超声振动钻削机构设计.doc

机电工程学院毕业设计说明书设计题目: 超声振动钻削机构设计 学生姓名： 王陈向 学 号： 2004142030 专业班级： 机自0402班 指导教师： 马玉平 2008 年 5 月 30 日目 次1 绪论 31.1.引言 31.2.课题的来源及其研究的内容 31.3.超声振动钻削机构概述 41.4.超声波的产生及其特性 51.5.超声波的加工原理及特点 61.6.超声波加工发展概况 72 超声振动钻削系统的结构设计 92.1.引言 92.2.超声振动钻削系统的结构设计 93超声振动钻削机构声学系统的设计 133.1.超声波发生器与换能器 133.2.超声变幅杆的设计 144钻头夹具的设计与连接 304.1.钻头夹具的选取与设计 304.2.钻头夹具与变幅杆的连接 315其他零部件的设计 325.1.其他零部件的设计 326校核与计算 346.1.轴承的计算 346.2.内轴套的校核 34设计总结 36致谢 39参考文献 40第一章 绪论1.1引言 自上世纪50年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的需要，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量和性能价格比。为此各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，这些都对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。因此，一些材料采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，特种加工便应运而生。超声波加工是特种加工的一种，它始于1927年，至今已有70多年的发展历史。它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料已达到加工目的的加工方法。提到超声波加工，不能不提到超声波加工设备机床。多年来，人们不断改进超声波加工机床，通过不断努力，使其取得了很大的进展，超声波加工效率提高了数倍，但它还是有很多的缺陷需要改进，本文将对超声波加工机提出一种新概念。1.2 课题来源及其研究的内容随着科学技术的迅速发展和激烈的市场竞争，加快了产品更新换代的步伐，为此，各种新材料、新结构、高要求的零部件大量涌现，这对机械制造业提出了新的要求。解决各种难切削材料尤其是硬脆材料及复合材料的加工问题成了一个急待解决的问题。传统加工方法难度大、质量差、特种加工也就应运而生。特种加工包括电火花加工、超声波加工以及激光加工等。其中，超声波加工适合于加工各种硬脆材料，尤其是加工难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、半导体等材料。因此在现在的加工中得到了广泛的应用。但是，超声波机床具有体积大、成本高的缺陷。还有加工的尺寸受到限制。为此，本文提出了一种新型的旋转超声复合钻削机构，它的具体结构将会在第二章中得到具体阐述。该新型结构可以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可技工大型工件的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。课题研究的内容有以下六点：1、超声加工机床进行分析，通过和普通机床的比较，研究一种新的结构，使其可以安装在普通机床上便可进行旋转超声加工。2、变幅杆是超声波机床振动系统的重要组成部分，本文将从声学角度和波动方程角度来探讨变幅杆的设计和刀具的设计问题。3、对变.隔杆进行结构分析和动力学分析，分析其最大应力和振幅的变化曲线。4、为满足不同用户的要求，以超声电源功率250W的磨削头结构为基型产品，对其进行系列化设计。5、通过实验验证该结构的可行性，并且对其进行超声加工的效率和质量进行研究，以验证其是否达到专用机床的要求。6、对本课题的内容做出总结和展望。1.3 超声振动钻削机构概述超声振动钻削是近代出现的一种特殊的切削加工的方法，是对难加工材料或难加工工序进行加工的有效方法之一。它是在传统的钻削过程中给钻头（或工件）加上某种有规律的、可控的高频振动,在切削参数优化的条件下，以达到改善钻削性能的一种本质的新颖的加工方法。即超声振动钻削是将振动驱动装置的高频信号，通过一定的转换放大装置后变为机械位移附加到钻头或工件上，使之工具或工件以振动频率f，振幅a，在钻削方向上按正旋波形作强迫振动，为了得到良好的效果，要求切削速度V与振动参数f，a之间保持V20kHz)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。在现在的生产加工中，超声波的应用非常广泛.