小型超聲波切割機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、手持式超聲振動(dòng)切割機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書誠毅 學(xué)院 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 專業(yè) 機(jī)械0791 班 學(xué)生： 學(xué)號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 手持式超聲振動(dòng)切割機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作規(guī)定進(jìn)行日期：2011年 1 月 16 日起至 2011年 6 月 02 日止二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行地點(diǎn)： 三、任務(wù)書的內(nèi)容：1、課題研究的目的、意義目前，硬脆材料在工業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)普遍，但這類材料堅(jiān)硬易碎，導(dǎo)致它們的孔加工是一大難題。本課題要求學(xué)生以普通手持式切割機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)添加一超聲振動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率。本課題可使學(xué)生了解超聲技術(shù)的應(yīng)用，掌握結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)的程序、步驟和方法，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。 2、課題研究任務(wù)（1） 通過實(shí)地調(diào)研和查閱文獻(xiàn)，了解超聲波加工原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。 （2） 復(fù)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)，確定鉆孔機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （3） 明確超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，確定設(shè)計(jì)方案。 （4） 選擇換能器和變幅桿，確定超聲振動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)。 （5） 用PRO/E軟件繪制小型超聲鉆孔機(jī)的3D整體裝配圖。 （6） 用PRO/E導(dǎo)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(jì)算； （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （4）結(jié)構(gòu)建模、完成圖紙、計(jì)算說明書。 4、日程安排

3、1月20日2月25日 實(shí)習(xí)、調(diào)研、收集資料、翻譯外文資料。 2月26日3月15日 撰寫開題報(bào)告、工作計(jì)劃并確定總體方案。 3月16日4月15日 進(jìn)行并完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)（論文）答辯提綱，準(zhǔn)備答辯 5、成果要求畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一篇（不少于一萬字）； 畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙一套（折合A0圖紙三張）； 外文資料翻譯一份（不少于5000英文單詞）。 6、主要參考文獻(xiàn) 1 曹國鳳主編.超聲加工技術(shù)

4、M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.8 2 林書玉著.超聲換能器的原理和設(shè)計(jì)M.北京：科學(xué)出版社 ，2004 3 蒲良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）M.北京：高等教育出版社，2006.5 4 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.機(jī)械傳動(dòng)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1 5林清安著.Pro/ENGINEER 野火3.0基礎(chǔ)零件設(shè)計(jì)（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(chǔ)教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2006.1 7 NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Proceedings of Winter A

5、nnual Meeting of ASME, Vol. 17 (1985-11), 1 8 NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Annals of CIRP Vol. 35/1 (1986-8), 205 9 SUZUKI, K., UEMATSU, T, NAKAGAWA, T. Annals of CIRP Vol. 36/1 (1987-8), 115 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日教研室主任簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 年 月 日小型超聲切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要 在陶瓷的應(yīng)用中，超聲加工和普通機(jī)械加工相比有很多的優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)體和絕緣體材料都可以被加工，同時(shí)

6、加工復(fù)雜的三維立體外形可以像加工簡(jiǎn)單的外形一樣快速。再者，這種工藝不會(huì)在工件的表面產(chǎn)生熱變形和化學(xué)的反應(yīng)，同時(shí)作用在工件表面的淺的壓應(yīng)力能增加被加工部分的受力強(qiáng)度。 本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應(yīng)力、切削熱很小的有點(diǎn)，在傳統(tǒng)的切割機(jī)上嵌入一個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行超聲振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合小型超聲切割機(jī)的傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)小型超聲切割機(jī)。旋轉(zhuǎn)超聲加工的這個(gè)或者其他的優(yōu)勢(shì)，讓這種加工方法在將來玻璃和陶瓷工業(yè)應(yīng)用中持續(xù)增加歡迎度。關(guān)鍵詞 超聲加工；超聲振動(dòng)系統(tǒng)；換能器；變幅桿；切割機(jī)Design of the small ultrasonic cutting machines s

