超声振动钻削机构设计

机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩目 次1绪论 31.1.引言 31.2.课题的来源及其研究的内容 31.3.超声振动钻削机构概述 41.4.超声波的产生及其特性 51.5.超声波的加工原理及特点 61.6.超声波加工发展概况 72超声振动钻削系统的结构设计 92.1.引言 92.2.超声振动钻削系统的结构设计 93超声振动钻削机构声学系统的设计 133.1.超声波发生器与换能器 133.2.超声变幅杆的设计 144钻头夹具的设计与连接 304.1.钻头夹具的选取与设计 304.2.钻头夹具与变幅杆的连接 315其他零部件的设计 325.1.其他零部件的设计 326校核与计算 346.1.轴承的计算 346.2.内轴套的校核 34设计总结 36致谢 39参考文献 40机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩第一章 绪论1.1 引言自上世纪 50 年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的需要，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量和性能价格比。为此各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，这些都对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。因此，一些材料采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，特种加工便应运而生。超声波加工是特种加工的一种，它始于 1927年，至今已有 70 多年的发展历史。它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料已达到加工目的的加工方法。提到超声波加工，不能不提到超声波加工设备机床。多年来，人们不断改进超声波加工机床，通过不断努力，使其取得了很大的进展，超声波加工效率提高了数倍，但它还是有很多的缺陷需要改进，本文将对超声波加工机提出一种新概念。1.2 课题来源及其研究的内容随着科学技术的迅速发展和激烈的市场竞争，加快了产品更新换代的步伐，为此，各种新材料、新结构、高要求的零部件大量涌现，这对机械制造业提出了新的要求。解决各种难切削材料尤其是硬脆材料及复合材料的加工问题成了一个急待解决的问题。传统加工方法难度大、质量差、特种加工也就应运而生。特种加工包括电火花加工、超声波加工以及激光加工等。其中，超声波加工适合于加工各种硬脆材料，尤其是加工难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、半导体等材料。因此在现在的加工中得到了广泛的应用。但是，超声波机床具有体积大、成本高的缺陷。还有加工的尺寸受到限制。为此，本文提出了一种新型的旋转超声复合钻削机构，它的具体结构将会在第二章中得到具体阐述。该新型结构可以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可技工大型工件的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩课题研究的内容有以下六点：1、超声加工机床进行分析，通过和普通机床的比较，研究一种新的结构，使其可以安装在普通机床上便可进行旋转超声加工。2、变幅杆是超声波机床振动系统的重要组成部分，本文将从声学角度和波动方程角度来探讨变幅杆的设计和刀具的设计问题。3、对变.隔杆进行结构分析和动力学分析，分析其最大应力和振幅的变化曲线。4、为满足不同用户的要求，以超声电源功率 250W 的磨削头结构为基型产品，对其进行系列化设计。5、通过实验验证该结构的可行性，并且对其进行超声加工的效率和质量进行研究，以验证其是否达到专用机床的要求。6、对本课题的内容做出总结和展望。1.3 超声振动钻削机构概述超 声 振 动 钻 削 是 近 代 出 现 的 一 种 特 殊 的 切 削 加 工 的 方 法 ， 是 对 难 加 工 材 料或 难 加 工 工 序 进 行 加 工 的 有 效 方 法 之 一 。 它 是 在 传 统 的 钻 削 过 程 中 给 钻 头 （ 或工 件 ） 加 上 某 种 有 规 律 的 、 可 控 的 高 频 振 动 ,在 切 削 参 数 优 化 的 条 件 下 ， 以 达到 改 善 钻 削 性 能 的 一 种 本 质 的 新 颖 的 加 工 方 法 。 即 超 声 振 动 钻 削 是 将 振 动 驱 动装 置 的 高 频 信 号 ， 通 过 一 定 的 转 换 放 大 装 置 后 变 为 机 械 位 移 附 加 到 钻 头 或 工 件上 ， 使 之 工 具 或 工 件 以 振 动 频 率 f， 振 幅 a， 在 钻 削 方 向 上 按 正 旋 波 形 作 强 迫振 动 ， 为 了 得 到 良 好 的 效 果 ， 要 求 切 削 速 度 V 与 振 动 参 数 f， a 之 间 保 持 V20kHz)发生器的高频电压作用而发生逆压电效应时，晶片在其厚度方向发生变薄及变厚的振动，晶片周围介质点亦相应振动，这个振动在介质中传播，即形成超声波。