超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目 次1．緒論??????????????????????????? 31.1.引言?????????????????????????? 31.2.課題的來源及其研究的內(nèi)容???????????????? 31.3.超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)概述?????????????????? 41.4.超聲波的產(chǎn)生及其特性?????????????????? 51.5.超聲波的加工原理及特點(diǎn)????????????????? 61.6.超聲波加工發(fā)展概況??????????????????? 72．超聲振動鉆削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)???????????????? 92.1.引言?????????????????????????? 92.2.超聲振動鉆削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)??????????????? 93．超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?????????????? 3.1.超聲波發(fā)生器與換能器?????????????????? 3.2.超聲變幅桿的設(shè)計(jì)???????????????????? 4．鉆頭夾具的設(shè)計(jì)與連接??????????????????? 4.1.鉆頭夾具的選取與設(shè)計(jì)?????????????????? 4.2.鉆頭夾具與變幅桿的連接????????????????? 5．其他零部件的設(shè)計(jì)????????????????????? 5.1.其他零部件的設(shè)計(jì)???????????????????? 6．校核與計(jì)算???????????????????????? 6.1.軸承的計(jì)算??????????????????????? 6.2.內(nèi)軸套的校核?????????????????????? 設(shè)計(jì)總結(jié) ?????????????????????????? 致謝 ???????????????????????????? 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????? 第一章 緒論引言50192770多年的發(fā)展歷史。它是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)中，課題來源及其研究的內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)，這對超聲波加工以及機(jī)床的發(fā)展具有十分重要的意義。課題研究的內(nèi)容有以下六點(diǎn)：1使其可以安裝在普通機(jī)床上便可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工。2動方程角度來探討變幅桿的設(shè)計(jì)和刀具的設(shè)計(jì)問題。3.線。4250W品，對其進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。5行研究，以驗(yàn)證其是否達(dá)到專用機(jī)床的要求。6、對本課題的內(nèi)容做出總結(jié)和展望。超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)概述超聲振動鉆削是近代出現(xiàn)的一種特殊的切削加工的方法，是對難加工材料或難加工工序進(jìn)行加工的有效方法之一。它是在傳統(tǒng)的鉆削過程中給鉆頭（或工件）加上某種有規(guī)律的、可控的高頻振動,在切削參數(shù)優(yōu)化的條件下，以達(dá)到改善鉆削性能的一種本質(zhì)的新穎的加工方法。即超聲振動鉆削是將振動驅(qū)動裝置的高頻信號，通過一定的轉(zhuǎn)換放大裝置后變?yōu)闄C(jī)械位移附加到鉆頭或工件上，使之工具或工件以振動頻率 f，振幅a，在鉆削方向上按正旋形作強(qiáng)迫振動，為了得到良好的效果，要求切削速度 V與振動參數(shù)f，a之保持V<2af的條件，以形成的一種脈沖式的變速斷續(xù)的切削過程。因此，欲完成超聲振動鉆削工藝，就需要設(shè)計(jì)一套聲振系統(tǒng)：振源――放大系統(tǒng)――連接裝置――工具或工件等裝置。具體講需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生高頻信號的超聲振動源（即超聲波發(fā)生器）號變?yōu)闄C(jī)械信號的換能器、為實(shí)現(xiàn)工具振動必須放大的變幅桿、連接工具并與之適配的標(biāo)準(zhǔn)夾頭及鉆削工具等零部件。工作時，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電振蕩通過換能器變成機(jī)械振動，再由變幅桿把這種微小的機(jī)械振動加以放大并傳遞給由標(biāo)準(zhǔn)夾頭連接的工具上使工具或工件產(chǎn)生規(guī)則的強(qiáng)迫振動并利用這種振動進(jìn)行鉆削加工。超聲振動鉆削與普通鉆削的區(qū)別是在鉆孔過程中通過振動裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對運(yùn)動。