7、tructureAbstract In ceramic applications, USM provides a number of advantages compared to conventional machining techniques. Both conductive and nonconductive materials can be machined, and complex three-dimensional contours can be machined as quickly as simple shapes. Additionally, the process does

8、 not produce a heat-affected zone or cause any chemical/electrical alterations on the workpiece surface, and a shallow, compressive residual stress generated on the workpiece surface can increase the high-cycle fatigue strength of the machined part. The purpose of this subject is to the fragile issu

9、e of the tile , thin parts in the traditional cutting machine to cut . Using ultrasonic maching which suitable for processing a variety of brittle materials with small cutting stress and cutting heat , embedded in a conventional cutting machine ultrasonic vibration system, conduct a small part of ul

10、trasonic cutting machine transmission structure design,make the structural design of the system.With this and other advances in RUM, it is likely that this machining method will continue to gain popularity for glass and ceramic applications in the near future. Keyword:Ultrasonic Machining;Ultrasonic

11、 vibration system;Transducer;Horn;Cutting machine目錄1 引言-11.1 課題背景及選題意義-11.2 目前國內(nèi)外超聲加工的發(fā)展情況-21.3 超聲加工的優(yōu)點(diǎn)-41.4 本課題的主要研究工作-52 小型超聲切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案-62.1 小型超聲切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案的擬定-62.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擬定-62.3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)方案的擬定-82.3.1 換能器的擬定-82.3.2 變幅桿的擬定-102.4 總體方案的確定-103 超聲振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-113.1超聲振動(dòng)系統(tǒng)-113.2 換能器的設(shè)計(jì)-123.3 變幅桿的設(shè)計(jì)-153.3.1 變幅桿

12、材料的選擇-163.3.2 四分之一波長變幅桿的設(shè)計(jì)-164 部分零件的強(qiáng)度校核-204.1 鍵的校核-204.2 軸的校核-205 小型超聲切割機(jī)的整體裝配-225.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-225.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-245.3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-275.4 小型超聲切割機(jī)的整體裝配-276 結(jié)束語-297 致謝-308 參考文獻(xiàn)-31321 引言1.1 課題背景及選題意義小型切割機(jī)是日常生活乃至工程建設(shè)中非常便捷的切割加工工具，傳統(tǒng)的小型切割機(jī)在切割瓷磚，超薄零件時(shí)，由于瓷磚是脆性材料，當(dāng)傳統(tǒng)切割機(jī)在切割的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)瓷磚會(huì)碎掉，這樣一來會(huì)造成了成品率不高，同時(shí)也造成了浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)大量的固體污

13、染，特殊垃圾；對(duì)超薄零件而言，和脆性材料一樣，由于薄這個(gè)特殊原因，導(dǎo)致了加工的時(shí)候也容易碎掉，另外，超薄零件對(duì)于切削應(yīng)力，切削熱是非常敏感的，容易產(chǎn)生熱變形，特別是對(duì)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(jī)在加工的時(shí)候，成品率就更加低了，浪費(fèi)和造成的垃圾就更加嚴(yán)重了8?，F(xiàn)在這個(gè)高速發(fā)展的社會(huì)，和諧可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)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(fèi)是不予提倡的，也會(huì)是未來需要改進(jìn)的方向。針對(duì)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時(shí)候，保證交給你的質(zhì)量和精度，提高成品率，減少浪費(fèi)和

14、污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)約和低碳經(jīng)濟(jì)。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(jī)和超聲加工結(jié)合在一起，利用超聲加工的特點(diǎn)和切割機(jī)的切割特性，就能誕生新型的切割機(jī)，即小型超聲切割機(jī)。而這樣的切割機(jī)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(shí)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(gè)里程碑，也將促進(jìn)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(diǎn)奠定又一個(gè)良好的基礎(chǔ)。超聲振動(dòng)切削技術(shù)是把超聲波振動(dòng)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(shù), 是結(jié)合超聲波技術(shù)和傳統(tǒng)切削工藝的一種新型切削技術(shù)。日本隈部淳一郎先生在2

