小型超聲波鉆床設計畢業(yè)設計(論文)

1、南 京 理 工 大 學畢業(yè)設計說明書(論文)作 者: 學 號：054908221015教學點:蘇州市職業(yè)大學專 業(yè):機電一體化題 目:小型超聲波鉆床設計講師 指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)副教授 評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2010年 11 月南 京 理 工 大 學畢業(yè)設計（論文）評語學生姓名： 班級、學號： 054908221015 題 目： 小型超聲波鉆床設計 綜合成績： 指導者評語：該生很好地完成了畢業(yè)設計任務書規(guī)定的工作，介紹了超聲波的工作原理、河特點。重點分析超聲波鉆床的機械結構特點，對超聲波鉆床的變幅桿、換能器、床身結構尺寸進行分析研究，確定了超聲波鉆床的設計方

2、案，繪制了超聲波鉆床主要部件的零件圖和裝配圖。并通過試驗驗證了超聲波鉆床的加工特性和存在的設計缺陷。畢業(yè)設計說明書、開題報告等文本內(nèi)容寫作規(guī)范，圖紙表達基本符合工程圖紙要求，整體來說符合畢業(yè)設計相關要求。 該生畢業(yè)設計整體來說完成的比較出色，但也有某些不足的地方，如在工程圖紙表達上還存在尺寸標注不全、公差不合理等情況，這主要是因為平時缺乏相關工程項目開發(fā)的經(jīng)驗。鑒于以上情況和該生畢業(yè)設計過程中良好表現(xiàn)，成績評定為82分。允許提交答辯。 指導者(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設計（論文）評語評閱者評語：對超聲波加工的工作原理掌握透徹、超聲波鉆床的機械結構設計方案合理、結構尺寸分析計算準確，論文說明書、

3、開題報告等文本內(nèi)容寫作規(guī)范，圖紙表達基本符合工程圖紙要求，整體來說符合畢業(yè)設計相關要求。 評閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會（小組）評語：能準確介紹超聲波加工的工作原理，對超聲波鉆床機械結構設計方案的介紹思路清晰，對超聲波鉆床的機械結構設計與強度分析計算原理運用準確，設計效果良好。對答辯組提出的問題回答準確，達到畢業(yè)設計要求。 答辯委員會（小組）負責人(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或利用超聲振動使工件

4、相互結合的加工方法。幾十年來，超聲加工技術的發(fā)展迅 速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復合加工領域均有較廣泛的研究和應用，尤其是在難加工材料領域解決了許多關鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。論文著重介紹了超聲波加工系統(tǒng)基本組成和超聲波加工的特點，如發(fā)生器、換能器、變幅桿和超聲磨料加工等，并通過超聲波加工中典型加工方式超聲波鉆進行了實驗、研究和分析，最終得出超聲波加工的特點，對超聲波加工的獨特優(yōu)點進行了很好論證。本文在上述目的基礎上根據(jù)超聲波鉆的特點，構思并設計出超聲鉆床的鉆臺。本設計方案主要滿足了結構簡單、運動平穩(wěn)、操作方便、能實現(xiàn)多個方向動作等要求，很好的滿足了超

5、聲鉆加工的進給與裝夾。展望未來，超聲加工技術的發(fā)展前景是美好的。隨著傳統(tǒng)加工技術和高新技術的發(fā)展，超聲波振切削加工技術應用日益廣泛。人們越多把超聲波加工與其他加工方式相結合，逐漸形成了多樣的加工方法。超聲波加工技術在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術等領域得到廣泛應用。關鍵詞 超聲加工 發(fā)生器 換能器 變幅桿畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要title ultrasonic machining technology status and development trend abstractultrasonic machining tool is the use of ultrasonic vibration

6、 in a liquid abrasive or dry abrasive media produced in the impact of abrasive, polishing, and the resulting hydraulic impact of cavitation effects to remove the materials, or to the tool or the workpiece along a certain direction applied processing of ultrasonic vibration to vibration, or the use o

7、f ultrasonic vibration to the workpiece combination of processing methods. for decades, the rapid development of technology, ultrasonic machining, the ultrasonic vibration system, deep hole processing, wire drawing die and cavity mold polishing, ultrasonic complex processing areas have a wider range

8、 of research and application, especially in areas of difficult materials many of the key technology to solve problems, and achieved good results. paper focuses on the basic components of ultrasonic machining and ultrasonic machining system characteristics, such as the generator, transducer, horn and