在现在的生产加工中，超声波的应用非常广泛.它具有如下特性:机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1)超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，2)声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力。因此可用压力大小来表示超声波的强度，传播的波动能力越强压力也就越大。3)超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行。1.5 超声波加工原理及特点超声波加工是利用工具作超声振动，并沿工具头振动方向施加一定压力，通过液体磨料来加工材料。超声波加工的基本原理是:加工时，超声波发生器通过换能器产生超声波(频率通常为 1625kHz)，此波因振幅太小，仅 0.0050.01mm，不能用于加工，需通过变幅杆放大至 0.010.1 mm，再传给工具。此时，工具与工件之间充满了液体(水或煤油) 与磨料 (氧化铝或碳化硅等) 混合的悬浮液。工具以很小的压力压在工件上。工作液中悬浮的磨粒在工具的超声振动下，以高速不断冲击工件加工表面，使该表面受到很大的压强而产生材料的变形，当应力超过其强度极限时，材料将发生破坏而成粉末状去除。同时由于悬浮工作液的扰动，促使磨粒以高速抛磨工件的加工表面。此外，悬浮工作液受工具端部的超声振动而产生的“空化”现象在工件表面形成液体空腔，促使液体渗入被加工材料的缝隙处，而空腔的瞬时闭合又引起强烈的液压冲击，加快了工件材料的机械碎除作用，并有利机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩于加工区域磨料悬浮液的均匀搅拌和磨蚀产物的排除。磨料悬浮液的循环流动使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒，工具逐渐渗入到材料中，工具形状便复现在工件上。因此，超声加工是磨粒在超声振动下的机械冲击和抛磨作用与超声空化作用的综合结果，其中磨粒的连续冲击和抛磨作用是主要的。 1)悬浮液中磨料的不断机械冲击，是超声加工的主要因素，但不仅是这一因索；2)由于工具端部的超声振荡而产生的“空化”现象，令工件表面形成液体空腔，促使液体进入工件缝隙处，空腔的瞬间空化，更会加速磨料对工件表面的破碎作用；3)可以认为，超声加工正是磨料的机械冲击与空化作用的综合结果。后来，在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波(RUM)，它与传统超声波加工不同之处在于:工具在作超声振动的同时附加了旋转运动 ;工具由金属粉末和人造金刚石或立方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料一悬浮液输入到工具和工件表面之间。超声波加工的特点：1)加工对象为各种硬脆材料，如玻璃、陶瓷、人造宝石、半导体等材料，尤其是电加工难以加工的材料。其原因是超声加工是靠磨料及液体分子的不断冲击、空化作用。2)加工精度高。尺寸精度可达 0.010.02mm，表面粗糙度 可达 0.63aR0.08 ，被加工面也无组织改变，无残余应力，其原因是其加工靠微小磨粒作m用。3)工件在加工过程中受力小。这是因为在加工过程中，磨料运动方向与加工表面垂直与切入方向一致，工件仅受磨料瞬时局部冲击力，不存在横向摩擦机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩之故。因此，对一于加工薄壁、窄缝及低刚度工件是有利的。4)可加工出复杂型腔及型面。其原因是工具可用较软材料制作，故易于制出复杂形状之工具。基于此，决定了超声加工机床结构简单，易于维护。5)与电解加工、电火花加工比较，超声波加工效率较低。1.6 超声波加工发展概况我国超声波加工始于 50 年代末期，曾掀起一阵群众性的“超声热” ，由于超声电源、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来。60 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。1976 年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。1983 年，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会” ，1985 年，机械电子工业部第 11 研究所研制成功旋转超声加工机，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。