15、0世紀(jì)60年代對(duì)超聲振動(dòng)切削技術(shù)完成了大量開創(chuàng)性工作, 他的實(shí)驗(yàn)表明, 在刀具施加一定頻率和振幅的超聲波振動(dòng),可以改變傳統(tǒng)金屬切削的切削性質(zhì), 改善切削效果, 他把該技術(shù)稱之為振動(dòng)切削( vibration pulse cutting)。到目前為止, 英、美、蘇、德、日、中等國家己對(duì)超聲振動(dòng)加工設(shè)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(dòng)技術(shù)投入到實(shí)際加工中還存在這不少需要攻克的技術(shù)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(xué)生以普通手持式切割機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)添加一超聲振動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率，體積不大

16、，成本不高，符合市場(chǎng)需求，同時(shí)力求新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠讓工人操作起來方便，安全。 1.2 目前國內(nèi)外超聲加工的發(fā)展情況超聲加工是利用超聲振動(dòng)的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)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿著一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或者利用超生振動(dòng)使工件相互結(jié)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(dòng)傳遞系統(tǒng)，工具，工藝裝置等構(gòu)成。超聲波發(fā)生器的作用是將220V或者380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)；換能器13的作用是將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)；變幅桿的作用是將換能器的振動(dòng)振幅放大；超聲波的機(jī)械振動(dòng)經(jīng)

17、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(jìn)行加工。超聲加工技術(shù)是超聲學(xué)的一個(gè)重要分支。超聲加工技術(shù)是伴隨著超聲學(xué)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(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的超聲波的頻率達(dá)到了3萬赫茲，后改用氫氣時(shí)，其頻率達(dá)到了8萬赫茲。這些實(shí)驗(yàn)使人們開始對(duì)超聲波的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。對(duì)超聲學(xué)的誕生起重大推進(jìn)作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克號(hào)在首航中碰撞冰山后沉沒，這個(gè)當(dāng)時(shí)震驚世界的悲劇促使科學(xué)家提出用聲學(xué)方法來探測(cè)冰山。這些活動(dòng)啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵查德國潛艇的緊張研

18、究1927年，美國物理學(xué)家伍德（R.W.Wood）和盧米斯（A.E.Loomis）最早做了超聲加工試驗(yàn)，利用強(qiáng)烈的超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行雕刻和快速鉆孔，但當(dāng)時(shí)并未應(yīng)用在工業(yè)上。1951年，美國的科恩制成了第一臺(tái)實(shí)用的超聲加工機(jī)，并引起廣泛關(guān)注，為超聲加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。日本是較早研究超聲加工技術(shù)的國家，20世紀(jì)50年代，日本已經(jīng)設(shè)立專門的振動(dòng)切削研究所，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也都設(shè)有這個(gè)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(xué)的島川教授，超聲波工學(xué)理論和實(shí)際是他的代表作;另一位是宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授，精密加工、振動(dòng)切削基礎(chǔ)和應(yīng)用是他的代表作。日本研究人員不但把超聲加

19、工用在普通設(shè)備上，而且在精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床中也引入了超聲振動(dòng)系統(tǒng)。1977年日本將超聲振動(dòng)切削與磨削用于生產(chǎn)，可對(duì)直徑為600毫米大型船用柴油機(jī)缸套進(jìn)行鏜孔。原蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，20世紀(jì)50年代末60年代初已經(jīng)發(fā)表過很有價(jià)值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。為了推動(dòng)超聲加工的應(yīng)用，1973年原蘇聯(lián)召開了一次全國性的討論會(huì)，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟(jì)效果和實(shí)用價(jià)值，對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。到80年代末期，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)已經(jīng)生產(chǎn)系列超聲振動(dòng)鉆削裝置。20世紀(jì)70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊

20、接等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段。1979年通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已經(jīng)供應(yīng)工業(yè)界應(yīng)用。德國和英國也對(duì)超聲加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了額大量的研究，并發(fā)表了許多有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應(yīng)用。例如，英國于1964年提出使用燒結(jié)或者電鍍金剛石工具的超聲旋轉(zhuǎn)加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時(shí)加工速度低和精度差的缺點(diǎn)，取得了較好的效果。我國超聲加工技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代末，60年代末開始了超聲振動(dòng)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(jī)。1982年上海鋼管廠、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所及上海超聲波電子儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備

21、，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(dòng)切削專題研討會(huì)”召開，促進(jìn)了超聲加工技術(shù)在我國的深入研究和推廣。1985年，廣西大學(xué)，南京電影機(jī)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(dòng)切削系統(tǒng)。同年，機(jī)械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，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(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國研

22、制成功超聲研磨裝置。1991年研制成功變截面細(xì)長桿超聲車削系統(tǒng)裝置。20世紀(jì)末到本世紀(jì)初，我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅猛，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)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(jié)永磁體等難加工領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的問題。取得了良好的效果。1.3 超聲加工的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工2有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 適合加工各種硬脆材料，不受材料是否導(dǎo)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(dǎo)電的非金屬材料，又可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鐵合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的

23、金屬材料。2. 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時(shí)局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會(huì)產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗糙度也很低，可達(dá)Ra0.630.08um,尺寸精度可達(dá)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(fù)雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便可加工各種復(fù)雜的型腔和型面。一般的，超聲加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作、維修也比較方便。4. 可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)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(shù)可以實(shí)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(yīng)力，對(duì)焊件表面的焊

24、接處理要求不高。1.4 本課題的主要研究工作針對(duì)瓷磚、超薄零件在傳統(tǒng)切割機(jī)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(yīng)力、切削熱很小的優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)切割機(jī)上嵌入一個(gè)超聲震動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行超聲震動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合小型超聲切割機(jī)的傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)小型超聲切割機(jī)。使用小型超聲切割機(jī)，切割瓷磚、超薄零件更加平穩(wěn)，成品率更高。本課題要求學(xué)生以普通手持式切割機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)添加一超聲振動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率。2 小型超聲切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案2.1 小型超聲切割機(jī)整體設(shè)計(jì)方案的擬定小型超聲切割機(jī)是在傳統(tǒng)切割機(jī)的基礎(chǔ)上，利用超聲加工適合加工各種脆性材料、

25、切削應(yīng)力和切削熱更小的特點(diǎn)，嵌入一個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)，使之實(shí)現(xiàn)超聲加工，加工脆性材料、超薄零件。這設(shè)計(jì)包括基本傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超聲振動(dòng)系統(tǒng)兩部分，以這樣的組合方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擬定方案一：沒有任何傳動(dòng)，采用電機(jī)直接輸出動(dòng)力，整個(gè)系統(tǒng)就一根軸，動(dòng)力直接輸出提供到鋸片，實(shí)現(xiàn)切割。如圖2-1所示。圖2-1 電機(jī)軸方案二：電機(jī)軸輸出動(dòng)力經(jīng)過一對(duì)直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)，進(jìn)行降速升扭作用，然后通過輸出軸將動(dòng)力提供給鋸片，實(shí)現(xiàn)切割。如圖2-2、2-3所示。圖2-2 直齒輪傳動(dòng)圖2-3 斜齒輪傳動(dòng)方案三：電機(jī)軸輸出動(dòng)力經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞動(dòng)力，然后通過輸出軸輸出動(dòng)力給鋸片實(shí)現(xiàn)切割。如圖2-4所示。