9、 ultrasonic abrasive machining, etc., and the typical ultrasonic machining process by way of - ultrasonic drilling experiments were carried out research and analysis, and finally obtained the characteristics of ultrasonic machining, ultrasonic machining of the unique merits of a good argument. the p

10、urpose of this paper, based on the basis of the characteristics of ultrasonic drilling, conceived and designed ultrasonic drilling rig. mainly to meet the design simple, smooth motion, easy operation, can achieve more than the direction of movement, etc., well positioned to meet the progress of the

11、ultrasonic drilling process to give clamping. looking ahead, prospects for ultrasonic machining technology is good. with the traditional processing techniques and high-tech development, ultrasonic vibration cutting technology is used widely. the more people the ultrasonic machining combined with oth

12、er processing methods, and gradually formed a variety of processing methods. ultrasonic machining technology in the modern industrial, defense and high-tech areas such as widely usedkey words ultrasonic machining generator transducer horn目次1 緒論02 超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡介42.1超聲波加工原理42.2超聲波加工系統(tǒng)組成53 小型超聲波鉆床設計133

13、.1 超聲波發(fā)生器的選用133.2 超聲波換能器的設計133.3 變幅桿設計143.4 鉆床的機架設計154 超聲波鉆實驗論證274.1 磨料沖擊超聲波加工介紹274.2磨料沖擊超聲加工實驗29結論35致謝36參考文獻371 緒論超聲波加工技術是高新加工技術之一，也是當今世界各國一個熱門的話題。對于超聲波技術的探究的人越來越多，更多的超聲加工技術被應用于各種生產(chǎn)加工，已經(jīng)涉及到許多領域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用。超聲深孔加工的發(fā)展史眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復雜得多。一般來說，孔加工工具的長度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。

14、特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。 前蘇聯(lián)在20世紀60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。在美國，利用工具旋轉同時作軸向振動進行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型umt-7三坐標數(shù)控超聲旋轉加工機，功率450 w，工作頻率20 khz，可在玻璃上加工孔徑1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圓度可達0.005 mm，圓柱度為0.02 mm。英國申請了電火花超聲復合穿孔的專利，該裝置主

15、要用于加工在導電基上有非導電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個加工過程分兩個階段進行：首先用超聲振動將非導電層去除掉，當傳感器感知金屬層出現(xiàn)時，即改用電加工或電火花與超聲復合的方法進行加工。該裝置有效地解決了具有導電層和非導電層零件孔的加工問題。 1996年，日本東京大學在超聲加工機床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細工具，并成功地利用超聲加工技術在石英玻璃上加工出直徑為15m的微孔。1998年又成功地加工出直徑為5m的微孔。湘潭大學進行了內(nèi)圓表面的超聲光整強化研究。該方法是在鉆孔后對孔進行精加工處理，通過機械超聲強化處理，在普通機床上達到精鉸、研磨的精度，可實現(xiàn)機械化。

16、初步實驗結果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。 哈爾濱工業(yè)大學研究了ti合金深小孔的超聲電火花復合加工。該工藝將超聲振動引入到精密電火花加工中，通過研究超聲振動對電火花精加工過程的影響，開發(fā)出了一種將超聲和電火花結合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實驗研究表明，應用該裝置可以在ti合金上加工出0.2 mm、且深徑比15的深小孔。 兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法超聲振動磨削，進行了超聲振動磨削和普通磨削陶瓷深

17、孔的對比實驗。結果表明，超聲振動磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。難加工材料的超加工金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、高溫、化學穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重阻礙了應用推廣。因此，國內(nèi)外許多學者展開了對難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。英國阿伯丁大學國王學院研究了超聲鉆削難加工材料時工藝參數(shù)對材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對沖擊力的特性進行了研究，提

18、出了一種新的材料去除率的計算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。 美國內(nèi)布拉斯加大學和內(nèi)華達大學對al2o3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術進行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學特性對材料去除機制進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結構的變化和晶粒的錯位，而高沖擊力會導致中心裂紋和凹痕。美國內(nèi)布拉斯加大學還第一次分析了al2o3陶瓷精密超聲加工的機理、過程動力學以及發(fā)展趨勢，并詳細討論了超聲技術在陶瓷加工方面的應用情況。 巴西的研究人員對石英晶體的超聲研磨技術進行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。

