小型超聲波鉆床設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

1、南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作 者: 學(xué) 號(hào)：054908221015教學(xué)點(diǎn):蘇州市職業(yè)大學(xué)專(zhuān) 業(yè):機(jī)電一體化題 目:小型超聲波鉆床設(shè)計(jì)講師 指導(dǎo)者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))副教授 評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2010年 11 月南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)學(xué)生姓名： 班級(jí)、學(xué)號(hào)： 054908221015 題 目： 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì) 綜合成績(jī)： 指導(dǎo)者評(píng)語(yǔ)：該生很好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定的工作，介紹了超聲波的工作原理、河特點(diǎn)。重點(diǎn)分析超聲波鉆床的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)超聲波鉆床的變幅桿、換能器、床身結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析研究，確定了超聲波鉆床的設(shè)計(jì)方

2、案，繪制了超聲波鉆床主要部件的零件圖和裝配圖。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波鉆床的加工特性和存在的設(shè)計(jì)缺陷。畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、開(kāi)題報(bào)告等文本內(nèi)容寫(xiě)作規(guī)范，圖紙表達(dá)基本符合工程圖紙要求，整體來(lái)說(shuō)符合畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。 該生畢業(yè)設(shè)計(jì)整體來(lái)說(shuō)完成的比較出色，但也有某些不足的地方，如在工程圖紙表達(dá)上還存在尺寸標(biāo)注不全、公差不合理等情況，這主要是因?yàn)槠綍r(shí)缺乏相關(guān)工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。鑒于以上情況和該生畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中良好表現(xiàn)，成績(jī)?cè)u(píng)定為82分。允許提交答辯。 指導(dǎo)者(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)評(píng)閱者評(píng)語(yǔ)：對(duì)超聲波加工的工作原理掌握透徹、超聲波鉆床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理、結(jié)構(gòu)尺寸分析計(jì)算準(zhǔn)確，論文說(shuō)明書(shū)、

3、開(kāi)題報(bào)告等文本內(nèi)容寫(xiě)作規(guī)范，圖紙表達(dá)基本符合工程圖紙要求，整體來(lái)說(shuō)符合畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。 評(píng)閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語(yǔ)：能準(zhǔn)確介紹超聲波加工的工作原理，對(duì)超聲波鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的介紹思路清晰，對(duì)超聲波鉆床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析計(jì)算原理運(yùn)用準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)效果良好。對(duì)答辯組提出的問(wèn)題回答準(zhǔn)確，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。 答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要超聲加工是利用超聲振動(dòng)工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來(lái)去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件

4、相互結(jié)合的加工方法。幾十年來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅 速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問(wèn)題，取得了良好的效果。論文著重介紹了超聲波加工系統(tǒng)基本組成和超聲波加工的特點(diǎn)，如發(fā)生器、換能器、變幅桿和超聲磨料加工等，并通過(guò)超聲波加工中典型加工方式超聲波鉆進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、研究和分析，最終得出超聲波加工的特點(diǎn)，對(duì)超聲波加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了很好論證。本文在上述目的基礎(chǔ)上根據(jù)超聲波鉆的特點(diǎn)，構(gòu)思并設(shè)計(jì)出超聲鉆床的鉆臺(tái)。本設(shè)計(jì)方案主要滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、操作方便、能實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向動(dòng)作等要求，很好的滿(mǎn)足了超

5、聲鉆加工的進(jìn)給與裝夾。展望未來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲波振切削加工技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。人們?cè)蕉喟殉暡庸づc其他加工方式相結(jié)合，逐漸形成了多樣的加工方法。超聲波加工技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高新技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞 超聲加工 發(fā)生器 換能器 變幅桿畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要title ultrasonic machining technology status and development trend abstractultrasonic machining tool is the use of ultrasonic vibration

6、 in a liquid abrasive or dry abrasive media produced in the impact of abrasive, polishing, and the resulting hydraulic impact of cavitation effects to remove the materials, or to the tool or the workpiece along a certain direction applied processing of ultrasonic vibration to vibration, or the use o

7、f ultrasonic vibration to the workpiece combination of processing methods. for decades, the rapid development of technology, ultrasonic machining, the ultrasonic vibration system, deep hole processing, wire drawing die and cavity mold polishing, ultrasonic complex processing areas have a wider range

8、 of research and application, especially in areas of difficult materials many of the key technology to solve problems, and achieved good results. paper focuses on the basic components of ultrasonic machining and ultrasonic machining system characteristics, such as the generator, transducer, horn and

9、 ultrasonic abrasive machining, etc., and the typical ultrasonic machining process by way of - ultrasonic drilling experiments were carried out research and analysis, and finally obtained the characteristics of ultrasonic machining, ultrasonic machining of the unique merits of a good argument. the p

10、urpose of this paper, based on the basis of the characteristics of ultrasonic drilling, conceived and designed ultrasonic drilling rig. mainly to meet the design simple, smooth motion, easy operation, can achieve more than the direction of movement, etc., well positioned to meet the progress of the

