超声振动钻削机构设计-方案论证报告

目次1、课题的来源与意义 (3)1.1 课题的背景与意义 (3)1.2 课题设计要解决的问题 (3)1.3 课题研究现状和发展趋势 (4)2、本课题的设计任务与技术要求 (5)2.1 本毕业设计课题应达到的目的 (5)2.2 本毕业设计课题任务的内容和要求 (5)3、方案拟定超声振动钻削机构总体设计布局 (5)3.1 超声波加工机床的基本结构 (5)3.2 超声振动钻削机构的基本结构 (6)3.3 超声波加工的基本原理 (7)3.4 换能器的选择 (8)3.5 变幅杆的选用 (10)4、方案对比 (11)方案确定 (13)本毕业设计课题工作进度计划 (14)参考文献 (15)毕业设计论证报告第一章课题的来源与意义1.1课题的背景与意义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和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，特种加工业应运而生。

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，尤其是电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，超声波加工机床具有体积大、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旋转超声复合钻削机构。

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、可加工大型工价的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。

1.2 课题设计要解决的问题1、对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可以进行旋转超声加工。

2、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、对变幅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的钻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 课题研究现状和发展趋势早在1927年，R.W.Wood和A.L.Loomis就发表了一篇关于超声波加工的论文。

1945年L.Balamuth申请了关于超声加工的专利。

1960年左右，英国Hawell 原子能研究中心的科学家发明新的超声钻削复合加工方法。

70年代，美国也开始进一步的研究。

日本则于80年代后期成功的研制出了样机。

其加工效率较传统加工方法高出6--10倍。

目前超声波加工已经被广泛应用，如超声钻孔、超声清洗、超声研磨等，而且还被广泛应用于医学领域。

1992年11月在日本举行的第四届中日超精密金刚石切削技术学术研究会上，提出了两篇报告。

一篇是《超声振动在难加工材料超精密金刚石切削加工的应用》，研究表明:采用金刚石刀具光学质量表面。

而且对玻璃可以的超声振动切削能获得表面粗糙度约为0.03m进行塑形加工。

另一篇是我国北京航天大学韩云台所作《振动切削表面形成机理》报告，用弹性和塑形理论对两维振动切削加工分析表明：超声振动切削能减小加工表面回颤，实现精密微切削。

我国超声加工始于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，我国再次展开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，机械电子工业部第十一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、断铣、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钻削时对钻头施以超声振动，提出了高效的超声钻削复合加工方法，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的提高。

北京装甲兵技术学院提出了一种“超声振动车削”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。

清华大学王先逵等进行了45号钢制成的超声砂带研抛的实验研究。

第二章本课题的设计任务与技术要求2.1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：超声振动钻削加工是当前的一项特种加工技术。

该加工技术对于陶瓷、高强度复合材料等硬脆材料具有独到的优势。

但是，超声波加工机床具有体积大、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旋转超声复合钻削机构。

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、可加工大型工价的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。

本设计涉及到机制专业学生所学的主要专业课和专业基础课，能充分得到机制专业方面能力的训练。

该课题有利于提高学生的（1）综合应用能力（2）应用参考文献能力（3）设计能力（4）计算能力（5）计算机应用能力（6）分析问题的能力（7）创新能力等。

2.2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：（1）超声振动钻削机构部件图一张；（2）总装配图一张；（3）主要零件图；（4）英文翻译一份；（5）毕业设计说明书一份，不少于5000字。

（6）方案论证报告一份；（7）图纸量不少于零号图纸4张；第三章方案拟定3.1 超声波加工机床的基本结构超声加工机床又称超声加工设备，他们的功率大小和结构形状虽有所不同，但其组成部分基本相同，一般包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作悬浮液循环系统等，其主要组成部分如下所示：3.2 超声振动钻削机构的基本结构1、超声加工机应具备的基本要求一般超声加工机主要实现超声加工的功能需要具有的功能包括下列几点：1）、工具或工件的进给运动；2）、工具的旋转运动；3)、工具的超声振动；4)、工作台的X方向的运动；5）、工作台的Y 方向的运动；6）、大功率加工机还要冷却系统（风冷或水冷）。

其中，工具或工件的进给运动、工具的旋转运动与超声振动是超声小孔加工必须的基本运动:工作台X、Y方向的移动是为了加工不同位置的孔或加工成型槽，同时便于工件的装夹和定位。

2、超声振动钻削机构的基本结构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，所以超声振动钻削机构的主要结构就是超声波加工的声学系统。

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，钻削机构的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和定位，以便将偏心度降至最低。

钻削头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)、在考虑到钻削头各个零部件对中性以及可靠性，这也是设计两个支撑架固定在机床主轴上的主要目的，同时还能防止钻削头的摆动。

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。

3.3 超声波加工的基本原理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16}-25kHz)，此波因振幅太小，仅O.Olmm，不能用于加工，需通过变幅杆放大至0.01--l0.1 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。

3.4 换能器的选择换能器的功能是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，它是超声加工设备的关键部件之一。

前面已经介绍了换能器可分为两大类:一类是磁致伸缩换能器，另一类是压电换能器。

为了合理选用换能器，必须了解各种换能器的特点，下面具体介绍两种换能器的特点：压电换能器的特点:cm，但连续振动时只能达到1、结构尺寸小，瞬时输出功率达 3 5 -40w/2cm (无冷却散热条件时)；它的1/5左右，即7-8 w/22、电声转换效率高达90；3、抗拉强度低，设计、装配和工作时易损坏；4、超声振动系统的设计、制造和调整的精度要求较高；5、频率范围窄(一般为1000Hz ) ；6、价格便宜；7、冷却方式简单；8、换能器与变幅杆一般采用螺纹连接。

换能器与变幅杆之间的结合面以及其它结合面的加工质量、连接螺纹的加工质量对振动参数都有影响。