超声波切削道具夹持机构设计—毕业设计

本科毕业设计（论文） 超声波切削道具夹持机构 系 别 机电工程系 专业班级 06机电3班 学生姓名 吴文锋 指导教师 王红飞 提交日期 年 月 日 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给 06机电3班 班学生 吴文锋 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 超声波切削道具夹持机构 2.应完成的项目： （1）查找和阅读有关振动加工技术及其切削系统的资料； （2）掌握振动切削系统装置及其受力情况； （3）撰写毕业设计开题报告； （4）完成外文资料翻译工作； （5）进行振动切削系统装置分析以及其受力情况，力学计算研究； （6）完成毕业设计（论文）说明书。 3.参考资料以及说明： （1）曹凤国，张勤俭.超声加工技术. 化学工业出版社, 2005.1 （2）徐可伟，朱训生超声振动在精密切削中的应用新技术新工艺2001.3 （3）胡传忻. 特种加工手册. 北京:北京工业大学出版社，2001.4 （4）金庆同.特种加工.航空工业出版社.1988.6 （5）刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工，北京:机械工业出版，2000.7 （6）张云电超声加工及其应用北京： 国防工业出版社1995 （7）秦婵，丁锋，刘绍梁. 工程力学, 华南理工大学出版社. 2006.6 （8）黄小清，陆丽芳，何庭蕙.材料力学, 华南理工大学出版社.2007.2 4.本毕业设计（论文）任务书于 年 月 日发出，应于 年 月 日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 年 月 日 指导教师（导师组） 签发 年 月 日毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年 月 日 摘 要 超声振动切削加工技术是最近发展起来的一种新型非传统的特种切削加工方法与传统的机械加工 相 比，能有效的降低切削力和切削温度、提高工具使用寿命及已加工表面的耐磨性 、耐腐蚀性 、大幅度降 低表面粗糙度Ra 值和显著提高加工精度，在难加工零件的精密加工中得到了良好应用。本文通过认识超声加工技术，进而研究和建立超声振动切削系统，并对超声振动系统的一些零部件和振动装置进行了分析研究。在切削加工领域，提高加工精度方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于如何努力减小切削过程中的切削力和切削热。超声振动切削技术在降低切削力和切削热方面有重要的作用，可以较好地解决难加工材料、难加工零件以及精密加工等方面的一些工艺问题。本文主要探讨了一种可安装在普通机床或数控机床上便可进行超声车削加工的超声振动车削装置设备，可以实现结构简单，体积小，成本低等特点。而且安装方便，能直接安装在普通的车床刀架上使用。本实验所需要的超声车削装置系统取用的是纵向振动形式的超声车削装置。根据超声振动车削装置设备的受力情况，进行受力分析，进行力学计算和确定支撑机构的结构形状和尺寸大小。最后，应用所制造出来的新超声振动车削系统装置，作为可以在车床上进行加超声振动的车削实验。关键词：超声加工；振动切削装置；夹持机构； AbstractUltrasound the cutting production techniques is the latest of a new special cutting process with conventional mechanical processing, can effectively reduce the amount of temperature, and cutting tool life and has been machined surface wear resistant properties, too, corrosive, or a rough surface of the ra reduce the value and significant increase in the difficult process, machine parts for precise work of the application.In this paper, through the study of ultrasonic machining(USM)technology, ultrasonic vibration cutting system is set up for research of machining parts, including the overall structure is preliminarily designed. Equipments are involved in assembling simulation. There are many methods to improve machining precision. One of the most important researches is to reduce