旋轉(zhuǎn)，故其扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力為：但是，由于45#鋼，調(diào)質(zhì)處理后的，因此該軸在危險(xiǎn)截面的軸徑若為15毫米，則不符合要求，需要重新設(shè)計(jì)。如果重新設(shè)計(jì)，則必須增加與偏心輪連接處的軸直徑，取d=20mm。因此，有必要重新選擇座軸承，并選擇帶座式UEPP204的球面球軸承。該軸承座允許的最大徑向載荷為1.7kN。根據(jù)球軸承的組裝要求，安裝座軸承的軸長(zhǎng)應(yīng)大于31mm。為了減少加工量，決定增加聯(lián)軸器上的軸直徑并將其更改為14mm。選擇BD14×24D60L72型彈性聯(lián)軸器，配合長(zhǎng)度也應(yīng)小于30mm，額定扭矩為15N.m。在這種情況下，徑向力距座椅軸承中心的距離為51.5mm，這是通過彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合公式得出的：重新設(shè)計(jì)的軸徑的計(jì)算應(yīng)力小于額定值，能夠安全使用。3.2.4連接桿設(shè)計(jì)連桿的設(shè)計(jì)精度不高，只需要能夠推拉工作臺(tái)即可。一開始，我設(shè)計(jì)了以下結(jié)構(gòu)的推桿，以15號(hào)低合金鋼為材料。圖3-5連桿盡管該推桿滿足推臺(tái)的線性運(yùn)動(dòng)，但是在運(yùn)動(dòng)模擬期間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在平面的X和Y方向上安裝驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，平面機(jī)構(gòu)無法正常運(yùn)動(dòng)。因此，我不得不重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的鏈接結(jié)構(gòu)。在仔細(xì)考慮之后，在推動(dòng)和拉動(dòng)工作臺(tái)時(shí)，此平面驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿必須在垂直線上具有一定的可移動(dòng)空間，并具有其自身的移動(dòng)方向。因此，我將原始推桿上的通孔更改為一個(gè)長(zhǎng)度為40mm的插槽。整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-6T型連桿連接時(shí)，將連桿的左端伸出的那一側(cè)插入偏心輪的凹槽中。這樣，當(dāng)偏心輪在工作過程中旋轉(zhuǎn)時(shí)，凹槽的內(nèi)壁可以推動(dòng)連桿。拉動(dòng)連桿時(shí)，必須測(cè)試偏心輪的外壁功能。3.2.5工作臺(tái)結(jié)構(gòu)由于需要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)X和Y軸，因此我將導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為兩層，其中兩個(gè)導(dǎo)軌沿一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向排列。總體布局如圖所示。圖3-7工作臺(tái)其中，工作臺(tái)高度為15mm，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。用鋼算出設(shè)計(jì)形狀并不難。主要加工23個(gè)孔，用連桿連接零件，并對(duì)平面進(jìn)行銑削，以提高上下表面之間的平整度和平行度。工作臺(tái)與桿之間的連接部分較低，因此當(dāng)連桿推動(dòng)工作臺(tái)時(shí)，一部分力可以直接施加到工作臺(tái)上，從而可以稍微減小連桿的力。3.3豎直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.3.1升降絲杠的設(shè)計(jì)1.計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力2.滾珠絲杠的導(dǎo)程與直徑估算（1）確定滾珠絲桿的導(dǎo)程式中：--移動(dòng)部件的最高移動(dòng)速度（mm/min）；i--傳動(dòng)比，當(dāng)滾珠絲桿與電動(dòng)機(jī)直接連接時(shí)i=1；--電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速r/min初步選用為5mm。（2）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑1)根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形量必須滿足下式：重復(fù)定位精度從定位精度的角度考慮，規(guī)定滾珠絲杠允許的最大軸向變形量必須滿足下式：定位精度m已知定位精度為20，重復(fù)定位精度為10，則取上述計(jì)算結(jié)果較小的值，=3.33m，即允許滾珠絲杠的最大軸向變形越小越好。2)估計(jì)允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定的支承方式，則式中：L--滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離。3)初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)根據(jù)計(jì)算所得的、、和結(jié)構(gòu)的需要，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷C0大于，d2m≥2.55mm的原則，以及老師和前輩的經(jīng)驗(yàn)，初步選擇HIWIN精密研磨級(jí)內(nèi)循環(huán)雙螺母FDI40-5T4型滾珠絲杠，其公稱直徑為、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)負(fù)荷，其具體參數(shù)如下表3.1:表3.1絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)型號(hào)公稱直徑mm導(dǎo)程mm珠徑mm珠圈數(shù)動(dòng)負(fù)載kgf靜負(fù)載kgfFDI40-5T44053.175415995280其中導(dǎo)程P：5mm、螺紋長(zhǎng)度為400mm、負(fù)載，，故滿足要求。