80年代后期，天津大学的李天基等人在高速磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有了大幅度提高。北京装甲兵技术学院提出了一种“超声微振车削”的新工艺、其特点是功率小、振幅小，同样可获得一般振动车削效果。清华大学王先速等进行了 45 号钢制成的超声砂带研抛的实验研究。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩第二章 超声振动系统的结构设计2.1 引言超声波加工在硬脆材料及复合材料的加工方面具有其它加工方法无可比拟的优越性，正日益成为加工硬脆材料的重要方法之一。因此，对超声加工机床的研究工作也必将提出越来越高的要求，但是机床设计过程中的一些主要设计参数，如加工负载阻抗、换能器和变幅杆的损耗功率等，尚难精确计算和测量，加工设备换能器，变幅杆材料性能参数差异较大，这就对进行合理设计带来困难。此外，关于加工机本体设计为了更适合超声加工的特点，也还在不断改进和完善之中。为满足市场对超声磨削加工机不断增长的需求，本章设计了一种新型旋转机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩超声钻削系统，应用该系统可以在普通机床上实现旋转超声复合钻削加工。2.2 超声振动钻削系统的结构设计2.2.1 超声波机床和普通机床的异同点1、相同点超声波加工机床一般为专用机床，但它同样是机床的一种，具有一般机床的共性。它们都具有床身、工作头、进给机构，工作台及其位置调节机构，磨削液供给系统等。2、不同点尽管超声加工机床和普通机床有很多相同的地方，但是它们为了完成各自的加工目的，还具有许多不同的地方，如表 2-1 所示：从上面可知，超声波加工机床和普通的数控机床在本体的结构上基本是相同的，而本体又是机床最为复杂的部分，这包括设计一、制造上的难度。于是，本文提出了一种新型旋转超声复合磨削头，它可以安装在数控机床的主轴上，代替超声加工机床进行超声波加工，从而简化了超声波加工机床，而且做到了一机多用。2.2.2 超声振动钻削系统基本结构的确定从上面对超声波加工机应具备的六项基本要求可以看出，第 1, 2, 4, 5 项要求是一般普通数控机床都具备的条件，所以我们可以利用普通机床的本体结构，而第三项要求工具的超声振动是通过超声振动系统实现的，而冷却系统也是非机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩常容图 2-1 超声振动钻削机构易实现的。所以超声振动钻削系统的主要结构就是超声波加工的声学系统。它的基本结构如图 2-1 所示。 总体结构的完善设计是超声加工得以顺利进行的重要保证。基于上述所讲，超声振动钻削机构设计从以下几点出发：1)考虑到声学部分在加工时的高速钻削运动，应充分保证旋转部分的运动平衡性，因而在设计时应尽量考虑各部件的对中性，以及部件之间的相互连接机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩和定位，以便将偏心度降至最低。系统各部件加工时要严格保证公差要求，并进行良好的装配，以保证其运转平稳，这与超声振动系统的寿命及加工效率和质量有非常密切的关系。2)在考虑系统各个零部件对中性的同时还要保证机构与机床主轴连接时的对中性以及可靠性，这也是设计两个吊丝定在机床主轴箱上的主要目的，同时还能防止机构的摆动。3)有足够的稳定性和承载能力，能够抵制干扰，实现稳定加工。4)该超声波加工的振动系统不能与它所要安装的机床主体发生干涉。我们可以把超声振动钻削机构作为一种机床附件，机床附件是指除机床以外的用于扩大机床加工性能范围的附属装置。由于机床主机的发展，机床附件种类越来越多，要求也越来越高，超声振动钻削机构就是对机床附件的发展。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩第三章 超声振动钻削机构声学系统的设计3.1 超声波发生器与器换能超 声 波 发 生 器 的 作 用 ， 是 将 220V 或 380V 的 交 流 电 变 成 有 一 定 功 率 输 出的 超 声 频 电 振 荡 ， 以 提 供 振 动 切 削 加 工 中 的 振 动 能 量 。 其 工 作 原 理 见 图 3-1. 图 3-1 发生器工作原理框图由 图 3-1 可 知 ： 扫 频 信 号 发 生 器 产 生 一 电 讯 号 （ 它 的 频 率 以 换 能 器 谐 振 频率 为 中 心 频 率 ， 并 在 此 中 心 频 率 左 右 摆 动 ） ， 这 个 电 信 号 经 前 置 放 大 后 驱 动 由VMOS 管 组 成 的 功 率 放 大 器 ， 经 功 率 放 大 后 ， 由 输 出 变 压 器 耦 合 到 换 能 器 ， 从而 产 生 超 声 波 。 功 率 调 节 是 由 可 控 硅 调 压 电 路 调 节 功 放 单 元 直 流 电 压 来 达 到 的 。