11、ultrasonic drilling process to give clamping. looking ahead, prospects for ultrasonic machining technology is good. with the traditional processing techniques and high-tech development, ultrasonic vibration cutting technology is used widely. the more people the ultrasonic machining combined with oth

12、er processing methods, and gradually formed a variety of processing methods. ultrasonic machining technology in the modern industrial, defense and high-tech areas such as widely usedkey words ultrasonic machining generator transducer horn目次1 緒論02 超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介42.1超聲波加工原理42.2超聲波加工系統(tǒng)組成53 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì)133

13、.1 超聲波發(fā)生器的選用133.2 超聲波換能器的設(shè)計(jì)133.3 變幅桿設(shè)計(jì)143.4 鉆床的機(jī)架設(shè)計(jì)154 超聲波鉆實(shí)驗(yàn)論證274.1 磨料沖擊超聲波加工介紹274.2磨料沖擊超聲加工實(shí)驗(yàn)29結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)371 緒論超聲波加工技術(shù)是高新加工技術(shù)之一，也是當(dāng)今世界各國(guó)一個(gè)熱門(mén)的話題。對(duì)于超聲波技術(shù)的探究的人越來(lái)越多，更多的超聲加工技術(shù)被應(yīng)用于各種生產(chǎn)加工，已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用。超聲深孔加工的發(fā)展史眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來(lái)說(shuō)，孔加工工具的長(zhǎng)度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。

14、特別是對(duì)難加工材料的深孔鉆削來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。例如，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問(wèn)題。 前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床。在美國(guó)，利用工具旋轉(zhuǎn)同時(shí)作軸向振動(dòng)進(jìn)行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型umt-7三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，功率450 w，工作頻率20 khz，可在玻璃上加工孔徑1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圓度可達(dá)0.005 mm，圓柱度為0.02 mm。英國(guó)申請(qǐng)了電火花超聲復(fù)合穿孔的專(zhuān)利，該裝置主

15、要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個(gè)加工過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行：首先用超聲振動(dòng)將非導(dǎo)電層去除掉，當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時(shí)，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進(jìn)行加工。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問(wèn)題。 1996年，日本東京大學(xué)在超聲加工機(jī)床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為15m的微孔。1998年又成功地加工出直徑為5m的微孔。湘潭大學(xué)進(jìn)行了內(nèi)圓表面的超聲光整強(qiáng)化研究。該方法是在鉆孔后對(duì)孔進(jìn)行精加工處理，通過(guò)機(jī)械超聲強(qiáng)化處理，在普通機(jī)床上達(dá)到精鉸、研磨的精度，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

16、初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時(shí)內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡(luò)，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了ti合金深小孔的超聲電火花復(fù)合加工。該工藝將超聲振動(dòng)引入到精密電火花加工中，通過(guò)研究超聲振動(dòng)對(duì)電火花精加工過(guò)程的影響，開(kāi)發(fā)出了一種將超聲和電火花結(jié)合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實(shí)驗(yàn)研究表明，應(yīng)用該裝置可以在ti合金上加工出0.2 mm、且深徑比15的深小孔。 兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法超聲振動(dòng)磨削，進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削陶瓷深

17、孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。難加工材料的超加工金屬和非金屬硬脆材料的使用越來(lái)越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開(kāi)了對(duì)難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。英國(guó)阿伯丁大學(xué)國(guó)王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時(shí)工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過(guò)程的非線性模型，對(duì)沖擊力的特性進(jìn)行了研究，提

18、出了一種新的材料去除率的計(jì)算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。 美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對(duì)al2o3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了al2o3陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過(guò)程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。 巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。

19、研究指出，加工過(guò)程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動(dòng)了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。 山東大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動(dòng)脈沖放電加工技術(shù)，工具電極的超聲振動(dòng)引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專(zhuān)用脈沖發(fā)生器。另外，工具電極的超聲振動(dòng)還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術(shù)對(duì)al2o3/(w，ti)c、al 2o3/ti b2、al2o3/tib2/sicw3種al2o3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進(jìn)行加工，研究了其加工機(jī)理和加工參數(shù)對(duì)

20、不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，該復(fù)合加工技術(shù)有效地結(jié)合了超聲加工和放電加工的特點(diǎn)，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對(duì)大理石的孔加工進(jìn)行了研究，并與陶瓷材料進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學(xué)性能有關(guān)，在同樣的加工條件下，材料的強(qiáng)度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。天津理工學(xué)院對(duì)大理石超聲精密雕刻技術(shù)進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺(tái)階。同濟(jì)大學(xué)對(duì)超聲加工建筑玻璃小孔的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，探討了工具振動(dòng)的振幅、頻率、工件材料、進(jìn)給壓力、

21、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、表面質(zhì)量均可滿(mǎn)足建筑安裝、裝潢的要求。該研究對(duì)其他玻璃材料的加工具有一定參考價(jià)值。 北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動(dòng)引入普通聚晶金剛石(pcd)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析pcd材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)pcd超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長(zhǎng)和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因?；春９W(xué)院對(duì)燒結(jié)永磁體材料超聲振動(dòng)加工過(guò)程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院研

