超声珩磨工具设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 摘 要 超声珩磨加工是在普通珩磨加工的基础上，对油石辅助以纵向超声振动，从而对一些精密零件如缸套等进行复合加工的一种高效率加工方式。超声珩磨装置的合理化设计是影响加工效果的关键因素。 本文针对超声珩磨装置设计中存在的一些问题，对超声振动珩磨装置进行了合理化设计，重点进行了超声振动珩磨声学系统设计，包括：超声波发生器和换能器的选用、变幅杆的设计计算、振动圆盘的设计计算、以及挠性杆和油石子系统的设计等；此外进行了珩磨装置关键机构如分度进给机构、球头浮动连接机构等的设计。 关键词：超声珩磨装置；变幅杆；振动圆盘； 油石 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ is a of as be on on of of is a In a of to of of as in 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 目 录 前 言 1 绪 论 2 第 1 章 概述 错误 !未定义书签。 1 1 珩磨加工 错误 !未定义书签。 1 1 1 珩磨加工特点 错误 !未定义书签。 1 1 2 珩磨工艺应用范围 错误 !未定义书签。 1 2 超声珩磨 错误 !未定义书签。 1 2 1 超声珩磨工作原理 错误 !未定义书签。 1 2 2 超声珩磨加工特点 错误 !未定义书签。 1 3 总体方案设计 错误 !未定义书签。 1 3 1 方案选择 错误 !未定义书签。 1 3 2 优化创新 错误 !未定义书签。 第 2 章 超声波振动系统 错误 !未定义书签。 2. 1 超声波发生器 错误 !未定义书签。 2. 1. 1 超声波发生器的工作原理 错误 !未定义书签。 2. 1. 2 超声波发生器的选用 错误 !未定义书签。 2. 2 换能器 错误 !未定义书签。 2 2 1 换能器的分类及工作原理 错误 !未定义书签。 2 2 2 换能器的选择 错误 !未定义书签。 2 3 变幅杆的设计 错误 !未定义书签。 2 3 1 变幅杆的材料 错误 !未定义书签。 2 3 2 变幅杆的类型 错误 !未定义书签。 2 3 3 变幅杆的尺寸 错误 !未定义书签。 2 3 4 连接和固定方式 31 2 4 弯曲振动圆盘 错误 !未定义书签。 2. 4. 1 弯曲振动圆盘的作用 31 2. 4. 2 弯曲振动圆盘的设计 31 2 5 挠性杆油石座振动子系统 错误 !未定义书签。 第 3 章 超声珩磨头体 错误 !未定义书签。 磨油石 错误 !未定义书签。 3 1 1 油石的选择 错误 !未定义书签。 3 1 2 油石尺寸设计 错误 !未定义书签。 石座和挠性杆 错误 !未定义书签。 3 2 1 油石座 错误 !未定义书签。 3 2 2 挠性杆 错误 !未定义书签。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 磨油石与油石座的连接方式 错误 !未定义书签。 石座 挠性杆振动圆盘子系统的连接 错误 !未定义书签。 锥设计 错误 !未定义书签。 向条的设计 错误 !未定义书签。 簧的选用 错误 !未定义书签。 第 4 章 浮动连接装置 错误 !未定义书签。 第 5 章 进给机构和回复装置 错误 !未定义书签。 进给机构 错误 !未定义书签。 回复装置 错误 !未定义书签。 第 6 章 电刷 错误 !未定义书签。 第 7 章 珩磨工艺参数与珩磨液 错误 !未定义书签。 磨工艺参数 错误 !未定义书签。 5 1 1 珩磨速度 v 和网纹交叉角 错误 !未定义书签。 5 1 2 珩磨油石工作压力 错误 !未定义书签。 5 1 3 工作行程 错误 !未定义书签。 5 1 4 珩 磨加工余量 错误 !未定义书签。 5 1 5 对工件珩磨前的要求 错误 !未定义书签。 磨液 错误 !未定义书签。 设计成果及工作原理介绍 58 结束语 60 致谢 62 参考文献 63 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 绪论 目前在国产珩磨机上 多采 用碳化硅等普通 珩磨 油石 ， 珩磨效率低、精度不稳定，不能达到 技术要求； 也有 改 用金刚石、立方氮化硼等超硬磨料油石，但 很难解决油石堵塞及划缸现象。 