19、研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。美國堪薩斯州立大學提出了一種超聲旋轉加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，并將其應用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉加工技術的發(fā)展。 山東大學研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動脈沖放電加工技術，工具電極的超聲振動引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專用脈沖發(fā)生器。另外，工具電極的超聲振動還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術對al2o3/(w，ti)c、al 2o3/ti b2、al2o3/tib2/sicw3種al2o3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進行加工，研究了其加工機理和加工參數(shù)對

20、不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。結果表明，該復合加工技術有效地結合了超聲加工和放電加工的特點，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。山東大學還利用超聲加工技術對大理石的孔加工進行了研究，并與陶瓷材料進行了對比研究。結果表明，材料去除率與大理石的力學性能有關，在同樣的加工條件下，材料的強度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。天津理工學院對大理石超聲精密雕刻技術進行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺階。同濟大學對超聲加工建筑玻璃小孔的實驗進行了研究，探討了工具振動的振幅、頻率、工件材料、進給壓力、

21、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。結果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、裝潢的要求。該研究對其他玻璃材料的加工具有一定參考價值。 北京航空航天大學和哈爾濱工業(yè)大學將超聲振動引入普通聚晶金剛石(pcd)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析pcd材料的微觀結構和去除機理的基礎上，對pcd超聲振動研磨機理進行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。淮海工學院對燒結永磁體材料超聲振動加工過程中的材料去除機理進行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關系，對實際生產(chǎn)具有一定的指導作用。沈陽工業(yè)學院研

22、究了采用電鍍金剛石工具頭對瑪瑙進行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同時，借助于sem分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機理。超聲加工技術的發(fā)展趨勢和未來展望隨著傳統(tǒng)加工技術和高新技術的發(fā)展，超聲振動切削技術的應用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1) 研制和采用新的刀具材料 在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉為對刀具材料的開發(fā)與研究

23、上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應用為主要方向。(2) 研制和采用高效的振動切削系統(tǒng) 現(xiàn)有的實驗及實用振動切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實用的大功率振動切削系統(tǒng)早日問世。到目前為止，輸出能量為4 kw的振動切削系統(tǒng)已研制出來并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動切削裝置通?？奢敵龉β? kw，切削深度為0.010.06 mm。(3) 對振動切削機理深入研究 當前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面： 在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。 振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析。 振動切削機理的微觀研究及數(shù)學描述。(4) 超聲

24、橢圓振動切削的研究與推廣超聲波橢圓振動切削已受到國際學術界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學以及國內(nèi)的北京航空航天大學和上海交通大學已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和towa公司等已開始這方面的實用化研究。但是，超聲波橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步研究。此外，超聲加工技術在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗?？梢酝茢啵暭庸?/p>

25、技術在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。 超聲加工技術的發(fā)展及其取得的應用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀需要推動和促進了超聲加工技術的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術提供的強有力加工手段，又促進了新材料的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來，超聲加工技術的發(fā)展前景是美好的。2 超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡介2.1超聲波加工原理1、超聲波發(fā)生器 2、換能器 3、變幅桿 4、工具頭 5、磨料 6、工件7、容器 8、泵 9、磨料供給管頭 10、工作臺 11、接觸壓力f12、 工具頭震動方向 13、震動位移振幅分布圖2-1 超聲加工的基本加工裝置超聲波加工技術中應用最廣泛、最基本

26、的加工方式是磨料沖擊加工，因此下面以磨料沖擊加工為例闡述超聲加工的基本原理。超聲波加工的基本裝置如圖2-1所示。主要由超聲波發(fā)生器、換能振動系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和工作臺等部分組成。換能器產(chǎn)生的超聲振動由變幅桿將位移振幅放大后傳輸給工具頭，工具頭作縱向振動，其振動方向如圖 2-1 b 中的箭頭所示。這樣，當工具頭作縱向振動時，就沖擊磨料顆粒，磨料顆粒又沖擊加工表面，超聲加工主要是利用磨料顆粒的“連續(xù)沖擊”作用。由于超聲振動的加速度是非常大的，所以磨料顆粒的加速度（或沖擊力）也是非常大的。無數(shù)磨料顆粒連續(xù)不斷的沖擊，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振動著的超聲工具頭直接縱向

