毕业论文-超声振动工作台及夹具的设计

1、.毕业设计说明书超声振动工作台及夹具的设计 学 院：机 械 工 程 学 院 专 业：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号 ： 指导教师： 2016 年 06 月摘要第一章 摘 要.本设计主要是设计超声振动工作台及夹具，包括超声发生器和换能器的选择，变幅杆、夹具、水射流喷嘴和可以使喷嘴摆动的回转工作台的设计。第一部分是超声振动工作台的设计，首先根据设计任务书参数对超声发生器与换能器进行选型。其次是变幅杆和夹具的设计。本设计中超声发生器采用超声焊接发生器,换能器型号根据超声发生器选压电陶瓷换能器。依据换能器输入端直径和振幅可设计变幅杆。变幅杆设计时采用纵向振动的指数型变幅杆，其有足够的放大系

2、数和工作稳定性。设计夹具时，考虑到工件为微型块，所以采用面定位，然后用另外两面进行夹紧。夹紧机构采用螺旋夹紧机构，通过旋转把手，推进夹紧块进行夹紧，精度高，方便快捷第三部分为喷嘴装置的设计，要求其可以实现喷头摆动。设计喷头为带准直管的单射流磨料侧进式喷头，其中准直管前段加收缩段以此提高冲蚀能力和射程。喷头的摆动是通过涡轮蜗杆机构设计一个回转工作台，将伺服电机的旋转运动转换为喷头的摇摆运动，通过电机的正反转控制喷头的摆动，以此进行多角度磨料水射流加工。关键词 超声振动工作台 超声发生器 超声换能器 变幅杆 夹具 喷头 回转工作台V英文摘要ABSTRACT The design is mainly

3、 to design ultrasonic vibration table and fixture, including ultrasonic generator and transducer selection, , amplitude transformer，clamp, water jet nozzle and the design of the rotary table of the nozzle can be made. The first part is the design of ultrasonic vibration table. Firstly, according to

4、the parameters of the design task book, the selection of ultrasonic generator and transducer is made.ultrasonic generator using ultrasonic welding generator in the design , transducer model according to ultrasonic generator piezoelectric ceramic transducer。 According to the input end diameter and am

5、plitude of the transducer can be designed.In the design of the horn, the longitudinal vibration of the exponential horn is used, which has sufficient amplification factor and working stability.Fixture design, considering the work as tiny pieces, so the face positioning, and then use the other clampi

6、ng on both sides .The third part is the design of the nozzle device.It is required to realize the swing of the nozzle.The design of the nozzle is a single jet abrasive side inlet nozzle with a straight pipe, in which the front section of the pipe is added with the contraction section to improve the

7、erosion ability and the range.The motion of the nozzle is a rotary table through the turbine worm mechanism design .The rotary motion of the servo motor is converted to the swinging movement of the nozzle, and the swing of the nozzle is controlled by the positive inversion of the motor. key word: Ul

8、trasonic vibration table Ultrasonic generator ultrasonic transducer amplitude transformer fixture Nozzle Rotary table 目录目录摘 要IIABSTRACTIII第一章 引言11.1 特种加工技术的分类和应用11.1.1 按能量来源和作用形式分类11.1.2 按加工原理分类21.1.3 特种加工的发展应用概述31.2 磨料水射流技术研究现状31.2.1 磨料水射流技术概括31.2.2 磨料水射流加工机理41.2.3 磨料加工基本工艺规律51.2.4 磨料水射流加工流程51.3 超声

9、加工技术的发展51.3.1 国外超声加工技术的发展51.3.2 国内超声加工的发展61.4 超声加工装置的组成61.5 超声加工技术的应用71.6 该设计的研究目的意义71.6.1目前加工中存在问题与解决方法71.6.2 研究的目的及意义8第二章 总体设计方案92.1 主要设计内容92.2 总体设计方案分析9第三章 方案结果分析123.1 超声振动系统部分构件的选择123.1.1 超声波发生器的选择123.1.2 超声换能器的选择123.2 超声变幅杆的设计133.2.1 变幅杆类型的选择133.2.2 变幅杆材料的选择原则143.2.3 指数型变幅杆尺寸的设计143.2.4 变幅杆的工艺要求

10、183.3 夹具的设计183.4 喷头的设计193.5 喷头摆动装置的设计203.6其余附件的选择21第四章 方案分析234.1 变幅杆的连接234.2 工作台伺服电机的选择234.3 蜗杆轴校核244.3.1 中心距计算244.3.2 传动基本尺寸254.3.3 齿面接触疲劳强度验算26 4.3.4 轮齿弯曲疲劳强度计算 264.3.5 蜗杆轴挠度验算264.4 蜗杆受力分析264.5 涡轮轴校核27第五章 结论与总结29致谢31参考文献32引言引言科学技术的发展与世界先进制造技术的兴起和不断慢慢成熟，社会的发展对加工的技术提出了更高的要求；为满足生产发展和科学实验的需要，很多工业部门对零件

