旋转超声加工装置的设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 摘 要 旋转超声加工中刀具以一定超声频振动的同时还作相对于工件的旋转。刀具通常用低碳钢作为基体，表面涂覆或者烧结一层金刚石磨粒。因此转超声加工是一种结合了传统超声加工去除材料机理和金刚石磨抛作用的一种复合加工方法。与超声加工相比，旋转超声加工能够提供高的多的材料去除率，能加工更深的孔，及得到更高的加工精度，因此也得到了更为广泛的运用。若与数控技术相结合就可以用于进行硬脆材料的的成型加工。实践证明它是一种加工硬脆材料，如陶瓷、玻璃和岩石的有效方法。 超声加工装置由超声波发生器，换能器和变幅杆组成。而旋转超 声加工装置则需要进一步考虑如何实现旋转。本文在分析原有的超声加工装置的基础上，提出了一种新型的旋转超声加工装置，它可应用与数控机床与铣床上，并可实现主轴头的摆转，可以方便的加工斜面与斜孔。 关键词： 旋转超声加工 ， 加工 装置 ， 主轴摆转 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 on at is of or is a of it a to it to be a or as of to to of I be a of be it of in to 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 目 录 第 1 章 绪 论 . 5 声加工的提出及其分类 . 5 声振动装置及机床的研制进展 . 6 题的目的、意义及工作任务 . 9 题的目的、意义 . 9 题主要工作内容及任务 . 11 章小结 . 12 第 2 章 旋转超声加工装置的总体设计 . 13 声波加工原理及其特性 . 13 转超声加工的基本原理 . 15 声振动的捶击作用 . 15 刚石工具的磨抛作用 . 16 声空化作用 . 16 压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出 . 16 转超声振动加工装置的主要组成 . 17 超声波发生器 . 17 声换能器 . 19 声变幅杆 . 20 组成部分的连接与固定 . 22 . 22 幅杆的固定 . 23 声波发生器与超声振动系统的连接 . 23 转超声振动系统的设计 . 23 已有的超声加工装置进行分析 . 24 转超声加工机构装置结构上的实现方法 . 27 转超声加工装置的整体结构的初步设计 . 27 章总结 . 28 第 3 章 旋转超声加工装置细节性设计计算 . 29 知条件： . 29 声换能器设计 . 29 电陶瓷片的设计 . 29 后盖板的选材 . 30 心式换能器计算 . 31 幅杆设计 . 32 变幅杆的材料 . 32 幅杆参数设计 . 33 接及定位方式设计 . 38 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 外桶，端盖及密封装置设计 . 39 外筒设计 . 39 盖及密封装置的设计 . 39 兰盘设计 . 39 轴的设计 . 40 轴头摆转功能 实现的设计 . 41 致 谢 . 42 参考文献 : . 43 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1 绪 论 声加工的提出及其分类 随着 生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防 工业部 要 求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所用的材料愈来愈难加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精度、表面租糙度和某些特殊要求也愈来愈高。 传统的切削加工的本质和特点：一是刀具材料比工件更硬；二是靠机械能把工件材料切除。但当工件材料愈来愈硬，零件结构愈来愈复杂的情况下，原来行之有效的方法转变成限制生产率和影响加工质量的不利因素。于是人们开始探索、发掘用软 的工具加工较硬的工件材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声加工技术就是在此背景下发展起来的。采用超声加工，可以对上述难加工进行经济加工。实践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方法。 超声技术在工业中的应用开始于上个世纪 10 到 20 年代， 以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用领域可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声是利用超声振动形成的能 量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料） ，另一类是采用切削工具（如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方法相结合形成的超声复合加工，其分类繁多，参见图 1里只要讨论功率超声加工在孔及面磨抛方面的应用。