27、“錘擊”工件表面，那只能使工件表面產(chǎn)生損傷，實際上材料并沒有被去除。只有依靠切變應力才能將材料去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應力含有切向成分，此切向分量對加工過程中材料的去除起重要作用。另外，磨料懸浮中的超聲空化效應對加工也有很大的作用。超聲加工常用的頻率是從20khz到40khz，位移振幅在10100m之間。當頻率一定時，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過大，否則會使振動系統(tǒng)超出疲勞強度范圍而損壞。同樣，當位移振幅一定，而頻率增高時，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動能量的損耗將增大。因此，一般多采用比較低的超聲頻率。2.2超聲波加工系統(tǒng)組成超聲波加工系統(tǒng)一般主要由超聲波發(fā)生器、

28、換能器、變幅桿、以及一些輔助裝置組成。如下我將主要部分作進一步介紹。2.2.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器分模擬電路超聲波發(fā)生器和數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，這里主要講述模擬電路超聲波發(fā)生器。其模擬電路超聲波發(fā)生器組成如下圖2-2所示。圖 2-2 震蕩-放大型超聲波發(fā)生器方框圖（1） 超聲波震蕩器超聲波震蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。它可以是一個獨立的震蕩器，也可以是一個反饋網(wǎng)絡。習慣上，把前一種稱為它激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱為自激式超聲波發(fā)生器。其震蕩器的類型有：rc正弦波震蕩器、lc正弦波震蕩器、壓控震蕩器等。電路圖如下圖2-3所示。圖2-3 超聲波震蕩器的幾種類型

29、（2）超聲波放大器超聲波放大器的作用是將震蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。橋式功率放大器橋式功率放大器可分成半橋式功率放大器和全橋式功率放大器兩種形式。其工作原理圖如下圖2-4、圖2-5所示。 圖2-4半橋式功率放大器圖2-5全橋式功率放大器 (3) 匹配電路超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(nèi)容調(diào)諧，即選用一定值的電抗元件，使之在工作頻率上與負載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才

30、算是達到了匹配，換能器才能正常地工作。2.2.2超聲波換能器超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲加工處理。目前，廣泛采用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。(1)磁致伸縮換能器 磁致伸縮換能器的工作原理磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料制作的鐵芯外面纏繞而成，如圖2-6所示。當線圈中通以一定直流電流io產(chǎn)生最佳偏磁場ho后，再通過以交變電流i使其產(chǎn)生交變磁場h，使h重疊于ho之上，由此鐵芯中的磁場將在ho水平上變化。在交變磁場

31、h的作用下，由于材料的磁致伸縮效應，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時，換能器端部振動最強烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波圖2-6 磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器的結構和特點a、窗式換能器窗式換能器是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型，氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成。由于它是由許多薄片集成而成，疊片上有孔，所以被稱為窗式換能器。其結構形式如圖2-7 所示 。圖2-7窗式磁致伸縮換能器這種換能器的特點是從兩端面輻射超聲波。通常采用的疊片厚度為0.10.3mm。因為金屬材料的電阻率低，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。疊片上有孔

32、，在疊片中形成閉合磁回路，漏磁少，并有利于散熱。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。通常，輻射面的形狀采用正方形。b、環(huán)形換能器環(huán)形磁致伸縮換能器也是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型、氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成其結構形式如圖2-8所示。圖2-8 環(huán)形磁致伸縮換能器這種類型換能器的特點是：當線圈中同時通過偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應力的作用，沿圓周產(chǎn)生長度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動，可以自圓環(huán)內(nèi)側面 (圖 2-8 a ) 或外側面 (圖 2-8 b )向周圍介質(zhì)輻射超聲波。(2)壓電換能器壓電換能器的工作原理壓電換能器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，即壓電晶

33、體的逆壓電效應而制成的，如圖2-9所示，將壓電材料做成片狀，上下兩面涂上銀層作為電極，并進行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場。有兩種情況出現(xiàn)：a.外電場與壓電片極化方向相同。外加電場起到了使壓電片的極化強度增大的作用。極化強度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長的形變。b.外加電場與極化方向相反。反向電場將削弱壓電片的極化強度，使得壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。圖2-9壓電換能器的工作原理利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場換為交變電場時，壓電片就會產(chǎn)生與交變電場同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。當外加電場頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時，壓電片振動最大，聲輻射也最強烈。壓電換能器的結