如果 采用新型特种加 工方法 就 能很好地解决这些问题 。 超声珩磨是 功率 超声切削在珩磨中的应用，通过对普通珩磨中不断旋转并上下往复运动的珩磨头施加以超声频的振动来实现。由于附加了高频率的振动，使珩磨头上油石条的微磨粒运动规律发生了变化，形成了脉冲切削，加上功率超声的空化作用，使功率超声珩磨实现了高效、精密珩磨的要求。 它与普通珩磨相比具有珩磨力小、珩磨温度低、 油石不容易堵塞、加工效率高、加工质量好、 零件滑动面耐磨性高等许多优点，完全能够解决普通珩磨存在的问题，尤其是铜、铝、钛合金等韧性材料管件 以及陶瓷 、淬火钢等硬脆 材料管件的珩磨问题。 本次设计 主要是对超声珩磨装置进行一些细节优化和创新设计， 希望将超声珩磨的优良加工特性应用到更广 范围普通金属的加工 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 第 1 章 概述 1 1 珩磨加工 的特点及应用范围 1 1 1 珩磨加工 的 特点 工件经切削加工，有时需要对其重要表面进行以进一步提高尺寸精度和形状精度为目的的精加工或进一步降低表面粗糙度为目的的光整加工。精整和光整均为终结加工，珩磨是一种固结磨粒压力进给切削的精整加工方法，它不仅能切除较大的加工余量，而且能有效地提高工件的尺寸精度和形状精度，降低表面粗糙度。 1 1 2 珩磨工艺应用范围 （ 1）大量应用于各种形状的孔的光整或精加工，孔径范围 1 1200度可达 12000 内珩磨机工作范围： 5 250 长 3000 （ 2）可用于外圆、球面及内外环形曲面加工，如镀铬活塞环、挺杆球面与滚球轴承的内外圈等。 （ 3）用于汽车、拖拉机与轴承制造业中的大量生产，也适用于各类机械制造中的批量生产。如珩磨缸套、缸孔、连杆孔、油泵油嘴与液压阀体孔、轴套、摇臂和齿轮孔等。 （ 4）适用于金属材料与非金属材料的加工，如铸铁、淬火与未淬火钢、硬铝、青铜、硬铬与 硬质合金、玻璃、陶瓷晶体与烧结材料等。 1 2 超声珩磨工作原理及加工特点 普通珩磨时，油石易堵塞，加工效率低，尤其是在珩磨铜、铝、钛合金等韧性材料管件时，油石极易堵塞，从而导致油石寿命的过短，零件加工表面质量差，加工效率低等问题，倘若使用超硬磨料制作的油石进行普通珩磨时，一方面由于价格昂贵；另外，若产生油石严重堵塞现象，使其性能不能充分发挥，会造成严买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 重浪费。 超声技术用于珩磨是功率超声应用的新发展，超声技术用于珩磨加工的技术难度比用于切削加工的大，原因在于超声换能器传输到油石上去的路径长，能量传递元件多 ，需要转换振动方向，需要有较大功率的超声设备，并且对声的传输效率要求高，否则不但在加工区得不到足够的声能使效果变差，而且容易损坏超声振动系统。 1 2 1 超声珩磨工作原理 超声珩磨的工作原理是：换能器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，变幅杆将换能器的纵向振动波放大后传给弯曲振动圆盘，挠性杆再将弯曲振动圆盘的弯曲振动变成纵向振动后传给油石座，油石座带动与之连接在一起的油石进行纵向振动。 原理示意图如图 1234568910在图中， 超声波发生器通电后，产生的超声频电振荡，通过换能器 1 转换为超声机械振动，变幅杆 2将纵向振动振幅放大传给振动圆盘 3，挠性杆 4接收振动圆盘 3的弯曲振动，变成沿杆轴向方向的纵向振动，再传递给油石座 5，油石座 5 带动油石 6在珩磨头体中 以给定的频率 做 直线往复运动进行超声珩磨加工。 1 2 2 超声珩磨加工特点 超声珩磨具有珩磨力小、珩磨温度低、油石不易堵塞、加工效率高、加工质买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 量好零件滑动面耐磨性高等许多优点，完全能够解决普通珩磨存在 的问题，尤其是铜、铝、钛合金等韧性材料管件以及陶瓷、淬火钢等硬脆材料管件的珩磨问题。其具体的工艺特点有： （ 1）磨削力小 超声振动加工时，磨削是一个在极短时间内完成的微量切削过程。在一切削循环过程中，切刃在很小的位移上可获得很大的瞬时切削速度，在局部产生很大的能量，因此被加工材料在局部微小体积内必将发生重大变化。