cutting forces and the amount of heat produced during machining. The ultrasonic vibration cutting technology takes important roles in the reducing of cutting forces and heat. It has been used to solve many cutting difficulties encountered in ordinary machinery manufacturing practices, especially in the cutting of some special materials and precision machining parts.This chapter mainly discusses one kind of ultrasonic vibration cutting device to be possible to install on the ordinary machine or the numerical control machine then may carry on the supersonic turning processing the ultrasonic vibration turning arrangement, might realize the structure to be simple, the volume was small, cost low status characteristic. Moreover installs conveniently, can install directly on the ordinary lathe carriage uses. This article tests the ultrasonic vibration cutting device which needs to use is the longitudinal mode ultrasonic vibration cutting device. According to the ultrasonic vibration cutting device stress situation, carries on the stress analysis, carries on mechanics computation and the determination support organization structure shape and the size.Finally, on the basis of designed transformer horn and ultrasonic turning, an ultrasonic vibration cutting system is established. It is planned to be fixed and debugged on machine tool. While for machining parts, turning trials with and without ultrasonic vibration are taken to try to get the test results. Keywords: Ultrasound processing ； vibration cutting device ； between the agencies ；目 录摘要 4Abstract 5第一章 绪 论81.1超声波振动切削技术81.2国内外超声振动切削技术的研究与应用91.3超声振动切削的发展方向3第二章 超声加工的基本原理112.1超声波的产生112.2 超声振动切削的基本原理112.3 超声振动切削特点122.4 超声振动切削的应用13第三章 超声振动切削系统结构143.1 超声加工机床结构143.2 超声振动系统143.3 超声波发生器153.4 超声波换能器163.5 超声波变幅杆16第四章 超声振动切削道具夹持机构174.1 超声车削系统受力分析184.1.1 超声振动切削刀具的振动规律184.1.2 刀屑接触长度分析194.1.3 切削力分析204.1.4 完成振动切削过程所需功率204.2 超声振动车削装置总体要求214.2.1车削装置技术要求214.2.2装置的总体特征214.2.3校核工作时超声振动车削装置Z字架的强度。224.3 超声振动车削装置零部件分析264.3.1发生器与换能器的选用264.3.2变幅杆与换能器的联接264.3.3刀具设计与变幅杆的联接274.3.4刀尖高度调节装置294.4 超声振动车削装置安装、调试294.5 超声车削实验分析31第五章 总结与展望325.1本文研究总结325.2今后工作的展望32参考文献33致 谢34第一章绪论1.1超声波振动切削技术超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术，是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。