22、究了采用電鍍金剛石工具頭對(duì)瑪瑙進(jìn)行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān)系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同時(shí)，借助于sem分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機(jī)理。超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)展望隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動(dòng)切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1) 研制和采用新的刀具材料 在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來(lái)越大，對(duì)機(jī)械零件加工質(zhì)量的要求越來(lái)越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)刀具材料的開(kāi)發(fā)與研究

23、上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。(2) 研制和采用高效的振動(dòng)切削系統(tǒng) 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及實(shí)用振動(dòng)切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實(shí)用的大功率振動(dòng)切削系統(tǒng)早日問(wèn)世。到目前為止，輸出能量為4 kw的振動(dòng)切削系統(tǒng)已研制出來(lái)并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動(dòng)切削裝置通?？奢敵龉β? kw，切削深度為0.010.06 mm。(3) 對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理深入研究 當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理的研究將主要集中以下幾個(gè)方面： 在振動(dòng)切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。 振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。 振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。(4) 超聲

24、橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣超聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開(kāi)始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和towa公司等已開(kāi)始這方面的實(shí)用化研究。但是，超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對(duì)硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究。此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗?？梢酝茢?，超聲加工

25、技術(shù)在世界汽車(chē)工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀需要推動(dòng)和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強(qiáng)有力加工手段，又促進(jìn)了新材料的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來(lái)，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。2 超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介2.1超聲波加工原理1、超聲波發(fā)生器 2、換能器 3、變幅桿 4、工具頭 5、磨料 6、工件7、容器 8、泵 9、磨料供給管頭 10、工作臺(tái) 11、接觸壓力f12、 工具頭震動(dòng)方向 13、震動(dòng)位移振幅分布圖2-1 超聲加工的基本加工裝置超聲波加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最基本

26、的加工方式是磨料沖擊加工，因此下面以磨料沖擊加工為例闡述超聲加工的基本原理。超聲波加工的基本裝置如圖2-1所示。主要由超聲波發(fā)生器、換能振動(dòng)系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和工作臺(tái)等部分組成。換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)由變幅桿將位移振幅放大后傳輸給工具頭，工具頭作縱向振動(dòng)，其振動(dòng)方向如圖 2-1 b 中的箭頭所示。這樣，當(dāng)工具頭作縱向振動(dòng)時(shí)，就沖擊磨料顆粒，磨料顆粒又沖擊加工表面，超聲加工主要是利用磨料顆粒的“連續(xù)沖擊”作用。由于超聲振動(dòng)的加速度是非常大的，所以磨料顆粒的加速度（或沖擊力）也是非常大的。無(wú)數(shù)磨料顆粒連續(xù)不斷的沖擊，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振動(dòng)著的超聲工具頭直接縱向

27、“錘擊”工件表面，那只能使工件表面產(chǎn)生損傷，實(shí)際上材料并沒(méi)有被去除。只有依靠切變應(yīng)力才能將材料去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應(yīng)力含有切向成分，此切向分量對(duì)加工過(guò)程中材料的去除起重要作用。另外，磨料懸浮中的超聲空化效應(yīng)對(duì)加工也有很大的作用。超聲加工常用的頻率是從20khz到40khz，位移振幅在10100m之間。當(dāng)頻率一定時(shí)，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過(guò)大，否則會(huì)使振動(dòng)系統(tǒng)超出疲勞強(qiáng)度范圍而損壞。同樣，當(dāng)位移振幅一定，而頻率增高時(shí)，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動(dòng)能量的損耗將增大。因此，一般多采用比較低的超聲頻率。2.2超聲波加工系統(tǒng)組成超聲波加工系統(tǒng)一般主要由超聲波發(fā)生器、

28、換能器、變幅桿、以及一些輔助裝置組成。如下我將主要部分作進(jìn)一步介紹。2.2.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器分模擬電路超聲波發(fā)生器和數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，這里主要講述模擬電路超聲波發(fā)生器。其模擬電路超聲波發(fā)生器組成如下圖2-2所示。圖 2-2 震蕩-放大型超聲波發(fā)生器方框圖（1） 超聲波震蕩器超聲波震蕩器的作用是產(chǎn)生一個(gè)一定頻率的信號(hào)，用以推動(dòng)后面的放大部分。它可以是一個(gè)獨(dú)立的震蕩器，也可以是一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。習(xí)慣上，把前一種稱(chēng)為它激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱(chēng)為自激式超聲波發(fā)生器。其震蕩器的類(lèi)型有：rc正弦波震蕩器、lc正弦波震蕩器、壓控震蕩器等。電路圖如下圖2-3所示。圖2-3 超聲波震蕩器的幾種類(lèi)型

29、（2）超聲波放大器超聲波放大器的作用是將震蕩信號(hào)放大至所需電平。放大部分可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，主要看輸出功率的需要。橋式功率放大器橋式功率放大器可分成半橋式功率放大器和全橋式功率放大器兩種形式。其工作原理圖如下圖2-4、圖2-5所示。 圖2-4半橋式功率放大器圖2-5全橋式功率放大器 (3) 匹配電路超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)很重要的內(nèi)容調(diào)諧，即選用一定值的電抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。只有在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才

