畢業(yè)設計論文小型超聲波切割機2

1、畢業(yè)設計（論文）任務書 誠毅 學院 機械工程及其自動化 專業(yè) 機械 0791 班 學生： 學號畢業(yè)設計（論文）題目： 手持式超聲振動切割機的機構設計一、畢業(yè)設計（論文）工作規(guī)定進行日期：2011 年 1 月 16 日起至 2011 年 6 月02 日止二、畢業(yè)設計（論文）進行地點： 誠毅學院畢業(yè)設計室三、任務書的內容：1、課題研究的目的、意義 目前，硬脆材料在工業(yè)中的應用相當普遍，但這類材料堅硬易碎，導致它們的孔加工是一大難題。本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基礎，設計添加一超聲振動系統(tǒng)，以實現(xiàn)超聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率。本課題可使學生了解超聲技術的應用，掌握結構設計的程

2、序、步驟和方法，培養(yǎng)學生解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。2、課題研究任務 （1） 通過實地調研和查閱文獻，了解超聲波加工原理、特點和應用。 （2） 復習機械設計的知識，確定鉆孔機的傳動結構設計。 （3） 明確超聲振動系統(tǒng)設計方法，確定設計方案。 （4） 選擇換能器和變幅桿，確定超聲振動系統(tǒng)各參數(shù)。 （5） 用 PRO/E 軟件繪制小型超聲鉆孔機的 3D 整體裝配圖。 （6） 用 PRO/E 導出 CAD 裝配圖及部分零件圖，圖紙總量折合 A0 圖紙三張。 （7） 整理和編寫說明書。3、工作程序 （1）資料收集； （2）理論計算； （3）結構設計； （4）結構建模、完成圖紙、計算說明書。4、

3、日程安排 1 月 20 日2 月 25 日 實習、調研、收集資料、翻譯外文資料。 2 月 26 日3 月 15 日 撰寫開題報告、工作計劃并確定總體方案。 3 月 16 日4 月 15 日 進行并完成系統(tǒng)設計計算工作。 4 月 16 日5 月 04 日 繪制并完成總裝配圖。 5 月 05 日5 月 15 日 繪制并完成全部零件圖。 5 月 16 日5 月 31 日 完成畢業(yè)論文撰寫并進行修改和完善。 6 月 01 日6 月 02 日 整理修改圖紙，打印并提交論文和圖紙。編寫畢 業(yè)設計（論文）答辯提綱，準備答辯5、成果要求 畢業(yè)設計論文一篇（不少于一萬字）； 畢業(yè)設計圖紙一套（折合 A0 圖紙三

4、張）； 外文資料翻譯一份（不少于 5000 英文單詞）。6、主要參考文獻 1 曹國鳳主編.超聲加工技術M.北京：化學工業(yè)出版社，2004.8 2 林書玉著.超聲換能器的原理和設計M.北京：科學出版社 ，2004 3 蒲良貴，紀名剛主編.機械設計（第八版）M.北京：高等教育出版社，2006.5 4 成大先主編.機械設計手冊.單行本.機械傳動M.北京：化學工業(yè)出版社，2004.1 5林清安著.Pro/ENGINEER 野火 3.0 基礎零件設計（上、下）M.北京：電子工業(yè)出版社，2007 6郭玲文主編.AutoCAD2006 中文版基礎教程M.北京：清華大學出版社，2006.1 7 NAKAGAW

5、A T. SUZUKI K. UEMATSU T. Proceedings of Winter AnnualMeeting of ASME Vol. 17 1985-11 1 8 NAKAGAWA T. SUZUKI K. UEMATSU T. Annals of CIRP Vol. 35/11986-8 205 9 SUZUKI K. UEMATSU T NAKAGAWA T. Annals of CIRP Vol. 36/11987-8 115 指導教師簽名： 年 月 日 教研室主任簽名： 年 月 日 學生簽名： 年 月 日小型超聲切割機的結構設計摘要 在陶瓷的應用中，超聲加工和普通機械加