3.滾珠絲杠螺母副的承載能力校荷（1）壓桿穩(wěn)定性的計(jì)算。由于滾珠絲杠屬于細(xì)長(zhǎng)桿，其螺紋長(zhǎng)度（有效長(zhǎng)度）L=400mm，其長(zhǎng)徑比。表3.2螺桿支撐方式和系數(shù)螺桿支承方式螺桿支承簡(jiǎn)圖長(zhǎng)度系數(shù)系數(shù)兩端固定0.54.730一端固定，一端不完全固定0.64.730一端固定，一端鉸子0.73.927兩端鉸子1.03.112一端固定，一端自由2.02.875本絲杠采用2端固定方式取μ=0.5得，長(zhǎng)徑比當(dāng)λ≥40的時(shí)候需要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性計(jì)算，由于絲杠采用淬火處理，可以按公式計(jì)算：Fc/Famax≥4，故滿足要求。（2）滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速nc的校驗(yàn)。滾珠絲杠螺母在旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)共振的最大轉(zhuǎn)速是臨界速度nc。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，滾珠螺母對(duì)的最大速度是指它快速移動(dòng)的速度。因此，只要速度不超過此時(shí)的臨界速度。出于安全原因，最大速度為滾珠絲杠螺母對(duì)應(yīng)低于臨界速度。臨界轉(zhuǎn)速可以按公式計(jì)算：式中：L2--臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度；E--滾珠絲杠彈性模量（Mpa），一般取E=2.1×105MPa；ρ--滾珠絲杠密度（g/mm3），一般取ρ=×7.8×10-5N/mm3；g--重力加速度（g/mm3），g=9.8×103g/mm3I--滾珠絲杠的最小慣性矩（mm4），一般取A--滾珠絲杠的最小截面積（mm2），一般取K1--安全系數(shù)，取K1=0.8λ--與支承方式有關(guān)的系數(shù)，表3.3螺桿支撐方式有關(guān)的系數(shù)支撐方式K2λf一端固定,一端自由0.251.8753.4一端固定,一端游動(dòng)23.92715.1兩端固定44.7321.9本絲杠采用兩端固定方式，滾珠絲杠距離固定端最遠(yuǎn)距離L2=400mm。滾珠絲杠的最小慣性矩為：滾珠絲杠的最小截面積為：則--安全系數(shù)，取=0.8；--與支撐有關(guān)的系數(shù)，由表3-16得取本絲杠的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。（3）滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)。滾珠絲杠螺母副的壽命主要是疲勞點(diǎn)蝕。它是一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時(shí)，其中90%不發(fā)生疲勞脫落的情況下的總時(shí)間。勞壽命L和壽命時(shí)間的計(jì)算：式中：--額定動(dòng)負(fù)荷（N），查滾珠絲杠樣本得--軸向載荷（N），取--滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)速（r/min），取--運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)；一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)取；一般來講，本設(shè)計(jì)壽命為3年24小時(shí)，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總時(shí)間壽命20000h，故滿足要。3.3.2電機(jī)的計(jì)算與選擇1.計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上負(fù)載慣量（1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。式中：--材料密度（），取D--滾珠絲杠各段回轉(zhuǎn)體的直徑（㎝）；L--滾珠絲杠各段回轉(zhuǎn)體的長(zhǎng)度（㎝）；J--滾珠絲杠各段回轉(zhuǎn)體的序號(hào)，j=1，2，…，n。（2）計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（3）計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。式中：m--機(jī)床執(zhí)行部件的總質(zhì)量（kg），取m=150kg；L--電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，抓手在軸向移動(dòng)的距離（㎝），取L=0.5㎝。（4）加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。2.計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）研磨負(fù)載力矩的計(jì)算。式中：--在研磨狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（N），取L--電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈助手在軸向移動(dòng)的距離（m），取L=5㎜=0.005m；--進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，取=0.90。（2）摩擦負(fù)載力矩的計(jì)算。式中：--在不研磨狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，（3）由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩的計(jì)算。