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 声振动装置及机床的研制进展 超声振动系统主要由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动 系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式、设计计算、及其应用研究都取得了新的进展。 日 本成功研制成一种新型“纵 弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器 (压电振子 )，产生“纵 弯”型复合振动，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 日 本 金 泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。该设备将会 刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，并能检测钻孔力的变化以及钻孔精度 ,和孔 的表面质量。用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验，实验结果表明：将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。 我国东南大学研制了一种新型超声振动切削系统 。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点足：能量传递环节少，能量泄漏减小， 机电转换效率高达 90左右，而且结构简单、体积小，便于操作。沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，扭转变幅杆作纵向振动时在扭转变幅杆的小端输出沿圆周方向的扭转振动。镗刀与扭转变幅 杆之间 采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率 500W，频率为 16 23 有频率自动跟踪 工 能。 西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置 。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能 器 采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却 液；磨床连接系统由辅助需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适 合在生产中应用。 在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。美国 能公司先后制成 种超声旋转加工机。 主轴旋转精度 002 英寸，转速为 05000 转 /分，工具的最大尺寸为 38 毫米，在玻璃板上已加工出直径 米深达 305 毫米和直径 1 毫米深 300 毫米的孔。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法， 并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。 在第八届中国国际机床展览会（ ，德国 司展出了其新产品 声振动加工机床，该机床主轴转速 300040000r/别适合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料的加工。与传统加工方式相比，生产效率提高 5 倍，加工表面粗糙度 m，可加 工 密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。 国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工 光晶体棒的V 超声旋转加工实验样机，已成功用于 光晶体棒的成行加工。该机工作频率 7率 400W，加工晶体棒直径 3 10工精度：圆度 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 。 组成部分的连接与固定 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。 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，变幅杆的大端 面与其中心线的垂直度误差应小于 且表面粗糙度不高于 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 幅杆的固定 在超声加上中，不仅要求变幅杆的位移 节 点 位置 要清晰准确，而且要允许将振动系统固定到相对静止的支架上，而使声能耗散最小、振动频率保持不变，不会影响振动系统的声阻抗 。一般 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。在兼顾刚性与能量损失的情况下 ， 振动波节厚度取（ 3 6） 较合适。 