它具有如下特性:1)超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，2)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。因此可用压力大小来表示超声波的强度，传播的波动能力越强压力也就越大。3)超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行。1.5 超声波加工原理及特点超声波加工是利用工具作超声振动，并沿工具头振动方向施加一定压力，通过液体磨料来加工材料。超声波加工的基本原理是:加工时，超声波发生器通过换能器产生超声波(频率通常为1625kHz)，此波因振幅太小，仅0.0050.01mm，不能用于加工，需通过变幅杆放大至0.010.1 mm，再传给工具。此时，工具与工件之间充满了液体(水或煤油)与磨料(氧化铝或碳化硅等)混合的悬浮液。工具以很小的压力压在工件上。工作液中悬浮的磨粒在工具的超声振动下，以高速不断冲击工件加工表面，使该表面受到很大的压强而产生材料的变形，当应力超过其强度极限时，材料将发生破坏而成粉末状去除。同时由于悬浮工作液的扰动，促使磨粒以高速抛磨工件的加工表面。此外，悬浮工作液受工具端部的超声振动而产生的“空化”现象在工件表面形成液体空腔，促使液体渗入被加工材料的缝隙处，而空腔的瞬时闭合又引起强烈的液压冲击，加快了工件材料的机械碎除作用，并有利于加工区域磨料悬浮液的均匀搅拌和磨蚀产物的排除。磨料悬浮液的循环流动使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒，工具逐渐渗入到材料中，工具形状便复现在工件上。因此，超声加工是磨粒在超声振动下的机械冲击和抛磨作用与超声空化作用的综合结果，其中磨粒的连续冲击和抛磨作用是主要的。 1)悬浮液中磨料的不断机械冲击，是超声加工的主要因素，但不仅是这一因索；2)由于工具端部的超声振荡而产生的“空化”现象，令工件表面形成液体空腔，促使液体进入工件缝隙处，空腔的瞬间空化，更会加速磨料对工件表面的破碎作用；3)可以认为，超声加工正是磨料的机械冲击与空化作用的综合结果。 后来，在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波(RUM)，它与传统超声波加工不同之处在于:工具在作超声振动的同时附加了旋转运动;工具由金属粉末和人造金刚石或立方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料一悬浮液输入到工具和工件表面之间。超声波加工的特点：1)加工对象为各种硬脆材料，如玻璃、陶瓷、人造宝石、半导体等材料，尤其是电加工难以加工的材料。其原因是超声加工是靠磨料及液体分子的不断冲击、空化作用。2)加工精度高。尺寸精度可达0.010.02mm，表面粗糙度可达0.630.08，被加工面也无组织改变，无残余应力，其原因是其加工靠微小磨粒作用。3)工件在加工过程中受力小。这是因为在加工过程中，磨料运动方向与加工表面垂直与切入方向一致，工件仅受磨料瞬时局部冲击力，不存在横向摩擦之故。因此，对一于加工薄壁、窄缝及低刚度工件是有利的。4)可加工出复杂型腔及型面。其原因是工具可用较软材料制作，故易于制出复杂形状之工具。基于此，决定了超声加工机床结构简单，易于维护。5)与电解加工、电火花加工比较，超声波加工效率较低。1.6 超声波加工发展概况 我国超声波加工始于50年代末期，曾掀起一阵群众性的“超声热”，由于超声电源、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来。60年代末，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。1976年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。1983年，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”，1985年，机械电子工业部第11研究所研制成功旋转超声加工机，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。80年代后期，天津大学的李天基等人在高速磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6倍以上，表面质量也有了大幅度提高。北京装甲兵技术学院提出了一种“超声微振车削”的新工艺、其特点是功率小、振幅小，同样可获得一般振动车削效果。清华大学王先速等进行了45号钢制成的超声砂带研抛的实验研究。第二章 超声振动系统的结构设计2.1引言 超声波加工在硬脆材料及复合材料的加工方面具有其它加工方法无可比拟的优越性，正日益成为加工硬脆材料的重要方法之一。