6、工相比有很多的優(yōu)勢。導體和絕緣體材料都可以被加工，同時加工復雜的三維立體外形可以像加工簡單的外形一樣快速。再者，這種工藝不會在工件的表面產(chǎn)生熱變形和化學的反應，同時作用在工件表面的淺的壓應力能增加被加工部分的受力強度。 本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應力、切削熱很小的有點，在傳統(tǒng)的切割機上嵌入一個超聲振動系統(tǒng)，進行超聲振動系統(tǒng)的結構設計，結合小型超聲切割機的傳動部分結構設計，設計小型超聲切割機。 旋轉超聲加工的這個或者其他的優(yōu)勢，讓這種加工方法在將來玻璃和陶瓷工業(yè)應用中持續(xù)增加歡迎度。關鍵詞 超聲加工；超聲振動系統(tǒng)；換能器；變幅桿；切割機 Design of the small

7、ultrasonic cutting machines structureAbstract In ceramic applications USM provides a number of advantages comparedto conventional machining techniques. Both conductive and nonconductive materials canbe machined and complex three-dimensional contours can be machined as quickly assimple shapes. Additi

8、onally the process does not produce a heat-affected zone or causeany chemical/electrical alterations on the workpiece surface and a shallow compressiveresidual stress generated on the workpiece surface can increase the high-cycle fatiguestrength of the machined part. The purpose of this subject is t

9、o the fragile issue of the tile thin parts in the traditionalcutting machine to cut . Using ultrasonic maching which suitable for processing a varietyof brittle materials with small cutting stress and cutting heat embedded in a conventionalcutting machine ultrasonic vibration system conduct a small

10、part of ultrasonic cuttingmachine transmission structure designmake the structural design of the system. With this and other advances in RUM it is likely that this machining method willcontinue to gain popularity for glass and ceramic applications in the near future.Keyword:Ultrasonic MachiningUltra

11、sonic vibration systemTransducerHornCutting machine 目錄1 引言-1 1.1 課題背景及選題意義-1 1.2 目前國內外超聲加工的發(fā)展情況-2 1.3 超聲加工的優(yōu)點-4 1.4 本課題的主要研究工作-52 小型超聲切割機的整體設計方案-6 2.1 小型超聲切割機的整體設計方案的擬定-6 2.2 傳動系統(tǒng)結構的擬定-6 2.3 超聲振動系統(tǒng)方案的擬定-8 2.3.1 換能器的擬定-8 2.3.2 變幅桿的擬定-10 2.4 總體方案的確定-103 超聲振動系統(tǒng)的結構設計-11 3.1 超聲振動系統(tǒng)-11 3.2 換能器的設計-12 3.3 變

12、幅桿的設計-15 3.3.1 變幅桿材料的選擇-16 3.3.2 四分之一波長變幅桿的設計-164 部分零件的強度校核-20 4.1 鍵的校核-20 4.2 軸的校核-205 小型超聲切割機的整體裝配-22 5.1 動力系統(tǒng)結構-22 5.2 傳動系統(tǒng)結構-24 5.3 超聲振動系統(tǒng)結構-27 5.4 小型超聲切割機的整體裝配-276 結束語-297 致謝-308 參考文獻-31 1 引言1.1 課題背景及選題意義 小型切割機是日常生活乃至工程建設中非常便捷的切割加工工具，傳統(tǒng)的小型切割機在切割瓷磚，超薄零件時，由于瓷磚是脆性材料，當傳統(tǒng)切割機在切割的時候，經(jīng)常出現(xiàn)瓷磚會碎掉，這樣一來會造成了

13、成品率不高，同時也造成了浪費，甚至出現(xiàn)大量的固體污染，特殊垃圾；對超薄零件而言，和脆性材料一樣，由于薄這個特殊原因，導致了加工的時候也容易碎掉，另外，超薄零件對于切削應力，切削熱是非常敏感的，容易產(chǎn)生熱變形，特別是對于精度要求高的零件，考慮熱變形是重中之重，而如果在加上低剛度的條件的話，那么傳統(tǒng)切割機在加工的時候，成品率就更加低了，浪費和造成的垃圾就更加嚴重了8。 現(xiàn)在這個高速發(fā)展的社會，和諧可持續(xù)發(fā)展是一個重要的理念，低碳節(jié)能是去昂乃至世界現(xiàn)在提倡的一種理念，所以這樣的浪費是不予提倡的，也會是未來需要改進的方向。針對這一問題，就必須要求有新型的切割工具來切割瓷磚，超薄零件，是在加工這些零件的