声波发生器与超声振 动系统的连接 超声振动 系统在工作时随主轴高速旋转，如何将超声波发生器输出的高频电振荡信号可靠地传递到高速旋转的换能器中是非常重要的，可通过引电装置组件来实现其间传递，且引电装置并不随机床主轴一起旋转 。 它一般分为接触式和非接触式两种，其中接触式引电器分为刷环式，刷束式以及水银式三种，非接触式引电器分为感应式和电容式两种 。 本文采用集流环 、 碳刷式引电装置组件 。 该引电装装置组件中的导电环材料为银铜合金，碳刷材料为银石墨，弹簧为铍青铜，冷却方式为空冷，绝缘体是经机械加工而成 。 其结构，如图 2图 2刷 式引电装置 转超声振动系统的设计 各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加工 装置结构都具有共性，以下就通需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 过 对已有的超声钻削、磨削等几种加工装置进行研究，完成本课题装置的设计开发。 已有的超声加工装置进行分析 1）旋转超声加工磨削装置 图 2图 2示为超声旋转磨削加工装置。它由 碳刷铜环、碳刷、超声波发生器、装置外壳、压电陶瓷换能器、主轴、工具磨头、变幅杆、轴承、底座等零部件组成，工具磨头右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。主轴与电机是通 过联轴器连接的，而变幅杆上的联接法兰用于连接变幅杆与主轴，设计时将联接法兰设计在零节面位置。在主轴端面的橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。工具磨头通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上。整个超声旋转加工磨头利用磨头体底座安装在平面磨床磨头上，借助平面磨床原有 3个方向的进给运动，实现对工件的超声旋转磨削加工。 工作时由电机通过联轴器驱动主轴以及与之连接在一起的变幅 杆 和工具磨头旋转：同时在外部超声波发生器的激励下，压电陶瓷换能器产生高频振动，其振幅在经过变幅杆进行放大后，作用在工具磨头上。从而使 刀具既具有旋转运动，也具有轴向超声振动。与专用磨床的主轴结构相比，该磨头具有结构简单、成本低等优点。 2）摇臂钻床辅助超声加工装置 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 、 3推力轴承 4集流环 5集流环支架 6压电 陶瓷 换能器 7变幅杆 8 钻夹头 9钻头 10碳刷 11 超声波发生器 图 2工作时，来自超声波发生器的励 振和励磁电流通过碳刷 引入集流环，再经过钎焊在集流环上的导线与可回转的压电陶瓷换能器相接。换能器的输出端通过螺钉与锥形变幅杆的输入端相连，变幅杆的输出端 采用螺纹与钻夹头连接。超声振动装置 的旋转通过集流环和碳刷结 构 来 实现。为了将超声波发生 器 的励振、励磁电流可靠地引入压电陶瓷换能器，将碳刷、碳刷座、弹簧等零件安装在机床主轴的静止端面上，而将集流环及其支架 固定 在 主轴上 。这 种 结构不仅可确保碳刷和集流 环 在高速旋转时实现可靠接触，而且可有效防止集流环松动：此外，该结构并不影响压电陶瓷换能器的阻抗，只要碳刷和集流 环 接触良好、弹簧施加在碳刷上的压力适当， 就能杜绝放电现象。 3）数控铣床上搭建的超声加工装置 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1电机 2联轴器 3主 转轴 4内滚筒 5轴承 6装置外壳 7传振杆 8换能器 9 电刷 10铜 环 11尼龙套 1 2风扇 13 聚 风 罩 14锁紧螺母 15水套 图 2床上搭建的旋转超声加工装置 工作原理：变频器控制电动机 1的转向与转速，电动动机 1通过联轴器 2带动主转 轴 3 转动；主转轴 3通过螺钉与内滚筒 4相联，内滚筒 4通过轴承 5在装置外壳 6中转动；内滚筒 4 与在传振杆 7 波节点处设计的圆形凸缘通过螺钉联结，当内滚筒转动时，带动传振杆与其一起转动；传振杆上端接换能器 8，下端通过螺纹可以连接各式变幅杆与工具头。这样装置的旋转运动通过电动机、联轴器、主转轴、内滚筒、传振杆与变幅 杆 最后传递到工具头。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 转超声加工机构装置结构上的实现 方法 1) 超声振动装置 的旋转通过集流环和碳刷结构 来 实现。为了将超声波发生 器 的励振、励磁电流可靠地引入压电陶瓷换能器，将碳刷、碳刷座、弹簧等零件安装在机床主轴的静止端面上，而将集流环及其支架 固定 在 主轴上或压装在刀柄上 。 2) 为了保证装置的旋转精度要选用滚动轴承来保证，或者振动装置固结在内滚筒 上，内滚筒在外滚筒内旋转。 3) 轴与内筒通过法兰盘用螺钉进行连接，或轴上制螺纹用螺母固定内筒 。 4) 内筒与外筒间的定位靠套筒，和自身做出的肩部 。 5) 振动系统的冷却用自然风冷或用电扇吹风散热。 转超声加工装置的整体结构的初步设 计 结合 以上对现有旋转超声加工装置的分析， 并结合山东威达重工股份有限公司党金行设计的新型铣床主轴头的设计， 可完成 旋转超声加工部分 的总体 设计 。 a. 超声 振 动 系统 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 b. 