并 使 用 检 测 电 路 监 视 功 率 放 大 器 的 运 行 情 况 ， 一 旦 与 设 定 值 不 符 合 ， 保 护 电 路将 动 作 ， 切 断 功 放 单 元 的 直 流 电 压 并 关 闭 扫 频 振 荡 器 的 输 出 ， 这 样 ， 有 效 地 保护 了 超 声 波 发 生 器 的 功 率 放 大 部 分 不 受 损 坏 。为 使 发 生 器 和 换 能 器 相 匹 配 ， 以 便 发 生 器 效 率 最 高 ， 变 幅 杆 振 幅 最 大 ， 则超 声 波 发 生 器 必 须 满 足 下 列 要 求 ： 输 出 功 率 应 达 到 技 术 指 标 ； 频 率 稳 定 ， 并 能在 所 需 范 围 内 连 续 调 节 ， 最 好 有 频 率 自 动 跟 踪 系 统 ； 发 生 器 的 输 出 阻 抗 应 与 换能 器 阻 抗 相 匹 配 。 对 超 声 波 发 生 器 的 其 它 要 求 是 结 构 简 单 、 工 作 可 靠 、 经 久 耐用 、 价 格 便 宜 。换 能 器 的 作 用 是 将 超 声 波 发 生 器 产 生 的 超 声 频 电 振 荡 信 号 转 换 成 超 声 频 机机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩械 振 动 。 实 现 这 种 转 换 ， 可 以 利 用 压 电 效 应 和 磁 致 伸 缩 效 应 。 换 能 器 主 要 有 磁致 伸 缩 换 能 器 、 压 电 换 能 器 两 种 。(1) 磁 致 伸 缩 换 能 器 它 是 利 用 某 些 铁 磁 体 （ 如 纯 镍 等 ） 在 变 化 磁场 中 所 产 生 的 磁 致 伸 缩 效 应 而 制 成 的 。 磁 致 伸 缩 换 能 器 效 应 就 是 指 将 磁 铁 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 变 化 的 现 象 。 磁 致 伸 缩换 能 器 的 机 械 强 度 高 、 输 出 功 率 大 。 磁 致 伸 缩 换 能 器 在 五 六 十 年 代 得 到 了 广 泛应 用 ， 但 由 于 这 种 换 能 器 体 积 大 ， 发 热 严 重 ， 随 着 压 电 材 料 的 发 展 ， 在 超 声 加工 中 应 用 的 越 来 越 少 了 。(2) 电 致 伸 缩 换 能 器 它 是 利 用 某 些 压 电 晶 体 材 料 的 压 电 效 应 的 逆 效 应制 成 的 。 压 电 效 应 是 指 压 电 晶 体 在 一 定 方 向 ， 一 定 的 晶 面 上 受 压 或 受 拉 时 ， 就在 相 应 的 面 上 出 现 电 荷 。 这 种 效 应 具 有 可 逆 性 ， 既 在 压 电 晶 体 上 加 一 个 电 场 ，当 电 场 方 向 和 压 电 轴 方 向 相 一 致 时 ， 压 电 晶 体 句 沿 一 定 的 方 向 发 生 强 烈 的 压 缩或 拉 伸 。 如 果 电 场 是 交 变 的 ， 则 压 缩 与 拉 伸 （ 即 振 动 ） 也 是 交 变 的 。 超 声 波 发生 器 输 出 交 变 电 场 加 在 压 电 晶 体 上 ， 从 而 获 得 机 械 振 动 ， 产 生 超 声 波 振 动 。 压电 式 换 能 器 结 构 尺 寸 小 ， 电 声 转 换 效 率 高 ， 发 热 较 小 ， 与 超 声 加 工 系 统 易 于匹 配 ， 同 时 价 格 适 中 。 因 此 决 定 采 用 压 电 式 换 能 器 。本 实 验 所 采 用 的 超 声 发 生 器 与 换 能 器 参 数 如 下 ： 频 率 f=20kHz， 换 能 器输 出 端 尺 寸 52mm， 输 入 电 压 220V， 连 续 工 作 时 间 30-60min。3.2 超声变幅杆的设计3.2.1 变幅杆的功用在 超 声 振 动 加 工 中 ， 当 整 个 超 声 系 统 共 振 时 ， 从 换 能 器 直 接 能 得 到 的 振 幅最 大 只 有 4-5 微 米 ， 为 了 准 确 地 实 现 车 刀 和 工 件 的 分 离 ， 满 足 超 声 加 工 形 成 的必 要 条 件 ， 要 求 刀 尖 的 振 幅 至 少 要 达 到 10-20 微 米 。 这 样 必 然 需 要 在 换 能 器和 加 工 工 具 之 间 增 加 振 幅 放 大 部 分 ， 即 变 幅 杆 。 变 幅 杆 的 主 要 作 用 有 两 个 ： 一是 将 机 械 振 动 位 移 或 速 度 振 幅 放 大 ， 或 者 把 能 量 集 中 在 较 小 的 辐 射 面 上 ， 即 聚能 作 用 ； 另 一 个 作 用 是 作 为 机 械 阻 抗 的 变 换 器 ， 使 超 声 能 量 由 超 声 换 能 器 更 有效 地 向 负 载 传 输 。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 的机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩（ 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(3.1)21ka(3.2)式 中 ：能 量 密 度a振 幅k系 数 ， (3.3)2ck弹 性 介 质 密 度弹 性 介 质 的 波 速c角 频 率 (3.4)f2频 率 。