11、加工质量要求越来越高，这也要求科学技术向高精度、高速度、小型化化方向发展。在现在社会生产中，所用材料加工起来越来越难、零件形状也越来越复杂，加工精度和表面粗糙度以及某些特殊要求越来越高。要满足这些工艺要求，传统加工方法很难实现,特种加工技术应运而生。类似于磨料水射流和超声振动这样的复合特种加工技术应用越来越广泛。1.1 特种加工技术的分类和应用 1.1.1 按能量来源和作用形式分类1.能量来源以机械能为主的特种加工.超声加工（USM）是利用超声振动的工具，在含有磨料的液体介质或干的磨料中，利用超声波传递的超强能量，使磨料产生冲击抛光等来去除材料。总的来说，就是磨料的机械碰撞和超声空化综合作用的

12、结果。超声加工由于其特殊属性，适合于加工各种硬脆材料，尤其是不导电的非金属材料。超声加工机床一般来说比较简单，但是其工艺优势强，具有切削力小、切削热低、工件表面质量高、精度高、加工稳定、生产效率高等特点。 磨料流加工也是一种以机械能为主的加工方式。它是利用一种含磨料的半流动状态的粘弹性磨料介质，在一定压力下强迫其在被加工表面流过，利用磨料磨粒的刮削作用产生的机械能来去除出工件表面微观不平材料的加工方法。磨料流加工可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，其几乎能加工所有金属材料同时也能加工陶瓷、硬塑料等。磨料流加工已用于硬质合金拉丝模、挤压模、拉伸膜。还可用于去除机加后变质层。 2.能量来源以电能和

13、热能为主的特种加工 电火花加工利用的是工具和工件之间的脉冲性火花放电产生的热能来蚀除多余的金属来达到预定的加工要求。其加工时必须满足三个条件：工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙、火花放电必须是是脉冲性放电、火花放电必须在有一定的绝缘性能的液体介质中进行。电火花加工现在应用以非常广泛大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花切割、电火花磨削和镗孔。此外电子束加工和等离子弧加工也是以电能和热能为主的加工。 1.1.2 按加工原理分类 1.以熔化、气化为加工原理的特种加工工件的形状或性能的改变，是由于在其表面施加了能够引起熔化或气化的激光束的作用，这种利用熔化或气化的热效应的加工发生就是激

14、光加工。激光加工加工范围广，并且不受时间和空间的限制，在自动化加工中应用比较广泛。经激光加工的工件，其精度高、质量高，且加工过程效率高，同时也是一种绿色加工方式，具有广阔的发展前景。激光加工在切割、焊接、打孔、热处理以及精密件的加工中其优势越来越明显，在某些领域有逐渐取代传统加工的趋势。2. 以金属离子沉积或溶解为原理的特种加工与金属离子有关的加工可分为两类，一是以电解加工为主的从工件上去除溶解离子的加工，二是以电镀、涂覆为主的向工件沉积金属的加工。电解法是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，对工件进行处理。电化学加工由于使用化学反应，没有切削力的过程，可以实现高精度加工。它已广泛应用于深孔扩

15、孔，孔孔加工和电解抛光。 电镀工艺原理：在镀液中使用金属离子在电场作用下，将涂层沉积在阴极上。电铸工艺主要用于复制的图案精细的表面轮廓，通过注塑模具的复制，和制造复杂的、高精度的空心零件和薄壁零件，如波导管。 1.1.3 特种加工的发展应用概述特种加工的兴起引起了机械制造技术领域的大变革，具体表现为对材料的可加工性、工艺路线的安排、新产品的试制过程、产品零件设计的结构，零件结构工艺性好坏的衡量标准等产生了一系列的影响。首先是改变了人们传统意识里对材料可加工性的定义，传统思维中认定的很难加工甚至是不能加工的金刚石、硬质合金等材料，现在已可以用采用电火花，电解加工等方法来对他们进行加工。材料的可加

16、工性与硬度、强度、脆性等的关系越来越少。特种加工的出现，颠覆了人们的传统观念。其次，特种加工也改变了零件的传统工艺路线。传统加工中，必须在淬火之前进行的切削加工、成型加工等，由于特种加工的出现，对这方面的要求已不再重要。第三点是特种加工对构件工艺性能的好坏的评估产生了颠覆。以往认为工艺性能很差的方孔，窄孔、斜孔等，现在从特种加工的角度看，和普通的孔已没什么区别，其加工难易程度是一样的。最后，特种加工的出现，使精密加工微细加工广泛出现在人们的生活中。近年来快速发展的微细加工和纳米加工技术，主要就是应用了熔化和气化的原理，包括电子束、离子束、电化学、电火花、激光等特种加工技术。特种加工的出现，纳米