26、圖2-4 剛性聯(lián)軸器方案的分析：方案一：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，符合傳動(dòng)鏈盡量短的原則，但是沒有經(jīng)過任何傳動(dòng)副，這樣會(huì)導(dǎo)致超聲系統(tǒng)裝置無法安裝到切割機(jī)上面，所以不合理，不予采納。方案二：經(jīng)過了直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)，得到了一定的降速升扭的作用，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但是由于小型超聲切割機(jī)是采用嵌入超聲振動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)超聲加工，而對(duì)于超聲振動(dòng)來說，超聲振動(dòng)只能振動(dòng)小件的，輕的刀具，所以這對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分有一定的要求，也就是說要使切割機(jī)的外形盡可能的小型化，而對(duì)于直齒輪或者斜齒輪傳動(dòng)來說，切割機(jī)的鋸片是裝在電機(jī)軸的同個(gè)軸向位置，而在這個(gè)位置上，殼體的徑向尺寸至少等于兩傳動(dòng)齒輪的直徑和再加上兩倍的殼厚，這樣會(huì)導(dǎo)致切割機(jī)

27、的尺寸很大，不適于小型化，所以不合理，不予采納。方案三：電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過聯(lián)軸器，再連接到輸出軸，最后到刀片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，符合傳動(dòng)鏈盡量短的原則，又可以很好的把超聲振動(dòng)系統(tǒng)安裝到切割機(jī)上面，實(shí)現(xiàn)超聲切割。綜上，選擇方案三作為傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)方案的擬定超聲振動(dòng)系統(tǒng)大體分為兩個(gè)部分：換能器和變幅桿。所以要確定超聲振動(dòng)系統(tǒng)，就是要確定換能器和變幅桿。2.3.1 換能器的擬定換能器9可分為壓電換能器（如圖2-5）和磁致伸縮換能器（如圖2-6）兩大類。圖2-5 壓電換能器圖2-6 磁致伸縮換能器其中對(duì)于壓電換能器，壓電換能器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)尺寸小，瞬時(shí)輸出功率達(dá)35-40瓦每平方

28、厘米，但連續(xù)振動(dòng)時(shí)只能達(dá)到它的1/5左右，即7-8瓦每平方厘米（無冷卻散熱條件）；（2）電聲轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%；（3）抗拉強(qiáng)度低，設(shè)計(jì)、裝配和工作時(shí)易損壞；（4）超聲振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整的精度要求較高；（5）頻率范圍窄；（6）價(jià)格便宜；（7）冷卻方式簡(jiǎn)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)合面以及其他結(jié)合面的加工質(zhì)量、連接螺紋的加工質(zhì)量對(duì)振動(dòng)參數(shù)都有影響。而對(duì)于磁致伸縮換能器，磁致伸縮換能器的特點(diǎn)：（1）在工作條件變化很大的情況下使用時(shí)，切削力的變化以及振動(dòng)系統(tǒng)自身的一些變化對(duì)工件振動(dòng)形態(tài)的影響?。唬?）機(jī)械強(qiáng)度高，振動(dòng)系統(tǒng)使用安全可靠，換能器的壽命長；（3）頻

29、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(diǎn)；（4）每單位面積的輸出功率可達(dá)30-40瓦每平方厘米；（5）換能效率低，一般為30%-40%;(6)鎳片價(jià)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，因而需附加冷卻水冷卻系統(tǒng)。從以上特點(diǎn)可以看出，兩種換能器各有利弊。因此在選擇換能器的種類時(shí)，要根據(jù)加工的具體條件加以分析。雖然磁致伸縮換能器頻率范圍寬，工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點(diǎn)，然而其換能效率低，損耗的能量轉(zhuǎn)化成熱量，因此需要冷卻系統(tǒng)，這樣一來會(huì)使輸出端結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而壓電換能器正好能克服上述缺點(diǎn)，它的體積小，機(jī)械諧振頻率低，輸出振

30、幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高，不需要冷卻設(shè)備，為旋轉(zhuǎn)加工提供方便。因此，本設(shè)計(jì)采用壓電換能器。2.3.2 變幅桿的擬定對(duì)于變幅桿15的擬定，如表2-1不同類型變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，不同形狀的變幅桿都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此選擇圓錐形。表2-1 不同類型變幅桿優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比變幅桿類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)指數(shù)型共振頻率范圍較寬，傳遞功率大制造較困難，放大系數(shù)不大，當(dāng)采用半波長時(shí)，大系數(shù)Mp不宜超過16圓錐形制造容易，機(jī)械強(qiáng)度大放大系數(shù)小，一般放大系數(shù)Mp=3-3.5，共振長度最長雙曲函數(shù)型放大系數(shù)大，允許Mp=20-30制造困難，當(dāng)采用大的Mp時(shí)，常因應(yīng)力過大而破裂階梯型制造容易，面積系數(shù)N一定時(shí)，放大系數(shù)最大，共振