34、構形式超聲加工處理設備中常用的壓電換能器結構形式有：薄長片形換能器、圓環(huán)形換能器、薄圓片形換能器和夾心式換能器。其結構圖形如下圖2-10所示。圖2-10 壓電換能器的結構2.2.3超聲變幅桿超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動幅度較小，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質(zhì)點的位移量和運動速度進行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負載之間架起橋梁，進行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負載傳輸。此

35、外在超聲加工處理設備的結構工藝上，通常在變幅桿或半波長等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動系統(tǒng)固裝在超聲設備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)幅輻射超聲能量時，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開，使換能器避免被腐蝕，減少受到熱的影響。變幅桿可分為縱向振動變幅桿、彎曲振動變幅桿。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復合形。簡單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復合形是由各種簡單形變幅桿根據(jù)實際需要組合而成的。（1）單一變幅桿超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長度l,放大系數(shù)mp，形狀因數(shù)，位移節(jié)點xo，輸入力阻抗zi和彎曲勁度參數(shù)加以描述。其中mp是指變幅桿工作在共振

36、頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度的比值；形狀因數(shù)是衡量變幅桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關，值越大，通過變幅桿所能達到最大振動速度也越大。輸入阻抗zi定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復數(shù)。在實際應用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負荷的變化而變化的幅度要小，彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)，彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實際應用中這是需要避免的。單一變截面桿如圖2-11所示。圖2-11單一變幅桿（2）復合變幅桿在高強度超聲應用中，常常要求變幅桿末端具有很大的振動幅度，這就要求變幅桿的形狀因數(shù)及放大系數(shù)mp值都盡可能的大，單一變幅桿

37、的值和mp值常出現(xiàn)此優(yōu)彼劣的現(xiàn)象，很難二者兼顧。為了改變這一狀況，就必須采用復合變幅桿的形式來彌補不足以提高其輸出性能。在有些應用場合需要特別高的振動速度時，也常用到長度滿足共振條件的復合形變幅桿。圖2-12為三段復合變幅桿。其中和段為等截面桿，段為變截面桿，而變截面桿可以是指數(shù)形、圓錐形或懸鏈線形等不同形式。如果兩等截面桿的長度相等，則構成具有變截面過渡段的階梯形變幅桿。當或的任一段為零，則可構成兩段復合變幅度桿。圖2-12 三段復合變幅桿3 小型超聲波鉆床設計根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設計出一臺簡單的超聲波鉆床，并且通過與普通鉆床其性能進行對比，探討總結出超聲波鉆床的工性能。一般超

38、聲波鉆床由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和輔助機構等組成。要設計超聲鉆床，也就從這幾個方面入手，詳細的設計步驟見下面。3.1 超聲波發(fā)生器的選用由于超聲波發(fā)生器內(nèi)部電路等結構較復雜， 由于知識有限這里進行適當選用即可。3.2 超聲波換能器的設計由于壓電式換能器較易實現(xiàn)，這里設計選擇壓電陶瓷型換能器。壓電換能器有以下幾個部分組成，如下圖3-1所示：圖3-1 超聲波換能器結構示意圖如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號由壓電陶瓷的“逆壓電效應”轉換成機械的振動。其組成部件十分簡單，除壓電陶瓷、電極需要買賣外，其余部件可通過車削45鋼的方式得到。實物如下圖3-2所示：圖 3-2 超聲波換能器3.3 變

39、幅桿設計3.3.1設計注意事項（1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強度高、易加工的結構鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼；（2）大圓錐體端部與超聲換能器配合，度表面的粗糙度有較高的要求，一般性的選ra1.6（3）變幅桿的小端圓柱半徑r2大小直接影響放大倍數(shù)，故r2不易取太大；（4）變幅桿的聯(lián)接采用細牙螺紋，以免振動過程中松脫。3.3.2結構參數(shù)根據(jù)變幅桿的基本知識及實際的應用。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復合型效果最好，其結構圖如下圖3-3所示。一般取l1=/4，使界面位置位于圓錐體與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。圖3-3變幅桿結構圖對于圓錐平滑彈性體：頻率方程如下： 振幅放大系數(shù)