超聲振動鉆削裝置主要有三種形式①軸向振動裝置，即振動方向與鉆頭軸向方向相同的裝置。②扭轉(zhuǎn)振動鉆削裝置，即振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相同的裝置。③復(fù)合振動鉆削裝置，即軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動的疊加的裝置。超聲波的產(chǎn)生及其特性聲波與光波、電磁波一樣，都是因物體在介質(zhì)中發(fā)生振動，介質(zhì)各點(diǎn)之間存在彈性聯(lián)系，引起相鄰各點(diǎn)的振動從而形成的縱波。聲波是人耳能感受到的一種縱波。其頻率范圍是 16—16000Hz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時就叫次聲波高于16000Hz則稱為超聲波加工用超聲波的頻率為16000-25000Hz它是由壓電晶片()1一1(晶片厚薄亦產(chǎn)生規(guī)律性變化當(dāng)壓電晶片受到來自高頻(>20kHz)發(fā)生器的高頻電壓作用而發(fā)生逆壓電這個振動在介質(zhì)中傳播，即形成超聲波。在現(xiàn)在的生產(chǎn)加工中，超聲波的應(yīng)用非常廣泛.它具有如下特性:質(zhì)密度等有關(guān)，聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物就越大。處質(zhì)點(diǎn)始終不動化了加工過程的進(jìn)行。超聲波加工原理及特點(diǎn)過液體磨料來加工材料。超聲波加工的基本原理是:加工時，超聲波發(fā)生器通過換能器產(chǎn)生超聲波(頻率通常為16—25kHz)，此波因振幅太小，僅0.005—0.01mm，不能用于加工，0.01—0.1滿了液體(水或煤油)與磨料(氧化鋁或碳化硅等)混合的懸浮液。工具以很小的壓超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的連續(xù)沖擊和拋磨作用是主要的。索；可以認(rèn)為，超聲加工正是磨料的機(jī)械沖擊與空化作用的綜合結(jié)果。波加工不同之處在于:工具在作超聲振動的同時附加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;工具由金屬粉末和人造金剛石或立方氮化硼磨料按一定比例燒結(jié)而成;將冷卻水而不是磨料一懸浮液輸入到工具和工件表面之間。超聲波加工的特點(diǎn)：其是電加工難以加工的材料。其原因是超聲加工是靠磨料及液體分子的不斷沖擊、空化作用。加工精度高。尺寸精度可達(dá) 0.01—0.02mm，表面粗糙度R 可達(dá)0.63—a0.08 m，被加工面也無組織改變，無殘余應(yīng)力，其原因是其加工靠微小磨粒作用。工件在加工過程中受力小。這是因?yàn)樵诩庸み^程中，磨料運(yùn)動方向與加工因此，對一于加工薄壁、窄縫及低剛度工件是有利的。復(fù)雜形狀之工具。基于此，決定了超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。與電解加工、電火花加工比較，超聲波加工效率較低。超聲波加工發(fā)展概況50就冷了下來。60年代末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲車削，加工了一批飛機(jī)上的鋁制細(xì)長軸，取得了良好的切削效果。1976年，我國再次開展超聲加工的試驗(yàn)研究和理論探討工作。1983年，機(jī)械電子工業(yè)部科技司委托《機(jī)械工藝師》雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動與切削專題討論會1985年，機(jī)械電11研究所研制成功旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工中，取得了優(yōu)異的工藝效果。80年代6號鋼制成的超聲砂帶研拋的實(shí)驗(yàn)研究。第二章 超聲振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言超聲波加工在硬脆材料及復(fù)合材料的加工方面具有其它加工方法無可比擬超聲振動鉆削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超聲波機(jī)床和普通機(jī)床的異同點(diǎn)1、相同點(diǎn)超聲波加工機(jī)床一般為專用機(jī)床，但它同樣是機(jī)床的一種，具有一般機(jī)床的共性。它們都具有床身、工作頭、進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工作臺及其位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，磨削液供給系統(tǒng)等。2、不同點(diǎn)2-1所示：用。超聲振動鉆削系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的確定1、超聲加工機(jī)應(yīng)具備的基本要求一般超聲加工機(jī)主要實(shí)現(xiàn)超聲加工的功能需要具有的功能包括下列幾點(diǎn)：1}工具或工件的進(jìn)給運(yùn)動；工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；工具的超聲振動；X方向的運(yùn)動；5}工作臺Y方向的運(yùn)動；6)大功率加工機(jī)還要具有冷卻系統(tǒng)(風(fēng)冷或水冷)。