式中:--滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力（N），取=94.2N--滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程，取--滾珠絲杠螺母副的效率，取。（4）計(jì)算轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的負(fù)載力矩T。①空載時(shí)有：②研磨時(shí)有：3.計(jì)算電機(jī)軸上所需的各種扭矩（1）線形加速力矩式中：--電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（），取--坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量（），取--進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益（Hz），取；--加速時(shí)間（s），取（2）電機(jī)軸所需的扭矩。①啟動(dòng)力矩的計(jì)算有：②加工力矩的計(jì)算：4.選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算，選擇廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的175SJT-MZ150D交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。表3.4175SJT系列電機(jī)技術(shù)參數(shù)3.3.3聯(lián)軸器和鍵的設(shè)計(jì)（1）連接伺服電機(jī)和聯(lián)軸器的上部鍵，選擇C型普通平鍵。查表GB/T1095-2003選鍵：b=4mm,h=4mm,L=20mm，鍵的強(qiáng)度校合。驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得其許用壓應(yīng)力。鍵的工作長(zhǎng)度（2）連接聯(lián)軸器和滾珠絲桿鍵校核：連桿聯(lián)軸器和滾珠絲杠上的鍵以及將電機(jī)輸出軸連接到聯(lián)軸器的鍵使用相同長(zhǎng)度的A型鍵，這也可以滿足相同負(fù)載扭矩的設(shè)計(jì)要求。初選YL1式凸緣聯(lián)軸器，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)煽讖剑篸1=14mm,d2=14mm軸孔長(zhǎng)度:L1=32mm,L2=52mm外徑:D=71mm選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器YL1其公稱許用轉(zhuǎn)矩符合強(qiáng)度要求。3.3.4軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）軸承的支反力計(jì)算（2）滾動(dòng)軸承的壽命校核根據(jù)軸承壽命計(jì)算公式為(1)查機(jī)械零件手冊(cè)6203軸承所具有的徑向基本額定動(dòng)載荷C=7500N(2)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證，，取N(3)對(duì)于球軸承ε=3(4)轉(zhuǎn)速n=457.69r/min故軸承合適。

第4章振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)總結(jié)和展望4.1設(shè)計(jì)總結(jié)對(duì)本次設(shè)計(jì)做認(rèn)真的總結(jié)，本論文基于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造工藝學(xué)等基礎(chǔ)，以設(shè)計(jì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)為目標(biāo)，為質(zhì)量要求高，生產(chǎn)效率需要提高，降低勞動(dòng)成本，還克服了當(dāng)前因?yàn)閲?guó)外振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)價(jià)格高昂普通公司無法承擔(dān)的煩惱，同時(shí)還滿足了那些進(jìn)行基礎(chǔ)教育操作的技工學(xué)校進(jìn)行講解的案例要求，讓他們找到合理適合自己的生要操作要求的機(jī)會(huì)，讓工人操作更安全，強(qiáng)度也更低。通過本次設(shè)計(jì)研究，為振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的研究提供了一定的思路，希望可以讓車間操作工人在以后的生產(chǎn)中能夠更輕松、更安全的工作，擁有一個(gè)更適合工作的環(huán)境。通過這一畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，我受益匪淺。我不僅訓(xùn)練了良好的設(shè)計(jì)和邏輯思維能力，而且還培養(yǎng)了毅力和嚴(yán)格的學(xué)習(xí)精神。回顧這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)大學(xué)四年來所學(xué)知識(shí)的很好總結(jié)。振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)不僅重溫了以往學(xué)到的知識(shí)，而且還學(xué)到了許多新內(nèi)容。我相信這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)將對(duì)我將來的工作有所幫助。所以，我做得很仔細(xì)。品味設(shè)計(jì)，吃苦耐勞。通過本次設(shè)計(jì)我可以更加系統(tǒng)的了解振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的知識(shí)；能夠了解振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)理念以及應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)；能夠檢驗(yàn)自己能否將大學(xué)里學(xué)習(xí)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用；能夠培養(yǎng)自己自學(xué)和獨(dú)立思考的能力。