40、為： 由上式可知：放大系數(shù)與r1、r2、l1、l2有關，l3又由l2確定的，因此，只要知道r1、r2、l2，那么整個變幅桿的尺寸就可以確定。r1與換能器的尺寸一致，對于一個特定的換能器十一個固定的值。r2是變幅桿端部的尺寸，視所需的振動幅度而定，往往是變化的；圓錐體部分的l2不宜設計過大否則振幅放大系數(shù)太小，一般的取 kl2 = / 4換能器的振動頻率f=20kh ，r1=22mm ,r2=5mm彈性材料的選擇彈性材料選用45鋼，該材料的疲勞強度高，而且易加工。加工后調(diào)質(zhì)處理。介質(zhì)彈性模量：e=2.08x1011 n/ m2 ，=7.9kg /cm3。申博在變幅桿中傳播的速度及波長速度 v=(

41、e/)1/2= (2.08x1011/790)1/2=5.13x103(m/s) 波長 = v/f= 5.13x103/20000=256.5 （mm） 尾柱長度及圓柱體部分的長度 尾柱長度l1 l1=/4= 256.5/4=64.1mm 取整l1=64（mm） 圓柱體部分的長度l2 l2= /4k=32.06 （mm） 取整l2=32（mm）小截面部分長度因為=cot +x（ 1）=5.331則kl3=1.385 所以l3=1.385x=35.52（mm） 取整l3= 35(mm)振幅放大系數(shù) 振幅放大系數(shù)m m= =20即根據(jù)設計參數(shù)加工出如圖示的變幅桿。3.4 鉆床的機架設計超聲波鉆床機

42、架的設計包括了床身、工作臺、進給機構、壓緊機構等，其功能應考慮能上下、左右、前后的進給運動，并且能有效的壓緊工件，同時也應考慮其加工的方便等。3.4.1鉆床床身設計床身包括了底盤與支撐，下面是其床身設計步驟： 構思并繪制床身結構草圖 初定設計結構參數(shù)及尺寸在初定床身參數(shù)尺寸前，首先應考慮其標準件的選擇，再去制定其余的尺寸。在構思床身中發(fā)現(xiàn)其運用到標準件有軸承，所以我們應先選擇適當?shù)妮S承。因深溝球軸承運用廣泛，運動良好，這里我選用此軸承，參考機械設計手冊，示意圖如下：3-4圖3-4根據(jù)d=20mm,可查得d取42mm,b=12mm.據(jù)此初設計出其余結構參數(shù)圖樣，示意圖如下：圖3-5 底盤圖3-6

43、 支承桿在草稿上進行簡單的強度校核校核通過，確定床身的最終結構尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤與支撐都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理由設計圖知底盤可用加工中心銑削的方法得到，而支撐桿可以通過數(shù)控車削的方式得到，因支撐桿有起滑軌的作用，所以加工表面要求高，并需要進行淬火處理，以防磨損。繪制加工零件圖床身設計組合圖簡要說明鉆床床身設計組合示意圖如下3-7所示，底盤上開有兩軸承孔，作用是支承絲杠以便轉動，做成臺階形式是為裝軸承后保持其強度，另外減少材料；支撐桿上尾部帶有螺紋與底盤螺紋孔配合，固定效果良好，桿上部分做成臺階是以便后面設計擺桿，螺紋孔將再后續(xù)設計一鎖緊螺釘，以便擺桿的定位。綜

44、合上設計兩件，加工方便，簡單美觀，實現(xiàn)效果良好。圖3-7 組合示意3.4.2 擺動伸縮桿的設計設計擺桿伸縮桿是為方便鉆床左右的擺動，與前后的伸縮，在工件裝夾后可以方便鉆與工件的對位。構思并繪制擺桿結構草圖初定設計結構參數(shù)及尺寸此設計需根據(jù)常用緊固螺母，設計軸的徑向尺寸大小，其余根據(jù)實際形體比例設計其尺寸。結構示意圖如下：圖3-8 擺動伸縮桿設計 示意在草稿上進行簡單的強度校核校核通過，確定床身的最終結構尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤與支撐都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理此零件可通過數(shù)控車削的方式得到，但套管的內(nèi)壁與推桿的表面接觸部分要求比較高，加工后需表面淬火處理，以防磨損。繪制