在振动影响下，摩擦系数大大下降，只有普通磨削的 1/10左右，使超声振动切削力下降到普通切削的 1/3，对塑性大的材料下降程度更大。 （ 2）温度低 振动磨削时，被加工材料的弹塑性变形和切刃各切削面的摩擦 系数大幅度下降，且加工中的力和热都以脉冲形式出现，使磨削热的平均值大幅度下降。 （ 3）低的表面粗糙度和高加工精度 由于脉冲作用破坏了产生积屑瘤的条件，且切削力小，切削温度低，使被加工表面粗糙度大大下降，表面几何精度大幅度提高。振动切削中，切刃虽在振动，但在切刃和工件接触并产生切削的瞬间，切刃所处的位置在加工过程中总是保持不变的。由于工件也不随时间发生变动，从而为提高加工精度创造了条件。被认为是进行圆柱度误差、圆度误差、平面度和平行度误差近似为零的一种精密和超精密加工方法。 （ 4）提高了切削液的使用效果 在磨 粒切入时，切削液被强力挤压，形成瞬时高压，使切削液直接渗入到磨刃与切削的接触表面，充分地起到冷却作用。此外，超声振动所形成的空化作用，一方面可使珩磨液均匀浮华，另一方面，切削液更容易渗到材料的微裂纹内，进一步提高了珩磨液的使用效果。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 1 3 总体方案设计 本次设计的为一立 式超声珩磨机床的 超声 珩磨 装置 。根据超 声珩磨 的工作原理，设计大体可以分为四个部分：超声波振动系统、超声珩磨头体、进给装置、浮动连接与回复装置部分，除此之外，还有各部分连接方式也需要进行具体设计和超声波发生器及艺参数的选择。 案选 择 从运动形式的宏观和微观的不同，可以从两条线来讲述超声珩磨头体的设计方案。 从微观振动方面：高频电信号通过导线传到换能器上，换能器将高频电信号转换成机械振动，并由与换能器连接的变幅杆放大，将轴向振动传到弯曲振动圆盘，弯曲振动圆盘即一振动方向换向器，将轴向机械振动变为向径向传动，在振动圆盘的波腹圆处安上挠性杆，挠性杆另一端与油石座相连，即将超声振动传给油石座，引起油石的纵向振动。 从宏观运动方面：珩磨头的主运动包括两个，珩磨头整体的直线往复运动和油石的进给运动。珩磨头整体的直线往复运动由机床供给，在本次设计 中就不再具体分析。油石的进给运动由进给装置部分传入，本次设计的进给装置为一手动进给装置，由螺纹传动带动顶杆进给，顶杆推动珩磨头体内的胀锥运动，并将运动通过与油石座连接的小圆柱销在胀锥锥面上的相对位移 ，推动油石座胀开，当其加工完后，油石要收拢缩回时，通过回复机构将胀锥拉回之后， 弹簧力将油石拉回。 其中，浮动连接部分的主要作用是保证加工缸体内孔的圆柱度，因为珩磨加工主要是利用珩磨头体自身的结构来保证加工缸体内孔的圆柱度，如不采用 浮动连接，珩磨头 伸出 缸体 外的部分较长，很难保证其与加工孔径向上的垂直度，所以必须采用 浮动连接。连接的形式根据加工对象选用夹具的固定与珩磨头的完全买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 浮动配对使用。 方案比较：超声珩磨头的设计方案主要有两种，第一种是进给运动由手动进给装置部分传入，顶杆通过各振动部件中心，给胀锥一进给力；方案二是，进给运动通过各振动部件的外部传入，不穿过各振动部件，即不用在各振动部件中心打孔。两种方案各有其优缺点：第一种方案的优点是使装置能加工孔的深度范围较大，但由于在振动部件的中心加工小孔，不仅影响了振动部件的传振效果，而且要使细长顶杆工作时不发生弯曲变形，增加了加工难度；第二种方案的缺点是能加工缸体深度较小， 适用范围小，而且中间连接部分强度太小，太薄弱，刚性不够。优点是振动部件传振效果较好，不用加工细长顶杆。通过综合分析考虑，选择第一种方案来进行超声珩磨头的设计。 新设计 经过多方面搜集资料 ， 向资深老师 和研究生师兄 请教 ， 向经验丰富的工人师傅学习 ， 结合自己的认真思考对现存珩磨装置提出以下优化 : (1) 超声波发生器的选用 超声波发生器分为电子管型和晶体管型超声波发生器两种类型 超声波发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需预热等优点 ， 在该设计中采用晶体管型超声波发生器作为功率超声源 ， 同时附 加了频率自动跟踪装置和振幅自动测量装置 ， 使超声波发生器始终工作在谐振频率状态 ， 保证超声波的稳定输出 。 (2) 珩磨头本体的改进 目前常用的珩磨头本体一般为整体式 ， 存在的问题是比较笨重 ， 增加了珩磨头 装置的重量 ， 在一定程度上影响加工精度 ， 如图 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 图 1 改进 后 的珩磨头本体结构示意图 这个改进设计的优势是 : (a) 减轻珩磨头装置的重量 ; (b) 减少油石座与珩磨头本体间的接触面积 ， 从而降低它们之间的摩擦力 ， 更有利于油石座的胀出和回缩提高加工孔径的加工精度 . (3) 油石座的改进设计 本次设计中加工零件的孔径为 90 ， 所以珩磨头装置的结构应尽量紧凑 . 常见的油石座胀出过程是胀锥通过推动圆柱销外伸来实现油石座的胀出 减少胀锥与油石座间的位移传递路程在一定程度上可以提高加工零件的尺寸精度 ， 所以在设计中把目前常用的油石座与圆柱销结构结合为一体 ， 即板式结构油石座 图 1 板式结构油石座 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 它的优点为 : a)简化进给系统 ， 减少胀锥到油石间的部件，把目前珩磨头装置结构中胀 锥与圆柱销、圆柱销与油石座底面间的两处摩擦减少为只有胀锥与油石座间的摩擦，降低摩擦力 ， 提高进给运动的稳定性 . b)把现存珩磨装置结构中胀锥与圆柱销、圆柱销与油石座底面两处磨损减少为胀锥与油石座之间的一处磨损，提高加工精度。 （ 4）变幅杆类型的选择 在实际生产中 ， 设计人员主要从加工的难易程度和经济加工精度出发去选择加工方便综合效果较好的变幅杆类型。阶梯型变幅杆的 主要缺点是较大的 放大倍数下可能发生侧振，影响总体振动效果并给设计带来一定麻烦， 在直径变化急剧的地方，由于其机械应力较大，故使用中容易疲劳断裂；而指数型变幅杆 制造困难 ，并且 截面变化不能过大，否则振动无法传播 ；相对这两种变幅杆而讲，圆锥型变幅杆却具有机械强度大， 制造加工容易等优点； 所以在本次设计中 圆锥型 变幅杆 。 （ 5）浮动连接装置 浮动连接部分的主要作用是保证加工缸体内孔的圆柱度，因为珩磨加工主要是利用珩磨头体自身的结构来保证加工缸体内孔的圆柱度，如不采用浮动连接，珩 磨头 伸出缸体外的部分较长，很难保证其与加工孔径向上的垂直度 ，所以必须采用浮动连接。 在 本设计中浮动连接装置选用了机械加工工艺手册中图 13 8 9 所示的球头浮动结构，其结构示意图如图 1： 图 1球头浮动结构 示意图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 第 2 章 超声波振动系统 超声波振动珩磨装置的 超声 振动系统主要由 超声发生器、 换能器 、 变幅杆 (又称振幅放大杆 )、弯曲振动圆盘、挠性 杆 油石座振动子系统组成， 参见图 动珩磨效果的好坏主要取决于振动系统能否将由超声波发生器输出的振动有效地通过各个环节传递到油石座上 (并且在传递 过程中具有最小的能量损失 )， 并使油石座在珩磨时产生脉冲切削力激发微细沟槽自成作用的活跃程度 。 各个传振环节的设计成了设计超声振动珩磨 工具的关键 。 超声波发生器 超声波发生器又称超声振动发生器， 作用是将 220V 或 380V 频率为 50 供给超声振荡系统使工具作往复振动 。 超声波发生器的工作原理 a ) 磁致伸缩型 b) 电致伸缩型 图 2超声波发生器原理图 推动 振荡 隔离 功放 换能器 电源 激磁 振荡级 放大级 功率级 超声 加工 换能器 电源 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 图 2磁致伸缩换能器 ， 图 2两种发生器不同之处是 a比 激磁的目的是为了使磁致伸缩换能器能具有良好的磁致伸缩效应 . 超声波发生器的工作原理是 :振荡极由三极管连接成回收振荡回路 ， 调节电路中的电容器可以改变输出的功率 ， 振荡极输出径耦合至电压放大极放大 ， 控制电压放大极的增益可以改变超声波发生器的输出功率 功率极常用多极并联推换输出 ， 经输出变 压器输出至超声波转换器 超声波发生器的选用 超声波发生器分为电子管型和晶体管型超声波发生器两种类型。由于晶体管型超声波发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需预热等优点，在该设计中采用晶体管型超声波发生器作为功率超声源，同时附加频率自动跟踪装置和振幅自动测量装置。