因此，对超声加工机床的研究工作也必将提出越来越高的要求，但是机床设计过程中的一些主要设计参数，如加工负载阻抗、换能器和变幅杆的损耗功率等，尚难精确计算和测量，加工设备换能器，变幅杆材料性能参数差异较大，这就对进行合理设计带来困难。此外，关于加工机本体设计为了更适合超声加工的特点，也还在不断改进和完善之中。为满足市场对超声磨削加工机不断增长的需求，本章设计了一种新型旋转超声钻削系统，应用该系统可以在普通机床上实现旋转超声复合钻削加工。2.2 超声振动钻削系统的结构设计2.2.1 超声波机床和普通机床的异同点1、相同点超声波加工机床一般为专用机床，但它同样是机床的一种，具有一般机床的共性。它们都具有床身、工作头、进给机构，工作台及其位置调节机构，磨削液供给系统等。2、不同点 尽管超声加工机床和普通机床有很多相同的地方，但是它们为了完成各自的加工目的，还具有许多不同的地方，如表2-1所示： 从上面可知，超声波加工机床和普通的数控机床在本体的结构上基本是相同的，而本体又是机床最为复杂的部分，这包括设计一、制造上的难度。于是，本文提出了一种新型旋转超声复合磨削头，它可以安装在数控机床的主轴上，代替超声加工机床进行超声波加工，从而简化了超声波加工机床，而且做到了一机多用。2.2.2 超声振动钻削系统基本结构的确定1、超声加工机应具备的基本要求一般超声加工机主要实现超声加工的功能需要具有的功能包括下列几点：1工具或工件的进给运动；2)工具的旋转运动；3)工具的超声振动；4)工作台X方向的运动；5工作台Y方向的运动；6)大功率加工机还要具有冷却系统(风冷或水冷)。其中，工具或工件的进给运动、工具的旋转运动与超声振动是超声小孔加工必须的基本运动;工作台X, Y方向的移动是为了加工不同位置的孔或加工成型槽，同时便于工件的装夹和定位。2、超声振动钻削机构的基本结构从上面对超声波加工机应具备的六项基本要求可以看出，第1, 2, 4, 5项要求是一般普通数控机床都具备的条件，所以我们可以利用普通机床的本体结构，而第三项要求工具的超声振动是通过超声振动系统实现的，而冷却系统也是非常容图2-1超声振动钻削机构易实现的。所以超声振动钻削系统的主要结构就是超声波加工的声学系统。它的基本结构如图2-1所示。 总体结构的完善设计是超声加工得以顺利进行的重要保证。基于上述所讲，超声振动钻削机构设计从以下几点出发：1)考虑到声学部分在加工时的高速钻削运动，应充分保证旋转部分的运动平衡性，因而在设计时应尽量考虑各部件的对中性，以及部件之间的相互连接和定位，以便将偏心度降至最低。系统各部件加工时要严格保证公差要求，并进行良好的装配，以保证其运转平稳，这与超声振动系统的寿命及加工效率和质量有非常密切的关系。2)在考虑系统各个零部件对中性的同时还要保证机构与机床主轴连接时的对中性以及可靠性，这也是设计两个吊丝定在机床主轴箱上的主要目的，同时还能防止机构的摆动。3)有足够的稳定性和承载能力，能够抵制干扰，实现稳定加工。4)该超声波加工的振动系统不能与它所要安装的机床主体发生干涉。 我们可以把超声振动钻削机构作为一种机床附件，机床附件是指除机床以外的用于扩大机床加工性能范围的附属装置。由于机床主机的发展，机床附件种类越来越多，要求也越来越高，超声振动钻削机构就是对机床附件的发展。第三章 超声振动钻削机构声学系统的设计3.1超声波发生器与器换能超声波发生器的作用，是将220V或380V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。其工作原理见图3-1. 图 3-1 发生器工作原理框图由图3-1可知：扫频信号发生器产生一电讯号（它的频率以换能器谐振频率为中心频率，并在此中心频率左右摆动），这个电信号经前置放大后驱动由VMOS管组成的功率放大器，经功率放大后，由输出变压器耦合到换能器，从而产生超声波。功率调节是由可控硅调压电路调节功放单元直流电压来达到的。并使用检测电路监视功率放大器的运行情况，一旦与设定值不符合，保护电路将动作，切断功放单元的直流电压并关闭扫频振荡器的输出，这样，有效地保护了超声波发生器的功率放大部分不受损坏。为使发生器和换能器相匹配，以便发生器效率最高，变幅杆振幅最大，则超声波发生器必须满足下列要求：输出功率应达到技术指标；频率稳定，并能在所需范围内连续调节，最好有频率自动跟踪系统；发生器的输出阻抗应与换能器阻抗相匹配。对超声波发生器的其它要求是结构简单、工作可靠、经久耐用、价格便宜。换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换成超声频机械振动。实现这种转换，可以利用压电效应和磁致伸缩效应。换能器主要有磁致伸缩换能器、压电换能器两种。(1) 磁致伸缩换能器 它是利用某些铁磁体（如纯镍等）在变化磁场中所产生的磁致伸缩效应而制成的。