45、加工零件圖擺動桿包括了套管與推桿兩部分，加工零件圖需分開繪制。擺動伸縮桿設計組合圖簡要說明擺動擺動伸縮桿與床身的組合圖如下，擺動伸縮桿其優(yōu)點方便了前后的自由伸縮，左右的自由擺動，且可以有效鎖緊，個自由度可有效實現(xiàn)，同時它的加工方式簡單方便。圖3-9 組合示意3.4.3 傳動絲杠及工作臺設計因所設計鉆床為小型化的，傳動機構的設計應追求簡單化、輕型化與可靠化，這里傳動方式我選擇了螺旋傳動的方式，設計步驟如下：構思并繪制擺桿結構草圖初定設計結構參數(shù)及尺寸這里無標準件，只是在設計絲杠是螺紋選擇常見的m20，以方便加工。其余設計時注意足夠的強度即可。圖3-10 傳動絲杠及工作臺 示意在草稿上進行簡單的強

46、度校核校核通過，確定傳動絲杠及工作臺最終結構尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里傳動絲杠及工作臺都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理工作臺可通過數(shù)控加工中心銑削或線切割的方式得到，絲杠可通過數(shù)控車削的方式得到。最后對導向孔進行淬火處理以增加其強度，以防磨損。繪制加工零件圖傳動絲杠與工作臺各一張。擺動伸縮桿設計組合圖簡要說明設計組合圖如下，絲桿可帶動工作臺上下移動，運動實行方式。另外絲杠與工作臺的加工都十分簡單，絲杠還加裝了轉盤，工作臺上開有排屑孔。絲杠與床身用滾動軸承聯(lián)接，轉動效果好，不易磨損。圖3-11 組合示意3.4.4 工件夾緊機構設計夾緊機構的設計，要追求夾緊方便、可靠，另外加工實現(xiàn)方

47、便。其設計步驟如下： 構思并繪制工件夾緊機構草圖 初定設計結構參數(shù)及尺寸參考已設計好的工作臺大小，設定工件夾緊機構的尺寸參數(shù)，壓緊方式選擇螺紋壓緊。采用一端固定，一端移動的形式。圖3-11 工件夾緊裝置 示意在草稿上進行簡單的強度校核校核通過，確定工件夾緊裝置最終結構尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好與夾緊裝置的質(zhì)的輕巧，這里工件夾緊機構選擇鋁合金。選擇加工方式及熱處理工件夾緊機構可用數(shù)控加工中心銑削得到，加工好后進行淬火處理增加其耐磨性。繪制加工零件圖工件夾緊機構設計組合圖簡要說明如下是加裝工件夾緊機構設計組合圖，工件可得到有效的夾緊，夾緊方便，架構輕巧?？蓨A緊一定寬度和厚度的工件。圖3-12

48、 組合示意3.4.5超聲鉆固定套的設計超聲鉆固定套用于固定超聲鉆，并與導桿相連接，設計簡單、可靠、輕巧即可。構思并繪制超聲鉆固定套草圖初定設計結構參數(shù)及尺寸根據(jù)前面設計好的超聲鉆的結構參數(shù)，設計此結構尺寸。圖3-13 超聲鉆固定套 示意在草稿上進行簡單的強度校核校核通過，確定超聲鉆固定套最終結構尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好與質(zhì)的輕巧，這里選擇鋁合金。選擇加工方式及熱處理超聲鉆固定套可用數(shù)控車車削得到，加工好后無須熱處理。繪制加工零件圖超聲鉆固定套設計組合圖簡要說明超聲鉆固定套與擺動伸縮桿采用螺紋連接，中間掏空可將超聲鉆放入其中，并用螺紋固定好。圖3-14 組合示意3.4.6 超聲鉆床組裝圖

49、說明超聲鉆床組裝示意圖如下，分別由底盤、支承桿、擺動伸縮桿、擋圈、傳動絲杠、軸承、工作臺、工件夾緊裝置、超聲鉆（換能器、變幅桿等）、超聲鉆固定套、手動轉盤、止動手把等組成。圖3-15 超聲鉆床結構 示意繪制超聲鉆床裝配圖工作原理說明a、工件裝夾：將工件置于夾緊裝置移動塊與固定塊之間，通過推動移動塊以及擰動上下運動的螺母使其夾緊。b、運動方式：此鉆床工作臺可實現(xiàn)上下的移動，鉆臂可實現(xiàn)左右的擺動，方便與工件的定位。4 超聲波鉆實驗論證超聲波鉆的加工原理實際上就是利用超聲振動加磨料，從而去除多余材料的一種簡單的加工方法。下面我們在進行實驗之前就先講下，磨料沖擊加工的的基本原理。4.1 磨料沖擊超聲波