17、材料对人们来说不再那么遥远。特种加工作为先进制造技术中较为重要和使用的技术，在国民生产生活中以得到广泛应用。学习特种加工技术，对特种加工技术进行设计和研发具有很强的显示意义，这也是本课题的目的所在。1.2 磨料水射流技术 1.2.1 磨料水射流技术概括 磨料水射流技术在上世纪八十年代左右就出现了，作为一种特种加工技术，最初主要在去除零件内部通道或隐藏部分的毛刺方面显示出优越性，随后扩大应用于零件表面的抛光。 水射流是由喷嘴流出形成的不同形状的高速水流束，这种具有足够能量的水流束作用在材料上，可以对材料进行清洗、剥层、切割、粉碎等作业。水射流作业效率与泵的压力紧密相关，为使水射流技术广泛应用于大

18、工业部门，人们研制高压发生设备。但由于高压设备成本居高不下，而且还给安全带来隐患，因此其应用也受到限制。后来人们发现，在射流中混合其它物质是提高射流性能的有效手段之一。磨料射流就是在射流中混入磨料粒子，有压流体作为载体使磨料粒子加速，这些磨料得到了与流体接近的速度，由于磨粒质量大，硬度高，所以可以有效提高射流作业效率和射流作业能力。通常水作为高压流体，因此这种加工称为磨料水射流加工。磨料水射流加工通俗讲就是磨料在高压介质的作用下，以极高能量撞击工件，以此来完成工件表面的加工。在加工的一整个过程中，磨料起主要的作用。该加工技术具有加工作用力小、无热效应、清洁等优点。其优越的技术特性决定了其加工材

19、料的范围非常大，特别适合加工各种硬脆，热敏、复合材料等。磨料水射流根据引射介质的种类，可以分为水引射磨料射流、气体引射磨料射流和磨料桨体射流，但其在原理上都是一样的。磨料水射流在加工过程中，不会产生残余应力，加工精度高。通过调整水射流的压力、流量、进给速度和磨粒大小等参数，可以对工件进行清洗、除锈、去毛刺、抛光切割等不同操作。 1.2.2 磨料水射流加工机理磨料水射流可以加工各种脆硬性材料，其主要原理就是借助磨料离子的冲蚀作用。而水主要起增压、提速和带动磨料介质流动的作用。磨料离子主要通过塑性、脆性两种作用方式来对工件进行加工。去除方式除了与磨料离子的冲击角度和冲击动能有关，还与被加工材料本身

20、性能密切相关。金属作为塑性材料的代表，其去除方式为塑性去除。陶瓷等脆硬材料，在精密仪器下观察，发现其主要为晶格断裂，即我们所说的脆性加工。 1.2.3 磨料加工基本工艺规律磨料水射流加工速度主要与磨料类型及粒度、喷射压力、喷嘴直径、喷件与工件之间的距离及喷射倾斜的角度有关。一般来说，磨粒越大，喷射速度越高，材料去除率越快。研究人员们进一步发现，当磨料流量较小时，加工速度随磨料流量增加而增加，当达到某一大值以后，若磨料流量继续增加，由于后面喷射来的磨料与刚从工件表面反弹出的磨料相碰撞的几率增大，使直线冲击工件的颗粒减少，因而加工速度反而降低。喷射角是指喷嘴轴线与工件被加工表面切线间的夹角，最佳喷

21、射角随工件材料的不同而不同。他们的一般规律是工件材料硬度、脆性越高，最佳喷射角也越大。磨料喷射的加工精度一般可达到0.13mm,最高的加工精度可达到0.05mm，喷嘴与工件表面之间的距离与切割精度有很大关系。随着喷嘴与工件距离的增加，切割缝隙与锥度锥度都会增大，导致加工精度降低。 1.2.4 磨料水射流加工流程 采用水或带有磨料的水高速冲击工件进行加工或切割。水经水泵后通过增压器增压，储能器使脉动的液流平稳。水从口径0.1-0.5mm的人造蓝宝石喷嘴喷出，直接射到工件的加工位置。其加工深度取决于液压喷射的速度，压力以及压射距离。切割速度取决于工件材料，并与所用工件大小成正比与材料厚度成反比。1

22、.3 超声加工技术 1.3.1 国外超声加工技术的发展在二十世纪三十年代左右，美国科学家就已经做了超声加工实验。他们利用剧烈的振动进行雕刻和快速钻孔，但都是并未用于工业上。直到文献上出现关于超声振动的描述后，超声加工技术才引起人们的关注。1951年，美国的科恩造出了第一台超声加工机，为超声技术的发展奠定了基础。 1.3.2 国内超声加工的发展我国的超声技术始于二十世纪五十年代末，但由于技术设备不成熟，并未有多大进展。1982年研制成功的超声拉管设备，填补了超声加工在金属塑性加工中应用的空白。二十世纪末到本世纪初的几十年，我国的超声加工技术发展迅速。在超声振动系统、超声复合加工领域有着广泛的研究