31、長度最短不適于傳遞大功率，共振頻率范圍較小2.4 總體方案的確定綜上，傳動(dòng)部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用聯(lián)軸器傳動(dòng)，然后輸出端再連接由壓電換能器和圓錐行變幅桿組成的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，這樣組成小型超聲切割機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)超聲波聲學(xué)系統(tǒng)也稱為聲學(xué)部件或超聲振動(dòng)系統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)超聲加工必不可少的部分。超聲振動(dòng)系統(tǒng)由換能器和變幅桿組成，裝在變幅桿端部的工具作為變幅桿的負(fù)載，也作為超聲振動(dòng)系統(tǒng)的一部分。圖3-1所示為超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。1. 鎖緊螺栓2.墊圈3.后蓋板4.電極片5.壓電陶瓷片6.前蓋板和變幅桿圖3-1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2 換能器的設(shè)計(jì)超聲換能器9是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心

32、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。本設(shè)計(jì)采用的縱向夾心式壓電換能器，這種換能器能沿著縱向產(chǎn)生較大的振幅且輸出功率較大。它的基本結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷片、電極片、連接螺桿、前后蓋板以及絕緣管組成。由于此基本結(jié)構(gòu)尺寸比較大，本設(shè)計(jì)采用的是四分之一波長縱向夾心壓電換能器，如圖3-1所示?？梢越频刂豢紤]軸向應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系。由胡克定律：式中 應(yīng)力； 彈性力； 任意位置處的截面積；楊氏彈性模量；應(yīng)變；則節(jié)圓的一元段應(yīng)用牛頓第二定律：因?yàn)槭街胁牧系拿芏?；材料的聲速；得變?/p>

33、面桿縱振振動(dòng)的波動(dòng)方程： （3-1）式中波數(shù)，；角頻率；對(duì)換能器振子，振子各節(jié)面是均勻等節(jié)面，即常數(shù)，波動(dòng)方程為：由于振速，振子各部分振速方程為：通解：（3-2） （3-3）式中振子各部分的特性聲阻抗； n=1,2,3振子位移；振子各部分長度；振子各部分的速度； 考慮到圖3-1中換能器振子部分（即節(jié)面左側(cè)部分）在諧振頻率處，在他們的結(jié)合面上，前部分輸出阻抗等于后部分的輸入阻抗，即邊界條件為： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9） （3-10）式中振子尾端振速；振子各部分長度；代邊界條件（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）（3-9）代入（3-2）（

34、3-3） 可分別得：=-= = = =0 =將式（3-10）代入式（3-3）的換能器的振動(dòng)頻率方程： （3-11）為了提高振動(dòng)系統(tǒng)的振速比，后蓋板選取特性聲阻大的軟鋼，前蓋板與變幅桿做成一體，選取特阻抗小的鈦合金或者硬鋁，具體情況要根據(jù)變幅桿的材料選取。壓電陶瓷片取PZT-8，外徑46毫米，內(nèi)徑10毫米，厚7毫米，共1片。3.3 變幅桿的設(shè)計(jì)超聲變幅桿15，又稱超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理中超聲振動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分之一。超聲波加工過程中，工具前端只有達(dá)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(lì)