必須的基本運(yùn)動;工作臺X,Y方向的移動是為了加工不同位置的孔或加工成型槽，同時便于工件的裝夾和定位。2、超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)1,2,4,5圖2-1超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)2-1所示?？傮w結(jié)構(gòu)的完善設(shè)計(jì)是超聲加工得以順利進(jìn)行的重要保證。基于上述所講，超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)從以下幾點(diǎn)出發(fā)：常密切的關(guān)系。在考慮系統(tǒng)各個零部件對中性的同時還要保證機(jī)構(gòu)與機(jī)床主軸連接時的能防止機(jī)構(gòu)的擺動。有足夠的穩(wěn)定性和承載能力，能夠抵制干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。該超聲波加工的振動系統(tǒng)不能與它所要安裝的機(jī)床主體發(fā)生干涉。越來越多，要求也越來越高，超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)就是對機(jī)床附件的發(fā)展。第三章 超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)Th器與器換能超聲波發(fā)生器的作用，是將 220V或380V的交流電變成有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供振動切削加工中的振動能量。其工作原理見圖 圖3-1 發(fā)生器工作原理框圖3-1（率為中心頻率，并在此中心頻率左右擺動），這個電信號經(jīng)前置放大后驅(qū)動由VMOS管組成的功率放大器，經(jīng)功率放大后，由輸出變壓器耦合到換能器，從而產(chǎn)生超聲波。功率調(diào)節(jié)是由可控硅調(diào)壓電路調(diào)節(jié)功放單元直流電壓來達(dá)到的。并使用檢測電路監(jiān)視功率放大器的運(yùn)行情況，一旦與設(shè)定值不符合，保護(hù)電路將動作，切斷功放單元的直流電壓并關(guān)閉掃頻振蕩器的輸出，這樣，有效地保護(hù)了超聲波發(fā)生器的功率放大部分不受損壞。為使發(fā)生器和換能器相匹配，以便發(fā)生器效率最高，變幅桿振幅最大，則超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求：輸出功率應(yīng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)；頻率穩(wěn)定，并能在所需范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，最好有頻率自動跟蹤系統(tǒng)；發(fā)生器的輸出阻抗經(jīng)久耐用、價格便宜。換能器的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，可以利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。換能器主要有磁致伸縮換能器、壓電換能器兩種。磁致伸縮換能器 它是利用某些鐵磁體（如純鎳等）在變化場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的。磁致伸縮換能器效應(yīng)就是指將磁鐵體置于變化的磁場內(nèi)，由于磁場的變化導(dǎo)致鐵磁體產(chǎn)生長度變化的現(xiàn)象。磁致伸縮換能器的機(jī)械強(qiáng)度高、輸出功率大。磁致伸縮換能器在五六十年代得到了廣泛應(yīng)用，但由于這種換能器體積大，發(fā)熱嚴(yán)重，隨著壓電材料的發(fā)展，在超聲加工中應(yīng)用的越來越少了。電致伸縮換能器 它是利用某些壓電晶體材料的壓電效應(yīng)的逆效制成的。壓電效應(yīng)是指壓電晶體在一定方向，一定的晶面上受壓或受拉時，就在相應(yīng)的面上出現(xiàn)電荷。這種效應(yīng)具有可逆性，既在壓電晶體上加一個電場，當(dāng)電場方向和壓電軸方向相一致時，壓電晶體句沿一定的方向發(fā)生強(qiáng)烈的壓縮或拉伸。如果電場是交變的，則壓縮與拉伸（即振動）也是交變的。超聲波發(fā)生器輸出交變電場加在壓電晶體上，從而獲得機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波振動。壓電式換能器結(jié)構(gòu)尺寸小，電聲轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱較小，與超聲加工系統(tǒng)易于匹配，同時價格適中。因此決定采用壓電式換能器。本實(shí)驗(yàn)所采用的超聲發(fā)生器與換能器參數(shù)如下：頻率 f=20kHz，換能器出端尺寸 52mm，輸入電壓220V，連續(xù)工作時間30-60min。超聲變幅桿的設(shè)計(jì)變幅桿的功用4-510-20變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過它任一截面的振動能量是不變的（假定聲能在均勻介質(zhì)中的傳播損耗不計(jì)），因此截面小的地方能量密度變大，由聲學(xué)原理可知，能量密度正比于振幅 a的平方，即1ka222k2k