根据所加工工件尺寸：直径为 90的孔径 ， 选择超声波发生器功能参数为： 功率： W 500W； 频率： f 20 换能器 换能器 是超 声设备的关键部件之一 ， 它 的作用是将超声波发生器产生的高频电振荡转换成超声频机械振动 。 换能器的 分类及 工作原理 目前使用的换能器主要有两种：一种是磁致伸缩换能器；一种是 压电 换能器。 （ 1）磁致伸缩换能器 磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体在变化磁场中所产生的磁致缩效应而制成的 。 所谓磁致伸缩效应就是指将铁磁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的现象 ， 也称焦耳效应 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 目前制造超声振动系统的换能器多用镍 。 镍除了具有较好的磁致伸缩效应外 ， 用纯镍片叠成封闭磁路的镍换能器 (由于事先处理好的镍片有 氧化绝缘薄膜层 )能减少高频涡流损耗 ， 而且这种换能器容易与振动系统的其他零件焊接 ， 工作性能稳定 ， 通常用于大、中功率换能器 。 最有前途的磁致伸缩材料是铁氧体 ，这种材料电声转换效率高 (80%)。 为了降低换能器的制造成本 ， 应使其尺寸规格化 ， 尽量减少镍片的品种 。 考虑到振动加工时最常用的工作频率在 20 22右 ， 若按单窗口计算 ， 可根据功率参考表 2择换能器的截面尺寸 。 表 2磁致伸缩换能器的截面尺寸（单位： 磁致伸缩换能器的最大优点是：在工作条件变化很大的情况下，切削力变化以及振动系统自身的一些变化对工具的振动形态影响小。此外由此组成的工具振动系统使用安全可靠，调整方便，容易掌握，故目前国内外仍较多使用。 （ 2）电致伸缩换能器 电致伸缩换能器是利用材料在电磁场作用下的压电效应而制成的。所谓压电效应是指在石英晶体、锆钛酸铅（ 钛酸钠（ 物质的两界面上加上一定电压后，材料将产生一定的机械伸缩效应，这种随所加交变电压换能器 功率 / 3030 3535 4545 5555 6060 757 5 8585 铁钴合金 2020 2525 3535 4545 5555 60 60 7070 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 材料而伸缩的现象称为压电效应 为压电效应的工作原理 : 图 2材料的压电效应原理 如果在两界面上加有 20交变电流，则该物质将产生相应频率的伸缩变形，使周围的介质以超声波频率振动。为了获得最大的超声能量（强度），应使晶体处于共振状态，故晶片的厚度做成声波半波长或其整数倍。 和磁致伸缩换能器比较，电致伸缩换能器尺寸小 ，瞬时输出功率达到 3540W/ ， 但连接振动时只能达到它的 1/5左右，即 。长时间地连续工作，由于发热会使它的性能明显下降。此外，电致伸缩换能器的机械强度低，工作时所加电压较高，并且因它的电压转换效率高，振动系统的设计、制造和调整精度的要求较高，所能适应的加工条件也相应地变小。采用这种换能器的工作振动系统，如果与换能器固有频率不能准确一致的话，超声波发生器的能量就不能传递到刀刃上。同时换能器与变幅杆之间的接合面以及其他接合面精度、连接螺纹加工精度都对振动有影响。 换能器的选择 磁致 伸缩换能器在五六十年代得到了广泛应用。这种换能器可以在工作条件变化很大的情况下使用，切削力的变动及振动系统本身的一些变化对工具振动形态影响较小；机械强度高，振动系统使用安全可靠，换能器寿命长；频率范围宽，因而工具在磨损范围较大的情况下，仍能找到谐振频率点；但转换效率低，一般情况下为 30左右；镍片价格昂贵：镍片换能器与变幅杆之间多采用钎旱连接：买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 一般情况下，采用循环水冷方式，因而要附加一个水冷系统。 压电换能器尺寸小，冷却散热条件要求低；电声转换效率可高达 88；但抗拉强度低，设计制造和调整精度要求较高，采用 这种换能器的工具振动系统，如果与换能器固有频率不准确一致，利用局部共振原理，也能制造出性能优良易于找到谐振频率的声振系统，以满足超声加工的需要；这种换能器的频率范围窄；价格便宜；冷却方式简单；换能器与变幅杆之间采用螺栓连接。 