主轴摆转的实现 图 2轴头可摆转的旋转超声加工装置 如图 a 所示 声振系统与内滚筒通过法兰相连接，内筒在外筒内旋转，之间用轴承做支撑，以提高其旋转精度。如图 b 所示 悬臂轴的大端固装在连接板上，悬臂轴的另一端插入箱体的内腔，悬臂 轴与箱体 相对旋转连接；悬臂 轴上固装有 蜗 轮，箱体中安装有蜗杆，蜗杆与箱体为相对旋转连接，蜗 轮与蜗杆形成 蜗轮 蜗杆副机构，箱体装配在连接板上并与之相对旋转连接。 在切削过程中，如果需要加工斜面或斜孔时只要把 T 型螺栓松开，旋转蜗杆即可使主轴头倾斜，从而实现加工斜面和斜 孔 的需要。 章总结 本章 对超声加工的基本原理进行了分析，并对各组成部分 换能器，变幅杆进行了分析。并分析了已有超声加工装置进行了分析，明了了各部分的连接，及超声加工装置的旋转的实现。最后提出了一种可与数控机床连接或搭建在铣床上的装置。 其可以实现旋转超声加工，且可以实 现主轴头的摆转，以方便加工斜面和斜孔。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 第 3 章 旋转超声加工装置细节性设计计算 知条件： （ 1） 选择超声波发生器功能参数为 ： 功率： p 500W； 频率： f 20 （ 2）电动机 ,选择伺服电动机， 转速 03000r/率 10声换能器设计 本设计采用夹心式压电超声换能器结构如图 3示， 主要由三部分组成， 即压电陶瓷元件、金属后盖板以及金属前盖板。 换能器通过预应力螺栓将压电陶瓷圆环 和前后盖板连接起来，整个振子的长度等于基波的半波长。 图 3电陶瓷片的设计 1) 材料选择：本文设计的换能器压电陶瓷晶片选用 要是考虑其具有高的机电耦合系数、低的介电损耗，并且介电损耗和机械耗损在高电压和高温情况下变化较少等因素。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 2) 1. 直径的确定 按照纵振换能器的设计要求，陶瓷片的等效直径 其 中 传 播 波 长 的 1/4 ， 由 纵 波 在 薄 板 中 波 速 方 程 计算声 速 c 103m/s，所以波长 c/ f =10此陶瓷片的直径D虑陶瓷片内孔的存在，陶瓷圆环外经可稍大些，再考虑换能器的尺寸和市场上陶瓷片供应情况，取 D=50 3) 厚度 对于厚度伸缩的 压电振子，要求 t/D 里取 t=6。 4) 内径 根据夹心式换能器设计要求和市场供应情况，选择 d=10 5) 片数 m 的确定 压电陶瓷晶堆的体积与该材料的功率容量决定了压电换能器的输出功率大小。对于选择材料 率容量 23W/上面选择的陶瓷参数，单片体积 V (t/4=文设计换能器功率为 P=1000W，则片数 m， m=p/ 考虑制作工艺的问题，以及陶瓷片成对出现的需要， m 取 4。由此确定了 50 20 6。 后盖板的 选材 通过合理选择换能器前盖板的材料、几何尺寸和形状等要素，可以实现将换能器产生的绝大部分能量从它的纵向前表面高效的辐射出去。同时，前盖板还是一个阻抗变换器，将负载阻抗 变换成压电陶瓷元件所需要的阻抗，以提高换能器的发射效率，保证一定的频带宽度。换能器的后盖板的作用主要是实现换能器的无障板单向辐射，以保证能量最小限度地从换能器的后表面辐射出去，从而提高换能器的前向辐射功率。前、后盖板的选材应遵循如下几个基本原则： 1. 在换能器的工作频率范围内，材料的内部机械损耗应该越小越好； 2. 材料的机械疲劳强度高，而声阻抗率应较小； 3. 材料价格低廉，易于加工。 因此，在设计功率超声加工用换能器时，综合考虑以上因素，选择后盖板为经过调质处理的铬钢，前盖板为铝材。根据 动量守恒定律，换能器前后的动量要相等，位移振速与需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 密度成反比，这样就能保证前、后盖板的位移振幅比值达到 3:1，从而保证换能器的前表面将辐射出能量的绝大部分。 心式换能器计算 本文设计图 3示夹心式换能器，前、后盖板采用直圆柱状，将半波长的换能器的结点安排在前盖板和陶瓷晶堆之间，位移节面的存在，将半波长换能器振子分成两个四分之一波长的振子 。 3心式换能器设计简图 忽略等截面的前、 后盖板负载阻抗及换能器各部分材料的损耗， 由传输线理论 前后盖板的等效阻抗分别为： Z1=Z2= 由于位移节面处的位移振速为零，因此对于左边四分之一波长的振子来说，其等效电路可以看成是开路的，由此，其回路电抗为零，即 1+3)=0 入各阻抗值，可得频率方程 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 0 1 中： 为材料密度 c 波速 s 截面积 而换能器材料特性如下表 3部件名称 材质 密度 (kg/纵波波速 c (m/s) 机电耦合系数 压电陶瓷 0 3 0 3 盖板 硬铝 0 3 0 3 后盖板 45#钢 0 3 0 3 其中， 四片陶瓷片及四片铜电极的总厚度，设计用铜片厚度为 4 (6+ 入式 得 于节面右边四分之一波长振子，即前盖板的长度 /4=而，半波长换能器总长度 l=l0+l1+ 幅杆设计 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； （ 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 3动 传递系统和工具材料的性能及声速。 