超聲振動鉆削機構(gòu)方案論證報告

1、目 次1、課題的來源與意義 31.1 課題的背景與意義31.2 課題設(shè)計要解決的問題31.3 課題研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢42、本課題的設(shè)計任務(wù)與技術(shù)要求 52.1 本畢業(yè)設(shè)計課題應(yīng)達到的目的52.2 本畢業(yè)設(shè)計課題任務(wù)的內(nèi)容和要求53、方案擬定超聲振動鉆削機構(gòu)總體設(shè)計布局 53.1 超聲波加工機床的基本結(jié)構(gòu)53.2 超聲振動鉆削機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)63.3 超聲波加工的基本原理73.4 換能器的選擇83.5 變幅桿的選用104、方案對比 11方案確定 13本畢業(yè)設(shè)計課題工作進度計劃14參考文獻15畢業(yè)設(shè)計論證報告第一章 課題的來源與意義1.1課題的背景與意義 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和激烈的市場競爭,加快

2、了產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐,為此,各種新材料、新結(jié)構(gòu)、高要求的零部件大量涌現(xiàn),這對機械制造業(yè)提出了新的要求。解決各種難切削材料尤其是硬脆材料和復(fù)合材料的加工問題成了一個急待解決的問題。傳統(tǒng)加工方法難度大，質(zhì)量差，特種加工業(yè)應(yīng)運而生。特種加工包括電火花加工、超聲波加工以及激光加工等。其中，超聲波加工適合于加工各種硬脆材料，尤其是電加工難以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金剛石、半導(dǎo)體等材料，因此在現(xiàn)在的加工中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，超聲波加工機床具有體積大、成本高的缺陷，還有加工的尺寸受到限制。為此，本文提出了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合鉆削機構(gòu)。該新型結(jié)構(gòu)可以作為一種機床附件，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、

3、可加工大型工價的優(yōu)點，這對超聲波加工以及機床的發(fā)展具有十分重要的意義。1.2 課題設(shè)計要解決的問題 1、對超聲加工機床進行分析，通過和普通機床的比較，研究一種新的結(jié)構(gòu)，使其可以安裝在普通機床上可以進行旋轉(zhuǎn)超聲加工。 2、幅桿是超聲波機床振動系統(tǒng)的重要組成部分，本文將從聲學(xué)角度和波動方程角度來探討變幅桿的設(shè)計和刀具的設(shè)計問題。 3、對變幅桿進行結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)分析，分析其最大應(yīng)力和振幅的變化曲線。 4、為滿足不同用戶的要求，以超聲電源功率250w的鉆削頭結(jié)構(gòu)為基型產(chǎn)品，對其進行系列化設(shè)計。 5、通過實驗驗證結(jié)構(gòu)的可行性，并且對其進行超聲加工的效率和質(zhì)量進行研究，以驗證其是否達到專用機床的要求。

4、6、對本課題的內(nèi)容做出總結(jié)和展望。1.3 課題研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 早在1927年，r.w.wood和a.l.loomis就發(fā)表了一篇關(guān)于超聲波加工的論文。1945年l.balamuth申請了關(guān)于超聲加工的專利。1960年左右，英國hawell原子能研究中心的科學(xué)家發(fā)明新的超聲鉆削復(fù)合加工方法。70年代，美國也開始進一步的研究。日本則于80年代后期成功的研制出了樣機。其加工效率較傳統(tǒng)加工方法高出6-10倍。目前超聲波加工已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如超聲鉆孔、超聲清洗、超聲研磨等，而且還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1992年11月在日本舉行的第四屆中日超精密金剛石切削技術(shù)學(xué)術(shù)研究會上，提出了兩篇報告。一篇是超聲振

5、動在難加工材料超精密金剛石切削加工的應(yīng)用，研究表明:采用金剛石刀具的超聲振動切削能獲得表面粗糙度約為光學(xué)質(zhì)量表面。而且對玻璃可以進行塑形加工。另一篇是我國北京航天大學(xué)韓云臺所作振動切削表面形成機理報告，用彈性和塑形理論對兩維振動切削加工分析表明：超聲振動切削能減小加工表面回顫，實現(xiàn)精密微切削。 我國超聲加工始于50年代末期，曾掀起一陣群眾性的“超聲熱”，由于超聲電源、換能器、聲振系統(tǒng)很不成熟，缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作，很快就冷了下來。60年代末，哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲車削，加工了一批飛機上的鋁制細長軸，取得了良好的切削效果。1976年，我國再次展開超聲加工的試驗研究和理論探討工作。198