30、算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常地工作。2.2.2超聲波換能器超聲換能器是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設(shè)備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)的機(jī)械能，并通過(guò)變幅桿進(jìn)行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲加工處理。目前，廣泛采用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類(lèi)。(1)磁致伸縮換能器 磁致伸縮換能器的工作原理磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料制作的鐵芯外面纏繞而成，如圖2-6所示。當(dāng)線圈中通以一定直流電流io產(chǎn)生最佳偏磁場(chǎng)ho后，再通過(guò)以交變電流i使其產(chǎn)生交變磁場(chǎng)h，使h重疊于ho之上，由此鐵芯中的磁場(chǎng)將在ho水平上變化。在交變磁場(chǎng)

31、h的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(yīng)，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當(dāng)交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時(shí)，換能器端部振動(dòng)最強(qiáng)烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波圖2-6 磁致伸縮換能器磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)a、窗式換能器窗式換能器是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型，氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成。由于它是由許多薄片集成而成，疊片上有孔，所以被稱(chēng)為窗式換能器。其結(jié)構(gòu)形式如圖2-7 所示 。圖2-7窗式磁致伸縮換能器這種換能器的特點(diǎn)是從兩端面輻射超聲波。通常采用的疊片厚度為0.10.3mm。因?yàn)榻饘俨牧系碾娮杪实?，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。疊片上有孔

32、，在疊片中形成閉合磁回路，漏磁少，并有利于散熱。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。通常，輻射面的形狀采用正方形。b、環(huán)形換能器環(huán)形磁致伸縮換能器也是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型、氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成其結(jié)構(gòu)形式如圖2-8所示。圖2-8 環(huán)形磁致伸縮換能器這種類(lèi)型換能器的特點(diǎn)是：當(dāng)線圈中同時(shí)通過(guò)偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應(yīng)力的作用，沿圓周產(chǎn)生長(zhǎng)度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動(dòng)，可以自圓環(huán)內(nèi)側(cè)面 (圖 2-8 a ) 或外側(cè)面 (圖 2-8 b )向周?chē)橘|(zhì)輻射超聲波。(2)壓電換能器壓電換能器的工作原理壓電換能器是利用壓電材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生形變的特性，即壓電晶

33、體的逆壓電效應(yīng)而制成的，如圖2-9所示，將壓電材料做成片狀，上下兩面涂上銀層作為電極，并進(jìn)行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場(chǎng)。有兩種情況出現(xiàn)：a.外電場(chǎng)與壓電片極化方向相同。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的極化強(qiáng)度增大的作用。極化強(qiáng)度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)的形變。b.外加電場(chǎng)與極化方向相反。反向電場(chǎng)將削弱壓電片的極化強(qiáng)度，使得壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。圖2-9壓電換能器的工作原理利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場(chǎng)換為交變電場(chǎng)時(shí)，壓電片就會(huì)產(chǎn)生與交變電場(chǎng)同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。當(dāng)外加電場(chǎng)頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時(shí)，壓電片振動(dòng)最大，聲輻射也最強(qiáng)烈。壓電換能器的結(jié)

34、構(gòu)形式超聲加工處理設(shè)備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有：薄長(zhǎng)片形換能器、圓環(huán)形換能器、薄圓片形換能器和夾心式換能器。其結(jié)構(gòu)圖形如下圖2-10所示。圖2-10 壓電換能器的結(jié)構(gòu)2.2.3超聲變幅桿超聲變幅桿，又稱(chēng)超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設(shè)備中超聲振動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動(dòng)幅度較小，所以必須借助變幅桿的作用將機(jī)械振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移量和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。超聲變幅桿還可以作為機(jī)械阻抗變換器，在換能器和負(fù)載之間架起橋梁，進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負(fù)載傳輸。此

35、外在超聲加工處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)工藝上，通常在變幅桿或半波長(zhǎng)等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個(gè)法蘭盤(pán)，利用法蘭盤(pán)將超聲振動(dòng)系統(tǒng)固裝在超聲設(shè)備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)幅輻射超聲能量時(shí)，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開(kāi)，使換能器避免被腐蝕，減少受到熱的影響。變幅桿可分為縱向振動(dòng)變幅桿、彎曲振動(dòng)變幅桿。其中縱向振動(dòng)變幅桿可分為簡(jiǎn)單形、復(fù)合形。簡(jiǎn)單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復(fù)合形是由各種簡(jiǎn)單形變幅桿根據(jù)實(shí)際需要組合而成的。（1）單一變幅桿超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長(zhǎng)度l,放大系數(shù)mp，形狀因數(shù)，位移節(jié)點(diǎn)xo，輸入力阻抗zi和彎曲勁度參數(shù)加以描述。其中mp是指變幅桿工作在共振