f所 以 ， 根 据 （ 2.2） 式 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 。超 声 变 幅 杆 的 性 能 可 以 用 许 多 参 量 来 描 述 。 在 实 际 应 用 中 更 常 用 的 是 ： 共振 频 率 （ 共 振 长 度 ） ， 放 大 系 数 ， 形 状 因 数 和 输 入 阻 抗 等 等 。 放 大 系 数 Mp 是指 变 幅 杆 工 作 在 共 振 频 率 时 ， 输 出 端 与 输 入 端 的 质 点 位 移 或 速 度 振 幅 的 比 值 ；形 状 因 数 是 衡 量 变 幅 杆 所 能 达 到 最 大 振 动 速 度 的 指 标 之 一 ， 它 仅 与 变 幅 杆 的几 何 形 状 有 关 ， 值 越 大 ， 所 能 达 到 的 最 大 振 动 速 度 也 越 大 ； 输 入 力 阻 抗 定 义为 输 入 端 策 动 力 与 质 点 振 动 速 度 的 复 数 比 值 。3.2.2 变 幅 杆 的 振 动 形 式 及 特 点变 幅 杆 是 一 种 根 据 声 振 理 论 而 设 计 的 特 殊 结 构 的 部 件 。 为 了 更 好 地 设 计 变幅 杆 ， 必 须 首 先 了 解 杆 的 基 本 振 动 形 式 和 特 点 。用 打 击 或 其 他 方 法 能 使 杆 中 产 生 纵 波 ， 由 于 波 的 反 射 作 用 而 使 整 个 杆 处 于驻 波 式 的 振 动 状 态 。 杆 的 固 定 点 就 是 驻 波 的 波 节 ， 杆 的 自 由 端 就 是 驻 波 的 波 腹 。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩因 此 根 据 杆 的 长 度 和 杆 的 固 定 方 式 ， 就 能 确 定 杆 中 可 能 产 生 的 驻 波 的 波 长 和 频率 ， 而 此 频 率 就 是 杆 的 固 有 频 率 。下 表 就 是 根 据 杆 的 固 定 方 式 不 同 ， 而 得 到 杆 长 和 波 长 的 关 系 式 以 及 杆 的 固有 频 率 。表 3-1（表中： - 杨氏模量； - 材料密度）由 上 表 可 知 ， 杆 的 固 有 频 率 不 只 一 个 ， 而 是 许 多 个 。 因 此 杆 的 固 有 振 动 也是 多 种 多 样 的 。 杆 还 能 以 各 种 固 有 频 率 所 组 成 的 简 谐 振 动 谱 进 行 非 简 谐 振 动 。振 动 频 率 为 基 频 ， 是 固 有 频 率 中 最 小 的 一 个 。 其 他 频 率 均 为 基 频 的 整 数 倍 ， 称为 谐 频 ， 相 应 的 波 则 为 谐 波 。 但 是 实 验 证 明 ， 在 一 个 杆 中 ， 激 发 基 波 是 最 容 易的 ， 被 激 起 的 振 动 幅 度 也 最 大 。 谐 波 频 率 越 高 ， 越 难 以 激 发 ， 而 且 振 动 的 振 幅也 越 小 。 在 振 动 切 削 中 大 多 激 发 杆 的 基 频 波 。不 同 的 固 定 方 法 ， 相 当 于 给 系 统 不 同 的 刚 度 ， 从 而 得 到 不 同 的 振 动 频 率 。两 端 固 定 就 是 增 加 了 系 统 的 刚 性 ， 致 使 固 有 频 率 提 高 。超 声 振 动 钻 削 中 的 变 幅 杆 ， 属 于 两 端 自 由 中 间 固 定 的 一 种 ， 上 端 为 自 由端 并 与 工 件 相 接 ， 下 端 也 是 自 由 端 和 换 能 器 相 接 ， 中 间 设 置 振 动 节 ， 通 过 变 幅杆 的 振 动 节 ， 把 整 个 声 振 系 统 固 定 在 钻 床 拖 板 上 。两端固定 中心固定，两端自由固定方式 两端固定 中心固定，两端自由杆长和波长关系，n 为任意整数2L，n=1,3,52nL固有频率 ，n 为任意整数Lfn2 （n=1,3,5fn）机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩图 3-2 不同固定方式的谐振图 3.2.3 变幅杆的类型分析和比较变 幅 杆 是 超 声 振 动 系 统 的 关 键 零 件 之 一 。 它 的 选 取 对 超 声 振 动 钻 削 装 置 的声 能 传 递 好 坏 是 至 关 重 要 的 。 变 幅 杆 主 要 有 ： 指 数 型 变 幅 杆 、 悬 链 线 型 变 幅 杆 、圆 锥 型 变 幅 杆 、 阶 梯 型 变 幅 杆 四 类 。 其 区 别 是 ：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 N 的 增 大 而 增 大 。 