超声振动钻削机构设计

目次1．绪论 (3)1.1.引言 (3)1.2.课题的来源及其研究的内容 (3)1.3.超声振动钻削机构概述 (4)1.4.超声波的产生及其特性 (5)1.5.超声波的加工原理及特点 (6)1.6.超声波加工发展概况 (7)2．超声振动钻削系统的结构设计 (9)2.1.引言 (9)2.2.超声振动钻削系统的结构设计 (9)3．超声振动钻削机构声学系统的设计 (13)3.1.超声波发生器与换能器 (13)3.2.超声变幅杆的设计 (14)4．钻头夹具的设计与连接 (30)4.1.钻头夹具的选取与设计 (30)4.2.钻头夹具与变幅杆的连接 (31)5．其他零部件的设计 (32)5.1.其他零部件的设计 (32)6．校核与计算 (34)6.1.轴承的计算 (34)6.2.内轴套的校核 (34)设计总结 (36)致谢 (39)参考文献 (40)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。

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 2的条件，以形成的一种脉冲式的变速断续的切削过程。

因此，欲保持V<af完成超声振动钻削工艺，就需要设计一套声振系统：振源――放大系统――连接装置――工具或工件等装置。

具体讲需要设计产生高频信号的超声振动源（即超声波发生器）、将电信号变为机械信号的换能器、为实现工具振动必须放大的变幅杆、连接工具并与之适配的标准夹头及钻削工具等零部件。

工作时，超声波发生器产生的高频电振荡通过换能器变成机械振动，再由变幅杆把这种微小的机械振动加以放大并传递给由标准夹头连接的工具上使工具或工件产生规则的强迫振动并利用这种振动进行钻削加工。

超声振动钻削与普通钻削的区别是在钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。

超声振动钻削装置主要有三种形式①轴向振动装置，即振动方向与钻头轴向方向相同的装置。

②扭转振动钻削装置，即振动方向与钻头旋转方向相同的装置。

③复合振动钻削装置，即轴向振动与扭转振动的叠加的装置。

1.4 超声波的产生及其特性声波与光波、电磁波一样，都是因物体在介质中发生振动，介质各点之间存在弹性联系，引起相邻各点的振动从而形成的纵波。

声波是人耳能感受到的一种纵波。

其频率范围是16—16000Hz。

当声波的频率低于16Hz时就叫次声波，高于16000Hz则称为超声波、加工用超声波的频率为16000-25000Hz。

它是由压电晶片(如石英、钦酸钡、错钦酸钡等)的逆压电效应产生的。

如图1一1所示，当压电晶片受到某一规律的压缩和拉伸时(晶片厚薄亦产生规律性变化)，在晶片两面产生相同电压变化，称为正压电效应。

反之，把某一规律变化的电压加在压电晶体片两面上，它就作相应机械振动，称为逆压电效应。

当压电晶片受到来自高频(>20kHz)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: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16—25kHz)，此波因振幅太小，仅0.005—0.01mm，不能用于加工，需通过变幅杆放大至0.01—0.1 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。

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0.01—0.02mm，表面粗糙度R可达0.63—a ，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0.08m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。

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。