（机械制造及其自动化专业论文）超声波珩齿传递系统的振动特性及结构设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 超声波珩齿传递系统的振动特性及结构设计 摘要 齿轮制造工艺始终是机械制造领域重点关注的一个课题。迅速发展 的汽车、机床、航空航天等工业部门对齿轮传动性能提出了越来越高的 要求。齿轮啮合时，除了要满足高承载能力的强度要求外，还应保持高 速、高精度和低噪声，这只能在具有先进的硬齿面齿轮制造工艺技术时 才能实现。因此，研究高精度、高效率的硬齿面齿轮加工方法是机械制 造业面临的迫切任务。 硬齿面齿轮超声波平行轴珩齿机理的研究，是在长期从事超声波理 论和应用及硬珩齿工艺和刀具研究的基础上提出来的。将超声波理论应 用于硬珩齿加工过程，利用其高频振动提高了珩削速度，使珩齿工艺的 特点得到充分的发挥，同时也拓宽了超声波理论的应用领域。本文针对 超声波平行轴珩齿课题作了如下研究。 首先，论述了珩齿工艺与超声波加工技术及其应用。为超声波平行 轴硬珩齿加工工艺的提出提供理论基础。 其次，讨论了超声波加工的基本原理及其设备，并在此基础上阐述 了超声波珩齿的加工原理与超声波珩齿加工系统的组成。 接下来，在分析超声波传递系统的振动特性的基础上对其进行了结 构设计。主要包括了换能器与变幅杆的振动特性与结构设计，并推导分 析了换能器与变幅杆的振速与应力分布。 最后，针对超声波珩齿装置运用u g 软件进行了计算机辅助设计。运 用m a s t e r c a m 软件进行了计算机辅助制造，并通过后处理模块生成加工 太原翌l q 大学倾二 一研究生学位论文 变幅杆的数控程序。为变幅杆曲线部分的加工提供参考。 关键词：超声波，珩齿，变幅杆，换能器，振动特性 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d s t r u c t u r a ld e s i g no ft r a n s m i s s l 0 ns y s t e m i nu i j r a s o n i cg e a rh o n i n g a b s t r a c t g e a rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sa l w a y sa t o p i cc h i e f l yc o n c e r n e do n m a c h i n em a n u f a c t u r i n gf i e l d g e a ri sm o r ea n dm o r eh i g h l yr e q u e s t e di n t r a n s m i s s i o no fm o t i o n ，i no r d e rt os a t i s f yq u i c k l yd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l s e c t i o ns u c ha sa u t o m o b i l e ，t o o lm a c h i n ea n da v i a t i o na e r o s p a c e w h e n e n g a g i n g ，i na d d i t i o nt os a t i s f yt h es t r e n g t ho fh i g hl o a d i n g ，g e a rs h o u l da l s o k e e ph i g hs p e e d ，t h eh i g ha c c u r a c ya n dt h el o wv o i c e ，w h i c ho n l yc a nb e c a r r i e do u tb yu s i n ga d v a n c e dg e a rm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y t h e r e f o r e s t u d y i n gi nm a n u f a c t u r i n gg e a rw h o s et o o t hf a c ei sh a r dh i 【g ha c c u r a c y ， h i g h - e f f i c i e n c yi st h eu r g e n tm i s s i o ni nm a c h i n em a n u f a c t u r i n g t h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i ch o n i n gw i t hp a r a l l e la x e si sp r e s e n to nt h e f o u n d a t i o nt h a tp e o p l ee n g a g ei nu l t r a s o n i ct e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o na n d s t u d y i n gh a r dh o n i n ga n di t sk n i f et o o lo v e ral o n gp e r i o d u l t r a s o n i cw a v e a c t e do nt h ep r o c e s so fg e a rh