在N 1.01 1.81 范 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n=1n=3n=2n=5n=3n=1 机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩4.加 工 难 易 程 度 不 同 。 阶 梯 型 变 幅 杆 最 容 易 加 工 ， 圆 锥 型 变 幅 杆 次 之 。 指 数 型 、悬 链 线 型 最 难 加 工 。具 体 表 3-2 所 示 ：表 3-2 不 同 变 幅 杆 优 缺 点 对 比在 功 率 超 声 技 术 应 用 中 ， 不 同 的 加 工 条 件 下 对 变 幅 杆 的 要 求 也 有 所 不 同 。例 如 ：在 高 声 强 超 声 处 理 应 用 中 ， 如 超 声 钻 切 硬 脆 材 料 、 超 声 焊 接 、 超 声 金 属 成型 ， 超 声 疲 劳 实 验 、 超 声 破 碎 、 及 某 些 超 声 治 疗 等 等 ， 变 幅 杆 主 要 起 放 大 聚 能作 用 。 这 时 ， 对 变 幅 杆 的 要 求 主 要 是 要 有 尽 可 能 大 的 放 大 系 数 。而 当 变 幅 杆 的 负 载 是 液 体 或 液 体 与 固 体 粒 子 的 混 合 液 时 ， 在 超 声 处 理 过 程中 ， 负 载 的 变 化 较 小 ， 而 且 不 需 要 外 加 静 压 力 。 此 时 对 变 幅 杆 的 输 入 阻 抗 特 性及 刚 度 要 求 不 高 ， 因 此 常 常 采 用 简 单 的 阶 梯 型 变 幅 杆 。 这 种 变 幅 杆 在 面 积 系 数相 同 的 情 况 下 ， 放 大 系 数 最 大 ， 而 且 加 工 也 比 较 容 易 。如果变幅杆的负载是固体，如超声焊接、超声钻切等，在工作中大多需要一定的静压力，特别是超声加工过程中，加工工具不断磨损，这时负载变化较大，因而对变幅杆的要求除了要有足够大的放大系数以外，还要求工作稳定性高，有足够的刚度，所以可以选择指数型、悬链型或其它一些复合变幅杆。当放大系数要求不大时，最好采用圆锥型变幅杆，这是由于圆锥型变幅杆的刚度较大，工作稳定性高，而且容易进行机械加工。机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩3.2.4 变幅杆类型的选择在 选 用 变 幅 杆 的 类 型 是 应 从 三 方 面 来 考 虑 ， 一 是 设 计 比 较 简 单 ， 容 易 获 得较 准 确 的 设 计 数 据 ； 二 是 要 注 意 制 造 的 难 易 程 度 ； 三 是 要 根 据 振 动 切 削 的 具 体要 求 ， 特 别 是 放 大 倍 数 、 工 作 稳 定 性 、 切 削 用 量 等 来 选 择 合 适 的 变 幅 杆 。由 于 本 项 目 的 经 费 有 限 ， 因 此 在 设 计 这 套 超 声 加 工 设 备 时 ， 变 幅 杆 类 型 的选 取 上 我 主 要 考 虑 了 两 种 变 幅 杆 ： 一 是 阶 梯 型 变 幅 杆 ， 一 是 圆 锥 型 变 幅 杆 。 主要 因 为 这 两 种 变 幅 杆 设 计 都 比 较 简 单 且 都 比 较 容 易 加 工 。阶 梯 型 变 幅 杆 虽 然 设 计 和 制 造 最 简 单 ， 但 是 由 于 其 自 身 结 构 的 限 制 ， 传 递纵 波 的 截 面 发 生 突 变 ， 导 致 加 工 中 振 幅 稳 定 性 不 够 ， 当 它 受 到 负 载 阻 力 时 ， 振幅 减 小 的 现 象 比 较 严 重 ， 而 且 在 粗 细 过 渡 的 地 方 容 易 产 生 应 力 集 中 而 造 成 疲 劳断 裂 。 在 实 验 中 发 现 ， 阶 梯 型 变 幅 杆 共 振 性 能 不 好 ， 表 现 在 和 换 能 器 的 匹 配 性不 好 ， 得 到 的 振 幅 很 小 且 不 稳 定 。而 圆 锥 型 变 幅 杆 则 输 出 功 率 大 ， 工 作 的 频 率 稳 定 性 好 ， 有 足 够 的 刚 度 ， 共振 长 度 最 长 ， 在 长 时 间 工 作 后 换 能 器 发 热 还 能 处 于 共 振 状 态 。 在 超 声 车 削 时 ，当 切 削 用 量 变 化 时 ， 振 动 电 源 的 振 动 频 率 发 生 漂 移 时 ， 圆 锥 型 变 幅 杆 仍 能 够 处于 较 好 的 共 振 状 态 ， 而 且 超 声 电 源 不 用 设 频 率 自 动 跟 踪 系 统 。 同 时 圆 锥 型 变 幅杆 形 状 因 数 最 大 ， 制 造 也 比 较 容 易 。本课题是加工 45#与复合材料，变幅杆的负载是固体（钻头夹具与硬质合金钻头或镀金刚石硬质合金钻头） ，加工时要求变幅杆工作稳定性高，有足够的弯曲劲度。经过综合比较，笔者最后决定采用圆锥型变幅杆。3.2.5 变幅杆材料的选择变 幅 杆 从 形 状 上 看 就 是 一 般 的 金 属 杆 ， 但 是 选 取 什 么 样 的 金 属 材 料 来 制 作变 幅 杆 是 非 常 重 要 的 。 