振动切削加是 2 0世纪 6 0年代发展起来的一种先进制造技术，它通过在常规 的切削刀具上施加高频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使传统切削模 式发生了根本性的变化。由此变化解决了传统的切削加工中固有的难题，如切削中 的振动和切削热变形等，从而得到了优良的切削效果。迄今为止，世界各国虽然在 振动切削某些现象的解释上，某些参数的选择上还有一些差别，但对它的工艺效果 是一致公认的。作为精密机械加工和难加工材料加工中的一种新技术，它已经渗透 到各个加工领域，出现了各种复合加工方法，使传统的加工技术有了一个飞跃。研 究表明，由于其在一定范围内能够有效地解决难切削材料的加工及其精密切削加工 方面的问题并在加工中具有一系列的特点，因而越来越引起人们的重视而受到世界 各国的瞩目。 按超声波辐射大小不同，超声技术的使用可分为两大方面：一是利用它的能量来改变材料的某些状态，称为功率超声；第二类是利用它来采集信息，称为检测超声。功率超声是超声学中一个重要的研究方向，特别在超声振动切削方面的应用十分广泛，超声振动除能对普通材料进行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等性能材料进行加工。超声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力。因此，有时可用这个压力的大小来表示超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。振动能量的强弱，用能量强度来衡量。能量强度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号J来表示。 式中 弹性介质的密度C弹性介质中的波速 A振动的振幅 圆频率，由于超声波的频率（）很高，其能量强度可达几十几百瓦/。1.2国内外超声振动切削技术的研究与应用超声振动切削这一加工方法 自五十年代末提出来以后，国外许多专家学者从不同的方面对其进行了大量的试验研究。 近年来，日、美、前苏联、 英、德等工业发达国家对这一新工艺新技术给予普遍重视， 并取得了较大进展与生产性应用 J 。 从研究的深度、 广度以及实际应用效果来看，日本在超声振动方面处于国际领先地位。 1 9 7 7年，日本对振动切削与振动磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。 研究超声振 切理论与应用技术奠基人的日本宇都官大学的隈部淳一郎教授 ， 他在 1 9 5 6年首先提出了系统的振动切削理论，发表了大量的论文，出版了 精密加工一振动切削一基础及应用的专著，把振动切削理论成功地应用于车、刨、铣、钻、镗、铰、拉、磨削、螺纹加工齿轮加工、抛光、珩磨、拉伸与挤压等冷热加工领域，并取得了意想不到的效果与显著的经济效益。目前，超声振切系统在 日本已作为生产项目申请为专利。日本新泻铁工所早开始生产振动切削车床与振动攻丝机。有些工厂还把振动切削系统成功地安装在普通车床、大型机床和数控机床上。 在美国， 6 o年代初就对振动切削进行研究， 7 0年代中期， 美国在超声振动钻中心孔磨削、光整加工与振动焊接、振动拉管等方面已处于生产应用阶段；振动车、钻、镗等切削加工已处于试验性生产设备的阶段；振动拉削、铣削与螺纹切削也已试验成功；超声振动系统已能供应生产上应用，且部分已标准化 。 前苏联 5 0 年代末 6 0 年代初发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效益。为了推动超声加工的应用，1 9 7 3年前苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。 在此期间，德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。 我国超声加工的研究始于五十年代末，但当时超声波发生器、换能器和声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作。 六十年代初期， 哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。然而，此项技术直到七十年代末期才重新受到重视。近 l O多年来，在超声波振动切削领域中，我国已取得了显著的成绩。这主要有以下 几个方面：( 1 )超声振动切削的设备和刀具；( 2 )超声振动切削的理论研究；( 3 )超声振 动切削加工各种材料的实验研究；( 4 )超声振动切削加工精度和表面质量；( 5 )超声振动 切削时刀具的磨损和耐用度；( 6 )超声振动切削在各种加工方法方面的研究和应用；( 7 ) 超声振动技术从机械行业向其它行业的研究和应用拓展。 由于超声技术具有许多独特的优点和性质，应用范围十分广泛，所以可以预见，随着 对超声加工技术的进一步研究和应用，这项技术必将在我国的技术进步和现代化建设中发 挥越来越大的作用。 1.3超声振动切削的发展方向随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用 日益广泛，超声振动 切削机理的研究 日趋深入，其发展动向主要有以下几方面。 ( 1 )从试验性研究开始转向实际生产应用研究。超声振动切削装置已明显地朝着小 型化、实用化、标准化、系列化与商品化方向发展。 ( 2 )超声振动切削系统已更新换代。如超声波发生器早已实现了晶体管化，淘汰了 电子管结构。 换能器已从使用磁致伸缩效应的镍片发展为使用电致伸缩效应的压电晶体。 ( 3 )在振动方式上已经从单一的纵向振动的换能器系统发展为扭转换能的系统，并且局部共振技术已投入运用 。 ( 4 ) 研制和采用高效的振动切削系统；现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高.因此.期待实用的大功率振动切削系统早日问世，这也是超声技术工业化广泛应用的必要基础。 ( 5 )超声振动切削加工的工种已由主要是车削、钻孔与攻丝发展到了镗孔、铣削、刨削、拉削、螺纹加工、齿轮加工、磨削、抛光与珩磨等。 ( 6 ) 超声振动切削加工的工件材料已从一般的碳素结构钢与合金结构钢向软韧、硬脆 难加工材料方面发展。 ( 7 )除研究适合于振动切削刀具的几何参数外，还要研究适合于振动切削的刀具材 料，以保证振动切削所使用的刀具具有足够的刀具耐用度，如天然金刚石，人造金刚石和 超细晶粒的硬质合金材料。 ( 8 )着技术的发展，对零件的加工精度、加工表面粗糙度和加工表面质量提出了很 高的要求，因此使超声振动切削加工向精密与超精密加工方向发展是非常必要的。 ( 9 )密重叠加工，即加工时一方面使刀具作超声振动切削，另方面使被加工工件也 同时作超声振动，从而构成了精密二维重叠振动切削。这种方法可有效地用来对硬度高而 抗拉强度低的陶瓷材料进行精密切削。此法之最大刀具特点是切削力可大大减小而显著提 高了生产效率。( 1 0)拓宽超声波振动切削加工的应用范围。将超声波振动切削加工技术从机械行业向其它行业拓展。 其次，超声振动微细加工，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，更具有可加工较高深度比的三维形状，这决定了它在这类材料上的得天独厚的发展优势。而超声技术正朝着高精度、微细化发展，微细超声振动加工技术更有望成为微电子机械系统（MEMS）技术的有力补充。此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中己有广泛的应用，必定日益趋向于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗等方面的应用。可以推断，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。 第二章超声加工的基本原理2.1超声波的产生超声波的产生是由压电晶片(如石英、钛酸钡、锆钛酸钡等)的逆压电效应产生的。如图2-1所示，当压电晶片受到某一规律的压缩和拉伸时(晶片厚薄亦产生规律性变化)，在晶片两面产生相同电压变化，称为正压电效应。反之，把某一规律变化的电压加在压电晶体片两面上，它就作相应机械振动，称为逆压电效应3。图2-1正压电效应当压电晶片受到来自高频(20kHz)发生器的高频电压作用而发生逆压电效应时，晶片在其厚度方向发生变薄及变厚的振动，晶片周围介质点亦相应振动，这个振动在介质中传播，即形成超声波。2.2超声振动切削的基本原理超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法. 超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 2.3超声振动切削的特点超声振动切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点: 在切削过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。 刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。(2)工艺效果分析瞬间切削力增大根据连续弹性体动力分析理论,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周边的材料也参与抵抗变形,就使得切口处切削力降低。在振动切削中,材料的破坏过程与普通切削不同,它由每次冲击产生细微破坏而完成切削。在振动切削中,因振动提高了实际的瞬间切削速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少,作用力集中,瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化。减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。有利于冷却刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。振动切削中,刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件。刀屑分离时,切削液产生空化作用,切削液充分进入切削区。