磁致伸缩换能器效应就是指将磁铁体置于变化的磁场内，由于磁场的变化导致铁磁体产生长度变化的现象。磁致伸缩换能器的机械强度高、输出功率大。磁致伸缩换能器在五六十年代得到了广泛应用，但由于这种换能器体积大，发热严重，随着压电材料的发展，在超声加工中应用的越来越少了。(2) 电致伸缩换能器 它是利用某些压电晶体材料的压电效应的逆效应制成的。压电效应是指压电晶体在一定方向，一定的晶面上受压或受拉时，就在相应的面上出现电荷。这种效应具有可逆性，既在压电晶体上加一个电场，当电场方向和压电轴方向相一致时，压电晶体句沿一定的方向发生强烈的压缩或拉伸。如果电场是交变的，则压缩与拉伸（即振动）也是交变的。超声波发生器输出交变电场加在压电晶体上，从而获得机械振动，产生超声波振动。压电式换能器结构尺寸小，电声转换效率高，发热较小，与超声加工系统易于匹配，同时价格适中。因此决定采用压电式换能器。本实验所采用的超声发生器与换能器参数如下：频率f=20kHz，换能器输出端尺寸52mm，输入电压220V，连续工作时间30-60min。3.2 超声变幅杆的设计3.2.1 变幅杆的功用 在超声振动加工中，当整个超声系统共振时，从换能器直接能得到的振幅最大只有4-5微米，为了准确地实现车刀和工件的分离，满足超声加工形成的必要条件，要求刀尖的振幅至少要达到10-20微米。这样必然需要在换能器和加工工具之间增加振幅放大部分，即变幅杆。变幅杆的主要作用有两个：一是将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上，即聚能作用；另一个作用是作为机械阻抗的变换器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过它任一截面的振动能量是不变的（假定声能在均匀介质中的传播损耗不计），因此截面小的地方能量密度变大，由声学原理可知，能量密度正比于振幅a的平方，即 (3.1) (3.2)式中： 能量密度 a振幅 k系数， (3.3)弹性介质密度弹性介质的波速角频率 (3.4)频率。所以，根据（2.2）式知，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的共振频率（即谐振频率）和外激振动频率相等，使之处于共振状态。超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中更常用的是：共振频率（共振长度），放大系数，形状因数和输入阻抗等等。放大系数Mp是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，所能达到的最大振动速度也越大；输入力阻抗定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。3.2.2 变幅杆的振动形式及特点变幅杆是一种根据声振理论而设计的特殊结构的部件。为了更好地设计变幅杆，必须首先了解杆的基本振动形式和特点。用打击或其他方法能使杆中产生纵波，由于波的反射作用而使整个杆处于驻波式的振动状态。杆的固定点就是驻波的波节，杆的自由端就是驻波的波腹。因此根据杆的长度和杆的固定方式，就能确定杆中可能产生的驻波的波长和频率，而此频率就是杆的固有频率。下表就是根据杆的固定方式不同，而得到杆长和波长的关系式以及杆的固有频率。固定方式两端固定中心固定，两端自由杆长和波长关系，n为任意整数，n=1,3,5固有频率，n为任意整数（n=1,3,5）表3-1（表中： - 杨氏模量；r - 材料密度）由上表可知，杆的固有频率不只一个，而是许多个。因此杆的固有振动也是多种多样的。杆还能以各种固有频率所组成的简谐振动谱进行非简谐振动。振动频率为基频，是固有频率中最小的一个。其他频率均为基频的整数倍，称为谐频，相应的波则为谐波。但是实验证明，在一个杆中，激发基波是最容易的，被激起的振动幅度也最大。谐波频率越高，越难以激发，而且振动的振幅也越小。在振动切削中大多激发杆的基频波。不同的固定方法，相当于给系统不同的刚度，从而得到不同的振动频率。两端固定就是增加了系统的刚性，致使固有频率提高。 超声振动钻削中的变幅杆，属于两端自由中间固定的一种，上端为自由端并与工件相接，下端也是自由端和换能器相接，中间设置振动节，通过变幅杆的振动节，把整个声振系统固定在钻床拖板上。两端固定 中心固定，两端自由图3-2 不同固定方式的谐振图n=1n=3n=2n=5n=3n=1 3.2.3 变幅杆的类型分析和比较变幅杆是超声振动系统的关键零件之一。它的选取对超声振动钻削装置的声能传递好坏是至关重要的。变幅杆主要有：指数型变幅杆、悬链线型变幅杆、圆锥型变幅杆、阶梯型变幅杆四类。其区别是：1. 当面积系数N相同时，对单一变幅杆而言，阶梯型变幅杆的放大系数最大，其次是悬链线型、指数型，最小是圆锥型。