旋轉(zhuǎn)超聲加工

具體計算如下：對于一變截面桿，其對稱軸為坐標(biāo)軸，作用在小體積元()上的張應(yīng)力為，根據(jù)牛頓定律可以寫出動力學(xué)方程：式中A—桿的橫截面積函數(shù)，A=A(x)；—質(zhì)點位移函數(shù)，=(x)；—應(yīng)力函數(shù)，；E—楊氏模量；—桿材料的密度。上式就是變截面桿縱振動的波動方程。這樣我們便可以利用該式來分析各種類型的超聲變幅桿了。在簡諧振動的情況下，變截面桿縱振動的波動方程為：式中——圓波數(shù)，；——縱波在桿中的傳播速度，；A—桿的橫截面積函數(shù)，A=A(x)；—質(zhì)點位移函數(shù)，=(x)；—應(yīng)力函數(shù)，；E—楊氏模量；—桿材料的密度。下表3-1為幾種常用變幅桿的主要設(shè)計公式表3-1常用變幅桿參數(shù)設(shè)計計算公式變幅桿類型圓錐形指數(shù)形階梯形截面變化規(guī)律振幅放大倍數(shù)半波共振長度l=λ(kl)0/2π根(kl)0由下式求出位移節(jié)點符號說明和分別為變幅桿輸入端和輸出端面積；D和d分別為變幅桿輸入、輸出端直徑；k為波數(shù)，k=，為圓頻率，=，為共振頻率，c為縱波在細(xì)桿中的聲速，平直細(xì)桿中的波長，；N為面積系數(shù)，本次設(shè)計我選用了圓錐形聚能器（變幅桿）。變幅桿直徑的選擇要兼顧效率和剛性兩方面。直徑大，剛性好，但能量損失大，一般使變幅桿大端與換能器尺寸相等或稍大。本設(shè)計選用的換能器端面直徑為52，故變幅桿大端直徑選為52，變幅桿小端直徑選13。（1）變幅桿諧振長度的設(shè)計有已知條件可得N＝4，變幅桿材料為調(diào)質(zhì)45鋼，縱波波速c＝5169m/s，頻率?=20khz，從而求得根據(jù)圓錐型變幅桿頻率方程：用數(shù)值分析法求得諧振長度代入諧振長度公式得（2）位移節(jié)點的設(shè)計由于所以C0=56.2258，即節(jié)點的位置處于距大端56.2258mm（3）放大系數(shù)代入放大系數(shù)公式的mp=7.148（4）形狀因數(shù)由應(yīng)變極大值條件從而可求得應(yīng)變極大值點形狀因數(shù)至此，變幅桿的基本外觀尺寸計算完畢。又考慮換能器的外徑，以及與變幅桿固結(jié)在一起的法蘭與內(nèi)筒的連接。當(dāng)確定了內(nèi)筒的內(nèi)徑則也可確定。3.3.3連接及定位方式設(shè)計傳統(tǒng)超聲變幅桿的徑向定位靠一段圓柱面，超聲能量傳遞主要靠大圓柱的上端面與其他構(gòu)件進(jìn)行緊密配合進(jìn)行。對于傳統(tǒng)超聲加工，由于主軸不回轉(zhuǎn)，這樣的結(jié)構(gòu)能夠滿足聯(lián)接和超聲能量傳遞要求。但對于旋轉(zhuǎn)超聲加工，由于變幅桿與其他構(gòu)件的聯(lián)接是螺紋聯(lián)接，以圓柱面定位只能采用數(shù)值較大的間隙配合，導(dǎo)致變幅桿與聯(lián)接構(gòu)件同軸度較差，因而該聯(lián)接結(jié)構(gòu)便不能滿足旋轉(zhuǎn)超聲加工的回轉(zhuǎn)精度要求，特別是兩級或多級變幅桿聯(lián)接之后，工具端面的徑向跳動較大。清華大學(xué)戴向國、傅水根等人提出了兩面定位的超聲變幅桿結(jié)構(gòu)利用圓錐面進(jìn)行徑向定位，利用圓錐面和大圓柱的上端面與構(gòu)件之間的緊密配合進(jìn)行超聲能量傳遞。兩面定位系統(tǒng)是過定位系統(tǒng)，雖然給加工和裝配帶來一定的難度（如需通過配作滿足加工要求），但該結(jié)構(gòu)能夠滿足超聲能量傳遞的特定聲學(xué)要求，在特定情況下采用還是必要的。