14、時候，保證交給你的質量和精度，提高成品率，減少浪費和污染，實現(xiàn)節(jié)約和低碳經(jīng)濟。 在新型加工方面，前沿的超聲加工2引人注目，也令人可喜，試想如果將小型切割機和超聲加工結合在一起，利用超聲加工的特點和切割機的切割特性，就能誕生新型的切割機，即小型超聲切割機。而這樣的切割機便能解決切割瓷磚易碎、切割超薄零件易碎易熱變形的問題。同時超聲加工又是良好的環(huán)保的能源，這樣的環(huán)保的新型的工具在這方面的利用將是新的一個里程碑，也將促進我國的超聲加工業(yè)的發(fā)展，為我國在新興工業(yè)增長點奠定又一個良好的基礎。 超聲振動切削技術是把超聲波振動的力有規(guī)律地加在刀具上使刀具周期性地切削和離開工件的加工技術 是結合超聲波技術和

15、傳統(tǒng)切削工藝的一種新型切削技術。日本隈部淳一郎先生在 20 世紀 60 年代對超聲振動切削技術完成了大量開創(chuàng)性工作 他的實驗表明 在刀具施加一定頻率和振幅的超聲波振動可以改變傳統(tǒng)金屬切削的切削性質 改善切削效果 他把該技術稱之為振動切削 vibration pulse cutting。 到目前為止 英、美、蘇、德、日、中等國家己對超聲振動加工設備的研制以及工藝方法作了一些研究，但是大規(guī)模的將超聲振動技術投入到實際加工中還存在這不少需要攻克的技術難題： 1. 切削效率的問題 2. 超聲波發(fā)生系統(tǒng)的問題 3. 超聲切削刀具裝置 本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基礎，設計添加一超聲振動系統(tǒng)，以

16、實現(xiàn)超聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率，體積不大，成本不高，符合市場需求，同時力求新穎的結構設計能夠讓工人操作起來方便，安全。1.2 目前國內外超聲加工的發(fā)展情況 超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊，拋磨，液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿著一定方向施加超聲頻振動進行振動加工，或者利用超生振動使工件相互結合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，振動傳遞系統(tǒng)，工具，工藝裝置等構成。超聲波發(fā)生器的作用是將 220V 或者 380V 的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號；換能器13的作用是將超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機

17、械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動振幅放大；超聲波的機械振動經(jīng)變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量和工件作用，進行加工。 超聲加工技術是超聲學的一個重要分支。超聲加工技術是伴隨著超聲學的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。 早在 1830 年，為探討人耳究竟能聽到多高的頻率，F(xiàn).Savrt 曾用一多齒的齒輪，第一次人工產(chǎn)生了 2.4 萬赫茲的超聲波，1876 年加爾頓的氣哨實驗產(chǎn)生的超聲波的頻率達到了 3 萬赫茲，后改用氫氣時，其頻率達到了 8 萬赫茲。這些實驗使人們開始對超聲波的性質有了一定的認識。 對超聲學的誕生起重大推進作用的是 1912 年豪華客輪泰坦尼克號在首航中碰撞冰山后沉沒，這個當時震驚世界

18、的悲劇促使科學家提出用聲學方法來探測冰山。這些活動啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵查德國潛艇的緊張研究 1927 年，美國物理學家伍德（R.W.Wood）和盧米斯（A.E.Loomis）最早做了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當時并未應用在工業(yè)上。1951 年，美國的科恩制成了第一臺實用的超聲加工機，并引起廣泛關注，為超聲加工技術的發(fā)展奠定了基礎。 日本是較早研究超聲加工技術的國家，20 世紀 50 年代，日本已經(jīng)設立專門的振動切削研究所，許多大學和科研機構也都設有這個研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學的島川教授，超聲波工學理論和實際是他的代

19、表作另一位是宇都宮大學的隈部淳一郎教授，精密加工、振動切削基礎和應用是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加工用在普通設備上，而且在精密機床、數(shù)控機床中也引入了超聲振動系統(tǒng)。1977 年日本將超聲振動切削與磨削用于生產(chǎn)，可對直徑為 600 毫米大型船用柴油機缸套進行鏜孔。 原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20 世紀 50 年代末 60 年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產(chǎn)應用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。為了推動超聲加工的應用，1973 年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟效果和實用價值，對這項新技術在全國的推廣應用起到了積極的

20、作用。到 80 年代末期，當時蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動鉆削裝置。 20 世紀 70 年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已處于生產(chǎn)應用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產(chǎn)設備原型階段。1979 年通用超聲振動切削系統(tǒng)已經(jīng)供應工業(yè)界應用。 德國和英國也對超聲加工的機理和工業(yè)應用進行了額大量的研究，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應用。例如，英國于 1964 年提出使用燒結或者電鍍金剛石工具的超聲旋轉加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點，取得了較好的效果。 我國超聲加工技術的研究始于 20 世紀 50 年代末，60 年代末開始