(3.1)(3.2)式中：—能量密度a—振幅k—k2(3.3)—彈性介質(zhì)密度c—彈性介質(zhì)的波速—角頻率 (3.4)f—頻率。所以，根據(jù)（2.2）放大。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率（即諧振頻率）和外激振動頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。超聲變幅桿的性能可以用許多參量來描述。在實(shí)際應(yīng)用中更常用的是：共振頻率（共振長度放大系數(shù)，形狀因數(shù)和輸入阻抗等等。放大系數(shù) Mp是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點(diǎn)位移或速度振幅的比定義為輸入端策動力與質(zhì)點(diǎn)振動速度的復(fù)數(shù)比值。變幅桿的振動形式及特點(diǎn)變幅桿是一種根據(jù)聲振理論而設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)的部件。為了更好地設(shè)計(jì)變幅桿，必須首先了解桿的基本振動形式和特點(diǎn)。用打擊或其他方法能使桿中產(chǎn)生縱波，由于波的反射作用而使整個桿處于駐波式的振動狀態(tài)。桿的固定點(diǎn)就是駐波的波節(jié)，桿的自由端就是駐波的波腹。因此根據(jù)桿的長度和桿的固定方式，就能確定桿中可能產(chǎn)生的駐波的波長和頻率，而此頻率就是桿的固有頻率。下表就是根據(jù)桿的固定方式不同，而得到桿長和波長的關(guān)系式以及桿的固有頻率。固定方式固定方式系兩端固定中心固定，兩端自由Ln，n2Ln，n=1,3,5?2固有頻率f nn2L，nf nn2L（n=1,3,5?）（表中： -楊氏模量；-材料密度）由上表可知，桿的固有頻率不只一個，而是許多個。因此桿的固有振動也振動頻率為基頻，是固有頻率中最小的一個。其他頻率均為基頻的整數(shù)倍，稱為諧頻，相應(yīng)的波則為諧波。但是實(shí)驗(yàn)證明，在一個桿中，激發(fā)基波是最容易的，被激起的振動幅度也最大。諧波頻率越高，越難以激發(fā)，而且振動的振幅也越小。在振動切削中大多激發(fā)桿的基頻波。不同的固定方法，相當(dāng)于給系統(tǒng)不同的剛度，從而得到不同的振動頻率。兩端固定就是增加了系統(tǒng)的剛性，致使固有頻率提高。超聲振動鉆削中的變幅桿，屬于兩端自由中間固定的一種，上端為自由端并與工件相接，下端也是自由端和換能器相接，中間設(shè)置振動節(jié)，通過變幅桿的振動節(jié)，把整個聲振系統(tǒng)固定在鉆床拖板上。兩端固定 中心固定，兩端自由n=1n=1n=1n=1n=3n=2n=3