圆锥型变幅杆的放大系数最大可达到510倍；指数型变幅杆的放大系数最大可达到1020倍，使用中性能稳定；阶梯型变幅杆的放大系数最大可达到20倍以上，但它受到负载时，振幅减小的现象比较严重，工作不够稳定，而且在粗细过渡的地方易产生应力集中而造成疲劳断裂。为此，在设计阶梯型变幅杆时，其截面剧变处，必须有过渡圆弧。2. 指数型和圆锥型变幅杆的共振长度l随N的增大而增大。在N1.011.81范围内悬链线型变幅杆的l随N的增大而变短，以后随N的增大而增大。3.在高声强超声加工中如超声拉管，在变幅杆的输出端需要有很大的振动振幅。变幅杆的最大振动速度除了受杆材料的疲劳强度限制以外也和变幅杆的形状有关。所以在满足所需要的放大系数之外，还应选择形状因数大的变幅杆。阶梯型变幅杆虽然放大系数大，但其形状因数j也最小。在面积系数N相同时，有j圆锥j指数j悬链线j阶梯4.加工难易程度不同。阶梯型变幅杆最容易加工，圆锥型变幅杆次之。指数型、悬链线型最难加工。具体表3-2所示：表3-2 不同变幅杆优缺点对比在功率超声技术应用中，不同的加工条件下对变幅杆的要求也有所不同。例如：在高声强超声处理应用中，如超声钻切硬脆材料、超声焊接、超声金属成型，超声疲劳实验、超声破碎、及某些超声治疗等等，变幅杆主要起放大聚能作用。这时，对变幅杆的要求主要是要有尽可能大的放大系数。而当变幅杆的负载是液体或液体与固体粒子的混合液时，在超声处理过程中，负载的变化较小，而且不需要外加静压力。此时对变幅杆的输入阻抗特性及刚度要求不高，因此常常采用简单的阶梯型变幅杆。这种变幅杆在面积系数相同的情况下，放大系数最大，而且加工也比较容易。如果变幅杆的负载是固体，如超声焊接、超声钻切等，在工作中大多需要一定的静压力，特别是超声加工过程中，加工工具不断磨损，这时负载变化较大，因而对变幅杆的要求除了要有足够大的放大系数以外，还要求工作稳定性高，有足够的刚度，所以可以选择指数型、悬链型或其它一些复合变幅杆。当放大系数要求不大时，最好采用圆锥型变幅杆，这是由于圆锥型变幅杆的刚度较大，工作稳定性高，而且容易进行机械加工。3.2.4 变幅杆类型的选择在选用变幅杆的类型是应从三方面来考虑，一是设计比较简单，容易获得较准确的设计数据；二是要注意制造的难易程度；三是要根据振动切削的具体要求，特别是放大倍数、工作稳定性、切削用量等来选择合适的变幅杆。由于本项目的经费有限，因此在设计这套超声加工设备时，变幅杆类型的选取上我主要考虑了两种变幅杆：一是阶梯型变幅杆，一是圆锥型变幅杆。主要因为这两种变幅杆设计都比较简单且都比较容易加工。阶梯型变幅杆虽然设计和制造最简单，但是由于其自身结构的限制，传递纵波的截面发生突变，导致加工中振幅稳定性不够，当它受到负载阻力时，振幅减小的现象比较严重，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而造成疲劳断裂。在实验中发现，阶梯型变幅杆共振性能不好，表现在和换能器的匹配性不好，得到的振幅很小且不稳定。而圆锥型变幅杆则输出功率大，工作的频率稳定性好，有足够的刚度，共振长度最长，在长时间工作后换能器发热还能处于共振状态。在超声车削时，当切削用量变化时，振动电源的振动频率发生漂移时，圆锥型变幅杆仍能够处于较好的共振状态，而且超声电源不用设频率自动跟踪系统。同时圆锥型变幅杆形状因数j最大，制造也比较容易。本课题是加工45#与复合材料，变幅杆的负载是固体（钻头夹具与硬质合金钻头或镀金刚石硬质合金钻头），加工时要求变幅杆工作稳定性高，有足够的弯曲劲度。经过综合比较，笔者最后决定采用圆锥型变幅杆。3.2.5 变幅杆材料的选择变幅杆从形状上看就是一般的金属杆，但是选取什么样的金属材料来制作变幅杆是非常重要的。在实际应用中，往往由于变幅杆材料选用得不合适，造成变幅杆的折断或无法正常工作。振动切削希望变幅杆在制造上选用疲劳强度高、具有一定得硬度又具有较好的韧性的金属材料，在工作频率范围内材料的损耗小且容易进行机械加工。另外，作液体处理应用的变幅杆，还要求其辐射面所用的材料应当耐腐蚀。常用的变幅杆材料有不锈钢、耐热合金钢、钛合金等等，特别是钛合金，由于其性能优良，是变幅杆中的首选材料，但材料与制造成本较高，是该材料应用的局限。具体比较如表3-3所示。表3-3 常用材料的声学特性在本设计中，考虑到成本问题，变幅杆的材料选择45#钢，并需对其调质处理。调质后该材料的有关参数如下：抗拉强度；疲劳强度；材料密度；超声波在该种材料中的传播速度；超声波在该种材料中的波长。3.2.6 变幅杆的设计与解析圆锥型变幅杆形状如图3-3所示：图 3-3其对称轴为坐标轴x，在距离原点O为x处取出一小体元（x,x+dx），受力如图所示，先导出面积函数：见图3-4所示， D1、D2分别为大端、小端直径，Dx为距大端x处的任一截面的直径，补全为三角形：图 3-4则： （3-5） （3-6）由式2-6得 （3-7）把式2-7代入式2-5得 （3-8）令 （称为面积系数）故，由式2-8得 （3-9）令由式2-9得 （3-10）其面积函数 （3-11）设质点的位移函数 其应力函数 （3-12）其中E为杨氏弹性模量，并设变幅杆材料密度为。 