21、了超聲振動車削的研究，1973 年上海超聲波電子儀器廠研制成功型超聲研磨機。1982 年上海鋼管廠、中國科學院聲學研究所及上海超聲波電子儀器廠研制成功超聲拉管設備，為我國超聲加工在金屬塑性加工填不了空白。1983 年 10 月，我國第一次“振動切削專題研討會”召開，促進了超聲加工技術在我國的深入研究和推廣。1985 年，廣西大學，南京電影機械廠和南京刃具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套“QZC-250A 型”超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第 11 研究所研制成功超聲旋轉加工機，在玻璃、陶瓷等脆性材料的鉆孔、端銑、螺紋加工等取得了良好的工藝效果。1987 年，北京電加工研究所在國際首次提出超聲加工

22、等取得了良好的工藝效果。1987 年，北京電加工研究所在國際首次提出了超聲頻調制電火花與超聲波復合的研磨、拋光加工技術，并成功應用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989 年，我國研制成功超聲研磨裝置。1991 年研制成功變截面細長桿超聲車削系統(tǒng)裝置。20 世紀末到本世紀初，我國的超聲加工技術發(fā)展迅猛，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模研磨拋光、超聲復合加工領域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛石、陶瓷、瑪瑙、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結永磁體等難加工領域解決了許多關鍵性的問題。取得了良好的效果。1.3 超聲加工的優(yōu)點 與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工2有如下優(yōu)點： 1.

23、 適合加工各種硬脆材料，不受材料是否導電的限制。既可加工玻璃、陶 瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨、金剛石、大理石等不導電的非金屬材 料，又可加工淬火鋼、硬質合金、不銹鋼、鐵合金等硬質或耐熱導電的 金屬材料。 2. 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏 觀切削力很小，切削應力、切削熱更小，不會產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗 糙度也很低，可達 Ra0.630.08um尺寸精度可達 0.03mm，也適于加工薄 壁、窄縫、低剛度零件。 3. 工具可用較軟的材料做成較復雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復 雜的相對運動，便可加工各種復雜的型腔和型面。一般的，超聲加工機 床的結構比較簡單，

24、操作、維修也比較方便。 4. 可以與其他多種加工方法結合應用，如超聲電火花加工和超聲電解加工 等。 5. 利用超聲焊接技術可以實現(xiàn)同種或異種材料的焊接，不需要焊劑和外加 熱，不因受熱而變形，沒有殘余應力，對焊件表面的焊接處理要求不高。1.4 本課題的主要研究工作 針對瓷磚、超薄零件在傳統(tǒng)切割機切割易碎現(xiàn)象，本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應力、切削熱很小的優(yōu)點，在傳統(tǒng)切割機上嵌入一個超聲震動系統(tǒng)，進行超聲震動系統(tǒng)的結構設計，結合小型超聲切割機的傳動部分結構設計，設計小型超聲切割機。使用小型超聲切割機，切割瓷磚、超薄零件更加平穩(wěn)，成品率更高。 本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基

25、礎，設計添加一超聲振動系統(tǒng)，以實現(xiàn)超聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率。 2 小型超聲切割機的整體設計方案2.1 小型超聲切割機整體設計方案的擬定 小型超聲切割機是在傳統(tǒng)切割機的基礎上，利用超聲加工適合加工各種脆性材料、切削應力和切削熱更小的特點，嵌入一個超聲振動系統(tǒng)，使之實現(xiàn)超聲加工，加工脆性材料、超薄零件。這設計包括基本傳動系統(tǒng)結構設計和超聲振動系統(tǒng)兩部分，以這樣的組合方式進行結構設計。2.2 傳動系統(tǒng)結構的擬定 方案一：沒有任何傳動，采用電機直接輸出動力，整個系統(tǒng)就一根軸，動力直接輸出提供到鋸片，實現(xiàn)切割。如圖 2-1 所示。 圖 2-1 電機軸 方案二：電機軸輸出動力經(jīng)過一對直齒輪或者斜齒輪傳動，進行降速升扭作用，然后通過輸出軸將動力提供給鋸片，實現(xiàn)切割。如圖 2-2、2-3 所示。 圖 2-2 直齒輪傳動 圖 2