23、。尤其是在金刚石、玻璃等难加工材料领域取得了长足的进步。1.4 超声加工装置的组成超声加工设备一般由由电源(即超声发生器)、振动系统(包括超声换能器和变幅杆)和机床本体三部分组成。 图1-1 超声加工设备的主要组成超声发生器也可以称为超声电源，它可以将工频交流电转化为具有一定功率的超声频电震荡，并将这种电振动传递给换能器的一种设备。根据其工作原理，超声发生器有模拟电路和数字电路两种。 换能器的主要作用就是将高频的电震荡转化为机械振动。目前，使用最广泛的超声换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器等两大类。压电材料目前主要有两种应用广泛，即压电陶瓷和石英晶体。超声变幅杆作为超声振动系统的重要组成部

24、分，起着放大振幅和聚能的的作用。超声换能器振幅在20KHz范围内只有几微米，达不到加工要求，所以需要变幅杆来扩大。变幅杆在安装时，一般在变幅杆半波长等于截面处夹带一个法兰盘，通过法兰盘将变幅杆固定在超声装置上。总体来说，超声加工装置工作过程就是超声发生器将工频交流电转化为超声频震荡，然后换能器将超声电振荡转化为机械振动，变幅杆将机械振动的位移和振幅和位移扩大传递给工具头，工具头作纵向振动冲击磨料颗粒，最后磨料颗粒在冲击加工表面进行加工。1.5 超声加工技术的应用 超声加工所加工件的加工精度高、表面粗糙度低，再加上其可以加工不导电的脆硬材料和半导体材料，目前已广泛应用于加工制造业中。超声材料去除

25、加工是超声加工的一大领域。主要包括超声切削加工、磨料冲击加工和超声磨削加工。超声表面光整加工以超声抛光为典型代表，它是把超声振动系统产生的超声振动能量附加在工具或被抛光件上。以此驱动工具或工件在一定的频率和振幅下进行机械振动摩擦，以此来对件进行抛光的表面光整加工的方法。超声焊接加工是在固体焊接中引入超声振动的一种工艺方法，可以焊接不同金属，可以在厚金属板上焊接金属薄片或金属箔，也可以焊接塑料件特殊部位，所以超声焊接应用越来越广泛。超声加工还可与其他加工方法进行复合，组成超声复合加工。例如超声振动可以强化电火花加工、线切割加工、电化学加工、磨料水射流加工、激光加工等工艺工程。两种甚至多种加工方法

26、相结合，可以取长补短，发挥出更大的经济效益，极大地提高加工质量。1.6 该设计的研究目的意义 1.6.1目前加工中存在问题与解决方法超声加工和磨料水射流加工作为两种特种加工工艺的代表，其各自的优点都非常突出，但是它们也具有各自的局限性。磨料水射流加工已被广泛用于硬脆材料加工中，是一种很有发展前景的加工方式，但是由于磨料水射流抛光时，微小的磨料离子通常以较低的压力冲向工件进行冲蚀，当对高硬脆材料加工时，就会暴露出去除率低，效率慢的缺点。如果对磨料水射流进行改进，采用高压和大质量的磨料颗粒，虽然去除率高，但是会让工件表面形成脆性碎裂，影响加工质量，同时也会让加工成本提高，这显然不是改进的一个好方法

27、。如果将超声振动引入磨料水射流抛光中，给工件赋予切向振动，可以提高材料去除率和表面完整性，同时经济效益也会得到极大的提高。此外磨料水射流加工由于冲蚀角度单一，易形成明显的冲蚀纹理，在引入超声振动之后，这个缺陷也会得到解决。 1.6.2 研究的目的和意义随着科技的发展，各种新材料（尤其是难加工材料）将会不断涌现，其对加工工艺的要求将会越来越高。同时，由于社会的进步，人们对于产品质量和生产效益的追求将会越来越苛刻，传统加工方式甚至是单一的特种加工方法将很难满足这种要求。复合加工将日益显出其独特的魅力，其应用也必会拓展到更多领域，所以对复合加工的研究意义重大。超声振动加磨料水射流加工就是复合加工的典

28、型代表，通过对这种加工方式的设计，可以了解超声加工系统的机理，掌握磨料水射流技术在加工运用的实际情况。可以整合大学四年所学的专业知识，并且锻炼自己资料的收集、查阅能力，创造与动手等综合化能力。使自己在专业技术方面有一个质的飞跃。为自己今后的工作打下一个坚实基础，也为今后的发展提供一个良好的基础平台。30总体设计方案第二章 总体设计方案2.1 主要设计内容本课题主要是设计超声振动加磨料水射流的一个复合加工机构，包括超声发生器的选配，工作台整体结构、夹具、喷头以及喷头连接装置的设计，使能够实现硬脆材料工件曲面和周向结构的加工。而对其他部件如磨料供料系统、尾料回收装置不作为设计要求，只做一般了解。设