由图3-4所示，小体元上所受张力为 据牛顿第二定律列出动力学方程 （3-13）在简谐振动情况下： （3-14） （3-15） （3-16）把式2-12、式2-15代入式2-13得 （3-18）令 (k称为圆波数)且波速 所以，式2-18变为： （3-19）把式2-11代入式2-19得： （3-20）解此方程得： （3-21） （3-22）a 推导频率方程及圆锥型杆的谐振长度边界条件 x=0时 x=l时 当 x=0 ， 时由式2-22得-kaB-a2A=0故 （3-23）当 x=l ， 时-把式2-23代入得 故 （3-24）此方程即为圆锥型变幅杆的频率方程，该方程为超越方程用数值分析中的计算法，可解出的数值解。Kl的值也可有下表3-4查出：表 3-4NklNkl1.051.103.14243.14453.553.603.56383.57181.151.203.14783.15213.653.703.57883.56821.251.303.15733.16333.753.803.59353.60071.351.403.17003.17713.853.903.60783.61481.451.503.18483.19293.954.003.62183.62861.551.603.20133.21014.054.103.63543.64211.651.703.21913.22834.154.203.64873.65521.751.803.23763.24714.254.303.66163.66801.851.903.25673.26644.354.403.67433.68051.952.003.27263.28604.454.503.68663.69262.052.103.29583.30574.554.603.69863.70452.152.203.31553.32534.654.703.71033.71612.252.303.33513.34494.754.803.72173.72742.452.503.37383.38344.955.003.74383.74912.552.603.39283.40225.105.203.75963.76992.652.703.41163.42085.305.403.77983.78962.752.803.42993.43905.505.603.79913.80842.852.903.44803.45685.705.803.81753.82642.953.003.46563.47435.906.003.83503.84353.053.103.48293.49146.106.203.85183.85993.153.203.49993.50826.306.403.86783.87553.253.303.51643.52456.506.603.88313.89053.353.403.53263.54056.706.803.89773.453.503.54843.55616.907.00当定出面积系数N之后，就可查出值，值知道后，就可以算出谐振长度，用一个等效公式来定谐振长度 （3-25）b 导出位移节点x0的公式位移节点就是超声波在变幅杆中传播时节点（振幅为零的点）的位置，求出位移节点的目的是为了在进行超声振动钻削时，利用节点把变幅杆固定下来，这样，一方面固定变幅杆，另一方面使能量损失为最小。边界条件 时 位移 时 应变当，时 由（3-21）得 故 当，时 由（3-21）得 故 把A,B代回（3-21）得 所以 （3-26）把，代入（3-26）得位移节点故得 （3-27）c 导出振幅放大倍数Mp 振幅放大倍数就是超声波经过变幅杆后，小端的振幅与大端振幅之比。由于是半波长的变幅杆，所以大端小端的振幅互为相反数，大端已设为，所以小端设为，故边界条件时，振幅，把该边界条件代入（3-26） 故 （3-28）把代入（2-28）得 （3-29）3.2.7 变幅杆各参数的计算已知条件：圆锥型变幅杆的工作频率为20kHz，材料用45号钢，大端直径D1=52mm，小端直径D2=20mm。=2.6 （3-30）（1） 共振长度： 频率方程 tg()= （3-31） 把N值代入（3-31）式解得（）=3.40 波长 （3-32）= (3-33)（2） 位移节点：圆波数 （3-34） （3-35） （3-36）（3） 放大系数： （3-37）（4） 应变极大点： （3-38）至此，变幅杆的形状系数完全确定，其形状如图3-5所示：具体尺寸参见工装设计成套图。图3-5 变幅杆的实际图形3.2.8 变幅杆与换能器的连接变幅杆与换能器之间用双头螺柱来连接。