而且實驗證明該結(jié)構(gòu)較好地滿足了旋轉(zhuǎn)超聲加工的各方面要求。在此次設(shè)計中采用此兩面定位機構(gòu)。該結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示圖3-1兩面定位的變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖3.4內(nèi)外桶，端蓋及密封裝置設(shè)計3.4.1內(nèi)外筒設(shè)計內(nèi)筒內(nèi)徑d已經(jīng)知道換能器外徑為52mm，換能器上有外伸的電極，在考慮換能器與內(nèi)筒間必須的間距，因此間距取為5mm，因此內(nèi)筒內(nèi)徑可取為d=62mm。內(nèi)筒長度L內(nèi)筒內(nèi)要伸入軸，伸入的軸上裝有換能器，鎖緊螺母，再考慮換能器與軸之間的間隙，內(nèi)筒長度總計取為214mm。內(nèi)筒厚度m內(nèi)筒外側(cè)要進(jìn)行銑削以安裝軸承，而且其上要鉆螺釘孔以進(jìn)行連接，因此內(nèi)筒厚度銑削過的為14mm，其上安裝的軸承內(nèi)徑d同時也定為90mm。選取角接觸球軸承，其安裝尺寸為99mm，因此內(nèi)筒未加工前尺寸為99mm。內(nèi)筒外部安裝軸承段的長度考慮軸承的寬度為24mm，端蓋用來定位軸承的外伸端取為8mm，則總長度為32mm至此內(nèi)筒尺寸設(shè)計完成。而外筒借鑒內(nèi)筒的設(shè)計并考慮內(nèi)外桶共同配合實現(xiàn)軸承的定位，因此外筒尺寸也可以確定。如所繪圖所示。3.4.2端蓋及密封裝置的設(shè)計端蓋由于要考慮到內(nèi)筒與外筒之間的旋轉(zhuǎn)，及變幅桿為錐形面，因此端蓋及密封裝置必須與變幅桿上的法蘭平齊，密封采用密封環(huán)，具體結(jié)構(gòu)見圖紙。3.4.3法蘭盤設(shè)計法蘭盤厚度取為9mm，上面制有鉸制孔，以進(jìn)行定位和連接?？紤]到無需密封鉸制孔設(shè)定為四個。且法蘭盤凸緣對軸承有定位作用。3.5主軸的設(shè)計帶傳動傳動比取為i=2求出軸上的功率p1、轉(zhuǎn)速n1、轉(zhuǎn)矩T1取帶傳動效率為η1=0.92則p1=p*η1轉(zhuǎn)速n1=n1*1/2T1=9550000p1/n1初步確定軸的最小直徑按照下式初步估算軸的最小直徑dmin=A03√p1/n1選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表取A0=112又考慮軸要與軸承的孔徑相配合，故需同時選軸承型號，綜合考慮得d=30mm軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸上零件：軸上裝有圓螺母，止動墊圈，法蘭盤，集流環(huán)支架，大帶輪，套筒及軸承。根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度：軸承選用角接觸球軸承7000型，其尺寸為d*D*B=30mm*55mm*13mm；軸承與帶輪間靠套筒定位，考慮到帶輪的定位，需制出軸肩，則帶輪的安裝d直徑可取為34mm，由帶輪的設(shè)計尺寸寬度取為1.5d=51mm；考慮帶輪與箱蓋之間的距離取為16mm，則定位套筒長度取為20mm。計入帶輪定位所需的外伸長度6mm，則d=30mm段長度為45mm，d=34mm段長度為47mm；考慮到帶輪的定位及與桶壁的距離下一段直徑取為40mm，長度取為40mm。