o n i n gr e vu pt h ev e l o c i t yo fh o n i n gb yh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o no fi t ，t a k i n gf u l la d v a n t a g eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f h o n i n g t e c h n o l o g y ，a l s oo p e n i n gw i d e l ya p p l i c a t i o nf i e l do fu l t r a s o n i ct e c h n i q u e b a s i n go nh o wt or e a l i z et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cp a r a l l e ls h a f tg e a rh o n i n g t h i sp a p e rm a k e sf o l l o wr e s e a r c h f i r s t l y ，t h et e c h n i q u eo fh o n i n gg e a ra n du l t r a s o n i cm a c h i n i n ga r e d i s c u s s e d t h a tp r o v i d e st h e o r e t i cf o u n d a t i o nt or e a l i z eu l t r a s o n i cp a r a l l e l s h a f tg e a rh o n i n g 太原理工大学硕士研究生学位论文 s e c o n d l y ，t h i sp a p e rm e n t i o n st h ep r i n c i p l ea n de q u i p m e n t so fu l t r a s o n i c m a c h i n i n g ，a n dg i v e st h er e p r e s e n t a t i o no fp r i n c i p l ea n da t t a c h m e n t so f u l t r a s o n i ch o n i n g a n dt h e n ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h et r a n s m i s s i o n s y s t e m o fu l t r a s o n i c h o n i n gi sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gt h ef r e q u e n c yc o n d i t i o no fu l t r a s o n i c h o n i n g t h i sp a r tm a i n l yc o n s i s t so ft h ef r e q u e n c yc o n d i t i o na n dc o n s t r u c t i o n d e s i g no fu l t r a s o n i ca m p l i t u d et r a n s f o r m e rb a ra n dt h a to fu l t r a s o n i c t r a n s d u c e r a l s ot h ed i s t r i b u t i o no fv i b r a t i o n v e l o c i t ya n dt h a to fs t r e s si s i n v o l v e d f i n a l l y ，t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g no fu l t r a s o n i ch o n i n gs y s t e mi su s e d o nu gi n t e r f a c e ，a n dt h ec o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r eo ft h a to nm s t e r c a m i n t e r f a c e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c h o n i n g ，h o r n ，e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e ，v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c v 太原理： 大学硕士研究生学位论文 符号说明 超声波传播速度 波长 频率 沿厚度方向的伸缩应变 沿厚度方向的压电常数 沿厚度方向所加电压 压电片厚度 应力 弹性力 轴上任意位置x 处的截面积 杨氏弹性模量 波数 换能器各个部分的特性声阻抗 换能器前表面振速 换能器表面的输入阻抗 换能器尾端振速 变幅杆的放大系数 形状因数 表示变幅杆的总长度 双曲函数形变幅杆的大端面直径 双曲函数形变幅杆的小端面直径 变幅杆大端面的面积 变幅杆小端面的面积 v 【 c 兄 厂墨屯 ， r fy 乙 _ 乙 吖 妒，b民邑瓯 声明 y 9 7 9 3 5 2 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：堡塑生日期：迎堑堂 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：丞垒鲨日期：! 