超声珩磨装置关键机构的设计与优化

普通珩磨时，尤其是在珩磨钢、铝、钛合金等韧性材料管件时，油石极易堵塞而导致过早报废，而且加工效率很低，零件已加工表面质量差。使用超硬磨料制作的油石进行普通珩磨时，由于价格昂贵，若发生油石严重堵塞现象，使其性能不能充分发挥，会造成严重的浪费。

实践证明，超声珩磨具有珩磨力小、珩磨温度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工质量好、零件滑动面耐磨性高等许多优点，完全能够解决普通珩磨存在的问题，尤其是铜、铝、钛合金等韧性材料管件以及陶瓷、淬火钢等硬脆材料管件的珩磨问题。

6.6.2.1 超声珩磨装置

超声珩磨装置有立式和卧式两种，根据油石的振动方向，超声珩磨装置可分为纵向振动和弯曲振动超声珩磨装置两种类型，见表6.6-4。

超声珩磨装置由珩磨头体、珩磨杆、浮动机构、油石胀开机构、超声振动系统等五个部分构成，它是超声珩磨工艺系统的关键部分。而超声振动系统又由换能器、变幅杆、弯曲振动圆盘、挠性杆-油石座振动子系统、油石座等零部件组成。

表6.6-4 超声珩磨装置的类型

6.6.2.2 超声珩磨装置关键机构的设计

超声珩磨装置主要由超声波发生器、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、变幅杆的设计在前面已有详细的介绍，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。该零件设计、制造质量的好坏，直接影响到变幅杆与挠性杆振动的传递及振动时珩磨杆的稳定。因此，弯曲振动圆盘的设计必须满足如下条件：

1）谐振频率接近理想值。

2）圆盘波谷振幅大于一定数值。

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）频率可按式（6.6-1）计算

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式中，h为圆盘厚度（mm）；r为圆盘半径（mm）；ν为泊松比；β为频率系数；c为纵波声速（m/s）。

根据式（6.6-1）计算出来的共振频率f_p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f_p，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6.6-2所示，其频率方程为

图6.6-2 挠性杆-油石座振动子系统

1—挠性杆 2—油石 3—油石座

式中，c₁、c₂分别为挠性杆和油石座声速；L₁、L₂分别为挠性杆和油石座长度；S₁、S₂分别为挠性杆和油石座截面积；ρ₁、ρ₂分别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，一般应遵循如表6.6-5所列的八个设计步骤。

表6.6-5 挠性杆-油石座振动子系统步骤

（续）

3.油石与油石座的连接

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。在珩磨中，油石的振动参数一般如下：频率f=20kHz，振幅a=8μm，最大振动加速度a_max=1.3×10⁴g，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，欲保证超声波能可靠、高效的传输，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。目前两者常用的连接方法有四种：粘接法、热压成形法、银钎焊法、锡钎焊法。