6、3年，機械電子工業(yè)部科技司委托機械工藝師雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動與切削專題討論會”。1985年，機械電子工業(yè)部第十一研究所研制成功旋轉(zhuǎn)超聲加工機，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的鉆孔、套料、斷銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工中，取得了優(yōu)異的工藝效果。80年代后期，天津大學(xué)的李天基等人在高速鉆削時對鉆頭施以超聲振動，提出了高效的超聲鉆削復(fù)合加工方法，效率比傳統(tǒng)的超聲加工提高6倍以上，表面質(zhì)量也有了大幅度的提高。北京裝甲兵技術(shù)學(xué)院提出了一種“超聲振動車削”的新工藝，其特點是功率小、振幅小，同樣可獲得一般振動車削效果。清華大學(xué)王先逵等進行了45號鋼制成的超聲砂帶研拋的實驗研究。第二章 本課題的設(shè)計任務(wù)

7、與技術(shù)要求2.1本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的： 超聲振動鉆削加工是當(dāng)前的一項特種加工技術(shù)。該加工技術(shù)對于陶瓷、高強度復(fù)合材料等硬脆材料具有獨到的優(yōu)勢。但是，超聲波加工機床具有體積大、成本高的缺陷，還有加工的尺寸受到限制。為此，本文提出了一種新型旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合鉆削機構(gòu)。該新型結(jié)構(gòu)可以作為一種機床附件，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可加工大型工價的優(yōu)點，這對超聲波加工以及機床的發(fā)展具有十分重要的意義。本設(shè)計涉及到機制專業(yè)學(xué)生所學(xué)的主要專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課，能充分得到機制專業(yè)方面能力的訓(xùn)練。該課題有利于提高學(xué)生的（1）綜合應(yīng)用能力（2）應(yīng)用參考文獻能力（3）設(shè)計能力（4）計算能力（5）計算機應(yīng)用能

8、力（6）分析問題的能力（7）創(chuàng)新能力等。2.2本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： （1） 超聲振動鉆削機構(gòu)部件圖一張； （2） 總裝配圖一張； （3） 主要零件圖； （4） 英文翻譯一份； （5） 畢業(yè)設(shè)計說明書一份，不少于5000字。 （6） 方案論證報告一份； （7） 圖紙量不少于零號圖紙4張；第三章 方案擬定 3.1 超聲波加工機床的基本結(jié)構(gòu)超聲加工機床又稱超聲加工設(shè)備，他們的功率大小和結(jié)構(gòu)形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床本體和磨料工作懸浮液循環(huán)系統(tǒng)等，其主要組成部分如下所示：3.2 超聲振動鉆削機構(gòu)

9、的基本結(jié)構(gòu) 1、超聲加工機應(yīng)具備的基本要求 一般超聲加工機主要實現(xiàn)超聲加工的功能需要具有的功能包括下列幾點：1）、工具或工件的進給運動；2）、工具的旋轉(zhuǎn)運動；3)、工具的超聲振動；4)、工作臺的x方向的運動；5）、工作臺的y 方向的運動；6）、大功率加工機還要冷卻系統(tǒng)（風(fēng)冷或水冷）。 其中，工具或工件的進給運動、工具的旋轉(zhuǎn)運動與超聲振動是超聲小孔加工必須的基本運動:工作臺x、y方向的移動是為了加工不同位置的孔或加工成型槽，同時便于工件的裝夾和定位。2、超聲振動鉆削機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 從上面對超聲波加工機應(yīng)具備的六項基本要求可以看出，第1、2、4、5項要求是一般普通數(shù)控機床都具備的條件，所以我們可以

