旋转超声加工装置的设计[含CAD图纸和说明书等资料]
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共43页)
编号：21896922
类型：共享资源
大小：1.63MB
格式：ZIP
上传时间：2019-09-09
上传人：好资料QQ****51605
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
50
积分
- 关 键 词：
-
含CAD图纸和说明书等资料
旋转
超声
加工
装置
设计
cad
图纸
以及
说明书
仿单
资料
- 资源描述：
-
【温馨提示】 dwg后缀的文件为CAD图，可编辑，无水印，高清图，压缩包内含CAD图的预览图片，仅用于预览，压缩包内文档可直接点开预览，需要原稿请自助充值下载，请见压缩包内的文件及预览，所见才能所得，请细心查看有疑问可以咨询QQ：414951605或1304139763
- 内容简介：
-
43河南理工大学本科毕业设计论文摘 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AbstractRotary ultrasonic machining superimpose rotational movement on the tool head that vibrates simultaneously at ultrasonic freqency .The tool is made of mild steel coated or bonded with diamond abrasive.so is a hybrid machining process which combines the material removal mechanisms of conventional ultrasonic machining and diamond pared with ultrasonic machining ,it can provide a much high material removol,deep holes,and fine precision,which leads to its further application. And it has been proved to be a promising and cost-effective machining method or hard and brittle materials, such as engineering ceramic, glass, stone,. Ultrasonic machining equipment consists of ultrasonic generator，transducer and hornRotary ultrasonic machining need to consider how to realize the rotate of the device.In this paper ,I analyse the device which have be designed,and put forward a newt vibrating system of rotary ultrasonic machiningequipment.It can be assembled on the numerical control machine， vertical milling machine. And it also can realize the wiggle of the device,in order to machine inclined hole and face conveniently.KEY WORDS：rotary ultrasonic machining process device spindle swinging目 录第1章 绪 论51.1超声加工的提出及其分类51.2超声振动装置及机床的研制进展61.3选题的目的、意义及工作任务101.3.1选题的目的、意义101.3.2课题主要工作内容及任务121.1本章小结12第2章 旋转超声加工装置的总体设计132.1超声波加工原理及其特性132.2旋转超声加工的基本原理152.2.1 超声振动的捶击作用162.2.2 金刚石工具的磨抛作用162.2.3 超声空化作用162.2.4液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出172.3旋转超声振动加工装置的主要组成182.3.1 超声波发生器182.3.2超声换能器192.3.3超声变幅杆212.4 各组成部分的连接与固定232.4.1变幅杆和换能器的连接232.4.2变幅杆的固定232.4.3超声波发生器与超声振动系统的连接242.5旋转超声振动系统的设计242.5.1对已有的超声加工装置进行分析242.5.2旋转超声加工机构装置结构上的实现方法282.5.3 旋转超声加工装置的整体结构的初步设计283.6本章总结29第3章 旋转超声加工装置细节性设计计算313.1已知条件：313.2超声换能器设计313.2.1压电陶瓷片的设计313.2.2前后盖板的选材323.2.3夹心式换能器计算333.3变幅杆设计343.3.1 变幅杆的材料343.3.2变幅杆参数设计363.3.3连接及定位方式设计403.4内外桶，端盖及密封装置设计413.4.1 内外筒设计413.4.2端盖及密封装置的设计423.4.3 法兰盘设计423.5主轴的设计423.6主轴头摆转功能实现的设计43致 谢45参考文献:461 绪 论1.1超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 1-2。这里只要讨论功率超声加工在孔及面磨抛方面的应用。 1.2超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1623 kHz，具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Branson 声能公司先后制成 UMT-3 和 UMT-5 两种超声旋转加工机。 UMT的主轴旋转精度 0.0010002 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 1.6 毫米深达 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（CIMT2003）上，德国 DMG 公司展出了其新产品 DMS35 Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min，特别适合陶瓷、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 Ra0.2m，可加工 0.3mm 精密小孔，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 YGA 激光晶体棒的T3030-3/ZV超声旋转加工实验样机，已成功用于 YAG 激光晶体棒的成行加工。该机工作频率 7-22KHz，功率 400W，加工晶体棒直径 310mm，加工精度：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。2.4 各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。2.4.1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，变幅杆的大端面与其中心线的垂直度误差应小于0.015mm，且表面粗糙度不高于Ra0.4mm。2.4.2变幅杆的固定 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（36）mm比较合适。2.4.3超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2-5所示图2-5 碳刷式引电装置2.5旋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。2.5.1对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2-6旋转超声加工磨削装置图2-6所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l主轴2、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2-7摇臂钻床辅助超声加工装置工作时，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2-8 铣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。2.5.2旋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。2.5.3 旋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b. 