35、電壓，從而增大工具頭的振幅，這種方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(huì)引起換能器的發(fā)熱，是換能器的工作效率及功率容量嚴(yán)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(jī)械振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移和振動(dòng)速度，或?qū)⒊暷芰烤奂谳^小的面積上，此外，變幅桿還可以作為機(jī)械阻抗黃能起，在超聲換能器與聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配，使能量有效的傳輸。3.3.1 變幅桿材料的選擇眾所周之，超聲波加工中變幅桿是必不可少的零部件，起著至關(guān)重要的作用因此它對(duì)材料有較高的要求，具體要求如下：1. 在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗?。?. 材料的疲勞強(qiáng)度高，而聲阻抗小，以獲得較大的振動(dòng)速

36、度和位移振幅；3. 易于機(jī)械加工；4. 做液體處理應(yīng)用時(shí)，還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕；5. 變幅桿材料應(yīng)鍛造，纖維伸長方向應(yīng)與聲傳輸線一致，以提高變幅桿的抗疲勞性能及聲學(xué)性能。一般來說，欽合金的性能最好，但價(jià)格昂貴，且機(jī)械加工較困難；鋁合金價(jià)格便宜，易于機(jī)械加工，但抗超聲空化腐蝕性能很差；鋼價(jià)格便宜，較易加工，但損耗較大；黃銅損耗很大；45號(hào)鋼性能好，價(jià)格便宜，又容易加工，所以一般情況下采用45號(hào)鋼。變幅桿材料應(yīng)進(jìn)行探傷檢查，以測(cè)試材料內(nèi)有無裂紋和缺陷，否則聲能就不能沿著聲傳輸線傳遞，而且材料易斷裂和引起令人討厭的噪聲。因此，有裂紋和缺陷的材料必須報(bào)廢。3.3.2 四分之一波長變幅桿

37、的設(shè)計(jì)考慮到尺寸結(jié)構(gòu)緊湊問題，本設(shè)計(jì)采用四分之一波長變幅桿。超聲變幅桿的作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度放大，將超聲能量集中在較小的面積上，變幅桿之所以能擴(kuò)大振速或者位移振幅，正是由于通過它的每一界面的振動(dòng)能量不變（忽略傳播中的損耗），截面積小的地方密度大，而能量密度J正比于振幅A的平方式中 系數(shù)，； 能量密度； 振幅；由上式可知，截面積越小，能量密度越大，振動(dòng)幅度越大。 從減輕機(jī)械加工難度以及減小疲勞破換兩點(diǎn)出發(fā)，本文采用復(fù)合圓錐變幅桿。 圓錐部分任意位置的截面的截面積表達(dá)式為 （3-12）式中 系數(shù)，； 圓錐變幅桿的大端面半徑； 圓錐變幅桿的大端面半徑； 變幅桿圓錐部分長度； 變幅桿輸入端

38、面積； 變幅桿輸出端面積；將式（3-12）代入式（3-1），得： （3-13） （3-14）基于諧振頻率處結(jié)合面阻抗匹配的原理，得節(jié)圓右側(cè)部分的邊界條件為： （3-15） （3-16） （3-17） （3-18） （3-19） （3-20） （3-21） （3-22）式中 工具段部振速； 工具端部輸入阻抗；因?yàn)榧庸ぶ泄ぞ叨瞬枯斎胱杩共淮_定，故假設(shè)。將式（3-15）（3-16）（3-17）（3-18）（3-21）（3-22）代入式（3-2）（3-3）（3-13）（3-14）得：將式（3-12）代入（2-3）（2-14）得復(fù)合圓錐前后諧振比：式中 將式（3-19）代入（3-3）（3-14）的頻率方

39、程 （3-21）取設(shè)計(jì)頻率，則振動(dòng)系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：圖 3-2 超聲振動(dòng)系統(tǒng)各部分的尺寸4 部分零件的強(qiáng)度校核4.1 鍵的校核在小型超聲切割機(jī)工作過程中，半圓鍵受到最大的扭矩為0.5Nm，許用應(yīng)力其所受剪應(yīng)力為：符合要求。4.2 軸的校核進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算3時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體的受載情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)倪x取其許用應(yīng)力，忽略對(duì)軸的剛度及其振動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行校核。軸的最小軸為12mm,軸的強(qiáng)度校驗(yàn)公式為：式中：，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；，軸所受的扭矩Nm；，軸的抗扭截面系數(shù)，軸的轉(zhuǎn)速，；，軸傳遞的功率，；，計(jì)算截面處軸的直徑，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，代入數(shù)據(jù)得 選用軸的材料為45，45的許用應(yīng)力為1