10、利用普通機床的本體結(jié)構(gòu)，而第三項要求工具的超聲振動是通過超聲振動系統(tǒng)實現(xiàn)的，所以超聲振動鉆削機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)就是超聲波加工的聲學(xué)系統(tǒng)。 總體結(jié)構(gòu)的完善設(shè)計是超聲加工得以順利進行的重要保證。基于上述所講，鉆削機構(gòu)的設(shè)計從以下幾點出發(fā)：1）、考慮到聲學(xué)部分在加工時的高速鉆削運動，應(yīng)充分保證旋轉(zhuǎn)部分的運動平衡性，因而在設(shè)計時應(yīng)盡量考慮各部件的對中性，以及部件之間的相互連接和定位，以便將偏心度降至最低。鉆削頭各部件加工時要嚴格保證公差要求，并進行良好的裝配，以保證其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，這與超聲振動系統(tǒng)的壽命及加工效率和質(zhì)量有非常密切的關(guān)系。2)、在考慮到鉆削頭各個零部件對中性以及可靠性，這也是設(shè)計兩個支撐架固定在

11、機床主軸上的主要目的，同時還能防止鉆削頭的擺動。3）、有足夠的穩(wěn)定性和承載能力，能夠抵制干擾，實現(xiàn)穩(wěn)定加工。4）、該超聲波加工的振動系統(tǒng)不能與它所要安裝的機床主體發(fā)生干涉。我們可以把超聲振動鉆削機構(gòu)作為一種機床附件，機床附件是指除機床以外的用于擴大機床加工性能范圍的附屬裝置。由于機床主機的發(fā)展，機床附件種類越來越多，要求也越來越高，超聲振動鉆削機構(gòu)就是對機床附件的發(fā)展。3.3 超聲波加工的基本原理超聲波加工是利用工具作超聲振動，并沿工具頭振動方向施加一定壓力，通過液體磨料來加工材料。超聲波加工的基本原理是:加工時，超聲波發(fā)生器通過換能器產(chǎn)生超聲波(頻率通常為16-25khz)，此波因振幅太小，

12、僅o.olmm，不能用于加工，需通過變幅桿放大至0.01-l0.1 mm，再傳給工具。此時，工具與工件之間充滿了液體(水或煤油)與磨料(氧化鋁或碳化硅等)混合的懸浮液。工具以很小的壓力壓在工件上。工作液中懸浮的磨粒在工具的超聲振動下，以高速不斷沖擊工件加工表面，使該表面受到很大的壓強而產(chǎn)生材料的變形，當(dāng)應(yīng)力超過其強度極限時，材料將發(fā)生破壞而成粉末狀去除。同時由于懸浮工作液的擾動，促使磨粒以高速拋磨工件的加工表面。此外，懸浮工作液受工具端部的超聲振動而產(chǎn)生的“空化”現(xiàn)象在工件表面形成液體空腔，促使液體滲入被加工材料的縫隙處，而空腔的瞬時閉合又引起強烈的液壓沖擊，加快了工件材料的機械碎除作用，并有

13、利于加工區(qū)域磨料懸浮液的均勻攪拌和磨蝕產(chǎn)物的排除。磨料懸浮液的循環(huán)流動使磨料不斷更新，并帶走被粉碎下來的材料微粒，工具逐漸滲入到材料中，工具形狀便復(fù)現(xiàn)在工件上。因此，超聲加工是磨粒在超聲振動下的機械沖擊和拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果，其中磨粒的連續(xù)沖擊和拋磨作用是主要的。1)懸浮液中磨料的不斷機械沖擊，是超聲加工的主要因素，但不僅是這一因索；2)由于工具端部的超聲振蕩而產(chǎn)生的“空化”現(xiàn)象，令工件表面形成液體空腔，促使液體進入工件縫隙處，空腔的瞬間空化，更會加速磨料對工件表面的破碎作用；3)可以認為，超聲加工正是磨料的機械沖擊與空化作用的綜合結(jié)果。后來，在傳統(tǒng)超聲波加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲

14、波(rum)，它與傳統(tǒng)超聲波加工不同之處在于:工具在作超聲振動的同時附加了旋轉(zhuǎn)運動;工具由金屬粉末和人造金剛石或立方氮化硼磨料按一定比例燒結(jié)而成;將冷卻水而不是磨料一懸浮液輸入到工具和工件表面之間。3.4 換能器的選擇換能器的功能是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動，它是超聲加工設(shè)備的關(guān)鍵部件之一。前面已經(jīng)介紹了換能器可分為兩大類:一類是磁致伸縮換能器，另一類是壓電換能器。為了合理選用換能器，必須了解各種換能器的特點，下面具體介紹兩種換能器的特點：壓電換能器的特點:1、結(jié)構(gòu)尺寸小，瞬時輸出功率達3 5 -40w/，但連續(xù)振動時只能達到它的1/5左右，即7-8 w/ (無冷