变幅杆中螺纹的中心线与端面之间要求有很高的垂直度。加工时，在车床上通过一次装夹全部完成端面和螺纹的加工，即可保证有很高的垂直度（变幅杆的大端面应和其轴线的垂直度误差不大于0.015mm）。如果换能器和变幅杆的两个被连接表面接触不良，就不会正常起振。因此，这两个被连接表面必须经过研磨加工，以保证很高的平面度和很小的表面粗糙度（不低于Ra0.4）。组装时，这两个被连接表面应先涂硅油，然后再拧紧螺纹。3.2.9 变幅杆的固定变幅杆通过振动波节上的法兰盘固定在工装上。固定时，一方面要求振动处的法兰盘的刚性好；另一方面又要求法兰盘与变幅杆的连接点的厚度（即振动节厚）尽量小，以减小振动能量传到法兰盘上。根据实验可知，振动节厚取3-6mm比较合适。同时为保证变幅杆工作中不引起侧振以及钻头的变幅振动，制造时必须保证法兰盘端面与变幅杆轴线的垂直度误差不超过0.02mm。第四章 钻头夹具的设计与连接4.1钻头夹具的选取与设计钻头夹具的设计是超声钻削加工中的一个难点，同时又是一个重点。由于本实验使用的是3mm的钻头，其他夹具不具备装卸简便，易于把钻头固定牢靠的优点，为此我们选用夹头。考虑到钻头的装卸方便，作者曾设计一弹簧夹头，但是，由于弹簧夹头内部连接环节较多，且缝隙较大，在施加超声振动时，能量损失太大，所以未采用弹簧夹头。考虑到变幅杆的能量传递，为了防止在变幅杆与夹头的连接处出现能量损失，把夹头与变幅杆相连接的一端的尺寸设计成与变幅杆小端一样的尺寸，同时使夹头有一个锥度，其形状类似变幅杆，使能量能够过渡到钻头，并且使两连接件完全接触，可以看成一个整体，使得两连接件之间的能量传递减小到最小，并且能够在主轴作轴向振动的条件下，两者可以同时作轴向振动，避免了钻头与变幅杆的不同轴振动。此夹头的缺点是每一把钻头要对应一个夹头，且钻头易折断。其具尺寸见图4-1所示。图4-1 刀具夹头4.2 刀具夹头与变幅杆的连接夹头与变幅杆的连接是靠螺纹进行连接的。我们在设计时，考虑到夹头要装卸简便，由于夹头根据钻头的尺寸，选用一般小夹头，它可以适应不同尺寸的钻头的需要。为此我们选用螺纹连接，把夹头的一端设计成螺栓，在变幅杆的小端加工一个螺纹孔，使之能够完全配合，把夹头牢固地固定在变幅杆的小端。第五章 其他零部件的设计5.1其他零部件的设计为了能把主轴与钻削工具连接在一起，为此设计了一个内套，内套形状与具体尺寸如图所示：其上部为4号莫氏锥柄，能与钻床主轴相配合，把其插入主轴中的锥孔内，并在锥柄的顶端，开一个螺纹孔，在主轴的开口处用一螺钉拧紧，防止锥套在与主轴转动过程中出现相对转动。下部为一厚度为10mm的中空套，内部放入换能器和变幅杆，变幅杆利用节点位置的圆盘固定在内套的下端面。在内套的加工过程中，锥柄和与轴承配合的部分均要求磨光。 由于内套与变幅杆、换能器都要随主轴转动，所以我们只能借助于电刷和滚动轴承。电刷的主要作用是能够把从超声波发生器发生的电信号传输给换能器，相当于一个节点避免了换能器与超声波发生器的连接只靠一条导线。考虑到要具备有导电性强的要求，本实验采锡铜圈，把锡铜圈固定在一绝缘套上，绝缘套则通过小量的过盈配合固定在内套上，从换能器上引出两条导线，通过内套的小孔把导线焊接在铜圈上。与铜圈紧密接触的是电刷，电刷我们利用导线与铜圈焊接在一起，并把导线穿过一条压簧，并把其放在一小绝缘筒内。小绝缘套的外部车成螺纹，将其拧在外固定套上。压簧的主要作用就是让从发生器发出的电信号通过导线和铜圈始终传送到锡铜圈上。这样能保证电刷下与铜环接触，保证了电流的畅通。能改变变幅杆小端的钻削工具在超声频振动状态下进行加工工件。外固定套的设计，为了固定轴承，我们设计出其形状与尺寸如图5-1所示：图5-1 外固定套图5-2 内轴套图5-3 吊丝在外固定套的外部安装一绝缘套，把电刷放进里面，并把内部的导线与外部的超声波发生器的导线相连。其主要作用是为了安全起见，防止电的泄露。吊丝：为把整个装置固定在主轴上，而不使其在主轴旋转过程中掉落，利用吊丝将其固定，吊丝一端车成螺纹形状，将其拧在外固定套的上端的端盖上面，另一端则与卡毂环相连，其形状零件图所示，利用螺栓将吊丝与毂环压紧，两个毂环卡在钻床主轴上。 第六章 校核与计算6.1 轴承的计算根据内轴套的直径与设计结构的特征，选用型号为51118的推力球轴承，下面进行校核与演算。查机械设计手册得：51118型号的轴承的额定动载荷为：=65000N。51118型号的轴承的额定静载荷为：=200000N。最小载荷常数： A=0.21设计的机构为超精密加工系统，所以其转速非常高，一般为2500r/min。由轴承手册查的51118型号的推力球轴承在脂润滑的情况下极限转速为1700r/min；在油润滑的情况下极限转速为2700r/min。本次设计的机构为油润滑完全符合要求。于是选定平均转速为2500 r/min。设超声振动钻削系统每年工作300天，每天工作18个小时，寿命为20年。将其化为小时得到轴承的计划寿命为108000小时。