型：! ：丝 导师签名：墨! 二邑日期：垫! ：竺丝 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 齿轮是动力传输的核心元器件，在国民经济各行各业中不可或缺。因此，齿轮制 造工艺始终是机械制造领域重点关注的一个课题。迅速发展的汽车、机床、航空航天 等工业部门对中小模数齿轮不仅在数量上，更在传动性能上提出了越来越高的要求， 齿轮啮合时，除了要满足高承载能力的强度要求外，还应保持高速、高精度和低噪声， 这只能在具有先进的硬齿面齿轮制造工艺技术时才能实现。因此，研究高精度、高效 率的硬齿面齿轮加工方法，提高硬齿面齿轮的精密加工技术及应用水平，为传统工业 及高新技术产业发展提供有力的支持是机械制造业面临的迫切任务“”。 现行的高精度淬硬齿面齿轮精加工方法采用软珩齿或磨齿。这两种方法各有优缺 点，软珩齿加工只能保证表面质量，具有较高的加工效率，但无法修正齿形误差。磨 齿加工在满足齿形精度要求的同时，可使齿面具有低的表面粗糙度值，但生产效率低， 使得生产成本大幅增加，产品的市场竞争力下降。 硬珩齿工艺是在定中心距加工方式下采用硬珩轮珩齿，克服了软珩齿和磨齿的缺 陷，就加工效益、加工质量和经济性而言，均可以达到令人满意的效果。如果硬珩轮 珩齿技术能在生产中推广使用，将综合软珩齿与磨齿技术的优点，使中小模数齿轮的 精密加工技术产生质的飞跃。 在硬珩齿过程中，硬珩轮具有很好的刚性，齿轮被加工后，不仅表面质量明显改 善，而且齿形误差、齿向误差、径向跳动和周节累积误差等各项误差均得以修正，加 工效率也显著提高。”。美英德r 等发达国家已推广使用硬珩齿技术。实践证明，此技 术可加工出6 7 级精度的硬齿面齿轮，单件工时仅i 2 分钟，齿面粗糙度值r a 0 5 o 6 3um 。 由此可见，研究硬珩齿机理及其刀具，丌发新型齿轮精加工机床和加工方法，对 改善现阶段我国中小模数硬齿面齿轮精密加工状况具有重要的意义，亦将满足社会与 科技发展对高精度、高表面质量精密齿轮的需要，并解决当前精密齿轮加工效率低的 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 问题。这项技术的应用，必将导致国内齿轮精加工技术发生巨大变化，对国民经济及 社会发展，对本学科及相关学科的发展起到积极的促进作用。 超声波平行轴硬珩齿方法的提出及对其加工机理的研究，不是孤立的，它依赖于 学科问前沿技术的相互渗透。 首先，近年来，超声波振动理论及其应用成为国际国内科技界研究的热点，理论 成果和应用成果不断涌现。在机械制造领域“1 ，超声加工自问世以来，已相继出现了 超声钻孔、超声切削、超声磨削及超声珩磨等技术。而超声珩磨不但如普通珩磨一样 加工效率高、表面质量好，而且还具有珩磨力小、磨削速度快、温度低、工具“自锐” 能力强、寿命长等特点“6 ”。 传统齿轮珩磨加工中，珩轮与被珩齿轮间的啮合运动与剃齿加工类似，这种运动 形式很难甚至无法实现硬珩磨齿轮所需的切削速度，遏制了珩齿工艺特点的发挥。因 此，有必要将超声波珩磨技术引入到齿轮精加工的硬珩齿工艺中，从而开发新型的珩 齿设备和珩齿方法。现代超声波机械加工理论和各种技术为这一构想提供了理论基础 和间接经验。 i 2 珩齿工艺概述 珩齿是利用含有磨粒的珩磨轮，带动被珩齿轮自由转动，并借助于齿面间的压力 和相对滑动进行切削的齿形光整加工方法。就其切削运动来说，珩齿与剃齿完全相同， 所不同的是珩轮没有剃齿刀那样的刃口，而是依靠齿面无数锋利的磨粒，在齿轮与珩 磨轮齿面相对滑动作用下进行切削的。 珩齿加工相当于一对交错轴斜齿轮传动，由于珩轮可以做成内、外斜齿圆柱齿轮 形状；而被加工齿轮可以是直齿和斜齿内外圆柱齿轮。这两者的啮合，便可构成各种 不同方式的加工方法。 1 按珩轮的形状不同可分为：齿轮式珩齿法和蜗杆式珩齿法； 2 按珩轮与被珩齿轮啮合方法的不同可分为：外啮合珩齿法和内啮合珩齿法； 3 按两传动轴交叉角的不同可分为：平行轴珩齿法和交错轴珩齿法； 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 按齿面压力变化的不同可分为：定压珩齿法和变压珩齿法； 5 按啮合时有无侧隙可分为：单面有隙啮合珩齿法；双面无隙啮合珩齿法； 6 按中心距有无变化可分为：定中心距珩齿法和变中心距珩齿法。 目前国内外已经出现并商品化的珩齿方法主要有如下几种： 1 斜齿轮型珩轮外啮合珩齿“ 如图1 1 所示，其原理为交错轴斜齿轮啮合。特点是：作为最早出现的珩齿方 法，其机床结构简单、造价低，使用很普遍，生产率高和切削速度较高。但是与工件 啮合时重叠系数小于2 ，齿面存在压力波动，且普通环氧树脂珩轮经两次浇注成型， 精度低且保持性差。 2 斜齿轮型珩轮内啮合珩齿“1 如图1 2 所示，内啮合珩齿为一对内斜齿轮啮合，理论上是非共轭啮合，要发 生啮合干涉，如采用相应的金刚石滚轮修整珩轮后，可实现工件齿面的二次包络。其 特点是：珩轮与工件间为瞬时线接触，啮合时重叠系数较大。 群饕 图1 1 外啮合珩齿示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x t e r n a lh o n i n g 3 圆柱蜗杆状珩轮珩齿“。