振动切削时刀具对工件的冲击作用,应力波的出现,有利于切削区裂纹的萌生和扩展。刀屑接触时,由于压力差出现,使得切削液渗透作用加强,充分发挥切削液的润滑和冷却作用。这些都大大降低了前刀面与切屑间及后刀面与已加工工件表面间的摩擦。2.4超声振动切削技术的应用超声振动切削技术是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法,它弥补了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的适用范围,主要有以下几方面:(1)难切削材料的加工不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振切削则可化难为易。例如用硬质合金刀具振动车削淬硬钢(3545HRC)外圆、端面、螺纹与镗孔时,不但提高了平行度、垂直度与同心度,而且可达到“镜面”的表面粗糙度,也可用金刚石刀具进行振动精密加工。又如钛历来只能以磨削和研磨作为精加工,现用硬质合金刀具振动车削时,其端面上的最大表面粗糙度值可达Ra=23m,最佳时可达Ra=0.5m。此外,用普通切削加工石墨与氧化铝等材料时得不到平整的加工表面,只有采用超声振动才能产生微粒式的切削分离并得到整齐的加工表面。国外用超声振动能顺利地切削富铝红柱石,如果将超声波能源切断,工件会马上损坏,根本无法加工。(2)难加工零件的切削加工如易弯曲变形的细长轴类零件,小径深孔、薄壁零件,薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件,用普通切削与磨削加工很困难,用振动切削,既可提高加工质量,又可提高生产效率,例如用硬质合金车刀超声振动精车细长的退火调质铝棒(7.2mm,长220mm)的外圆,振动频率为F=21.5kHz,振幅为A=15m,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全损耗系统用油作为切削液,加工后可获得工件直径精度为4m,最大表面粗糙度值Ra=1m。又如超声振动精镗有特殊钢制成的薄壁圆筒(工件长70mm,孔径15mm,壁厚1mm),在镗过的50mm长度上可测出内孔精度为4m,最大表面粗糙度值Ra=3m。(3)高精度、高表面质量工件的切削加工与普通切削相比,振动切削时切屑变形与切削力小,切削温度低,加工表面上不产生积屑瘤、鳞刺与表面微裂纹,再加上表面硬化程度较大,表面产生残余压应力小,切削过程稳定,容易加工出高精度与高表面质量的工件。 例如前述的超声振动车削软铝制成的细长轴(长200mm,7mm)时可得到圆度2m、圆柱度3m/170mm的加工精度。超声车削5mm的电动机整流器铜线时,可得到Ra=0.05m的镜面,用其他加工方法是不可能达到的。(4)排屑、断屑比较困难的切削加工钻孔、铰孔、攻螺纹、剖断、锯切、拉削等切削加工时,切屑往往处于半封闭或封闭状态,因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量,这时如果用振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑,保证加工质量与提高生产效率。 第三章超声振动切削系统结构31超声加工机床结构超声加工机床又称超声加工设备，它们的功率大小和结构形状虽有所不同，但其组成部分基本相同，一般包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作悬浮液循环系统等，其主要组成部分如下图3-1所示8。超声加工机床超声波发生器（超声电源）超声振动系统机床本体工作液循环系统和换能器冷却系统超声换能器变幅杆工具工作头加压机构及工作进给机构工作台及其位置调整机构图3-1普通超声加工机床结构为了实现超声加工机床操作的自动化，此前，清华大学已经开发了以工控PC为硬件基础的，完全数控化的旋转超声加工机床，实现了机床数控自动化的突破9。天津大学也在超声加工机床方面做了很多的研究，并对机床进行了模块化设计研究。这些研究结果有利于产品的更新换代，缩短设计和生产制造周期，降低成本，方便维修维护和性能稳定可靠的提升10。纵观国内外对于超声波加工机床的研究，其超声波加工机床均为专用机床，它们的结构基本上包括机床本体，超声波电源、超声振动系统，主轴旋转系统，主轴轴向进给系统等，而机床本体，主轴旋转系统和主轴轴向进给系统结构复杂，体积大，设计制造困难，相应的增加机床的制造成本，移动困难。32超声振动系统超声振动系统是超声设备的核心。多年来，超声加工采用的超声振动系统大都采用纵向振动方式，并按“全调谐”工作。近十年来，国内对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了许多新的进展。超声振动系统，即超声波振动加工系统，主要由精密机床和超声波振动装置两大部分构成。其中超声波振动装置部分为：超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆等三个主要的部件2。超声振动系统工作原理是通过超声波发生器将 220V 或 380V 的50Hz交流电转换成有一定功率输出的超声频电振荡，即超声频电振荡信号，在将电信号加到换能器上，使其产生同频率的机械振动，此振动通过变幅杆将振幅放大，最终在工具端部产生足够大的机械振动幅值7。