表 3 2 常用材料的声学特性 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 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 。 幅杆参数设计 为了研究方便，现给出几个假设（在杆的横截面尺寸远小于波长时，这些假设是允许的）： 变截面杆由均匀、各向同性材料构成； 机械损耗很小，可以忽略不计； 杆中通过的弹性波的波阵面是平面，即在杆的横截面上应力分布是均匀的； 平面纵波沿杆轴向传播。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 具体计算如下：对于一变截面杆，其对称轴为坐标轴 x ，作用在小体积元 ( ， )上的张应力为 ， 根据牛顿定律可以写出动力学方程： 2)( 式中 A 杆的横截面积函数， A=A(x)； 质点位移函数， = (x)； 应力函数， ； E 杨氏模量； 杆材料的密度。 上式就是变截面杆纵振动的波动方程。这样我们便可以利用该式来分析各种类型的超声变幅杆了。 在简谐振动的情况下 ，变截面杆纵振动的波动方程为： 01 222 K 圆波数， K c ； c 纵波在杆中的传播速度， /； A 杆的横截面积函数， A=A(x)； 质点位移函数， = (x)； + 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 应力函数， ； E 杨氏模量； 杆材料的密度。 下表 3表 3变幅杆类型 圆 锥 形 指 数 形 阶 梯 形 截面变化规律 ( )( )21 111s =221100 振幅放大倍数需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 半波共振长度(由下式求出 2 )2p Nl l p=+121224pl l + =位移节点0x0 a r c ta o x a r c0 0x =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， ； 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： 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 22t a n ( )1 ( )( 1 ) 0( ) 3 8 6代入谐振长度公式 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 ta = = =所以 节点的位置处于距大端 3） 放大系数 代入放大系数公式的 4） 形状因数 由应变极大值条件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 。 又考虑换能器的外径， 以及与变幅杆固结在一起的法兰与内筒的连接。当确定了内筒的内径则也可确定。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 接及定位方式设计 传统超声变幅杆的径向定位靠一段圆柱面， 超声 能量传递主要靠大圆柱的上端面与其他构件进行紧密配合进行。对于传统超声加工， 由于主轴不回转， 这样的结构能够满足联接和超声能量传递要求。但对于旋转超声加工， 由于变幅杆与其他构件的联接是螺纹联接， 以圆柱面定位只能采用数值较大的间隙配合， 导致变幅杆与联接构件同轴度较差， 因而该联接结构便不能满足旋转超声加工的回转精度要求， 特别是两级或多级变幅杆联接之后， 工 具端面的径向跳动较大。 清华大学戴向国、傅水根等人提出了两面定位的超声变幅杆结构 利用圆锥面进行径向定位， 利用圆锥面和大圆柱的上端面与构件之间的紧密配合进行超声能量传递。两面定位系统是过定位系统， 虽然给加工和装配带来一定的难度 （如需通过配作满足加工要求） ， 但该结构能够满足超声能量传递的特定声 学要求， 在特定情况下采用还是必要的。而且实验证明该结构较好地满足了旋转超声加工的各方面要求。 在此次设计中采用此两面定位机构。该结构如下图 3示 图 3面定位的变幅杆结构示意图 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 外桶，端盖 及密封装置设计 外筒设计 1) 内筒内径 d 已经 知道换能器外径为 52能器上有外伸的电极，在考虑换能器与内筒间必须的间距，因此间距取为 5此内筒内径可取为 d=62 2) 内筒长度 L 内筒内要伸入轴，伸入的轴上装有换能器，锁紧螺母，再考虑换能器与轴之间的间隙，内筒长度总计取为 214 3) 内筒厚度 m 内筒外侧要进行铣削以安装轴承，而且其上要钻螺钉孔以进行连接，因此内筒厚度铣削过的为 14上安装的轴承内径 d 同时也定为 90取角接触球轴承，其安装尺寸为 99此内筒未加工前尺 寸为 99 4) 内筒外部安装轴承段的长度 考虑轴承的宽度为 24盖用来定位轴承的外伸端取为 8总长度为 32此内筒尺寸设计完成。 而外筒 借鉴 内筒的设计并考虑内外桶共同配合实现轴承的定位，因此外筒尺寸也可以确定。如所绘图所示。 盖及密封装置的设计 端盖