= “”1 图1 2 内啮合珩齿示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n t e m a lh o n i n g 如图1 3 所示，其原理仍为交错轴斜齿轮啮合。特点是：珩齿齿形可以精成形， 珩轮精度较高，修f 误差的效果好；珩轮切削速度高、生产率高：珩轮可多次修整， 寿命较长。 4 环面蜗杆型珩轮珩齿“” 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 由| i 苏联试验采用。其原理为环面蜗杆副啮合，珩轮与工件呈线接触。其特点是： 瞬时接触线沿齿高分布，每瞬时珩轮都包络着工件的齿形；珩轮与工件同时接触齿数 可达工件齿数的十分之一，大于普通蜗杆式珩轮，故能获得较好的齿面粗糙度，但珩 轮本身精度低，修f 误差能力有限。 被珩i ：什 机床上轴 图1 3 蜗杆状珩轮珩齿示意图 f i g l - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o n i n go f w o r mf o mh o n e r 上述四种珩齿方式的共同之处在于：它们都是自由啮合，借助齿面间的压力和相 对滑动速度进行切削。由于只有一条刚性传动链，珩后齿轮的几何精度及珩轮对齿轮 的修f 能力都相对较差。近几年，国外又发展了强迫珩齿方法。 5 斜齿轮型外珩轮强迫珩齿“ 为得到较低的表面粗糙度值和较高的形状精度，使珩轮轴与齿轮轴高速同步的方 法有两种：一种方法是采用与珩轮和被珩齿轮齿数相同的一对标准齿轮保持其正确的 传动比；另一种方法则是借助于数字控制，即所谓的电子齿轮箱。两种形式的珩齿机 都已有商品出售。其特点是：强制啮合，加工精度高；工件齿轮转速可达4 0 0 0 r r a i n ， 切削能力强，生产率高。但是珩轮的制造精度及精度保持性至关重要，否则无法保证 被加工齿轮精度，国内尚无能力解决这一难题；珩齿机的价格很贵，国内外都还没有 普遍推广。 6 球面珩齿“” 其原理类同内啮合珩齿，但珩轮与工件的球面相对运动独具特色。特点是：强制 1 尚合，珩轮呵f i 动修整，加工精度很高；用电子齿轮箱实现三维空间进给运动，数控 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 装置进行齿形、齿向修整计算及补偿运动；自动装兴，生产率高。其精度可达a g m a ( 美国齿轮制造防会) 标准1 0 级精度。但是其珩齿机的价格昂贵，使这种珩齿方法 目前尚未实际推广。 5 、6 代表了珩齿技术的最新发展方向，它们是国外在前四种自由珩齿方式的长 期技术储备基础上发展起来的，国内尚缺乏相关条件。2 、3 两种珩齿方式在国外应 用较为成功，但国产珩齿机加工效果不稳定，一直没有得到普遍使用。4 使用软质珩 轮，国内应用非常少。1 仍然是国内使用很普遍的珩齿方式。由于受刀具寿命、机床 等条件的限制，这些珩齿方法在国内外都没有得到广泛的应用。 1 3 硬珩齿工艺的现状及发展 硬珩齿工艺是在定中心距加工方式下采用硬珩轮珩齿，克服了软珩齿无法修正齿 形误差和磨齿生产效率低的缺陷，就加工效益、加工质量和经济性而言，均可以达到 令人满意的效果。 就硬珩齿技术的开发和应用而言，发达国家远远地走在我国前面，他们已将相关 技术推向市场，进入技术商品化阶段“”1 。德国与瑞士是提供商，而美国和日本是 技术购入者和应用者。如德国c a r lh u r t h 公司生产出z h s 3 5 0 硬齿面齿轮精加工机床， 这类机床采用圆盘齿轮状立方氮化硼镀层珩轮，切削机理类似于剃齿加工，是一种高 效硬齿面加工方法。美国通用汽车公司购入z h s 3 5 0 型机床后，将变速器齿轮的加工 工艺由原来的滚齿一剃齿一渗碳淬火改为滚齿一渗碳淬火一硬齿面加工，加工齿轮的 精度和效率均得到大幅度的提高。但由于技术垄断，该项技术的国际市场价格居高不 下，我国企业难以承受高额投资，只好望价兴叹。 面临如此形势，国内一些大专院校和科研院所将研究目光投向硬珩齿技术，将研 究工作的重点放在对硬珩轮的制造、修形和工艺改进上“o “1 。 清华大学设计制造出c b n 成型磨齿砂轮”1 ，保证了齿轮加工精度，但磨削加工 限制了其加工效率的提高。山东科技大学的科研人员近年来致力于用高精度齿轮式金 刚石修整滚轮对外啮合珩轮进行修形的技术研究 2 3 1 在国家自然科学基金资助下， 他们取得了一定的成绩，实现了齿轮式会刚石修整滚轮对以环氧树脂作黏结剂的软珩 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 轮的修整。由于他们的目的并不是把超硬材料滚轮直接用于对齿轮工件的加工，而是 间接的应用，可见超硬材料工具精加工优势还不能充分发挥出来。沈阳工业大学设计 了一种采用电镀金刚石珩轮进行滚珩的硬齿面加工工艺“”，但其加工精度为普通级， 对于高精度硬齿面还须磨齿，没有从根本上解决加工精度和加工效率问题。 1 4 超声波n t 技术发展概述 超声波加工技术是超声学的一个重要分支。超声波加工技术的发展是伴随着超 声学的发展而逐渐发展的。 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的 冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的空化作用来去除材料，或把工具或工件沿一定方 向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法“州。 