超声振动系统分有纵向振动系统、弯曲振动系统和扭转振动系统2。纵向振动系统具有传递振动功率大、振动能量损耗小等特点。纵向超声振动系统使用小质量车刀。车刀成本低、不必准确测量和确定超声车刀的位移与节点，因而使用方便，同时刀尖高度调节机构设计较简单、刀具拆卸、刃磨方便，易于调到共振状态。弯曲振动系统使刀杆在垂直杆的轴向方向作往复运动。弯曲振动装置刚性较好、变幅杆固定，结构简便，但弯曲振动刀杆节点的测定和压块的调节比较麻烦、车刀磨损后重新刃磨后节点还要发生变化、辅助时间长、调整麻烦、特别是刀尖高度调整较为麻烦，不易调整车刀所需要的高度，而刀尖高度对超声加工的效果起着至关重要的作用。刀具的拆装不方便。这些使其应用受到限制。而在实际应用中，扭转超声振动系统，则应用得比较少。33超声波发生器超声波发生器主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。其中，振荡器是超声频发生器的核心。根据超声波加工的需要，超声波发生器的输出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最为多见。超声波发生器的作用是提供有一定功率输出的超声频电振荡，以提供振动切削加工中的能量。图3-2超声波发生器原理图超声波发生器的原理：首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号如图3-2，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，特定频率就是指换能器的频率，一般在超声波设备中使用到的超声波频率为 25kHz、28kHz、35kHz、40kHz；100kHz 及以上现在尚未大量使用。使用的功率一般从 50W 到 5000W不等。由信号发生器产生的频率信号经过功率放大器后需经过阻抗匹配，使得输出的阻抗与换能器相符，推动换能器将电信号转换为机械振动。作为超声波电源，要求电源有比较高的频率稳定性和良好的可调性。较完善的超声波发生器，还应该有反馈环节，主要提供两方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。第二个是提供频率跟踪信号，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。频率自动跟踪系统，按获得反馈信号的不同，可分为电反馈系统和声反馈系统11,12；按激励形式分有两种，一种是他激式，另一种是自激式。应用较多的是晶体管自激式超声发生器，其线路简单，造价低，可靠性好，该类发生器还具有一定的频率自动跟踪能力，因此有很广阔的应用范围7。超声加工过程中，振动系统的温度、刚度、载荷变化、加工面积、工具磨损等因素的变化，使得系统的固有频率发生漂移，因此常要求超声波发生器必须满足下列要求14：足够的输出功率；频率稳定，并能在所需求范围内连续可调；发生器的输出阻抗应与换能器的阻抗相匹配；发生器能根据负载变化调整输出功率，具有频率自动跟踪能力；具备连续工作能力，且价格便宜。34 超声波换能器换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式能量转换为另一种形式能量的装置。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。换能器的作用是利用物体的压电效应和磁致伸缩效应，将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，目前主要有：磁致伸缩换能器、压电陶瓷换能器以及电磁换能器。用于超声加工中的换能器必须具备结构尺寸小、电声转换效率高、阻抗易于匹配、发热量小、能够长时间连续工作。经过对比，压电陶瓷换能器能够满足上述要求。35超声波变幅杆超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器，其外形通常为变截面杆。超声变幅杆是振动系统中的一个重要组成部分，它在振动系统的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能，因此也称超声变速杆，超声聚能器。在高声强超声如超声加工，超声焊接等应用中，幅射面的振动幅度一般需要几十到几百微米，只要在换能器的端面连接超声变幅杆，才能将机械振动放在到符合要求。另外，超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量更有效的从换能器到负载传输。工具是变幅杆的负载, 其结构尺寸、质量大小以及与变幅杆连接的好坏, 对超声振动共振频率和超声波加工性能均有很大影响。工具可以通过焊接或螺钉固定在变幅杆上; 也可以和变幅杆设计成整体。采用可拆卸式, 虽然能快速更换工具, 但可能出现工具松懈、超声能量损失、疲劳破坏等问题。根据杆件尺寸的不同，常用的变幅杆有全波谐振型、半波谐振型和四分之一波谐振型；根据是否空心分为实心型变幅杆和空心型变幅杆；根据杆件振动方式的不同，变幅杆也可分为纵向振动变幅杆，弯曲振动变幅杆，扭转振动变幅杆。