超聲波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、全套設(shè)計(jì)，歡迎咨詢扣扣 178308054摘要超聲加工技術(shù)是近30 年來逐步發(fā)展的一種特種加工方法，并以它的工藝效果得到了廣泛的應(yīng)用。由于它橫跨機(jī)械學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)三個(gè)學(xué)科，因而也可把超聲加工技術(shù)視為邊緣學(xué)科。超聲加工，是指給工具或工件沿一定方向施加超聲振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工的方法。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 380V 的交流電源轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)；換能器的作用是，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)振幅進(jìn)行放大。近 20 多年來，國外采用燒結(jié)或鍍金剛石的先進(jìn)工具，既作超聲

2、波頻振動(dòng)，同時(shí)又繞本身軸線以1000 5000r/min 的高速旋轉(zhuǎn)的超聲波旋轉(zhuǎn)加工，比一般超聲波加工具有更高的生產(chǎn)效率和孔加工的深度，同時(shí)直線性好、尺寸精度高、工具磨損小，除可加工硬脆材料外，還可加工碳化鋼、二氧化鋼、二氧化鐵和硼環(huán)氧復(fù)合材料，以及不銹鋼與鈦合金疊層的材料等。目前，已用于航空、原子能工業(yè)，效果良好。本文設(shè)計(jì)的超聲波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，包括整機(jī)的工具頭、進(jìn)給裝置等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)元件的選擇。關(guān)鍵詞 : 超聲波；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；旋轉(zhuǎn)加工；變幅桿；換能器全套圖紙，加153893706ABSTRACTThe technology of ultrasonic process is a specia

3、l method process in recent 30 years, and it has a wide application because of its good crafty result. Since the technology of ultrasonic process is relative with mechanism, electricity and acoustics, it can be considered as frontier science.Ultrasonic process, it is a processing method which manufac

4、ture the work piece ultrasonic vibration at a direction. The system of ultrasonic process is consist of the manufacturing install of ultrasound, the ultrasonic transforming install, the pole of changed flap , the system of transmitting vibration, tools, and the system of craft, and so on. The functi

5、on of the manufacturing install of ultrasound is to transform the 220 or 380 mains to the ultrasonic electric vibrating signal； the function of the ultrasonic transforming install is to transform the ultrasonic electric vibrating signal to the machining vibration； and the function of the pole of cha

6、nged flap is to amplify the amplitude.The Rotary Ultrasonic Machining that the text designed, which include tools, feeding device etc. selection of driver is either included.Key words:Ultrasonic; Structure Design; Rotary Ultrasonic Machining Amplitude Transformer； Transducer目錄摘要 . IAbstract I.I. TOC

7、 o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第 1 章 緒論 1. HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 課題背景 1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 課題的意義 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 超聲加工的工藝效果 3切削力大幅度降低 3切削溫度大幅度降低 3大幅度降低表面粗糙度，制和顯著提高加工精度4大幅降低切削溫度 4提高了切屑液的使用效果 4提高已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性

8、5大大節(jié)省能源，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu) 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 超聲加工的應(yīng)用范圍6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 本文的主要內(nèi)容7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第 2 章 總體方案8.加工頭設(shè)計(jì) 8超聲換能器 8超聲變幅桿 8進(jìn)給機(jī)構(gòu) 8動(dòng)力機(jī)構(gòu) 9工作臺(tái)設(shè)計(jì) 9本章小結(jié) 9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第 3 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1.超聲波換能器設(shè)計(jì) 1.1.晶體的壓電效應(yīng)

9、 1.1.壓電材料1.1.壓電換能器設(shè)計(jì) 1.1.基本理論12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 變幅桿的設(shè)計(jì)12變幅桿的作用 12圓錐形變幅桿的計(jì)算 13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14滾珠絲杠 14步進(jìn)電機(jī) 19 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 工作頭升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21電動(dòng)機(jī) 21聯(lián)軸器 22螺旋絲杠 23 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 滾珠絲杠的校核 23靜載荷計(jì)