15、卻散熱條件時)；2、電聲轉(zhuǎn)換效率高達90；3、抗拉強度低，設(shè)計、裝配和工作時易損壞；4、超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計、制造和調(diào)整的精度要求較高；5、頻率范圍窄(一般為1000hz ) ；6、價格便宜；7、冷卻方式簡單；8、換能器與變幅桿一般采用螺紋連接。換能器與變幅桿之間的結(jié)合面以及其它結(jié)合面的加工質(zhì)量、連接螺紋的加工質(zhì)量對振動參數(shù)都有影響。磁致伸縮換能器的特點:1、在工作條件變化很大的情況下使用時，切削力的變化以及振動系統(tǒng)自身的一些變化對工具振動形態(tài)的影響小；2、機械強度高，振動系統(tǒng)使用安全可靠，換能器壽命長； 3、頻率范圍寬，因而工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點；4、每單位面積的輸出功率

16、可達30-40w/ ；5、轉(zhuǎn)換效率低，一般為30%-40%；6、鎳片價格昂貴；7、鎳片換能器與變幅桿之間一般采用釬焊連接；8、一般采用循環(huán)水冷卻方式，因而需附加水冷卻系統(tǒng)。從上述特點可以看出，各種換能器都有利弊。因此，在選擇換能器的種類時，要根據(jù)加工的具體條件加以分析比較。磁致伸縮換能器雖然具有較小的機械q值，可以傳遞聲能的頻率范圍寬，能容許變幅桿的設(shè)計制造誤差以及工具磨損。然而，磁致伸縮換能器的效率極低，其電能損失轉(zhuǎn)換為熱能，因此必須帶有冷卻設(shè)備，由于工作時主軸高速旋轉(zhuǎn)，使得其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。壓電換能器正好克服上述缺點，它體積小，機械諧振頻率低，輸出振幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高，

17、不需冷卻設(shè)備，為旋轉(zhuǎn)加工提供了方便，雖然其具有較高的機械q值，但現(xiàn)在的超聲波電源一般都具有良好的頻率跟蹤性能，完全能跟蹤其固有頻率的變化。因此，本設(shè)計擬采用壓電換能器。3.5 變幅桿的選用超聲波加工過程中，工具前端只有達到一定的振幅才能提高加工效率，振幅的增大可以有兩種方式獲得:一種是加大輸入電功率，在壓電材料的工作范圍內(nèi)，提高換能器的激勵電壓，從而增大工具頭的振幅，這種力一法不能改變換能器前后的振速比，效率低，此外持續(xù)的工作會引起換能器發(fā)熱，使換能器的工作效率及功率容量嚴重下降;另一種是在換能器與工具頭之間增加變幅桿又稱為超聲聚能器，它主要作用是放大機械振動質(zhì)點的振動位移和振動速度，或?qū)⒊?/p>

18、能量聚集在較小的面積上，此外，變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在超聲換能器與聲負載之間進行阻抗匹配，使能量有效的傳輸。本文采用第二種方法。第二章已經(jīng)介紹了變幅桿有多種類型，不同形狀的變幅桿都有各自的優(yōu)缺點，具體情況如表3一1所示。本章還將從聲學(xué)角度和波動方程兩個方面來介紹階梯形變幅桿的設(shè)計工作。第四章 方案對比方案一此方案把超聲振動機構(gòu)作用于刀具上，從而滿足我們的使用要求，達到普通機床切削加工玻璃、陶瓷、鈦合金等難機加工的材料。而且可以達到相當(dāng)高的精度。總的說來此方案除有超聲加工的一般優(yōu)點以外還具有以下特點：1、整個機構(gòu)成本低。因為刀具的整個機構(gòu)的質(zhì)量很小，完成相同的振動對超聲波發(fā)生器的要求較