36、頻率時(shí)，輸出端與輸入端的質(zhì)點(diǎn)位移或速度的比值；形狀因數(shù)是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度的指標(biāo)之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，值越大，通過(guò)變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度也越大。輸入阻抗zi定義為輸入端策動(dòng)力與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的復(fù)數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負(fù)荷的變化而變化的幅度要小，彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)，彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關(guān)。變幅桿越長(zhǎng)，彎曲柔順性越大，在許多實(shí)際應(yīng)用中這是需要避免的。單一變截面桿如圖2-11所示。圖2-11單一變幅桿（2）復(fù)合變幅桿在高強(qiáng)度超聲應(yīng)用中，常常要求變幅桿末端具有很大的振動(dòng)幅度，這就要求變幅桿的形狀因數(shù)及放大系數(shù)mp值都盡可能的大，單一變幅桿

37、的值和mp值常出現(xiàn)此優(yōu)彼劣的現(xiàn)象，很難二者兼顧。為了改變這一狀況，就必須采用復(fù)合變幅桿的形式來(lái)彌補(bǔ)不足以提高其輸出性能。在有些應(yīng)用場(chǎng)合需要特別高的振動(dòng)速度時(shí)，也常用到長(zhǎng)度滿(mǎn)足共振條件的復(fù)合形變幅桿。圖2-12為三段復(fù)合變幅桿。其中和段為等截面桿，段為變截面桿，而變截面桿可以是指數(shù)形、圓錐形或懸鏈線形等不同形式。如果兩等截面桿的長(zhǎng)度相等，則構(gòu)成具有變截面過(guò)渡段的階梯形變幅桿。當(dāng)或的任一段為零，則可構(gòu)成兩段復(fù)合變幅度桿。圖2-12 三段復(fù)合變幅桿3 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì)根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設(shè)計(jì)出一臺(tái)簡(jiǎn)單的超聲波鉆床，并且通過(guò)與普通鉆床其性能進(jìn)行對(duì)比，探討總結(jié)出超聲波鉆床的工性能。一般超

38、聲波鉆床由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和輔助機(jī)構(gòu)等組成。要設(shè)計(jì)超聲鉆床，也就從這幾個(gè)方面入手，詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)下面。3.1 超聲波發(fā)生器的選用由于超聲波發(fā)生器內(nèi)部電路等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 由于知識(shí)有限這里進(jìn)行適當(dāng)選用即可。3.2 超聲波換能器的設(shè)計(jì)由于壓電式換能器較易實(shí)現(xiàn)，這里設(shè)計(jì)選擇壓電陶瓷型換能器。壓電換能器有以下幾個(gè)部分組成，如下圖3-1所示：圖3-1 超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號(hào)由壓電陶瓷的“逆壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換成機(jī)械的振動(dòng)。其組成部件十分簡(jiǎn)單，除壓電陶瓷、電極需要買(mǎi)賣(mài)外，其余部件可通過(guò)車(chē)削45鋼的方式得到。實(shí)物如下圖3-2所示：圖 3-2 超聲波換能器3.3 變

39、幅桿設(shè)計(jì)3.3.1設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強(qiáng)度高、易加工的結(jié)構(gòu)鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；（2）大圓錐體端部與超聲換能器配合，度表面的粗糙度有較高的要求，一般性的選ra1.6（3）變幅桿的小端圓柱半徑r2大小直接影響放大倍數(shù)，故r2不易取太大；（4）變幅桿的聯(lián)接采用細(xì)牙螺紋，以免振動(dòng)過(guò)程中松脫。3.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)變幅桿的基本知識(shí)及實(shí)際的應(yīng)用。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復(fù)合型效果最好，其結(jié)構(gòu)圖如下圖3-3所示。一般取l1=/4，使界面位置位于圓錐體與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。圖3-3變幅桿結(jié)構(gòu)圖對(duì)于圓錐平滑彈性體：頻率方程如下： 振幅放大系數(shù)

40、為： 由上式可知：放大系數(shù)與r1、r2、l1、l2有關(guān)，l3又由l2確定的，因此，只要知道r1、r2、l2，那么整個(gè)變幅桿的尺寸就可以確定。r1與換能器的尺寸一致，對(duì)于一個(gè)特定的換能器十一個(gè)固定的值。r2是變幅桿端部的尺寸，視所需的振動(dòng)幅度而定，往往是變化的；圓錐體部分的l2不宜設(shè)計(jì)過(guò)大否則振幅放大系數(shù)太小，一般的取 kl2 = / 4換能器的振動(dòng)頻率f=20kh ，r1=22mm ,r2=5mm彈性材料的選擇彈性材料選用45鋼，該材料的疲勞強(qiáng)度高，而且易加工。加工后調(diào)質(zhì)處理。介質(zhì)彈性模量：e=2.08x1011 n/ m2 ，=7.9kg /cm3。申博在變幅桿中傳播的速度及波長(zhǎng)速度 v=(