根据以往的经验和整个超声振动钻削机构的设计，估算轴承的当量动载荷为2600N。由轴承寿命计算公式得：其中n=2500 r/min，=65000N，P=2600N代入得：=108166h因此，我们选的轴承完全符合要求。6.2 内轴套的校核由于内轴套为中空，而整个超声钻削系统比较简便，质量轻，整个内轴套上几乎没有附加的额外重量。旋转产生的离心力也由于内轴套的完全对称性而相互抵消。外固定套对内轴套的干涉几乎为零。本来质量就轻，又加上吊丝与卡毂环和机床主动轴外轴壳相连，达到了固定和承受的目的，从而使外固定套由于钻削运动产生的各种影响干涉不到内轴套。钻削过程产生的振动等影响与超声振动钻削系统的振动相符相成，相互抵消，可以忽略不计。超声振动钻削系统加工的对象是直径最大为3mm的细小孔，钻削刀具体积小，质量轻，扭矩小，产生的扭矩和弯矩很小，不会超过内轴套的极限转矩而使其失效。综上所述，内轴套的校核完全符合理论要求，校核无误。 设计总结1.本文主要结论 超声波振动技术是一项面向未来的技术，支持先进材料加工，为很多增长型市场提供了新的加工力一法。高性能材料诸如陶瓷、玻璃、石英、复合材料以及硬质合金等，有着令人瞩日的特性，如耐磨性，耐腐蚀性，抗压，不宜变形及耐高温性，超声振动技术还可以直接对它们进行加工。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，本文主要探讨了一种可安装在普通机床上便可进行超声钻削加工的旋转超声振动钻削机构，并对其进行了实验研究。全文的主要工作和结论如下: 1、设计了超声振动钻削机构，该钻削机构结构简单，体积小，成本低，安装在摇臂钻床、立式铣床等机床上加工大型零件，符合一般用户的要求，实用性强。 2、本文从声学角度和波动方程角度介绍了变幅杆设计的理论基础，并且用质量互易法介绍了工具尺寸的设计。 3、对圆锥形变幅杆进行了结构分析和动力学分析。 4、此机构满足小同用户对小同电源功率的要求，使超声振动钻削机构具有更广泛的应用范围。 5、本文对超声振动钻削的可行性和加工效率进行了研究，证明了该钻削机构的结构设计是可行的，在加工效率方面也达到了超声加工专用机床的要求。2.后续展望 本文对超声振动钻削机构的结构设计、变幅杆的动力学分析研究方面做了一些工作，取得了一定的进展。但由于时问仓促，加之客观实验条件所限，还有许多问题需要进一步分析和探讨。1、 本文只对超声振动钻削机构进行了结构设计，而对上具末端静载荷的测量没有做进一步的研究，这将在以后的工作中做进一步探讨，以使该结构在设计更加合理。2、本文只对圆锥形变幅杆进行了理论分析、结构分析和动力学分析。作为一个完整的变幅杆理论，希一望在以后的工作中对其它类型的变幅杆进行全面综合探讨。3、由于实验条件所限，本文的在实验研究方面还有所欠缺。希望在以后的工作中进一步完善。3.心得体会毕业设计是四年大学生活中最重要的设计；也是难度最大的设计；是四 年知识的积累；也是四年学习状况的一个评估。在整个设计的过程当中，我学到了很多，懂得了很多。知道图纸上的每一个标注；每一条线；每一个尺寸都要有科学的根据。不能随意胡编，随意捏造。其中两个典型的例子让我刻骨铭心。第一个老师的指导，我的整体方案修改了三次，指大的整体修改。老师每次都给我提出了建设性的意见。这些意见更适合于直接造成零件，并进行加工。而我原来的方案在理论上是可行的，但实际上不一定制造的出来。笨重、精度太高、不易制造，是我最初设计方案的最大弱点。而在老师的多次指点下，整个超声振动钻削机构就变得和原来相比截然相反的状态。轻便、加工精度高、易于制造、成本低等一系列的优点都体现在了设计当中。方案的小小改进却带来了截然相反的结果，让我深深的体会到动脑子的重要性。所以在以后的学习和工作中我一定努力思考，推翻不成熟的自己，建立合理的设计，开拓美好的明天。第二件感触颇深的事情，科学是来不得半点虚假的。一个同学对我的警告让我知道了这一点。起因在轴承。我的大体方案设计好以后，就开始画装配图。由于CAD练习的还可以，大约用了一天的时间就把装配图画完了。当时，自然很高兴，那状态，沾沾自喜。可一位同学轻描淡写的几句话，让我颇受打击，而且深刻的明白了一句话。科学是来不得半点虚假的，每一个设计都要有科学根据。他看了我的图后，直接说：“你画错了，还专家呢？轴承的哪有这样随意安装的，都有安装尺寸，你没查吧！”我无语，因为我真的没查。根据结构的要求随意画的。所以懂得了这个道理。接下来的日子里我画的图的进展完全按照科学的依据，每一点都要有根据，都要有原因。就这么感觉到做科学的严谨性，受用终生。当然这里还有很多很多，但时间有限，不能一一阐述。但我要感谢大学里最后的毕业设计，它让我懂得了很多，不单单在做学问上面，在人生的历程里也是一样的。感谢和我一起走来的老师同学，谢谢你们。致谢 在本文的写作过程中我得到了来自各方面的帮助，这不仅使我的论文得