29、计谐振振幅20-40，换能器的谐振频率为19KHz-20KHz，功率小于2000W，加工工件15mm15mm5mm。工作台主要构件为发生器，换能器，变幅杆、夹具等，喷头要能实现摆动。设计时应兼顾安装尺寸和装配工艺。2.2 总体设计方案分析 按照任务书所给要求，毕业设计任务可以分为两大类：超声振动工作台的设计和磨料水射流喷头及其连接装置的设计。通过分析，本设计难点在于变幅杆的设计及喷嘴部分的设计，其他部分的构件可根据要求进行选择。 在目前超声振动装置的发展中，其组成结构并没无大差别，但是其结构布置可差别很大，有水平超声振动工作台，也有竖直方向的超声振动加工，如下图所示 图2-1 超声振动结构本此

30、设计的超声振动工作台并不是单一的超声加工机构，作为超声复合加工装置，其整体结构还要考虑到磨料水射流加工。随着社会进步，新材料不断涌现，传统的单一磨料水射流加工技术凸显出了其加工能力不足的缺陷。为提高磨料水射流加工效果，其实可以采用增压或增大磨料离子直径等方式提高其冲蚀能，但是这些方法成本高，对设备要求高，且效果也不是很好，从经济效益来说不具有设计意义。而超声复合加工技术却以被广泛用于传统车削、磨削加工中并且极大的提高了它们的加工质量和效率，所以考虑以超声振动来辅助磨料水射流加工。2.3 确定设计总方案综合上述两种特种加工的综合考虑，由于磨料水射流加工主要借助的是磨料离子的冲蚀作用，所以采用水平

31、工作台比较合适。 整个设计的大体结构如上图所示。本设计中通过超声振动系统，使工作台连同工件做横向振动，从而实现了工件相对于磨料水射流中磨料离子的横向运动。由于超声振动的加速度非常大，所以在不改变压力和磨料离子质量的前提下，其冲蚀能力也得到提高。这种改变效果显著，既保持磨料离子有效冲蚀动能，又提高了磨料离子的塑性剪切作用。在此设计的基础上，再对喷头装置进行改进。通过设计一个类似于回转工作台的涡轮蜗杆机构，让磨料喷嘴做摆动运动，使磨粒加工均匀，避免因水射流过于集中造成的工件加工表面不平整现象，从而提高水射流的加工效率，改善其加工效果。设计中超声振动工作台作为加工的主要部件，主要由超声发生器、超声换

32、能器，变幅杆、夹具等组成。超声发生器将工频交流电转化为超声频电震荡，通过换能器将这种高频电震荡转化为机械振动，然后由变幅杆将振幅扩大后传输给工具头，工具头做纵向振动，冲击磨料颗粒，磨料颗粒同时又冲蚀加工表面进行加工。而喷嘴也有一定的旋转自由度，在涡轮蜗杆装置的带动下，可做慢速的摇摆运动，可以满足不同射流冲蚀角度的需要。 方案论述第三章 第三章 方案结果分析3.1 超声振动系统部分构件的选择 3.1.1 超声波发生器的选择 超声波发生器（又称超声电源）的作用是，将工频交流电转化为超声频电震荡，以供给工具断面往复运动的能量。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”

33、使超声波发生器的频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态，这是选择超声波发生器考虑因素之一。同时，所选发生器输入功率要可调，结构简单、工作可靠、价格便宜。综合超声波发生器的选择要求，最终选择了最终选用无锡尼可超声设备有限公司生产的超声波发生器，其功率范围可调，最大功率为1Kw，输出频率为20KHz，频率可以实现微调。 3.1.2 超声换能器的选择换能器的作用是将高频电震荡转化为机械振动。目前有压电效应和磁致伸缩两种方法可以达到这种效果。石英晶体，钛酸钡以及镐钛酸铅等压电材料在受到机械压缩或拉伸变形时，在它们两对面的介质上加以一定的电压则会产生一定的机械变形，这一现象称为压电

34、效应。铁、钴、镍及其合金的长度随其所处的磁场强度的变化而伸缩的现象称为磁致伸缩效应。在此基础上，压电换能器利用的是压电材料在电场作用下产生形变的特性，也就是说压电换能器就是利用压电晶体的逆压电效应制成的。压电材料目前主要有两种应用广泛，即压电陶瓷和石英晶体。 超声换能器的一般采用压电效应原理。石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大20到30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。压电陶瓷材料具有二者的优点，其成本也相对较低。所以换能器的材料选择压电陶瓷。3.2 关于超声变幅杆的设计 压电材料的变形量非常小，使得超声换能器即使在共振条件下其振幅也只有几微