41、e/)1/2= (2.08x1011/790)1/2=5.13x103(m/s) 波長(zhǎng) = v/f= 5.13x103/20000=256.5 （mm） 尾柱長(zhǎng)度及圓柱體部分的長(zhǎng)度 尾柱長(zhǎng)度l1 l1=/4= 256.5/4=64.1mm 取整l1=64（mm） 圓柱體部分的長(zhǎng)度l2 l2= /4k=32.06 （mm） 取整l2=32（mm）小截面部分長(zhǎng)度因?yàn)?cot +x（ 1）=5.331則kl3=1.385 所以l3=1.385x=35.52（mm） 取整l3= 35(mm)振幅放大系數(shù) 振幅放大系數(shù)m m= =20即根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)加工出如圖示的變幅桿。3.4 鉆床的機(jī)架設(shè)計(jì)超聲波鉆床機(jī)

42、架的設(shè)計(jì)包括了床身、工作臺(tái)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)等，其功能應(yīng)考慮能上下、左右、前后的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且能有效的壓緊工件，同時(shí)也應(yīng)考慮其加工的方便等。3.4.1鉆床床身設(shè)計(jì)床身包括了底盤(pán)與支撐，下面是其床身設(shè)計(jì)步驟： 構(gòu)思并繪制床身結(jié)構(gòu)草圖 初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸在初定床身參數(shù)尺寸前，首先應(yīng)考慮其標(biāo)準(zhǔn)件的選擇，再去制定其余的尺寸。在構(gòu)思床身中發(fā)現(xiàn)其運(yùn)用到標(biāo)準(zhǔn)件有軸承，所以我們應(yīng)先選擇適當(dāng)?shù)妮S承。因深溝球軸承運(yùn)用廣泛，運(yùn)動(dòng)良好，這里我選用此軸承，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，示意圖如下：3-4圖3-4根據(jù)d=20mm,可查得d取42mm,b=12mm.據(jù)此初設(shè)計(jì)出其余結(jié)構(gòu)參數(shù)圖樣，示意圖如下：圖3-5 底盤(pán)圖3-6

43、 支承桿在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核校核通過(guò)，確定床身的最終結(jié)構(gòu)尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤(pán)與支撐都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理由設(shè)計(jì)圖知底盤(pán)可用加工中心銑削的方法得到，而支撐桿可以通過(guò)數(shù)控車(chē)削的方式得到，因支撐桿有起滑軌的作用，所以加工表面要求高，并需要進(jìn)行淬火處理，以防磨損。繪制加工零件圖床身設(shè)計(jì)組合圖簡(jiǎn)要說(shuō)明鉆床床身設(shè)計(jì)組合示意圖如下3-7所示，底盤(pán)上開(kāi)有兩軸承孔，作用是支承絲杠以便轉(zhuǎn)動(dòng)，做成臺(tái)階形式是為裝軸承后保持其強(qiáng)度，另外減少材料；支撐桿上尾部帶有螺紋與底盤(pán)螺紋孔配合，固定效果良好，桿上部分做成臺(tái)階是以便后面設(shè)計(jì)擺桿，螺紋孔將再后續(xù)設(shè)計(jì)一鎖緊螺釘，以便擺桿的定位。綜

44、合上設(shè)計(jì)兩件，加工方便，簡(jiǎn)單美觀，實(shí)現(xiàn)效果良好。圖3-7 組合示意3.4.2 擺動(dòng)伸縮桿的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)擺桿伸縮桿是為方便鉆床左右的擺動(dòng)，與前后的伸縮，在工件裝夾后可以方便鉆與工件的對(duì)位。構(gòu)思并繪制擺桿結(jié)構(gòu)草圖初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸此設(shè)計(jì)需根據(jù)常用緊固螺母，設(shè)計(jì)軸的徑向尺寸大小，其余根據(jù)實(shí)際形體比例設(shè)計(jì)其尺寸。結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖3-8 擺動(dòng)伸縮桿設(shè)計(jì) 示意在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核校核通過(guò)，確定床身的最終結(jié)構(gòu)尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤(pán)與支撐都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理此零件可通過(guò)數(shù)控車(chē)削的方式得到，但套管的內(nèi)壁與推桿的表面接觸部分要求比較高，加工后需表面淬火處理，以防磨損。繪制

45、加工零件圖擺動(dòng)桿包括了套管與推桿兩部分，加工零件圖需分開(kāi)繪制。擺動(dòng)伸縮桿設(shè)計(jì)組合圖簡(jiǎn)要說(shuō)明擺動(dòng)擺動(dòng)伸縮桿與床身的組合圖如下，擺動(dòng)伸縮桿其優(yōu)點(diǎn)方便了前后的自由伸縮，左右的自由擺動(dòng)，且可以有效鎖緊，個(gè)自由度可有效實(shí)現(xiàn)，同時(shí)它的加工方式簡(jiǎn)單方便。圖3-9 組合示意3.4.3 傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái)設(shè)計(jì)因所設(shè)計(jì)鉆床為小型化的，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)追求簡(jiǎn)單化、輕型化與可靠化，這里傳動(dòng)方式我選擇了螺旋傳動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)步驟如下：構(gòu)思并繪制擺桿結(jié)構(gòu)草圖初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸這里無(wú)標(biāo)準(zhǔn)件，只是在設(shè)計(jì)絲杠是螺紋選擇常見(jiàn)的m20，以方便加工。其余設(shè)計(jì)時(shí)注意足夠的強(qiáng)度即可。圖3-10 傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái) 示意在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)