50、加工介紹磨料沖擊超聲加工是一種應用非常廣泛的超聲加工方式，它是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結果。由于磨料沖擊超聲加工是基于磨粒沖擊的作用，因此越是硬脆的材料遭受的破壞越大，加工效果也越明顯。相反，硬度和脆性不是很大的韌性材料，因其具有緩沖作用而難于進行磨料沖擊超聲加工，因此在選擇工具材料時，既要考慮能撞擊磨粒，又能保證工具自身不受到很大破壞，在超聲加工中常用45鋼作為工具材料，以減少工具的相對損耗，并且價格低廉。磨料沖擊超聲加工示意圖如圖4-1所示。圖4-1 磨料沖擊超聲加工示意圖來衡量4.1.1影響磨料沖擊超聲加工的效率、精度和表面質(zhì)量因素磨料沖擊超聲加工的效

51、率一般用單位時間去除工件材料的質(zhì)量或體積來衡量。在實際加工中，常用單位時間內(nèi)工具頭的進給量來表示相對加工速度，該方法比較直觀、方便。影響磨料沖擊超聲加工效率的因素較多，主要的有以下幾種。傳遞到工具頭的超聲頻率和振幅對加工效率的影響當頻率一定時增加振幅，或當振幅一定時增加頻率都可以提高加工速度，但過大的振幅和過高的超聲頻率都會使工具或變幅桿承受很大的內(nèi)應力，如果超過其疲勞強度時，使用壽命將會大大降低，甚至遭到破壞。因此磨料沖擊超聲加工的頻率應用范圍是2040hz；位移振幅一般在10100m范圍。工件壓力對加工效率的影響超聲加工時，工具不是剛性進給的，而是通過彈簧、磁斥力或重錘壓力來實現(xiàn)進給的。工

52、件材料的性質(zhì)及磨料懸浮工作液對加工效率的影響被加工材料越脆，則承受沖擊載荷的能力越低，也就越容易被去除，相反，如果是韌性好的材料則不易被加工。如下表4-a列出了幾種不同性質(zhì)的材料的相對加工速度。（以玻璃的加工速度為基準）表4-a 不同材料超聲加工的相對加工速度材料玻璃鍺石英紅寶石硬質(zhì)合金金剛石相對加工速度100%57%52%18%5%0.5%1.5%工具材料對加工效率的影響作為超聲加工工具的材料不可太硬，否則會促使磨料很快邊鈍，工具本身也容易被過量損耗，對提高加工效率很不利。一般常用45號鋼作為超聲工具，不必淬火。此外，如果工具外形復雜則不利于磨料懸浮工作液的流動，也會影響生產(chǎn)率的提高。所以在

53、設計超聲工具時一定要考慮盡可能有利于工作液的循環(huán)。影響加工質(zhì)量的因素很多，最主要的是磨料的粗細，該因素不但對加工效率有較大影響，對加工精度與表面質(zhì)量的影響也十分明顯。一般磨料越細，加工精度越高，表面質(zhì)量也越好。因此要想達到某種等級的加工精度和表面粗糙度，并且還要保持較高的加工速度，選擇磨料粒度的粗細是至關重要的。一般磨料沖擊超聲加工可分為粗、中、細三檔模式，對于磨料粒度的選擇也是由粗到細依次排列。粗檔加工以對工件材料去除為主，中檔加工是承上啟下的過度階段，而精檔加工則是對工件被加工表面進行拋光精加工。三者并沒有嚴格的界限，應根據(jù)加工的實際狀況而定。4.1.2金剛石、碳化硼等材料的磨料沖擊超聲加工眾所周知，金剛石是世界上已知的物體中硬度最高的，天然鉆石、人造聚晶金剛石、大顆粒人造單晶金剛石組成了金剛石家族，除了這個家族外立方蛋化硼、碳化硼等硬度較高的物質(zhì)也屬于超硬材料的范疇。它們的共同特點是高硬度、高脆性，都適于用磨料沖擊超聲進行加工。（本次實驗所用磨料主要是碳化硼和金剛砂）4.2磨料沖擊超聲加工實驗4.2.1實驗工具和材料在實驗之前，我們首先現(xiàn)羅列以下此實驗所需要用的材料和工具，見下表4-a所示。表3-a 超聲鉆實驗工具和材料實驗工具和材料數(shù)量超聲波發(fā)生器1臺示波器1臺超聲鉆（包括超聲電機和變幅桿等）1臺磨料（碳化硼和金剛砂）各