其中纵向振动变幅杆根据截而形状的不同，主要分为圆柱形、阶梯型、圆锥型、指数型和悬链型，如图3-3所示的2。而复合形变幅杆，是由各种简单变幅杆根据实际需要组合而成的。图3-3常见的变幅杆形状各种传统形状变幅杆各具优点，但都不是最理想的。圆柱形变幅杆，不能放大小端面的振动幅值；圆锥、指数形和悬链形变幅杆，虽然振幅放大倍数较低，但在工业中应用比较广泛。然而指数形和悬链形变幅杆，由于外形的特殊性，不易加工，所以它的应用受到了一定程度的限制。阶梯形变幅杆，虽然具有比圆锥形和指数形的变幅杆都大的振幅放大倍数，但它的直径突变引起极大的应力集中，从而使得变幅杆的工作应力大增，导致变幅杆疲劳断裂，使得它不能被广泛应用。第四章 超声振动切削道具夹持机构超声振动切削是给刀具(或工件)施加一定方向 频率和振幅的振动，以改善其切削功效的脉冲切削方法该方法自50年代提出以来，国内外许多学者从不同的方面对其进行了大量的试验研究 。由于该方法能改善机械加工表面质量与精度，延长刀具寿命，提高切削加工的应用范围，故被广泛应用于车、铣、刨、磨、钻、螺纹加工、齿轮加工和抛光等方面目前的超声振动切削系统仍然停留在5O年代末期日本教授隈部淳一郎提出的传统形式上，由于该系统设计和制造都很复杂，机构体积太，机电转换效率低(一般只有2060)，使得该技术在机械加工中难以推广。实验结果表明，该系统能有效地提高机械精密加工表面质量和精度超声振动切削系统包括两部分：切削机床和超声振动发生装置。超声车削是给刀具(或工件)在某一方向上施加一定频率和振幅的振动，以改善车削效能的车削方法。振动车削有两种：一种是以断屑为主要目的，这时多采用低频(最高几百赫兹)、大振幅(最大可达几毫米)的进刀方向振刀；另一种是以改善加工精度和表而粗糙度、提高车削效率、扩大车削加工适应范围为主要目的，则要用高频、小振幅（最大约30 )振刀。超声车削装置的作用是使车刀获得一定振幅的超声频机械振动，将超声振动系统和车刀固定在刀架上实现超声车削加工。超声车削装置有纵向振动、弯曲振动和扭转振动三种形式。在本实验的设计研究中使用的是纵向振动超声车削装置，并选取小质量刀片(如硬质合金刀片)，这样不必测量和确定超声车刀的位移及节点，因而使用方便。但是这种装置需采用刚性固定变幅杆的方法，而且变幅杆应具有足够的刚度。随着超声车削技术研究的不断深入，而且这种装置使用方便，车刀成本低，因而它的应用越来越多。4.1 超声车削系统受力分析4.1.1 超声振动切削刀具的振动规律设刀具在切削速度方向的振动是正弦振动，其位移为 （4-1）式中， 为刀具振动的角频率， 为刀具振动频率;a为刀具的振幅；t为时间由式(1)得刀具的振动速度、加速度 （4-2） (4-3)设切削速度为 ，则刀具相对工件的速度为 (4-4)图4-1所示为在振动切削时刀具相对工件的振动规律，从图中可知，在 时刻，刀具的前刀面开始与切屑分离，直到时刻，它们又重新接触进入切削状态切削过程中每一周期只有时间刀具在切削，其余大部分时间刀具与切屑处于分离状态，很显然刀具与切屑的分离作用是振动切削的最根本特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削如以振动频率 f=20kHza=l0um 进行振动切削时刀尖振动的加速度可达l6000g(g为重力加速度)，刀尖振动的加速度为重力速度的16000倍，因此，振动切削与普通切削相比有着本质的不同。图4-1振动切削过程示意图4.1.2 刀屑接触长度分析图4-2振动切刀具的运动规律图4-2所示为振动切削过程中刀具的运动规律。切削中刀尖以频率,振幅作简谐振动。从切削开始到刀尖离开切屑的时间设为，则刀屑脱离瞬时是切削速度v与刀尖振动速度刚好相等的时刻，即有： （4-5）或 （4-6）振动切削过程中，刀尖经一定时间后将再次与工作接触，设这个时刻为则有： （4-7）式中，分别为时刻刀尖的位移值，有，代入式（4-7）可得 （4-8）由此可进一步求出有效切削时间为： （4-9）刀尖与切屑的接触长度为 （4-10）振动切削参数为f=20kHZ,a=10um,v/aw=1/3,利用式（4-6）（4-8）（4-9）和（4-10）式可求出=15.2us , =47.25us , =17.95us , =6.97um4.1.3 切削力分析振动切削过程中，刀具以冲击载荷作用于被切材料，动态应力波作用将大大改善切削效果。同时，材料是冲击破坏，切削能量减少，切削力也会相应减小。特别重要的是，振动切削中前刀面与剪切面之间的内摩擦将向外摩擦转换，从而使摩擦力降低，总切削力幅值也将大大减小。因此，振动切削中不仅仅是平均切削力降低，脉冲力幅值也会减小。有关实验显示，约为普通切削时主切削力的70左右6。功率估算时，可取0.70，精确计算可通过实验进一步测量的大小。 振动切削多用于精密切削场合。以精密车削为例，设切削深度1mm，进给量0.1mm/r,则由金属切削手册可查得切削力大小为： 250N， 4.1.4 完成振动切削过程所需功率图4-1中清楚地表述出，切削过程中每一周期只有作用瞬间内，刀具相对工件接触，并做功，此时切削力的大小为。设该做功段长度为，则完成振动切削过程所需的功率表达式为： （11）式中为刀具振动频率。P1是振动切削刀具作切削速度方向的振动所需的功率，应该与机床主运动功率区别开。