n=3n=3n=5n=5圖3-2不同固定方式的諧振圖變幅桿的類型分析和比較變幅桿是超聲振動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一。它的選取對超聲振動鉆削裝置的聲能傳遞好壞是至關(guān)重要的。變幅桿主要有：指數(shù)型變幅桿、懸鏈線型變幅桿、圓錐型變幅桿、階梯型變幅桿四類。其區(qū)別是：當(dāng)面積系數(shù)N相同時，對單一變幅桿而言，階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大，其次是懸鏈線型、指數(shù)型，最小是圓錐型。圓錐型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到5～10倍；指數(shù)型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到 10～20倍，使用性能穩(wěn)定階梯型變幅桿的放大系數(shù)最大可達(dá)到 20倍以上但它受到負(fù)載時振幅減小的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，工作不夠穩(wěn)定，而且在粗細(xì)過渡的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。為此，在設(shè)計(jì)階梯型變幅桿時，其截面劇變處，必須有過渡圓弧。指數(shù)型和圓錐型變幅桿的共振長度 l隨N的增大而增大。在N＝1.01～1.81lNN3.在高聲強(qiáng)超聲加工中〔如超聲拉管〕，在變幅桿的輸出端需要有很大的振動振幅。變幅桿的最大振動速度除了受桿材料的疲勞強(qiáng)度限制以外也和變幅桿的形狀有關(guān)。所以在滿足所需要的放大系數(shù)之外，還應(yīng)選擇形狀因數(shù)大的變幅桿。階梯型變幅桿雖然放大系數(shù)大，但其形狀因數(shù) 也最小。在面積系數(shù)相同時，有 > > >圓錐 指數(shù) 懸鏈線 階梯4.加工難易程度不同。階梯型變幅桿最容易加工，圓錐型變幅桿次之。指數(shù)型、懸鏈線型最難加工。具體表3-2所示：表3-2 不同變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)對比在功率超聲技術(shù)應(yīng)用中，不同的加工條件下對變幅桿的要求也有所不同。例如：在高聲強(qiáng)超聲處理應(yīng)用中，如超聲鉆切硬脆材料、超聲焊接、超聲金屬成型，超聲疲勞實(shí)驗(yàn)、超聲破碎、及某些超聲治療等等，變幅桿主要起放大聚能作用。這時，對變幅桿的要求主要是要有盡可能大的放大系數(shù)。中，負(fù)載的變化較小，而且不需要外加靜壓力。此時對變幅桿的輸入阻抗特性及剛度要求不高，因此常常采用簡單的階梯型變幅桿。這種變幅桿在面積系數(shù)相同的情況下，放大系數(shù)最大，而且加工也比較容易。如果變幅桿的負(fù)載是固體，如超聲焊接、超聲鉆切等，在工作中大多需要一穩(wěn)定性高，而且容易進(jìn)行機(jī)械加工。變幅桿類型的選擇在選用變幅桿的類型是應(yīng)從三方面來考慮，一是設(shè)計(jì)比較簡單，容易獲得較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；二是要注意制造的難易程度；三是要根據(jù)振動切削的選取上我主要考慮了兩種變幅桿：一是階梯型變幅桿，一是圓錐型變幅桿。主要因?yàn)檫@兩種變幅桿設(shè)計(jì)都比較簡單且都比較容易加工?？v波的截面發(fā)生突變，導(dǎo)致加工中振幅穩(wěn)定性不夠，當(dāng)它受到負(fù)載阻力時，振幅減小的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且在粗細(xì)過渡的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成疲勞斷裂。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，階梯型變幅桿共振性能不好，表現(xiàn)在和換能器的匹配性不好，得到的振幅很小且不穩(wěn)定。而圓錐型變幅桿則輸出功率大，工作的頻率穩(wěn)定性好，有足夠的剛度，共振長度最長，在長時間工作后換能器發(fā)熱還能處于共振狀態(tài)。在超聲車削時當(dāng)切削用量變化時，振動電源的振動頻率發(fā)生漂移時，圓錐型變幅桿仍能夠處于較好的共振狀態(tài)，而且超聲電源不用設(shè)頻率自動跟蹤系統(tǒng)。同時圓錐型變幅桿形狀因數(shù) 最大，制造也比較容易。45#與復(fù)合材料，變幅桿的負(fù)載是固體（鉆頭或鍍金剛石硬質(zhì)合金鉆頭，加工時要求變幅桿工作穩(wěn)定性高，有足夠的彎曲勁度。經(jīng)過綜合比較，筆者最后決定采用圓錐型變幅桿。變幅桿材料的選擇變幅桿從形狀上看就是一般的金屬桿，但是選取什么樣的金屬材料來制造成變幅桿的折斷或無法正常工作。振動切削希望變幅桿在制造上選用疲勞強(qiáng)度高、具有一定得硬度又具有較好的韌性的金屬材料，在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小且容易進(jìn)行機(jī)械加工。另外，作液體處理應(yīng)用的變幅桿，還要求其輻射面所用的材料應(yīng)當(dāng)耐腐蝕。常用的變幅桿材料有不銹鋼、耐熱合金鋼、鈦合金等等，特別是鈦合金，由于其性能優(yōu)良，是變幅桿中的首選材料，但材料與制造成本較高，是該材料應(yīng)用的局限。具體比較如表3-3所示。表3-3 常用材料的聲學(xué)特性在本設(shè)計(jì)中，考慮到成本問題，變幅桿的材料選擇 鋼，并需對其調(diào)處理。調(diào)質(zhì)后該材料的有關(guān)參數(shù)如下：抗拉強(qiáng)度b