35、米，难以满足加工要求。超声振动工作台工作时需要几十微米的振幅，因此必须通过一个上粗下细的装置将振幅加以扩大，所以就需要变幅杆。变幅杆能够扩大振幅的原因是因为它的每一截面的振动能量是不变的，截面越小，能量密度越大，振动振幅越大，放大倍数也就越大。变幅杆通常为上粗下细的变截面杆，其形状可分为指数型、圆锥形、阶梯形，而复合型则是根据需要将简单型组合起来用。根据振型的区别，变幅杆还可以分为纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、扭转振动变幅杆。本设计目的是使工作台能够实现水平方向的振动，所以采用纵向振动的变幅杆。 图3-1 几种变幅杆 超声振动变幅杆的性能主要由变幅杆的放大系数、形状因数、位移节点、弯曲劲度等

36、参数决定的。其中放大系数是变幅杆在共振频率时，输入端与输出端质点位移或速度的比值；形状因数是衡量变幅杆最大振动速度的指标，与变幅杆几何形状有关。这些参数都是由纵振动波动方程、杆的面积函数推导出来的，也是设计变幅杆时的主要依据。 3.2.1 变幅杆类型的选择 变幅杆的类型根据实际应用情况来选。因为负载为固体，在加工过程中变幅杆始终要承受一定的静压力，而且变幅杆所受负载也在不断变化。这种情况下要求变幅杆除了要保持高的工作稳定性和足够的弯曲劲度外，还必须要有足够大的放大系数才能满足加工要求。指数型变幅杆具有足够大的放大系数，弯曲劲度大工作稳定性高，便于加工。所以最终选用纵向振动的指数型变幅杆。 3.

37、2.2 变幅杆材料的选择原则 超声振动工作台最重要的一部分就是变幅杆了，对整个机构来说其材料的选择显得尤为重要。选择的一般原则为（1）在工作频率范围内材料必须无损耗或微损耗（2）材料所适应的工作范围要广，即使在高的振动速度和位移振幅下也可以正常工作，同时还要达到高抗疲劳强度以及低声阻抗（3）材料要容易加工，工作稳定。（4）从经济性来说，最好价格便宜。根据超声变幅杆的选择要求，能达到条件要求的金属材料很多，钛合金尽管性能最好，但价格昂贵，难于机械加工是它最大的不足。综合考虑后，最终选择用铝合金材料来加工超声变幅杆。表3-1 铝合金参数密度（）2.77泊松比0.33体积模量（GPa）70杨氏模量（

38、GPa）71剪切模量（GPa）27声速（）6320 3.2.3 指数型变幅杆尺寸的设计 为研究方便，假定变截面杆材料均匀，略去机械损耗，因为杆的截面尺寸远小于波长，所以可认定平面纵波沿杆轴向传播，且应力分布均匀。 图3-2 变幅杆的纵振动如上图所示，一变截面杆，其对称轴为x轴，任选一小体积元（x，x+dx所限定的区间）作用其上的张应力为，根据牛顿定律，可以得出动力学方程为： (3-1) 上述动力学方程中，S为横截面函数，S=S(x);为质点位移符号，=(x),为应力函数；为杆的材料密度，E为杨氏模量。在谐振的条件下，可以得出变截面杆纵振动的变截面方程 (3-2) 上试中，k为圆波数，k=；为圆

39、频率；c为纵波在细棒中的传播速度，。 设计变幅杆时，根据所选超声换能器的参数，确定变幅杆的工作频率为20KHz，其输入端直径应与换能器输出端面相配合，确定为100mm。由于所选材料为铝合金，其纵波声速为，变幅杆最大位移振幅设定为40,。由于换能器振幅在20KHz范围内只有几微米，所以设换能器辐射面振幅为8。对变幅杆进行设计时，要根据经典动力学微分方程结合边界条件进行求解。对指数型变幅杆进行设计时，根据振幅扩大比，估计放大系数 即N=5半波谐振长度：(3-3) (3-4) 检查是否满足 ，所以满足限制条件。 放大系数： 位移节点（宽端算起） (3-5) 应变极大点 由 所以 (3-6) 形状因数

40、 (3-8)所以变幅杆外形加工尺寸 为大端面尺寸。综合考虑工具大小和放大因数，初定变幅杆小端尺寸为20mm，大端尺寸为100mm。 由直径沿轴向变化规律 计算列于下表，表3-2 指数形变幅杆的计算结果001100100.0940.9191200.180.8383300.270.7676400.360.6969500.450.6464 620.560.570.57700.650.520.52800.720.4848900.840.43431000,900.40401100.990.37371201.080.34341301.180.30301401.270.28281501.360.252516

41、01.440.23231701.530.2121变幅杆外形尺寸图如下 图3-3 指数型变幅杆尺寸分布 3.2.4 变幅杆的工艺要求超声变幅杆安装时，为了使超声振动的能量发挥到最大，将能量损失降到最小，必须选择超声变幅杆振幅为零的截面与支架相连。设计时在变幅杆或半波长等截面杆（即振幅放大倍数等于1）的波截面处加一个法兰盘，然后利用法兰盘将超声振动系统固装在超声设备上。如下图所示 图3-4 变幅杆3.3 夹具的设计 在加工过程中，工件固定在变幅杆的输出端。超声加工的工具必须能够承受超声振动的振幅并且可以承受不断变化的载荷，夹持关键的夹具应达到上述要求。在本设计中，所加工工件最大尺寸为的矩形块，工件