46、度校核校核通過(guò)，確定傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái)最終結(jié)構(gòu)尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好，這里傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái)都選擇45鋼。選擇加工方式及熱處理工作臺(tái)可通過(guò)數(shù)控加工中心銑削或線切割的方式得到，絲杠可通過(guò)數(shù)控車(chē)削的方式得到。最后對(duì)導(dǎo)向孔進(jìn)行淬火處理以增加其強(qiáng)度，以防磨損。繪制加工零件圖傳動(dòng)絲杠與工作臺(tái)各一張。擺動(dòng)伸縮桿設(shè)計(jì)組合圖簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)計(jì)組合圖如下，絲桿可帶動(dòng)工作臺(tái)上下移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)實(shí)行方式。另外絲杠與工作臺(tái)的加工都十分簡(jiǎn)單，絲杠還加裝了轉(zhuǎn)盤(pán)，工作臺(tái)上開(kāi)有排屑孔。絲杠與床身用滾動(dòng)軸承聯(lián)接，轉(zhuǎn)動(dòng)效果好，不易磨損。圖3-11 組合示意3.4.4 工件夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要追求夾緊方便、可靠，另外加工實(shí)現(xiàn)方

47、便。其設(shè)計(jì)步驟如下： 構(gòu)思并繪制工件夾緊機(jī)構(gòu)草圖 初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸參考已設(shè)計(jì)好的工作臺(tái)大小，設(shè)定工件夾緊機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，壓緊方式選擇螺紋壓緊。采用一端固定，一端移動(dòng)的形式。圖3-11 工件夾緊裝置 示意在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核校核通過(guò)，確定工件夾緊裝置最終結(jié)構(gòu)尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好與夾緊裝置的質(zhì)的輕巧，這里工件夾緊機(jī)構(gòu)選擇鋁合金。選擇加工方式及熱處理工件夾緊機(jī)構(gòu)可用數(shù)控加工中心銑削得到，加工好后進(jìn)行淬火處理增加其耐磨性。繪制加工零件圖工件夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)組合圖簡(jiǎn)要說(shuō)明如下是加裝工件夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)組合圖，工件可得到有效的夾緊，夾緊方便，架構(gòu)輕巧。可夾緊一定寬度和厚度的工件。圖3-12

48、 組合示意3.4.5超聲鉆固定套的設(shè)計(jì)超聲鉆固定套用于固定超聲鉆，并與導(dǎo)桿相連接，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、輕巧即可。構(gòu)思并繪制超聲鉆固定套草圖初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸根據(jù)前面設(shè)計(jì)好的超聲鉆的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)尺寸。圖3-13 超聲鉆固定套 示意在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核校核通過(guò)，確定超聲鉆固定套最終結(jié)構(gòu)尺寸。材料的選擇考慮其加工性良好與質(zhì)的輕巧，這里選擇鋁合金。選擇加工方式及熱處理超聲鉆固定套可用數(shù)控車(chē)車(chē)削得到，加工好后無(wú)須熱處理。繪制加工零件圖超聲鉆固定套設(shè)計(jì)組合圖簡(jiǎn)要說(shuō)明超聲鉆固定套與擺動(dòng)伸縮桿采用螺紋連接，中間掏空可將超聲鉆放入其中，并用螺紋固定好。圖3-14 組合示意3.4.6 超聲鉆床組裝圖

49、說(shuō)明超聲鉆床組裝示意圖如下，分別由底盤(pán)、支承桿、擺動(dòng)伸縮桿、擋圈、傳動(dòng)絲杠、軸承、工作臺(tái)、工件夾緊裝置、超聲鉆（換能器、變幅桿等）、超聲鉆固定套、手動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)、止動(dòng)手把等組成。圖3-15 超聲鉆床結(jié)構(gòu) 示意繪制超聲鉆床裝配圖工作原理說(shuō)明a、工件裝夾：將工件置于夾緊裝置移動(dòng)塊與固定塊之間，通過(guò)推動(dòng)移動(dòng)塊以及擰動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)的螺母使其夾緊。b、運(yùn)動(dòng)方式：此鉆床工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)上下的移動(dòng)，鉆臂可實(shí)現(xiàn)左右的擺動(dòng)，方便與工件的定位。4 超聲波鉆實(shí)驗(yàn)論證超聲波鉆的加工原理實(shí)際上就是利用超聲振動(dòng)加磨料，從而去除多余材料的一種簡(jiǎn)單的加工方法。下面我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前就先講下，磨料沖擊加工的的基本原理。4.1 磨料沖擊超聲波