61.5kgmm2

Max

0.4b

25kgmm2；材料密度7.9gmm3；超聲波在該種材料中的傳播速度c5.169106s；超波在該種材料中的波長f258.45mm。變幅桿的設(shè)計(jì)與解析圓錐型變幅桿形狀如圖3-3所示：圖3-3其對稱軸為坐標(biāo)軸x，在距離原點(diǎn)Ox處取出一小體元（x,x+dx力如圖所示，先導(dǎo)出面積函數(shù)：3-4所示，DDDx處的任一1 2 x截面的直徑，補(bǔ)全為三角形：則：xD lyD lyx1

圖 3-4

（3-5）2D yly （3-6）2D12由式2-6得 y Dl2

（3-7）DD1 2把式2-7代入式2-5得D DDx1 1D D1 2D

2x （3-8）令 1N （稱為面積系數(shù)）D2故，由式2-8得N1D Dx 1

x) （3-9）Nl令N1Nl由式2-9得D Dax) （3-10）x 1其面積函數(shù) Sx

Sax)2 （3-11）1設(shè)質(zhì)點(diǎn)的位移函數(shù) (x)其應(yīng)力函數(shù)(x)

（3-12）其中E為楊氏彈性模量，并設(shè)變幅桿材料密度為 。由圖3-4所示，小體元上所受張力為x程

dx, 據(jù)牛頓第二定律列出動力學(xué)方(S)dxS2x t2

dx （3-13）在簡諧振動情況下：) （3-14）) （3-15）t2t2

A2)（3-16）把式2-12、式2-15代入式2-13得2 1S 2 0 （3-18）x2 Sxx k2c2

(k稱為圓波數(shù))且波速 c所以，式2-18變?yōu)椋?x2

1S

k0 （3-19）把式2-11代入式2-19得：2x2

2a ax1

k0 （3-20）解此方程得： 1 (ACoskxBSinkx) （3-21）x1a 1 (AkSinkxkCo)x 1

(ACosBSink（3-22）x x1a

(x

1)2a 推導(dǎo)頻率方程及圓錐型桿的諧振長度邊界條件x=0時 0xx=l時 0x當(dāng)x=0 ，

0時由式2-22得-kaB-a故ABka當(dāng) x=l ，x

0時

（3-23）Aka-la1

Sinkl

Bkala1

Coskl

Aa2(la1)2

Coska

a2B(la1)2

Sinkl0(Ak aB )Sinkl(Bk aA)Coskl0(lala1把式2-23代入得(Bk2

aB )Sinkl(Bk

aBk

)Coskl0a la1 la1故tgkl

ka2la2k2(latgkl kl1(k)2(laa

（3-24）kl的數(shù)值解。Kl的值也可有下表3-4查出：表3-4NklNkl1.053.14243.553.56381.103.14453.603.57181.153.14783.653.57881.203.15213.703.56821.253.15733.753.59351.303.16333.803.60071.353.17003.853.60781.403.17713.903.61481.453.18483.953.62181.503.19294.003.62861.553.20134.053.63541.603.21014.103.64211.653.21914.153.64871.703.22834.203.65521.753.23764.253.66161.803.24714.303.66801.853.25674.353.67431.903.26644.403.68051.953.27264.453.68662.003.28604.503.69262.053.29584.553.69862.103.30574.603.70452.153.31554.653.71032.203.32534.703.71612.253.33514.753.72172.303.34494.803.72742.453.37384.953.74382.503.38345.003.74912.553.39285.103.75962.603.40225.203.76992.653.41165.303.77982.703.42085.403.78962.753.42995.503.79912.803.43905.603.80842.853.44805.703.81752.903.45685.803.82642.953.46565.903.83503.003.47436.003.84353.053.48296.103.85183.103.49146.203.85993.153.49996.303.86783.203.50826.403.87553.253.51646.503.88313.303.52456.603.89053.353.53266.703.403.54056.803.453.54846.903.503.55617.003.8977當(dāng)定出面積系數(shù)N之后，就可查出kl值，kl值知道后，就可以算出諧振3.8977長度l，用一個等效公式來定諧振長度lp (kl)lp2 （3-25）x0的公式位移節(jié)點(diǎn)就是超聲波在變幅桿中傳播時節(jié)點(diǎn)（振幅為零的點(diǎn)）的位置，求出位移節(jié)點(diǎn)的目的是為了在進(jìn)行超聲振動鉆削時，利用節(jié)點(diǎn)把變幅桿固定下來，這樣，一方面固定變幅桿，另一方面使能量損失為最小。邊界條件 x0 時 位移1x0 時 應(yīng)變0x當(dāng)x0，時 由（3-21）得1 1故x0

A10時 由（3-21）得Bk2A0故B

k1kkA,B代回（3-21）得 1(

coskx

1sinkx)k所以 111x

(coskxsink

（3-26）x00代入（3-26）得位移節(jié)點(diǎn) 111x0故

(coskx0

sinkxk

)0得tg(kx

coskx0)k

sinkx0k 0

（3-27）0 導(dǎo)出振幅放大倍數(shù)Mp振幅放大倍數(shù)就是超聲波經(jīng)過變幅桿后，小端的振幅與大端振幅之比。由于是半波長的變幅桿，所以大端小端的振幅互為相反數(shù)，大端已設(shè)為，所以小端設(shè)為 ，故邊界條件xl時，振幅，把該邊界條件代1 2 2入（3-26）

1 (cosklsinkl)2故2Mp21

11l k1111l (coskl sinkl) （3-28）l把

N1代入（2-28）得NlM N(cosklp

N1sinkl) （3-29）Nkl變幅桿各參數(shù)的計(jì)算已知條件：圓錐型變幅桿的工作頻率為 20kHz，材料用45號鋼，大端徑D1=52mm，小端直徑D2=20mm。1N=D 1D2共振長度：