42、在定位时，必须保证基准统一、基准重合、互为基准等原则。因此设计夹具时，采用一面定位，这样保证了基准重合，定位精度比较高。对于工件的夹紧，则用另外两面进行夹紧。夹紧机构采用的是螺旋夹紧机构，通过旋转把手，推进夹紧块向前移动进行夹紧。这样的夹紧机构具有自锁功能，夹紧力比较可靠。同时采用螺纹夹紧机构，夹紧力比较好控制，可以避免由于夹紧力过大对工件造成破坏。3.4 喷头的设计磨料水射流加工就是在水射流中加入磨料离子，通过高压水使磨料离子加速，然后高能量的离子撞击工件表面进行加工。磨料与水的混合以及磨料离子的喷射都需要在喷头装置中进行，所以喷头在磨料水射流加工中，作为中转站以及最后一站，其作用不言而喻。

43、磨料水射流根据磨料的供给方式可以分层前混合式和后混合式磨料水射流两种，前混合式就是指水射流在进入喷嘴之前，磨料与射流已经进行混合，后混合式是指在进入喷头之后才进行混合。前混合式其结构相对来说简单，磨料与水混合也比较均匀，磨料获得的能量高，具有巨大的加工潜力，但考虑到喷嘴寿命和泵压力的限制，本设计不采用这种方法。后混合式磨料水射流加工采用后混合式磨料水射流，喷头主要由水喷嘴、混合腔和磨料射流喷嘴组成。设计喷头为带准直管的单射流磨料侧进式喷头，其中准直管前段加收缩段。这样的设计使磨料和水在在较长的准直管内进一步混合和加速，从而提高了磨料射流的冲蚀能力和射程，结构简单、操作方便。图3-5 喷头内部结

44、构高压水从第一级（水喷嘴）喷出形成高速水流束，在混合腔形成一定的真空度，磨料通过气力输送至混合腔。磨料以很低的速度与高速水射流接触。由于高速水射流的紊动扩散作用与被吸磨料发生动量交换使磨粒加速。之后通过二级喷嘴喷出而形成磨料水射流。关于喷嘴材料的选择，要具有良好的耐腐蚀性、耐磨性、和承受高压的性能。目前喷嘴常用的材料有：硬质合金、蓝宝石、红宝石和金刚石。在这些材料中，金刚石的使用寿命最高，但是其加工成本也高。综合考虑各个因素，蓝宝石作为喷嘴的材料。3.5 喷头摆动装置的设计在磨料水射流加工中，对工件完成曲面和周向的加工时，位置可调的喷头可以发挥出其优越性。超声振动加工与磨料水射流的复合，实现了

45、工件与磨料离子的相对运动。可以来回摆动的喷头，使磨料射流可以满足不同角度的加工要求，将这种相对运动扩大化。磨料在加工区域的循环运动和对工件的撞击运动，提高了工件表面光整加工的质量，其加工能力也大大提高。本设计中，喷头摇摆运动的实现，主要是通过涡轮蜗杆机构设计了一个类似于回转工作台的装置。伺服电机通过减速器连接到蜗杆轴上，从而通过蜗杆带动涡轮转动。而喷头则通过一个支架连接到轴上，涡轮的转动通过建的作用带动轴旋转，从而整个装置就实现了喷头的摆动。如下图所示 图3-7 喷头摇摆机构 伺服电机选用三棱的HF-SE102BJW1S100，减速机选HF-KF43-S100.加工时，伺服电机的旋转运动转换为

46、喷头的摇摆运动，通过电机的正反转控制喷头的摆动，以此进行磨料水射流加工。喷头回转速度不应太快，否则会影响加工质量。喷头的摆动应控制在每分钟1到5度，这样可以充分发挥磨料粒子的动能，提高表面光挣加工的效率。3.6其余附件的选择1. 联轴器的选择 在涡轮传动轴与法兰轴的连接时，要用到联轴器。考虑到磨料水射流加工时，切削力比较小，产生的转矩也比较小，所以采用刚性的套筒联轴器。该联轴器具有以下优点：制造简单，免维护以及腐蚀，传动精度高，不会因为负载的增加而产生回转间隙。比较适用于冲击载荷不大、对减震要求不高、对中精度要求较高的中小功率轴系传动。2. 滚动轴承的选择 所设计的回转工作台中，在涡轮轴与蜗杆