1 9 2 7 年，美国物理学家伍德( r w w o r d ) 和卢米斯( a e l o o m i s ) 最早做了超声波 加工试验。利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。1 9 5 1 年，美国的科 恩研制成第一台实用的超声波加工机。 同本是较早研究超声波加工技术的国家，2 0 世纪5 0 年代，日本已经设立了专门 的振动切削研究所。r 本研究人员不仅把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、 数控机床中也引入了超声振动系统。1 9 7 7 年，只本将超声振动切削与磨削用于生产， 可对直径为由6 0 0 m 的大型船用柴油机缸套进行镗孔。超声波加工在r 本己获得近百 项专利，在生产中发挥了一定的作用。 原苏联在2 0 世纪5 0 年代木、6 0 年代初己经发表过很多超声波加工研究方面的 论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整a n t 、复合加工等方面均有生产应用，并且取 得了良好的经济效果。1 9 7 3 年苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声波 加工的经济效果和实用价值。 2 0 世纪7 0 年代中期，美国在超声钻中心7 l 、光整加工、磨削、拉管和焊接等方 面，己处于生产应用阶段；超声车削，钻孔，镗孔己处于实验性生产设备原型阶段； 普通超声振动切削系统己经投入到工业应用中，目前已形成部分标准。 太原理工大学硕士研究生学位论文 德国和英国也对超声波加工的机理和工业应用进行了大量的研究，在生产中也 得到了积极的应用。 我国超声波加工的研究起始于5 0 年代术，7 0 年代以来我国再次丌展超声加工的 实验研究和理论探索工作。近年来，我国超声波加工技术发展迅速，在超声振动系统、 深小孑l 加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤 其在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、大理石、石英、玻璃等难加工材料领域解 决了许多关键性问题，取得了良好的效果“7 2 “。 1 5 超声波硬珩齿加工的提出 传统齿轮珩磨加工中，珩轮与被珩齿轮间的啮合运动与剃齿加工类似，这种运动 形式很难甚至无法实现硬珩磨齿轮所需的切削速度，遏制了珩齿工艺特点的发挥。因 此，有必要将超声波珩磨技术引入到齿轮精加工的硬珩工艺中，从而开发新型的珩齿 设备和珩齿方法。现代超声波机械加工理论和各种技术为这一构想提供了理论基础和 i 司接经验。 在超声波珩磨的研究中，国内外都将珩磨内孔作为主要研究方向“”1 ，研究 内容涉及到超声波振动加工机理分析，超声波振动珩磨装置的设计与制造，超声珩磨 磨削工具的设计与制造等。 硬齿面齿轮超声波平行轴珩磨机理的研究，是在长期从事超声波理论和应用及硬 珩齿工艺和刀具研究的基础上提出来的。将超声波理论应用于硬珩齿加工过程，利用 其高频振动提高了珩磨速度，使珩齿工艺的特点得到充分的发挥，同时也拓宽了超声 波理论的应用领域。 1 6 本课题主要研究内容 围绕超声波振动在硬珩齿工艺过程中的应用，进行以下研究 通过对超声波传递系统的振动特性研究，进行超声波传递系统的结构设计。 并分析其应力分布和振速分布。 7 太原理t 人学硕士研究t e 学位论文 运用u g 和m a s te r c a m 软件对超声波珩齿传递系统进行计算机辅助设计与制 造。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章超声波加工的基本原理及超声波珩齿 2 1 超声波加工的基本原理和特点 2 1 1 超声波及其特性 声波是人耳能感受的种纵波，它的频率在1 6 1 6 k h z 范围内。当频率超过 1 6 k h z ，就称为超声波。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、 波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。在不同介质中， 超声波传播速度c 亦不同，它与波长a 和频率厂之间的关系用下式表示： a = 三( 2 - 1 ) 超声波主要具有下列性质： 1 超声波能传递很强的能量。 2 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体 介质中连续地形成压缩和稀疏区域。由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正负交 变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大 气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其 破坏，引起固体物质分散、破碎。 3 超声波通过不同的介质时，在界面上发生波速突变，产生波的折射和反射现 象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗( 密度与波速的乘积) ，介质的波 阻抗相差越大，超声波通过界面时能量反射就越高。当超声波从液体或固体传入空气， 或者从空气传入液体或固体的时，反射率都接近1 0 0 。