40、5-25MPa,因此軸的最大應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。5 小型超聲切割機(jī)的整機(jī)裝配小型超聲切割機(jī)的整體裝配5包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及超聲振動(dòng)系統(tǒng)這三個(gè)部分，大部分連接采用六角螺栓連接，使得結(jié)構(gòu)更加牢靠、緊湊，殼體與殼體之間的配合部分都有引導(dǎo)的卡位定位，使得安裝更加方便，同時(shí)保證精度，同時(shí)整個(gè)裝置也留有空間用以線路布置，以使得整機(jī)達(dá)到可行。5.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型切割機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由電機(jī)軸（轉(zhuǎn)子，如圖5-1）、定子（如圖5-2）、電機(jī)殼（如圖5-3）、螺釘、軸承（如圖5-4）散熱片（如圖5-5）組成，其結(jié)構(gòu)圖，如圖5-6所示，動(dòng)力系統(tǒng)的裝配過程是先用螺釘將定子裝在電機(jī)殼，把軸承裝進(jìn)電機(jī)軸上，再將這兩

41、個(gè)整體配合起來，最后裝上散熱片，完成組裝。圖 5-1 電機(jī)軸圖 5-2 定子圖 5-3 電機(jī)殼圖5-4 深溝球軸承圖5-5 散熱片1散熱片2.螺釘3.電機(jī)軸4.電機(jī)殼5.軸承圖 5-6 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型超聲切割機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由碳刷殼（如圖5-7）、聯(lián)軸器（如圖5-8）、圓柱滾子軸承（如圖5-9）、輸出軸（如圖5-10）、定位彈簧片（如圖5-11），其結(jié)構(gòu)圖，如圖5-13所示，該結(jié)構(gòu)是由一對(duì)聯(lián)軸器連接，再輔以定位和配合而完成的。圖5-7 碳刷殼圖 5-8 聯(lián)軸器圖 5-9 圓柱滾子軸承圖 5-10 輸出軸圖 5-11 彈簧定位片1. 碳刷殼2.圓柱滾子軸承3.彈簧定位片4

42、.聯(lián)軸器5.輸出軸圖 5-12 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)超聲振動(dòng)系統(tǒng)是小型超聲切割機(jī)的核心部分，它由后蓋板、電極片、壓電陶瓷片、螺桿、前蓋板、變幅桿和墊圈組成，如圖5-13所示1.鎖緊螺栓2.墊圈3.后蓋板4.電極片5.壓電陶瓷片6.前蓋板和變幅桿圖5-13 超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.4 小型超聲切割機(jī)的整機(jī)裝配由上可知，小型超聲切割機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)三大部分組成，它是由這三個(gè)部分通過螺栓和各零件的精確卡位組裝而成的，其PRO-E 3D整機(jī)外觀，如圖5-14所示，其CAD完整裝配圖，如圖5-15所示。圖 5-14 小型超聲切割機(jī)的PRO-E 3D整機(jī)外觀圖1.鎖緊螺母2.鋸片3.前蓋板和變幅桿4.螺釘5.壓電陶瓷片6.后蓋板7.螺釘8.圓柱滾子軸承9.螺栓10.聯(lián)軸器11.聯(lián)軸器12.螺母13.散熱片14.電機(jī)定子15.電機(jī)軸16.軸承17.螺釘18.電機(jī)前端蓋19.軸承20.鍵21.鍵22.擋銷彈簧片23.碳刷殼24.輸出軸25.法蘭盤26.開口墊片27.螺釘28.碳刷銅環(huán)圖 5-15 小型切割機(jī)的整機(jī)裝配圖6 結(jié)束語