19、低。通常的情況下就可以滿足。不需要特別的選用超聲波發(fā)生器。2、達到較高的精度，滿足使用要求。由于整個機構(gòu)的質(zhì)量很小，使得刀具在振動過程中的靈敏度相當(dāng)高，從而使誤差及時的傳遞到測試儀里及時調(diào)整，通過此種方法來提高加工的精度。3、便于裝夾。由于整個機構(gòu)質(zhì)量體積都較小，使得整個機構(gòu)很容易就固定在普通機床上。如本機構(gòu)設(shè)計的和主軸相連的支撐桿便可以達到固定的目的，而且可以提高精度，防止機構(gòu)擺動。4、便于維修。構(gòu)成機構(gòu)的部件質(zhì)量、體積都非常小，所以如出現(xiàn)問題很容易進行維修，只需要分別來檢查維修即可。方案二此方案把超聲振動機構(gòu)作用于工件上，從而滿足我們的使用要求，達到普通機床切削加工玻璃、陶瓷、鈦合金等難機

20、加工的材料。此方案與普通的機床相比也可以達到較高的精度，但與方案一相比就顯得缺點百出，具體所來有以下幾點：1、整個機構(gòu)成本高。因為加工的工件的質(zhì)量比刀具大的多，完成相同的振動對超聲波發(fā)生器的要求較高。通常的情況下，需要特別的選用超聲波發(fā)生器才能滿足要求。2、精度有所降低。由于加工工件與刀具質(zhì)量相比很大，使得刀具在振動過程中的靈敏度不高，從而使誤差不能及時的傳遞到測試儀里及時調(diào)整，所以加工的質(zhì)量有限。3、不便于裝夾。由于加工工件與刀具相比質(zhì)量很大，使得整個機構(gòu)不容易就固定在普通機床上。如本機構(gòu)設(shè)計的和主軸相連的支撐桿就不可以達到固定的目的，無法防止機構(gòu)擺動，降低加工質(zhì)量。4、不便于維修。構(gòu)成機構(gòu)

21、的部件質(zhì)量、體積都非常大，所以如出現(xiàn)問題不容易進行維修，檢測也比較復(fù)雜。方案確定結(jié)合方案的綜合評價、剛性評價、精度評價、效率評價和成本評價得到的最優(yōu)方案如下：總體布局采用方案一，把超聲振動鉆削機構(gòu)裝在刀具上，從而達到普通機床切削加工玻璃、陶瓷、鈦合金等難機加工的材料的目的。換能器選用壓電陶瓷換能器，變幅桿采用圓錐形變幅桿。因為其制造容易，機械強度大，又滿足我們的放大系數(shù)。綜合評價其優(yōu)點如下：1)加工對象為各種硬脆材料，如玻璃、陶瓷、人造寶石、半導(dǎo)體等材料，尤其是電加工難以加工的材料。其原因是超聲加工是靠磨料及液體分子的不斷沖擊、空化作用。2)加工精度高。尺寸精度可達0.01-0.02mm，表面

22、粗糙度可達0.63 -0.08，被加工面也無組織改變，無殘余應(yīng)力，其原因是其加工靠微小磨粒作用。3)工件在加工過程中受力小。這是因為在加工過程中，磨料運動方向與加工表面垂直與切入方向一致，工件僅受磨料瞬時局部沖擊力，不存在橫向摩擦之故。因此，對一于加工薄壁、窄縫及低剛度工件是有利的。4)可加工出復(fù)雜型腔及型面。其原因是工具可用較軟材料制作，故易于制出復(fù)雜形狀之工具?；诖?，決定了超聲加工機床結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。5)與電解加工、電火花加工比較，超聲波加工效率較低。6）整個機構(gòu)成本低。7）達到較高的精度，滿足使用要求。8）便于裝夾。9）便于維修。本畢業(yè)設(shè)計課題工作進度計劃：2008年2月 25日-3 月 30日完成畢業(yè)設(shè)計方案論證報告；2月25日-3月 30日完成畢業(yè)設(shè)計方案論證報告；4月1 日-5 月1日完成畢業(yè)設(shè)計圖紙；5月2日-5 月10日進行設(shè)計說明書編寫；5月11日-5 月31日進行畢業(yè)論文撰寫及修改。參考資料1胡傳忻 特種加工手冊 北京工