为了改善超声波在相邻介质 中传递时能量反射损失，往往在声学部件的各联接面问加入机油、儿士林作为传递介 质，以消除空气引起的能量损失。 4 超声波在一定的条件下，会产生波的干涉和共振现象。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 12 超声波加工的基本原理、特点 超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料 的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或把工具或工件沿一定 方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 超声波加工的特点： 1 适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。既可加工玻璃、陶瓷、宝 石、石英、锗、石墨、金刚石、大理石等不导电的非金属材料，又可加工淬火 钢、硬质合会、不锈铜、铁合会等硬质或耐热导电的金属材料。 2 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削 力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也降低， 也适用于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。 3 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相 对运动，可加工各种复杂的型腔和型面。一般地，超声加工机床的结构比较简 单，操作、维修也比较方便。 4 可以与其他多种加工方法结合运用。 5 超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。 超声波加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、工具、工艺装置等构成。超 声波发生器的作用是将2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电转换成超声频振荡电信号；换能器的作 用是将超声频振荡电信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振幅放 大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用进 行加工。 随着超声加工技术的推广和应用，人们把超声振动与其他加工方式相结合，逐渐 形成了多种多样的超声加工方法。 2 1 3 超声波加工设备 虽然i 匝 ) j i i1 2 设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同，如图2 1 所示。 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 。般包括超声波发生器，超声传递系统，工具和机床。 ( 1 ) 超声波发生器 图2 1 超声加工设备的基本组成 f i 9 2 1c h i e f c o m p o n e n to f u l t r a s o n i cm a c h i n i n gu n i t 超声波发生器( 又称作超声电源) 的作用是将工频交流电转换为超声振荡以供给 超声波加工所需的能量。 当某种原因引起超声波振动系统共振频率的变化时，可通过“声反馈”或“电反 馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好 太原理工大学硕士研究生学位论文 的谐振状态。为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件 输出阻抗与相应的超声振动系统输入阻抗匹配 频率调节范围应与超声振动系统频率变化范围相适应，并连续可调 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 ( 2 ) 超声波传递系统 超声波传递系统包括超声换能器和变幅杆两部分。 超声换能器 超声换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。目前，根据其转换原理 的不同，有磁致伸缩式和压电式两种。 a 磁致伸缩式超声换能器。 磁致伸缩效应是指铁、钴、镍及其合金或铁氧体等材料的长度可随所处磁场强度 的变化而伸缩的现象。这种材料的棒杆在交变的磁场中，长度将交变伸缩，端面将交 交振动。 b 压电效应超声换能器。 压电效应是指石英晶体、钛酸钡等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端 面上产生一定的电荷而形成一定的电势。相反，改变两端面上的电压，会产生伸缩变 形的现象。 若利用上述物质的压电效应，在两端面加1 6 k h z 以上的交变电压，则该物质会产 生高频的伸缩变形，使周围的介质作超声振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶 体处于共振状态，故晶体片厚度应为声波半波长或其整数倍。 石英晶体的伸缩量太小，3 k v 电压j j 能产生o o li xm 以下的变形。钛酸钡的压电 效应比石英晶体大2 0 3 0 倍，但效率和机械强度不如石英晶体；锆钛酸铅具有二者 的优点。