52=2.6 （3-30）20N頻率方程 tg(kl)= kl （3-31）N1( )2(kl)2N1N值代入（3-31）式解得（kl）=3.40波長

5.169106

258.45 （3-32）f 20103l=258.453.4139.85mm (3-33)x：0圓波數(shù) kc

20000 2.43102c 5.169106

（3-34）N1Nl

4.4103 （3-35）1x arctgk1

1arctg

2.43102

57.27mm （3-36）0 k 2.43102 4.4103放大系數(shù)M ：p N1 1.6 M Ncoskl sinkl2.6cos3.4 sin3.42.57p Nkl 2.63.4 （3-37）應(yīng)變極大點(diǎn)x ：Marctgarctg4.4103 0.181 （3-38）k 2.43102至此，變幅桿的形狀系數(shù)完全確定，其形狀如圖3-5所示：具體尺寸參見工裝設(shè)計(jì)成套圖。圖3-5 變幅桿的實(shí)際圖形變幅桿與換能器的連接變幅桿與換能器之間用雙頭螺柱來連接。變幅桿中螺紋的中心線與端面之間要求有很高的垂直度。加工時，在車床上通過一次裝夾全部完成端面和螺紋的加工，即可保證有很高的垂直度（變幅桿的大端面應(yīng)和其軸線的垂直度誤差不大于0.015mm。如果換能器和變幅桿的兩個被連接表面接觸不良，就不會正常起振。因此，這兩個被連接表面必須經(jīng)過研磨加工，以保證很高的平面度和很小的表面粗糙度（不低于 Ra0.4。組裝時，這兩個被連接表應(yīng)先涂硅油，然后再擰緊螺紋。變幅桿的固定（即振動節(jié)厚）盡量小，以減小振動能量傳到法蘭盤上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，振動節(jié)厚取3-6mm比較合適。同時為保證變幅桿工作中不引起側(cè)振以及鉆頭的變幅振動，制造時必須保證法蘭盤端面與變幅桿軸線的垂直度誤差不超過0.02mm。第四章 鉆頭夾具的設(shè)計(jì)與連接鉆頭夾具的選取與設(shè)計(jì)鉆頭夾具的設(shè)計(jì)是超聲鉆削加工中的一個難點(diǎn)，同時又是一個重點(diǎn)。由于本實(shí)驗(yàn)使用的是 3mm的鉆頭，其他夾具不具備裝卸簡便，易于把鉆頭固牢靠的優(yōu)點(diǎn)，為此我們選用夾頭?？紤]到鉆頭的裝卸方便，作者曾設(shè)計(jì)一彈簧夾頭，但是，由于彈簧夾頭內(nèi)部連接環(huán)節(jié)較多，且縫隙較大，在施加超聲振動時，能量損失太大，所以未采用彈簧夾頭?？紤]到變幅桿的能量傳遞，為了防止在變幅桿與夾頭的連接處出現(xiàn)能量損失，把夾頭與變幅桿相連接的一端的尺寸設(shè)計(jì)成與變幅桿小端一樣的尺寸，同時使夾頭有一個錐度，其形狀類似變幅桿，使能量能夠過渡到鉆頭，并且使兩連接件完全接觸，可以看成一個整體，使得兩連接件之間的能量傳遞減小到最小，并且能夠在主軸作軸向振動的條件下，兩者可以同時作軸向振動，避免了鉆頭與變幅桿的不同軸振動。此夾頭的缺點(diǎn)是每一把鉆頭要對應(yīng)一個夾頭，且鉆頭易折斷。其具尺寸見圖4-1所示。圖4-1 刀具夾頭刀具夾頭與變幅桿的連接夾頭與變幅桿的連接是靠螺紋進(jìn)行連接的。我們在設(shè)計(jì)時，考慮到夾頭要裝卸簡便，由于夾頭根據(jù)鉆頭的尺寸，選用一般小夾頭，它可以適應(yīng)不同尺寸的鉆頭的需要。為此我們選用螺紋連接，把夾頭的一端設(shè)計(jì)成螺栓，在變幅桿的小端加工一個螺紋孔，使之能夠完全配合，把夾頭牢固地固定在變幅桿的小端。第五章 其他零部件的設(shè)計(jì)5.1其他零部件的設(shè)計(jì)為了能把主軸與鉆削工具連接在一起，為此設(shè)計(jì)了一個內(nèi)套，內(nèi)套形狀與具體尺寸如圖所示：其上部為 4號莫氏錐柄，能與鉆床主軸相配合，把其插入主軸中的錐孔內(nèi)，并在錐柄的頂端，開一個螺紋孔，在主軸的開口處用一螺釘擰緊，防止錐套在與主軸轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。下部為一厚度為10mm的中空套，內(nèi)部放入換能器和變幅桿，變幅桿利用節(jié)點(diǎn)位置的圓盤固在內(nèi)套的下端面。在內(nèi)套的加工過程中，錐柄和與軸承配合的部分均要求磨光。由于內(nèi)套與變幅桿、換能器都要隨主軸轉(zhuǎn)動，所以我們只能借助于電刷和滾動軸承。電刷的主要作用是能夠把從超聲波發(fā)生器發(fā)生的電信號傳輸給考慮到要具備有導(dǎo)電性強(qiáng)的要求，本實(shí)驗(yàn)采錫銅圈，把錫銅圈固定在一絕緣套上，絕緣套則通過小量的過盈配合固定在內(nèi)套上，從換能器上引出兩條導(dǎo)線，通過內(nèi)套的小孔把導(dǎo)線焊接在銅圈上。與銅圈緊密接觸的是電刷，電刷我們利用導(dǎo)線與銅圈焊接在一起，并把導(dǎo)線穿過一條壓簧，并把其放在一小絕緣筒內(nèi)。小絕緣套的外部車成螺紋，將其擰在外固定套上。壓簧的主要作用就是讓從發(fā)生器發(fā)出的電信號通過導(dǎo)線和銅圈始終傳送到錫銅圈上。這樣能保證電刷下與銅環(huán)接觸，保證了電流的暢通。能改變變幅桿小端的鉆削工具在超聲頻振動狀態(tài)下進(jìn)行加工工件。外固定套的設(shè)計(jì)，為了固定軸承，我們設(shè)計(jì)出其形狀與尺寸如圖5-1所示：圖5-1 外固定套圖5-2 內(nèi)軸套圖5-3 吊絲用吊絲將其固定，吊絲一端車成螺紋形狀，將其擰在外固定套的上端的端蓋上面，另一端則與卡轂環(huán)相連，其形狀零件圖所示，利用螺栓將吊絲與轂環(huán)壓緊，兩個轂環(huán)卡在鉆床主軸上。第六章 校核與計(jì)算軸承的計(jì)算根據(jù)內(nèi)軸套的直徑與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特征，選用型號為 51118的推力球軸承下面進(jìn)行校核與演算。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得：51118型號的軸承的額定動載荷為：Ca51118型號的軸承的額定靜載荷為：C0