换能器与超声波发生器连接，需考虑到二者的匹配：（ 1）发生器的输入阻抗与换能器的动态阻抗一致；（ 2）是在额定输入电功率条件下，换能器输出的声功率最大。 考虑到以上特点，本设计采用压电换能器，固有频率为 20输出端振幅为 4m 5m。 。 其具体结构尺寸如下图 21 1 22 3 246607换能器 变幅杆 不论 电致伸缩 换能器 还是 磁致伸缩伸缩换能器，在高频电振荡作用下的伸缩变形 量 都很小 ，即使在共振情况下：其振幅也仅在 5 10 般在 4 5 要满足超声加工形成的必要条件，要求珩磨油石端的振幅至少要达到买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 10m。所以不能直接用来进行珩磨加工，因此必须通过变幅杆将振幅加以放大，变幅杆的放大倍数因变幅杆的结构形状不同而不同，一般放大范围在 10100 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 ： 221 （ 2 （ 2 式中： 能量密度 ； a 振 幅 ； k 系数， 2 ； （ 2 弹性介质密度 ； c 弹性介质的波速 ； 角频率 ， f 2 ； （ 2 f 频率。 所以，根据 式 （ 2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。 变幅杆的主要作用 总结 ：放大机械振动的位移或速度振幅，把能量集中在较小的辐射面上，即聚能作用 。 此外，它还是一种机械阻抗的换能器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。 变幅杆的材料 鉴于变幅杆在使用中的力学条件，其材料在选取时必须满足以下要求： （ 1） 在工作频率范围内材料的损耗小； （ 2） 材料的疲劳强度高，而 声阻抗小，以获得最大的振动速度和位移振幅； （ 3） 易于机械加工； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ （ 4） 做液体处理应用时，还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀； （ 5） 变幅杆材料应锻造，纤维伸长方向应与声传输线一致，以提高变幅杆的抗疲劳性能与声学性能。 表 2动传递系统和工具材料的性能及声速。 表 2 2 常用材料的声学特性 材料 密度 103( /杨氏模量 E 1016(N 抗拉强度 107( N 槽中纵波声速 c (m/s) 铝 0 5100 硬铝 0 52 5100 钛合金 0 108 4920 黄铜 0 32 50 3500 普通铸铁 14 10 40 3750 不锈钢 0 5200 工具钢 0 5200 45 钢 1 5169 铝镁合金 3 5200 硬质合金 14 15 7000 一般说来，钛合金的性能最好，但价格昂贵，且机械加工较困难；铝合金价格便宜，易于机械加工，但抗超声空化腐蚀较差；青铜损耗太大；故选取价格便宜，较易加工的 45钢、 6540进行调质处理以增加其强度和综合机械性能。 本次 设计选最常用的 45钢，并对其进行调质和氮化处理。 此外，变幅杆的材料还应进行探伤，以检查材料内有无裂纹和缺陷，否则声能就不能沿着声传输线传递、材料断裂或引起令人讨厌的噪声。因此，有裂纹和缺陷的材料必须报废 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 变幅杆类型的选择 变幅杆的种类很多，常用的主要有：阶梯型、锥形、指数型、悬线型、傅立叶型以及上述五种类型的组合 ， 如图 2 2同类型的变幅杆 的优缺点 详见表 2 表 2种常用变幅杆优缺点的比较 变幅杆种类 优 点 缺 点 阶梯型 造容易 一定时，振幅放大倍数 不适宜传递较大功率 圆锥型 相同时，放大倍数较小 指数型 困难 则振动无法传播 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 悬链线型 放大倍数大，允许 M=20 40 因应力过大而损坏 可以看出 不同形状的变幅杆性能也大不相同，以下因素也需充分考虑： （ 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 5 10 倍；指数型变幅杆的放大系数最大可达到 10 20 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 在 N 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 也最小。