下一段裝有集流環(huán)支架，法蘭盤，并制有螺紋安裝圓螺母與止動墊圈。集流環(huán)支架取為20mm，法蘭盤壁厚為9mm，查表得圓螺母厚度為10mm，止動墊圈厚度為5mm。考慮安裝后軸上余的長度5mm，這一段長度總長為40mm，制出的螺紋長度為18mm。至此軸的結(jié)構(gòu)已確定，總長為172mm。如圖3-2所示3.6主軸頭擺轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)的設(shè)計為了可輕易實現(xiàn)加工斜面和斜孔的工序，主軸頭需要有左右傾斜的功能。其擺轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)主要靠蝸輪蝸桿機構(gòu)。其功能的實現(xiàn)具體敘述如下連接板可與機床床身固定連接，懸臂軸的大端固裝在連接板上，懸臂軸的另一端插入箱體的內(nèi)腔，懸臂軸與箱體相對旋轉(zhuǎn)連接；懸臂軸上固裝有蝸輪，箱體中安裝有蝸桿，蝸桿與箱體為相對旋轉(zhuǎn)連接，蝸輪與蝸桿形成蝸輪蝸桿副機構(gòu)，箱體裝配在連接板上并與之相對旋轉(zhuǎn)連接。在切削過程中，如果需要加工斜面或斜孔時．只要把T型螺栓松開，旋轉(zhuǎn)蝸桿即可使主軸頭傾斜，從而實現(xiàn)加工斜面和斜孔的需要。致謝在本次關(guān)于旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的畢業(yè)設(shè)計過程當(dāng)中，我得到了老師的耐心指導(dǎo)。張老師不厭其煩的給我們解答疑難問題，為我們的設(shè)計付出了巨大的心血。老師的幫助從畢業(yè)實習(xí)貫穿了整個畢業(yè)設(shè)計的全過程，由于我們的知識貧乏和無知沒少耗費老師的精力。在此，向張老師表示深深的歉意和誠摯的感謝:張老師，您受累了！感謝爸媽含辛茹苦的養(yǎng)育之恩，你們和哥哥姐姐的支持是我順利完成四年的大學(xué)學(xué)習(xí)和考取研究生的最大動力。我愛你們！另外在設(shè)計的過程中也得到同組同學(xué)以及課題類似同學(xué)的幫助，在此一并向他們表示感謝！參考文獻(xiàn)【1】曹風(fēng)國主編,超聲加工技術(shù),化學(xué)工業(yè)出版社,1995【2】張云電主編,超聲加工及其應(yīng)用,國防工業(yè)出版社,1993【3】】機械工程手冊電機工程手冊編輯委員會,機械工程手冊(第二版)機械制造工藝及設(shè)備卷(二),國防工業(yè)出版社,1980【4】孟少農(nóng)主編,機械加工工藝手冊2,機械工業(yè)出版社,1998.3【5】孔慶華劉傳紹主編,極限配合與測量技術(shù),同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.2【6】機械手冊聯(lián)合編寫組,機械設(shè)計手冊,機械工業(yè)出版社,2000【7】上海金屬切削技術(shù)協(xié)會編,金屬切削手冊(第二版),上海科學(xué)技術(shù)出版社,1989【8】辛一行鄒慧君等,現(xiàn)代機械設(shè)備設(shè)計手冊第一卷設(shè)計基礎(chǔ),機械工業(yè)出版社,2002.6【9】劉晉春趙家齊趙萬生等,特種加工(第四版),機械工業(yè)出版社,2004.1【10】樊國良應(yīng)崇福林仲茂,一種新型的超聲加工深小孔的工具系統(tǒng),應(yīng)用聲學(xué),1982【11】鄭書友，旋轉(zhuǎn)超聲加工機床的研制及實驗研究.華僑大學(xué)，博士學(xué)位論文，2008【12】楊志斌，