50、加工介紹磨料沖擊超聲加工是一種應(yīng)用非常廣泛的超聲加工方式，它是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果。由于磨料沖擊超聲加工是基于磨粒沖擊的作用，因此越是硬脆的材料遭受的破壞越大，加工效果也越明顯。相反，硬度和脆性不是很大的韌性材料，因其具有緩沖作用而難于進(jìn)行磨料沖擊超聲加工，因此在選擇工具材料時(shí)，既要考慮能撞擊磨粒，又能保證工具自身不受到很大破壞，在超聲加工中常用45鋼作為工具材料，以減少工具的相對(duì)損耗，并且價(jià)格低廉。磨料沖擊超聲加工示意圖如圖4-1所示。圖4-1 磨料沖擊超聲加工示意圖來(lái)衡量4.1.1影響磨料沖擊超聲加工的效率、精度和表面質(zhì)量因素磨料沖擊超聲加工的效

51、率一般用單位時(shí)間去除工件材料的質(zhì)量或體積來(lái)衡量。在實(shí)際加工中，常用單位時(shí)間內(nèi)工具頭的進(jìn)給量來(lái)表示相對(duì)加工速度，該方法比較直觀、方便。影響磨料沖擊超聲加工效率的因素較多，主要的有以下幾種。傳遞到工具頭的超聲頻率和振幅對(duì)加工效率的影響當(dāng)頻率一定時(shí)增加振幅，或當(dāng)振幅一定時(shí)增加頻率都可以提高加工速度，但過(guò)大的振幅和過(guò)高的超聲頻率都會(huì)使工具或變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，如果超過(guò)其疲勞強(qiáng)度時(shí)，使用壽命將會(huì)大大降低，甚至遭到破壞。因此磨料沖擊超聲加工的頻率應(yīng)用范圍是2040hz；位移振幅一般在10100m范圍。工件壓力對(duì)加工效率的影響超聲加工時(shí)，工具不是剛性進(jìn)給的，而是通過(guò)彈簧、磁斥力或重錘壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給的。工

52、件材料的性質(zhì)及磨料懸浮工作液對(duì)加工效率的影響被加工材料越脆，則承受沖擊載荷的能力越低，也就越容易被去除，相反，如果是韌性好的材料則不易被加工。如下表4-a列出了幾種不同性質(zhì)的材料的相對(duì)加工速度。（以玻璃的加工速度為基準(zhǔn)）表4-a 不同材料超聲加工的相對(duì)加工速度材料玻璃鍺石英紅寶石硬質(zhì)合金金剛石相對(duì)加工速度100%57%52%18%5%0.5%1.5%工具材料對(duì)加工效率的影響作為超聲加工工具的材料不可太硬，否則會(huì)促使磨料很快邊鈍，工具本身也容易被過(guò)量損耗，對(duì)提高加工效率很不利。一般常用45號(hào)鋼作為超聲工具，不必淬火。此外，如果工具外形復(fù)雜則不利于磨料懸浮工作液的流動(dòng)，也會(huì)影響生產(chǎn)率的提高。所以在

53、設(shè)計(jì)超聲工具時(shí)一定要考慮盡可能有利于工作液的循環(huán)。影響加工質(zhì)量的因素很多，最主要的是磨料的粗細(xì)，該因素不但對(duì)加工效率有較大影響，對(duì)加工精度與表面質(zhì)量的影響也十分明顯。一般磨料越細(xì)，加工精度越高，表面質(zhì)量也越好。因此要想達(dá)到某種等級(jí)的加工精度和表面粗糙度，并且還要保持較高的加工速度，選擇磨料粒度的粗細(xì)是至關(guān)重要的。一般磨料沖擊超聲加工可分為粗、中、細(xì)三檔模式，對(duì)于磨料粒度的選擇也是由粗到細(xì)依次排列。粗檔加工以對(duì)工件材料去除為主，中檔加工是承上啟下的過(guò)度階段，而精檔加工則是對(duì)工件被加工表面進(jìn)行拋光精加工。三者并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，應(yīng)根據(jù)加工的實(shí)際狀況而定。4.1.2金剛石、碳化硼等材料的磨料沖擊超聲加工眾所周知，金剛石是世界上已知的物體中硬度最高的，天然鉆石、人造聚晶金剛石、大顆粒人造單晶金剛石組成了金剛石家族，除了這個(gè)家族外立方蛋化硼、碳化硼等硬度較高的物質(zhì)也屬于超硬材料的范疇。它們的共同特點(diǎn)是高硬度、高脆性，都適于用磨料沖擊超聲進(jìn)行加工。（本次實(shí)驗(yàn)所用磨料主要是碳化硼和金剛砂）4.2磨料沖擊超聲加工實(shí)驗(yàn)4.2.1實(shí)驗(yàn)工具和材料在實(shí)驗(yàn)之前，我們首先現(xiàn)羅列以下此實(shí)驗(yàn)所需要用的材料和工具，見(jiàn)下表4-a所示。表3-a 超聲鉆實(shí)驗(yàn)工具和材料實(shí)驗(yàn)工具和材料數(shù)量超聲波發(fā)生器1臺(tái)示波器1臺(tái)超聲鉆（包括超聲電機(jī)和變幅桿等）1臺(tái)磨料（碳化硼和金剛砂）各