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 超声变幅杆 超声变幅杆( 又称超声变速杆、超声聚能器) 的作用是放大换能器所获得的超声 振动振幅，以满足超声加工的需要。常用的变幅杆有阶梯形、圆锥形、指数形、悬链 形等几种。变幅杆沿长度方向上的截面变化是不同的，但杆上每一截面的振动能量是 不变的( 不考虑传播损耗) 。截面越小，能量密度越大，振动的幅值也就越大，所以 各种变幅杆的放大倍数都不相同。 为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共 振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声振动波的半波长或其整 数倍。 变幅杆的类型和材料根据超声加工的实际应用条件来选择。 应该指出，超声加工并不是个变幅杆和工具都是在做上下高频振动，与低频振 动概念完全不一样。超声波在金属棒杆内主要以纵波形式传播，引起杆内各点沿波的 前进方向按正弦规律在原地做往复振动，并以声速传导到工具端面，使工具端面作超 声振动。 ( 3 ) 工具 超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，工具可以与变幅杆做成一个整体， 也可将工具用焊接或螺纹连接等方法固定在变幅杆下端。当工具不大时，可以忽略工 具对振动的影响，但当工具较重时，会降低振动系统的共振频率；工具较长时，应对 变幅杆进行修正，以满足半个波长的共振条件。 整个振动系统( 换能器、变幅杆、工具) 的联接部分应接触紧密，否则超声波传 递过程中将损失很大能量。在螺纹联接处应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，因 为超声波通过空气时会很快衰减，换能器、变幅杆或整个超声波振动系统应选择在振 幅为零的驻波节点。 按照波动的合成原理，当系统处在共振状态时，只有在此驻波节点平面内，从单 方向入射波和反方向反射波引起的质点位移恰好大小相等、方向相反，其合成位移始 终为零。例如，换能器长度1 2 处的中间截面上的任何点，即为静止不动的波节点， 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 向两端处振幅逐渐增大，到换能器与变幅杆的交界面上振幅为最大，称波腹点。以后 振幅又逐渐减小再次出现波节点，到工具端面处再次出现振幅更大的波腹点，整个振 动系统应选择波节点支撑固紧在机床上，如图2 - 2 所示。 ( 4 ) 机床 、心 套一 彘最 锄繇t 铋、桫 图2 2 超声振动系统的固定 f i 9 2 - 2m o u n t i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e m 超声加工机床一般比较简单，包括支撑振动系统的机架及工作台面和使工具以一 定压力作用在工件上的进给机构、床身等部分。 2 2 超声波硬珩齿加工的构想及其系统的组成 2 2 1 超声波硬珩齿加工的构想 超声波振动应用于硬珩齿工艺过程的具体构想是：将现行珩齿机或剃齿机工作台 做适当改进，使得在被珩齿轮的轴向可以浮动联结超声波振动装置。超声波振动装置 由超声波发生器，换能器和变幅杆组成，变幅杆通过夹具与齿轮相联，这些零部件共 同组成超声波振动系统。珩磨时，硬珩轮与被珩齿轮以平行轴自由啮合运动，且齿轮 在轴向作超声波高频振动，极大地提高了珩磨速度。 图2 3 中，含悬链线型过渡段的阶梯形复合变幅杆输入端与振动轴联接在一起， 输出端通过夹具与齿轮相连。换能器、振动轴及变幅杆均作纵向振动。空心套筒与轴 承孔过渡配合。轴承采用圆锥滚子轴承。振动轴与变幅杆采用双头螺柱固定在一起， 变幅杆的位移节点处( 振幅为0 ) 作出如图所示的凸缘与套筒固定。振动杆的位移节 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 点处做个凸缘与套筒以h 7 h 6 配合。换能器采用郎之万型夹心式换能器。 123456 78 图2 3 超声波振动装置结构示意图 1 螺母2 齿轮3 变幅杆4 轴承5 套筒6 支座7 振动轴8 换能器 f i 9 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t r u c t u r eo f u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd e v i c e 2 2 2 超声波珩齿加工的系统组成 ( 1 ) 超声波发生器 本装置所采用的超声波发生器是从石家庄恒威电源定制的，其规格为c s h 一2 2 0 0 ， 各项技术指标如下： 超声功率：2 2 0 0 w 超声频率：1 5 k h z 输入电压：a c 2 2 0 v 1 0 负载阻抗：1 5 q 电容：1 3 0 0 p f 有自动频率跟踪功能，连续工作方式。 ( 2 ) 换能器 本装置所采用的换能器是从中科院东海研究站定制的，其规格为柱形1 5 k 换能 器，型号：d h 一7 0 6 9 f 一1 5 s ，各项技术指标如下： 重量( g ) ：2 0 0 0 】5 太原理工大学硕士研究生学位论文 直径中( 唧) ：0 7 0 连接螺纹：m 2 8 1 高度( 唧) ：1 6 0 功率( w ) ：2 2 0 0 频率f 。( k h z ) ：1 4 7 9 0 电阻z ( q ) ：1 5 电容c 7 ( p f ) ：1 3 3 2 0 ( 3 ) 变幅杆 本装置采用含有悬链线形过渡段的阶梯形复合变幅杆，如图2 - 4 所示。 