這次設(shè)計(jì)不但鍛煉我的思維能力，還鍛煉我的查閱資料獲取有用信息的能力，通過繪制設(shè)計(jì)圖紙，使我熟練的掌握了CAD繪圖軟件的使用，我把自己的理論用到實(shí)際當(dāng)中去，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中遇到的各種困難，我通過思考和咨詢同學(xué)和老師獲得了許多解決問題的方法和方式。畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程是艱辛的，解決問題的過程是快樂的，成長(zhǎng)過程是痛苦的，我相信只要我們保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，我一定能夠成長(zhǎng)起來。4.2未來展望本論文完成了對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本上滿足了振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的需求，設(shè)計(jì)結(jié)果能否完全的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還需要大量的計(jì)算、分析等工作才能知曉。要想實(shí)現(xiàn)這款振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)達(dá)到完全實(shí)用的目的，讓振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)完全與實(shí)驗(yàn)環(huán)境匹配，還需要對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹Ｈ绠a(chǎn)品的尺寸比例、整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都需要進(jìn)行一定的調(diào)整，才能達(dá)到完全適應(yīng)生產(chǎn)需求的目的。因此，還需要展開更多的研究工作，針對(duì)這些工作存在以下想法:根據(jù)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)研究過程，對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的人機(jī)關(guān)系和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)通用化設(shè)計(jì)。對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真要求進(jìn)行更見詳細(xì)的計(jì)算、分析和研究，保證此振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行安全可靠。對(duì)零部件之間的精密配合要進(jìn)行詳細(xì)的研究，實(shí)現(xiàn)各零部件之間完美的配合。對(duì)振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)的功能和美觀的兼容性問題還有待于以后的繼續(xù)研究[25]。一款多功能、安全的振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)在未來的社會(huì)發(fā)展中必然會(huì)受到廣大生產(chǎn)操作工人的青睞，但要想達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還需要做大量的工作，由于本次設(shè)計(jì)時(shí)間緊迫，所以對(duì)于計(jì)算部分沒有做詳細(xì)的研究，在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)進(jìn)行這一部分的研究，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)效益比較高的振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)。

致謝本設(shè)計(jì)是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的工作作風(fēng)，平易近人的性格都是我學(xué)習(xí)的楷模，感謝老師的指導(dǎo)讓我很好的完成了我的設(shè)計(jì)作品以及論文。盡管畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，而且過程很繁瑣，但我的收獲確實(shí)非常豐富。通過老師的精心指導(dǎo)和其他老師的指導(dǎo)以及他們與同學(xué)的交流，在制作作品時(shí)，我學(xué)到了很多關(guān)于振動(dòng)輔助研磨試驗(yàn)機(jī)，相關(guān)零件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)知識(shí)。各種易于忽略的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，我的能力得到了提高。這種改進(jìn)也是全面的。正是這個(gè)時(shí)候，設(shè)計(jì)積累了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我的思維更加精通知識(shí)，并且肯定會(huì)使我在以后的工作和學(xué)習(xí)中變得更加強(qiáng)大。設(shè)計(jì)能力，較強(qiáng)的理解能力，較強(qiáng)的溝通能力和更快的適應(yīng)能力。指導(dǎo)教師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)、忘我的工作精神和謙和的為人使我受益匪淺，老師的教誨和啟發(fā)使我終生難忘。最終按質(zhì)按量完成本次設(shè)計(jì)，我的收獲是很難用語言來描述的，非常感謝老師的指導(dǎo)與幫助，老師您辛苦了。

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