在 实 际 应 用 中 ， 往 往 由 于 变 幅 杆 材 料 选 用 得 不 合 适 ， 造成 变 幅 杆 的 折 断 或 无 法 正 常 工 作 。 振 动 切 削 希 望 变 幅 杆 在 制 造 上 选 用 疲 劳 强 度高 、 具 有 一 定 得 硬 度 又 具 有 较 好 的 韧 性 的 金 属 材 料 ， 在 工 作 频 率 范 围 内 材 料 的损 耗 小 且 容 易 进 行 机 械 加 工 。 另 外 ， 作 液 体 处 理 应 用 的 变 幅 杆 ， 还 要 求 其 辐 射面 所 用 的 材 料 应 当 耐 腐 蚀 。常 用 的 变 幅 杆 材 料 有 不 锈 钢 、 耐 热 合 金 钢 、 钛 合 金 等 等 ， 特 别 是 钛 合 金 ，机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩由 于 其 性 能 优 良 ， 是 变 幅 杆 中 的 首 选 材 料 ， 但 材 料 与 制 造 成 本 较 高 ， 是 该 材 料应 用 的 局 限 。 具 体 比 较 如 表 3-3 所 示 。表 3-3 常 用 材 料 的 声 学 特 性在 本 设 计 中 ， 考 虑 到 成 本 问 题 ， 变 幅 杆 的 材 料 选 择 45#钢 ， 并 需 对 其 调 质处 理 。调 质 后 该 材 料 的 有 关 参 数 如 下 ：抗 拉 强 度 ； 疲 劳 强 度 ； 材 料 密25.61mkgb 254.0mkgbMax度 ； 超 声 波 在 该 种 材 料 中 的 传 播 速 度 ； 超39.7g sc6109声 波 在 该 种 材 料 中 的 波 长 。fc5.283.2.6 变幅杆的设计与解析圆 锥 型 变 幅 杆 形 状 如 图 3-3 所 示 ：机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩图 3-3其 对 称 轴 为 坐 标 轴 x， 在 距 离 原 点 O 为 x 处 取 出 一 小 体 元 （ x,x+dx） ， 受力 如 图 所 示 ， 先 导 出 面 积 函 数 ：见 图 3-4 所 示 ， D1、 D2 分 别 为 大 端 、 小 端 直 径 ， Dx 为 距 大 端 x 处 的 任一 截 面 的 直 径 ， 补 全 为 三 角 形 ：图 3-4则 ：（ 3-5）ylxDx1（ 3-6）l12机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩由 式 2-6 得 （ 3-7）21Dly把 式 2-7 代 入 式 2-5 得（ 3-8）xlDx211令 （ 称 为 面 积 系 数 ）N2故 ， 由 式 2-8 得（ 3-9）)1(1xlDx令 aNl由 式 2-9 得（ 3-10）)1(xx其 面 积 函 数 （ 3-11）21)(axS设 质 点 的 位 移 函 数 其 应 力 函 数 （ 3-12）)(其 中 E 为 杨 氏 弹 性 模 量 ， 并 设 变 幅 杆 材 料 密 度 为 。由 图 3-4 所 示 ， 小 体 元 上 所 受 张 力 为 据 牛 顿 第 二 定 律 列 出 动 力 学,dx方 程（ 3-13）dxtSdx2)(在 简 谐 振 动 情 况 下 ：（ 3-14）)(tAin（ 3-15）Cost（ 3-16）222)(tSit把 式 2-12、 式 2-15 代 入 式 2-13 得（ 3-18）0xSx机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩令 (k 称 为 圆 波 数 )2c且 波 速 所 以 ， 式 2-18 变 为 ：（ 3-19）02kxSx把 式 2-11 代 入 式 2-19 得 ：（ 3-20）0kxax解 此 方 程 得 ：（ 3-21）)(1BSinkxACosax（ 3-22）)()1)( 2BSinkxACosaxkCosixx a 推 导 频 率 方 程 及 圆 锥 型 杆 的 谐 振 长 度边 界 条 件 x=0 时 0xx=l 时 当 x=0 ， 时由 式 2-22 得-kaB-a2A=0故（ 3-23）当 x=l ， 时0x- 0)1()1(122 SinkllaBCosklaAosklaBSinklA机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩 0)1()1( CoskllaABkSinllaAk把 式 2-23 代 入 得0)1()1( oskllakSinllaBk故 )1(2laktgl（ 3-24）)(2ltl此 方 程 即 为 圆 锥 型 变 幅 杆 的 频 率 方 程 ， 该 方 程 为 超 越 方 程 用 数 值 分 析 中 的计 算 法 ， 可 解 出 的 数 值 解 。 