主轴摆转的实现图2-9主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。2.6本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。第3章 旋转超声加工装置细节性设计计算3.1已知条件：（1）选择超声波发生器功能参数为： 功率：p500W； 频率：20kHz； （2）电动机 ,选择伺服电动机，转速03000r/min 功率10kw3.2超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3-1所示， 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3-1夹心式超声换能器简图3.2.1压电陶瓷片的设计1) 材料选择：本文设计的换能器压电陶瓷晶片选用 PZT-8陶瓷，主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。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D至少应小于超声波在其中传播波长的1/4，由纵波在薄板中波速方程 计算声速 c3.3103m/s，所以波长 c/ f =16.510-2m。由此陶瓷片的直径D4.125cm，考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=50mm。 3) 厚度t的确定 对于厚度伸缩的TE型压电振子，要求t/D0.1，这里取t=6。 4) 内径d的确定 根据夹心式换能器设计要求和市场供应情况，选择d=10mm。 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PZT-8，功率容量Pd按23W/cm3KHz计算。由上面选择的陶瓷参数，单片体积V(D2-d2)t/4=9.9cm3，本文设计换能器功率为P=1000W，则片数m，m=p/pdfv=2.5 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 PZT-8陶瓷片的尺寸参数为 50206。3.2.2前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。3.2.3夹心式换能器计算本文设计图 3-2 所示夹心式换能器，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。3-2 夹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=j1c1s1tan(k1l1) Z2=j2c2s2tan(k2l2) 3.1 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 im(Z1+Z2+Z3)=0 3.2代入各阻抗值，可得频率方程 tan(kel0)tan(k1l1)=0c0s0/1c1s1 3.3其中：k为机电耦合系数为材料密度c 波速s 截面积而换能器材料特性如下表3-1所示部件名称材质密度 (kg/m3)纵波波速c (m/s)机电耦合系数压电陶瓷PZT-87.51033.31034.5前盖板硬铝2.71035.1103后盖板45#钢7.81035.1103其中，l0 为四片陶瓷片及四片铜电极的总厚度，设计用铜片厚度为0.3mm，则l04(6+0.3)25.2mm。代入式3.1，解得l1=17.8mm 对于节面右边四分之一波长振子，即前盖板的长度l2=/4=63.8mm因此从而，半波长换能器总长度l=l0+l1+l2=106.8mm。3.3变幅杆设计3.3.1 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3-2列出了超声加工变幅杆，振动传递系统和工具材料的性能及声速。 表32 常用材料的声学特性材料密度103(/m2)杨氏模量E 1016(Nm2)抗拉强度107( Nm2)槽中纵波声速c(m/s)铝2.87.2105100硬铝2.87.240525100钛合金4.512.07901084920黄铜8.61032503500普通铸铁7.281410403750不锈钢7.920.5705200工具钢7.920.570520045 钢7.920.92615169铝镁合金2.667.20335200硬质合金141572.00-7000一般说来，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、65Mn、40Cr替代，并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。3.3.2变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。具体计算如下：对于一变截面杆，其对称轴为坐标轴，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： 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： 式中 圆波数，；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)；应力函数，；E杨氏模量；杆材料的密度。下表3-1为几种常用变幅杆的主要设计公式表3-1常用变幅杆参数设计计算公式变幅杆类型圆 锥 形指 数 形阶 梯 形截面变化规律振幅放大倍数半波共振长度l=(kl)0/2根(kl)0由下式求出位移节点符号说明和分别为变幅杆输入端和输出端面积；D和d分别为变幅杆输入、输出端直径 ；k为波数，k=，为圆频率， =，为共振频率，c 为纵波在细杆中的声速 ，平直细杆中的波长，；N为面积系数， 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N4，变幅杆材料为调质45钢，纵波波速c5169m/s，频率=20khz，从而求得根据圆锥型变幅杆频率方程： 用数值分析法求得谐振长度 代入谐振长度公式 得（2）位移节点的设计由于 所以C0=56.2258，即节点的位置处于距大端56.2258mm（3）放大系数代入放大系数公式的mp=7.148（4）形状因数由应变极大值条件从而可求得应变极大值点形状因数至此，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。3.3.3连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3-1所示图3-1两面定位的变幅杆结构示意图3.4内外桶，端盖及密封装置设计3.4.1 内外筒设计1) 内筒内径d 已经知道换能器外径为52mm，换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5mm，因此内筒内径可取为d=62mm。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214mm。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14mm，其上安装的轴承内径d同时也定为90mm。选取角接触球轴承，其安装尺寸为99mm，因此内筒未加工前尺寸为99mm。4) 内筒外部安装轴承段的长度 考虑轴承的宽度为24mm，端盖用来定位轴承的外伸端取为8mm，则总长度为32mm至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。3.4.2端盖及密封装置的设计端盖由于要考虑到内筒与外筒之间的旋转，及变幅杆为锥形面，因此端盖及密封装置必须与变幅杆上的法兰平齐，密封采用密封环，具体结构见图纸。3.4.3 法兰盘设计法兰盘厚度取为9mm，上面制有铰制孔，以进行定位和连接。考虑到无需密封铰制孔设定为四个。且法兰盘凸缘对轴承有定位作用。3.5主轴的设计带传动传动比取为i=21) 求出轴上的功率p1、转速n1、转矩T1取带传动效率为1=0.92则p1=p*1转速n1=n1*1/2T1=9550000 p1/ n12) 初步确定轴的最小直径按照下式初步估算轴的最小直径dmin=A03p1/ n1选取轴的材料为45钢，调质处理，由表取A0=112又考虑轴要与轴承的孔径相配合，故需同时选轴承型号，综合考虑得d=30mm3) 轴的结构设计a) 轴上零件： 轴上装有圆螺母，止动垫圈，法兰盘，集流环支架，大带轮，套筒及轴承。b) 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：轴承选用角接触球轴承7000型，其尺寸为d*D *B=30mm*55mm*13mm；轴承与带轮间靠套筒定位，考虑到带轮的定位，需制出轴肩，则带轮的安装d直径可取为34mm，由带轮的设计尺寸宽度取为1.5d=51mm；考虑带轮与箱盖之间的距离取为16mm，则定位套筒长度取为20mm。计入带轮定位所需的外伸长度6mm，则d=30mm段长度为45mm，d=34mm段长度为47mm；考虑到带轮的定位
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号