图2 4 舍有悬链线形过渡段的阶梯形复合变幅杆 f i 蜉- 4s t e p p e dh o r nc o n t a i n i n gc a t e n a r y st r a n s i t i o np o r t i o n 在高强度超声应用中，如超声加工中，常常要求变幅杆末端具有很大的振动幅度， 这就要求变幅杆的形状因数巾及放大系数m 。值都尽可能大，而单一变幅杆( 包括指 数型、悬链线型、圆锥型、阶梯型) 的巾值和m 。值常出现此优彼劣的现象，很难二 者兼顾。为了改变这一状况，就必须采用复合变幅杆的形式来弥补不足以提高其输出 性能。在有些应用场合需要特别高的振动速度时，也常用到长度满足共振条件的复合 型变幅杆。 图2 4 中的变幅杆为三段复合变幅杆。其中左面圆柱段( i 段) 和右面圆柱段( i 段) 为等截面杆，中间曲线部分( i i 段) 为变截面杆，而变截面杆可以是指数形、圆 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 锥形、悬链线形等不同形状。如果i 、i 两段截面杆的长度相等，则构成具有变截面 过渡段的阶梯形变幅杆。当i 或i 的任一段为零，则可构成两段复合变幅杆。 ( 4 ) 工件( 被加工齿轮) 被加工齿轮的主要参数如表2 - 1 所示： 表2 1 被加工齿轮主要参数 t a b 2 - 2m a i np a r a m e t e ro f w o r kg e a r 齿数模数 法向压力角分度圆直径m孔径宽度m 2 632 0 4 7 85 l3 3 ( 5 ) 超声波珩齿机床 设备为y 4 6 5 0 珩齿机，最大转数6 5 0 转。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章超声波珩齿传递系统的振动特性及结构设计 超声波传递系统包括超声换能器和变幅杆两部分。 3 1 超声换能器的振动特性及结构设计 3 1 1 晶体的压电效应及压电换能器的工作原理 ( 1 ) 晶体的压电效应 具有压电性能的晶体统称为压电晶体。对这种晶体在适当的方向上施加作用力 时，其内部的电极化状态会发生变化，产生内部电场，并会在压电晶体相对两表面内 出现与外力成正比的、符号相反的束缚电荷，这种外力作用使压电晶体带电的现象叫 做压电效应。相反，若在压电晶体上加一外电场，在此电场作用下，压电晶体内部电 极化状态会发生相应的变化，产生与外电场强度成正比的应变现象，这一现象叫做逆 压电效应。压电晶体通过逆压电效应可以将电能转换成机械能。其它压电材料( 包括 压电陶瓷等材料) 也具有上述特性。 ( a ) 纵向压电效应( b ) 横向压电效应 图3 1 晶体的压电效应 f i g 3 1p i e z o e l e c t r i ce f f e c to f c r y s m l s 有两种压电效应是很常用的，一种是形变的方向与电场的方向重合，这种压电效 应如图3 1 ( a ) 所示，称之为纵向压电效应；另一种是形变的方向与电场的方向相垂 直，这种压电效应如图3 1 ( b ) 所示，称之为横向压电效应。 i 8 一撇 碴铱舞 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 压电换能器的工作原理 压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性，即上述压电晶体的逆 压电效应而制成的超声换能器，如图2 - 2 所示，将压电材料做成片状，上下两面涂上 银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两极间加上电场。可能出现两种情况： 外加电场 图3 2 压电换能器的工作原理 f i g 3 - 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r 外加电场与压电片极化方向相同。外加电场起到了使压电片的极化强度增大 的作用。极化强度的增大，使压电晶片沿极化方向产生伸长的形变。粒 外加电场与极化方向相反。反向电场将削弱压电片的极化强度，使得压电晶 片沿极化方向产生缩短的形变。 利用这两种现象，将外加电场换为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频 率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波。当外加电场频率与压电片固有频率 相同产生谐振时，压电片振动最大，声辐射也最强烈。 压电片厚度方向逆压电效应表达式为 墨：d 。堡 ( 3 1 ) 式中，墨为沿厚度方向的伸缩应变；屯为沿厚度方r l i t t e , f t 常数；为沿厚度 方向所加电压；t 为压电片厚度。 3 1 2 压电陶瓷材料及其性能 压电陶瓷具有多方面的适应性，从物理性质的角度看，它是坚硬的，具有能够施 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 加或承受很大应力的能力，而从化学性质的角度看，它是“惰性”的，不受潮湿和其 它气候条件的影响。压电陶瓷材料的制作方法与绝缘材料类似，简便易行，几乎可以 做成任何需要的形状和尺寸，并可以方便地选择其极化方向。非常适合于换能器的制 作。压电陶瓷可以通过改变其化学组分及添加杂质来改变其性能，以适应各种不同的 用途。 3 1 3 夹心式压电换能器的结构特点 由于压电陶瓷材料的抗张强度低( 抗压强度高) ，