在面积系数 N 相同时，有 ： 圆锥 指数 悬链线 阶梯 综合考虑工作特性和应用场合，我在设计中采用加工较容易、频率稳定性好的圆锥型变幅杆。 下表 2表 2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 变幅杆类型 圆 锥 形 指 数 形 阶 梯 形 截面变化规律 ( )( )21 111s a a =221100 振幅放大倍数半波共振长度)222t a 1 )l k 程根=+ )2121224pl l + =位移节点0x0 a r c ta o x a r c0 0x =买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 符号说明 和 分别为变幅杆输入端和输出端面积； D和 出端直径 ； k=c， 为圆频率， =2 f ， f 为共振频率， c 为纵波在细杆中的声速 ， 平直细杆中的波长， ； 对指数变幅杆必须满足 2 ，即相应于 f 有一临界值 变幅杆 参数设计 本次设计我选用了圆锥形聚能器（变幅杆）。变幅杆直径的选择要兼顾效率和刚性两方面。直径大，刚性好，但能量损失大，一般使变幅杆大端与换能器尺寸相等或稍大。本设计选用的换能器端面直径为 52，故变幅杆大端直径选为 52，变幅杆小端直径 选 13。 （ 1） 变幅杆谐振长度的设计 有已知条件 可得 N 4，变幅杆材料为调质 45钢，纵波波速 c 5169m/s，频率 =20而求得 632 2 4 . 3 15 . 1 6 9 1 0 2 5 8 . 4 52 0 1 0= = =根据圆锥型变幅杆频率方程： 22t a n ( )1 ( )( 1 ) -（ 2 用数值分析法求得谐振长度 0( ) 3 8 6买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 代入谐振长度公式 2p l p=?得 1 4 9 8pl m m=（ 2） 位移节点0由于 0115 . 0 2 4 622 4 . 3 1ka r c t a = = =所以0 5 6 5 8c =，即节点的位置处于距大端 3） 放大系数 11c o s ( ) s i n ( ) 3 . 1 4 8 k l k lN k 犏= - ?犏臌（ 4） 形状因数 由应变极大值条件 ( ) ( )1 112a n k x a xk a x = ? （ 2 其中 0 . 2 0 3 8aa r c t a =从而可求得应变极大值点 0 3 8 7 1 8 9 . 4 6mx m m m= 形状因数 2 c o s ( ) 1 . 7 6 3c o s ( ) k lk k x qj q+=+ 至此，变幅杆的 基本外观尺寸 计算完毕 。 连接和固定方式 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 由于振动影响产生的力较大，变幅杆与振动圆盘和换能器的连接均采用螺纹连接，且接合面需研磨，换能器与定位套筒连接时，中间可加一橡胶垫圈以消振。 （ 1） 变幅杆和换 能器的连接 变幅杆大端面和换能器前盖板用双头螺钉紧固连接，为了使振动能量有效地从换能器传到变幅杆，且表面粗糙度不高于 R （ 2）变幅杆和振动圆盘的连接 在变幅杆小端留出螺纹头，振动圆盘装上以后靠紧固螺母压紧。 （ 3） 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，一方面要求振动波节处的法兰盘的刚性要好，另一方面又要求能量传到法兰盘上导致能量的损失，根据大量实验可知，振动波节厚度取（ 3 5） 至此，变幅杆的形状基本可以确定了。 如图 2 图 2幅杆 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 答辩无忧，值得下载！ 弯曲振动圆盘 弯曲振动圆盘的作用 弯曲振动圆盘位于变