47、的传动处，都需要轴承来传递。根据磨料水射流加工时所产生的切削力基本都很小，且主要以反冲力为主，所以轴所受的力主要为径向力。深沟球轴承结构简单，主要受径向载荷，也可承受一定的双向轴向载荷，所以选用深沟球轴承。方案分析 第四章 方案分析 本设计为超声振动加磨料水射流的复合加工，虽然在加工时不会与工件直接接触，没有传统加工所产生的切削力等的影响。但是磨料水射流在加工工件时，由于磨料粒子以极高的速度冲蚀零件，其高压会产生反冲力等力的作用。为保证机械加工的寿命，对整个设计中的重要部件需要进行验算。4.1 变幅杆的装配 选择了纵向振动的指数型变幅杆后，对于变幅杆的连接问题要做到使超声振动能量发挥到最大化原

48、则。超声换能器与变幅杆连接采用的是螺纹连接。变幅杆连接支架时，总会有能量在此损失，为将这种损失降到最小，需要先计算出变幅杆振幅为零的节面，然后在此节面处处加工一个法兰，通过法兰盘再连接到支架上。加工法兰盘时，要做到厚度适中，需同时考虑刚性和能量保持两个因素。变幅杆与工作台也是通过螺纹连接。4.2 工作台伺服电机的选择 喷嘴回转部件作为涡轮蜗杆转矩的直接提供者，为了确保设计的可行性，可将喷嘴摇摆机构假设为一回转工作台。工作台直径140mm，厚度10mm，材料为45钢，工作面硬度为HBS197-229密度为7.85g/mm，则工作台重量为: 取为13N (4-1) 磨料水射流的磨料粒子在加工时以极

49、大的速度冲蚀工件，其中水的速度大概100米每秒，压强估计为8MPa，由此估算磨料粒子加工时产生的反冲力大约为30N。 加工时考虑周围环境的影响，可能会对装置造成不必要的受力，为保证设计的可靠性，将所受力普遍取大值。总重： 由于工作台启动需要一定的时间，暂定启动时间为0.5s。喷头作为磨料水射流的最后枢纽，摇摆速度不能太快，每秒钟15度即可，取转速为1r/min 转力矩涡轮 (4-2)为确保设计的可行性，将所求结果扩大三倍，取 涡轮功率： (4-3) 涡轮轴需要接联轴器才与喷组相连，所以总效率 (4-4)电机选用功率 由后面算的，传动比为50即电机可选转速为150r/mm所以电机转矩为 (4-5

50、)由蜗杆的转速和功率，选择的电动机为三棱的HF-SE102BJW1S100，额定输出功率为1kw，额定转速为2000r/mm，最大转矩为14.3N/mm减速器选用HF-KF43-S100，扭矩为1.3N/mm,功率为400w。4.3 蜗杆轴校核 由于蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度大，以及蜗杆变形等因素，蜗杆涡轮都不能用硬材料制造。蜗杆材料采用合金钢制造。初选： 设 由参考文献1表13.6查，取大值则 当量摩擦系数 当量摩擦角 由参考文献1 在图13.11的i=20线上取A点 =0.355， 4.3.1 中心距计算 涡轮转矩 (4-6) 使用系数 查表12.9得 转速系数 (4-7)弹性

51、系数根据涡轮副材料查表13.2 寿命系数 (4-8) 接触疲劳极限查表13.2 接触系数接触疲劳最小安全系数 中心距 (4-9)取a=80mm 4.3.2 传动基本尺寸 蜗杆头数 取 涡轮齿数 取 模数 取 蜗杆分度圆直径 蜗杆导程角 所以 (4-10) 蜗杆宽度 取 蜗杆圆周速度 (4-11)相对滑动系数 (4-12)当量摩擦系数 由表13.6查得 4.3.3 齿面接触疲劳强度验算许用接触应力 (4-13)最大接触应力 (4-14) 由于 所以合格。 4.3.4 轮齿弯曲疲劳强度验算 由表13.2查出 弯曲疲劳最小安全系数 许用弯曲应力 (4-15) 轮齿最大弯曲应力 (4-16) 由于 所

52、以合格 4.3.5 蜗杆轴挠度验算 轴惯性矩 (4-17) 允许蜗杆挠度 蜗杆轴挠度计算合格。 (4-18)4.4 关于蜗杆受力的分析计算蜗杆受力 (4-19) (4-20) () (4-21) 1）在水平面内由 (4-22) (4-23) 支撑反力 2）在垂直面内 支撑反力 3）轴所受转矩 (4-24)4）轴转矩图弯矩图如下 许用应力值插入法由表16.3得 应力校核当量弯矩在齿轮中间界面处最大 (4-25)由 因为齿根圆直径由 校验合格4.5 涡轮轴校核轴上所受力 在校核时，将工作台重力和磨料射流反冲力综合考虑，保守估计取轴一侧受力为50N，转矩为100N/mm，同时将力简化到轴上具体点处。在水平面内 (4-26) (4-27) 水平面内支撑反力 在垂直面内 支撑反力 轴所受转矩弯矩图如下 合成弯矩