Kl 的 值 也 可 有 下 表 3-4 查 出 ：kl表 3-4N kl N kl1.051.103.14243.14453.553.603.56383.57181.151.203.14783.15213.653.703.57883.56821.251.303.15733.16333.753.803.59353.60071.351.403.17003.17713.853.903.60783.61481.451.503.18483.19293.954.003.62183.62861.551.603.20133.21014.054.103.63543.64211.651.703.21913.22834.154.203.64873.65521.751.803.23763.24714.254.303.66163.66801.851.903.25673.26644.354.403.67433.6805机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩1.952.003.27263.28604.454.503.68663.69262.052.103.29583.30574.554.603.69863.70452.152.203.31553.32534.654.703.71033.71612.252.303.33513.34494.754.803.72173.72742.452.503.37383.38344.955.003.74383.74912.552.603.39283.40225.105.203.75963.76992.652.703.41163.42085.305.403.77983.78962.752.803.42993.43905.505.603.79913.80842.852.903.44803.45685.705.803.81753.82642.953.003.46563.47435.906.003.83503.84353.053.103.48293.49146.106.203.85183.85993.153.203.49993.50826.306.403.86783.87553.253.303.51643.52456.506.603.88313.89053.353.403.53263.54056.706.80 3.89773.453.503.54843.55616.907.00当 定 出 面 积 系 数 N 之 后 ， 就 可 查 出 值 ， 值 知 道 后 ， 就 可 以 算 出 谐 振kll长 度 ， 用 一 个 等 效 公 式 来 定 谐 振 长 度l p（ 3-25）)(2kllp机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩b 导 出 位 移 节 点 x0 的 公 式位 移 节 点 就 是 超 声 波 在 变 幅 杆 中 传 播 时 节 点 （ 振 幅 为 零 的 点 ） 的 位 置 ， 求出 位 移 节 点 的 目 的 是 为 了 在 进 行 超 声 振 动 钻 削 时 ， 利 用 节 点 把 变 幅 杆 固 定 下 来 ，这 样 ， 一 方 面 固 定 变 幅 杆 ， 另 一 方 面 使 能 量 损 失 为 最 小 。边 界 条 件 时 位 移0x1时 应 变 0x当 ， 时 由 （ 3-21） 得x1A故1当 ， 时 由 （ 3-21） 得0x02ABk故k1把 A,B 代 回 （ 3-21） 得)sinco(11kxx所 以（ 3-26）)si(c1kxx把 ，0x代 入 （ 3-26） 得 位 移 节 点 0)sin(co100kxx故机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩 0sinco0kx得（ 3-27）kxtg)(0c 导 出 振 幅 放 大 倍 数 Mp振 幅 放 大 倍 数 就 是 超 声 波 经 过 变 幅 杆 后 ， 小 端 的 振 幅 与 大 端 振 幅 之 比 。由 于 是 半 波 长 的 变 幅 杆 ， 所 以 大 端 小 端 的 振 幅 互 为 相 反 数 ， 大 端 已 设 为， 所 以 小 端 设 为 ， 故 边 界 条 件 时 ， 振 幅 ， 把 该 边 界 条 件 代12lx2入 （ 3-26）)sin(co12 kll故（ 3-28）)si(c12 kllMp把 代 入 （ 2-28） 得Nl（ 3-29）)sin1(cosklNklp3.2.7 变幅杆各参数的计算已 知 条 件 ： 圆 锥 型 变 幅 杆 的 工 作 频 率 为 20kHz， 材 料 用 45 号 钢 ， 大 端 直径 D1=52mm， 小 端 直 径 D2=20mm。= =2.6 （ 3-30）N521（ 1） 共 振 长 度 ：频 率 方 程 tg( )= （ 3-31） kl2)(1klN把 N 值 代 入 （ 3-31） 式 解 得 （ ） =3.40l波 长 （ 3-32）5.281069.53fc机械机电专业本科优秀毕业设计通过答辩= (3-33)lmkl 85.13924.582（ 2） 位 移 节 点 ：0x圆 波 数 （ 3-34）261043.19.520cfk（ 3-35）34.Nl（ 3-