=65000N。=200000N。最小載荷常數(shù)： A=0.21設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)為超精密加工系統(tǒng)，所以其轉(zhuǎn)速非常高，一般為 2500r/min由軸承手冊查的 51118型號的推力球軸承在脂潤滑的情況下極限轉(zhuǎn)速為1700r/min；在油潤滑的情況下極限轉(zhuǎn)速為2700r/min。本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)為油滑完全符合要求。于是選定平均轉(zhuǎn)速為 2500r/min。設(shè)超聲振動鉆削系統(tǒng)每年工作 300天，每天工作18個小時，壽命為20年。將其化為小時得到軸承的計(jì)劃壽命為 108000小時。2600N。由軸承壽命計(jì)算公式得：106 CL ( a)310h 60n pn=2500r/minCa

=65000N，P=2600N代入得：L10h

=108166h因此，我們選的軸承完全符合要求。內(nèi)軸套的校核由于內(nèi)軸套為中空，而整個超聲鉆削系統(tǒng)比較簡便，質(zhì)量輕，整個內(nèi)軸套上幾乎沒有附加的額外重量。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也由于內(nèi)軸套的完全對稱性而相互抵消。外固定套對內(nèi)軸套的干涉幾乎為零。本來質(zhì)量就輕，又加上吊絲與卡轂環(huán)和機(jī)床主動軸外軸殼相連，達(dá)到了固定和承受的目的，從而使外固定套由于鉆削運(yùn)動產(chǎn)生的各種影響干涉不到內(nèi)軸套。鉆削過程產(chǎn)生的振動等影響與超聲振動鉆削系統(tǒng)的振動相符相成，相互抵消，可以忽略不計(jì)。超聲振動鉆削系統(tǒng)加工的對象是直徑最大為 3mm的細(xì)小孔，鉆削刀具積小，質(zhì)量輕，扭矩小，產(chǎn)生的扭矩和彎矩很小，不會超過內(nèi)軸套的極限轉(zhuǎn)矩而使其失效。綜上所述，內(nèi)軸套的校核完全符合理論要求，校核無誤。設(shè)計(jì)總結(jié)本文主要結(jié)論超聲波振動技術(shù)是一項(xiàng)面向未來的技術(shù)，支持先進(jìn)材料加工，為很多增長型市場提供了新的加工力一法。高性能材料諸如陶瓷、玻璃、石英、復(fù)合材料以及硬質(zhì)合金等，有著令人矚日的特性，如耐磨性，耐腐蝕性，抗壓，不宜變形及耐高溫性，超聲振動技術(shù)還可以直接對它們進(jìn)行加工。針對目前超聲波專用機(jī)床具有成本高、體積大等一系列缺陷，本文主要探討了一種可安裝在普通機(jī)床上便可進(jìn)行超聲鉆削加工的旋轉(zhuǎn)超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。全文的主要工作和結(jié)論如下:1安裝在搖臂鉆床、立式銑床等機(jī)床上加工大型零件，符合一般用戶的要求，實(shí)用性強(qiáng)。2用質(zhì)量互易法介紹了工具尺寸的設(shè)計(jì)。3、對圓錐形變幅桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)分析。4有更廣泛的應(yīng)用范圍。5機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的，在加工效率方面也達(dá)到了超聲加工專用機(jī)床的要求。后續(xù)展望本文對超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變幅桿的動力學(xué)分析研究方面做了一些工作，取得了一定的進(jìn)展。但由于時問倉促，加之客觀實(shí)驗(yàn)條件所限，還有許多問題需要進(jìn)一步分析和探討。1、本文只對超聲振動鉆削機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而對上具末端靜載荷的測量沒有做進(jìn)一步的研究，這將在以后的工作中做進(jìn)一步探討，以使該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)更加合理。2、本文只對圓錐形變幅桿進(jìn)行了理論分析、結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)分析。作為一個完整的變幅桿理論，希一望在以后的工作中對其它類型的變幅桿進(jìn)行全面綜合探討。3、由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文的在實(shí)驗(yàn)研究方面還有所欠缺。希望在以后的工作中進(jìn)一步完善。心得體會畢業(yè)設(shè)計(jì)是四年大學(xué)生活中最重要的設(shè)計(jì)；也是難度最大的設(shè)計(jì)；是四年知識的積累；也是四年學(xué)習(xí)狀況的一個評估。中兩個典型的例子讓我刻骨