10、算 23壽命計(jì)算 23 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 螺旋絲杠校核 24耐磨性計(jì)算 24自鎖性計(jì)算 25軸承的校核 25 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 本章小結(jié) 27結(jié) 論 2.8.參考文獻(xiàn)2.9.致謝 3.0.附錄 3.1.第1章緒 論課題背景人耳可以聽到的聲波頻率范圍約為16-20000Hz。低于16Hz的聲波稱為次聲波，高于2000OHz的聲波稱為超聲波。人們還把頻率為0.5 109 Hz 以上的聲波稱為特超聲或微波超聲。人耳聽不見次聲和超聲，而很多海洋動(dòng)物能感受。可見，此聲波和超

11、聲波也是客觀存在的自然現(xiàn)象。由于人耳聽不到超聲，所以人們研究它比較玩。直到上世紀(jì)生產(chǎn)和科學(xué)有了相當(dāng)發(fā)展，對超聲的研究和應(yīng)用有了可能和需要之后，超聲學(xué)才發(fā)展起來。超聲具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，所以超聲學(xué)的發(fā)展很迅速，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，并有廣闊的應(yīng)用前景。超聲加工技術(shù)是功率超聲應(yīng)用的一個(gè)分支。超聲加工起源于20 世紀(jì) 50 年代初期。最早研究超聲加工技術(shù)的國家是日本。日本在甲府設(shè)立了專門的振動(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)的島川正憲教授，超音波工學(xué)理論和實(shí)際是他的代表作；另一位是宇都宮大學(xué)的限部淳一朗教授，精密加工、振動(dòng)切削

12、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)，并且試圖將超聲加工引入超精密加工機(jī)床。超聲加工在日本已獲得近百項(xiàng)專利，在生產(chǎn)中發(fā)揮了一定的作用。前蘇聯(lián)的超聲加工研究也比較早，二十世紀(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。他們對超聲加工設(shè)備操作人員的技能等級(jí)共分為五級(jí)。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，對這項(xiàng)新技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。上世紀(jì) 60

13、年代初，美國開始了超聲加工的研究工作。由于當(dāng)時(shí)超聲技術(shù)還很不成熟，包括聲振系統(tǒng)、換能器、發(fā)生器的設(shè)計(jì)制造和質(zhì)量都較差，美國的研究工作曾經(jīng)停頓了10 年。 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(yīng)用階段；超聲車削、鉆孔、膛孔已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)備原型階段；通用超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，目前已形成部分標(biāo)準(zhǔn)。德國和英國也對超聲加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，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。我國超聲加工的研究始于上世紀(jì)50 年代末，曾經(jīng)掀起過群眾性的“超聲熱”，由于當(dāng)時(shí)超聲波發(fā)生器、換能器、聲振系統(tǒng)很不成熟，缺乏合理的組織和持

14、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(jī)上的鋁制細(xì)長軸，取得了良好的切削效果，但事后沒有進(jìn)行深入的總結(jié)和研究。由于我國特定的歷史條件，中斷了這項(xiàng)新技術(shù)的研究工作十多年。1976 年以后，我國再次開展超聲加工的試驗(yàn)研究和理論討論工作。吉林工業(yè)大學(xué)、廣西大學(xué)及甘肅光學(xué)儀器廠等單位，率先進(jìn)行超聲車削設(shè)備及試驗(yàn)研究。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儀器廠研制成功超聲拉管設(shè)備，為我國超聲加工在金屬塑性加工中的應(yīng)用填補(bǔ)了空白。1983 年 10 月，機(jī)械電子工業(yè)部科技司委托機(jī)械工藝師雜志編輯部在西安召開了我國第一次“振動(dòng)切削專題討論會(huì)

15、”，會(huì)議充分肯定了振動(dòng)切削在金屬切削中的重要作用，交流了研究和應(yīng)用成果，促進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)在我國的深入研究和推廣應(yīng)用。1985 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、YAG激光晶體等硬脆材料的鉆孔、套料、端銑、內(nèi)外圓磨削及螺紋加工中，取得了優(yōu)異的工藝效果。1989 年，張?jiān)齐娧兄瞥晒Τ暡寄パb置，在汽車、拖拉機(jī)、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、炮管、油缸、煤礦液壓支架等精密孔的晰磨加工中進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用，并通過了部級(jí)鑒定，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。1990 年，超聲晰磨裝置被列為國家級(jí)新產(chǎn)品。1991 年，張?jiān)齐娧兄瞥晒ψ兘孛婕?xì)長桿超聲車削裝置，從根本上解決了節(jié)制桿、各種復(fù)雜形狀的變幅