将前面所设刀尖振动频率值和求得代入（11）式可得0.7024.4（W）由此可见，振动切削过程所需的驱动率不大。超声车削装置的作用是使车刀获得一定振幅的超声频机械振动，将超声振动系统和车刀固定在刀架上实现超声车削加工。本文实验所需要的超声车削装置系统取用的是纵向振动形式的超声车削装置。纵向振动的超声车削装置一般使用小质量车刀（例如,一振型车刀，机夹可转位硬质合金刀片），不必测量和确定超声车刀的位移节点，因为使用方便。但是纵向振动车削装置需要采用刚性固定变幅杆的方法，而且变幅杆应具有足够的刚度。随着超声车削技术研究的不断深入，纵向超声振动车削装置以其使用方便，车刀成本低，应用会越来越多。4.2 超声振动车削装置总体要求4.2.1车削装置技术要求针对目前超声波专用机床具有成本高、体积大等一系列缺陷，本章主要探讨了一种可安装在普通机床或数控机床上便可进行超声车削加工的超声振动车削装置设备，可以实现结构简单，体积小，成本低等特点。而且安装方便，能直接安装在普通的车床刀架上使用。该装置主要用于加工黑色金属或钢材的零件，要求有较好的加工精度和表面粗糙度，而且耗能小，输出功率稳定适中，振动频率稳定变化范围小，系统具备较长的持续工作时间和工作能力，运转中联接部位温升小。4.2.2装置的总体特征设计的超声振动车削装置必须具备以下条件：1当切削刀具装到变幅杆上，能和换能器产生共振；2切削刀具与换能器或变幅杆之间要拆装方便，刀尖高度要可调；3当切削刀具安装到变幅杆上后，该系统的振动频率应保持不便。根据上述要求，超声振动车削装置一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、切削刀具、支撑机构、刀尖高度调节机构（设立在机床的刀具架的夹持处）等组成，其主要部件的装配如图4-3所示。 图4-3超声切削装置的主要部件的装配体其工作过程为：超声波发生器15将220V、50Hz的交流电变成有一定功率输出的超声频电振荡，以提供振动切削加工中的振动能量。压电陶瓷换能器是用来把高频电振荡转换成高频机械振动，振幅为45，经变幅杆将振幅放大，超声波机械振动经变幅杆放大后，将能量传递给刀具，实现超声振动车削。整个装置通过固定支架为Z字架，安装在刀架上，刀尖高度的调节通过旋转螺栓的旋转来实现。4.2.3校核工作时超声振动车削装置Z字架的强度。超声振动切削刀具的振动规律为刀具在切削速度方向的振动是正弦振动。Z字架受到交变应力 （4-12）应力循环中，最大应力与最小应力的平均值称为平均应力，即 它相当于梁在静平衡位置时该点处的应力，它是交变应力中的静应力部分（不变部分）。最大应力与最小应力之差的一半，称为应力循环中的应力幅度，并用表示，即它相当于梁从平衡位置变到最大或最小位置时，该点的正应力改变量，它是交变应力部分。一个应力循环中最小应力与最大应力之比值r，称为交变应力的循环特征，即式中的和均取代数值，拉应力为正，压应力为负。应力循环特征r是交变应力的一个重要参数，是应力循环分类的依据。在工程中，除循环特征r=-1的交变应力称为对称循环的交变应力外，其他的统称为不对称交变应力。Z字架受到交变应力的类型为对称循环交变应力。其应力循环图如图4-4所示图4-4 Z字架受到交变应力循环图此时，双Z字架可以看作悬臂梁，其受力图如图4-5（A）所示：图4-5 Z字架的受力分析过危险截面AA，根据平衡条件，截面AA上的受力情况如图4-5（C）所示：所受内力大小为，轴向力： NF （4-13）弯距： （4-14）最大拉应力拉发生在机架外侧，最大压应力压发生在机架内侧。大小分别为： （4-15）计算危险截面积A， 惯性矩I， 和抗弯截面模量Abh (4-16)对于高为h,宽为b，的矩形截面，惯性矩 ： （4-17）抗弯截面模量： （4-18）把以上各式代入（4-15）式可得由此可得， (4-19)由此可得， (4-20)由（4-19），（4-20）二式可确定a的取值范围为 （4-21）本实验中175N ，b=20mm，h= 30mm ,Z字架材料为A3钢许用应力 160Mp ，许用挤压应力320Mp把数据代入（4-21）式可以算出 55mm274mm ( * )悬臂梁在力矩作用下的变形如图4-6所示，图4-6悬臂梁在力矩作用下的变形其挠曲线方程为 （4-22）其端截面转角为 （4-23）最大挠度为 （4-24）其中负号表示方向。E为材料弹性模量。现将力F平移到B点分析，如图4-7所示 图4-7 Z字架的受力图则有， PF ，mFa此时，Z字架的受力情况和图4-6提到的悬臂梁相似。根据刚度条件，可用其挠曲线方程（4-22）先求出铅垂梁AB的位移 方向向左由此可得 （4-25）可用端截面转角方程（4-23）计算铅垂梁AB的转角 逆时针方向由此可得 （4-26）式中y为许可挠度，为许可转角。在各类工程设计中，根据梁的工作条件，在设计规范中对y和一般都有具体的规定值20。机床类，取 y（0.00010.0005）l mm (其中l为跨度)=0.0010.005 rad本例中取y=0.0003a =0.004rad A3钢的材料弹性模量E200GPa把数据代入（4-25）式得 351mm代入（4-26）式得 901mm两式可确定L的取值范围为 351mm ( * * )4.3 超声振动车削装置零部件分析4.3.1发生器与换能器的选用超声波发生器将220V、50Hz的交流电变成有