16、桿、等截面細(xì)長桿精密加工的重大技術(shù)問題，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高制造技術(shù)水平有重大意義，這項(xiàng)新技術(shù)也已通過部級(jí)鑒定。到1993 年為止，我國已發(fā)表了300 多篇有關(guān)超聲加工方面的科學(xué)技術(shù)論文?？梢姡S著超聲加工設(shè)備的不斷完善和理論研究的不斷深入，它必將在我國技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中起到重要的作用。課題的意義陶瓷材料具有一些優(yōu)異的性質(zhì)，如化學(xué)一致性、高溫下的高強(qiáng)度和穩(wěn)定性、高 的強(qiáng)度重量比、高硬度、抗腐蝕性和抗氧化性等，故而在航空、汽車、電子和切削工 具等工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，并且其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷向新的方向擴(kuò)展。而復(fù)雜陶瓷 零件在燒制的過程中會(huì)發(fā)生尺寸變形，這樣就必須對其進(jìn)行再加工以達(dá)到所需

17、的外形 尺寸、公差和表面粗糙度值。通常，對陶瓷基體的加工是通過機(jī)械、化學(xué)、電或熱能 等對工件表面直接或間接作用來實(shí)現(xiàn)的。由于陶瓷材料的一些特性（如高硬度、脆性等）使得陶瓷工件加工，尤其是復(fù)雜輪廓外形的陶瓷工件加工有相當(dāng)大的局限性。機(jī)加工所導(dǎo)致的后果由：工具壽命短、 工件材料去除率低、表面質(zhì)量差、表面下層材料受損（它可導(dǎo)致工件材料的突然斷裂） ?；瘜W(xué)加工腐蝕過程慢。電加工需要導(dǎo)電陶瓷中附加導(dǎo)電成分。激光加工所用的高能量，使得工件表面受損，一些材料成分改變，表層需重新加工。磨削需要有一個(gè)昂貴的金剛石砂輪，不能加工復(fù)雜輪廓表面，且高度集中的裂紋常延伸至25mm 以上。有資料表明陶瓷部件的加工費(fèi)用占總

18、生產(chǎn)費(fèi)用的30%60%，有的甚至達(dá)到90%。因此有必要發(fā)展一種既具有較高的材料去除率，又對陶瓷表面下層的損傷保持在可接受范圍內(nèi)的特種加工方法。對于別的硬脆材料，如玻璃、寶石、半導(dǎo)體材料等也存在著類似的問題。對于硬脆材料而言，傳統(tǒng)超聲波加工與上述方法相比有許多重要的優(yōu)勢：導(dǎo)致或非導(dǎo)體都可被加工；材料硬度相對不重要；復(fù)雜的三維幾何外形工件加工也很快；加工過程沒有熱影響點(diǎn)，工件表面沒有化學(xué)或電特性的改變；高頻小沖擊在工件的表面上傳遞的非常淺；加工后的殘余壓應(yīng)力導(dǎo)致工件材料的周期疲勞應(yīng)力提高；材料去除率高、精度高、裂紋少。但由于傳統(tǒng)超聲波加工本身加工工藝的限制，它也有一定的局限性，如：不能用于大面積工

19、件的加工；孔加工的長徑比限制在約3： 1 等。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的旋轉(zhuǎn)式超聲波加工，是一種加工脆硬材料的有效方法。國內(nèi)外研究表明，由于這種加工方法把工具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和超聲波振動(dòng)結(jié)合在一起，與采用磨料懸浮液的傳統(tǒng)超聲波加工相比，旋轉(zhuǎn)超聲波加工具有如下特點(diǎn)：加工速度快，比傳統(tǒng)超聲波加工快6-10 倍； （ 2）加工精度高；（ 3）工具磨損??；（ 4）對加工材料的適應(yīng)性廣。超聲加工的工藝效果切削力大幅度降低超聲車削時(shí)，切削速度的大小和方向產(chǎn)生周期性的變化，這種變化改變了整個(gè)工藝系統(tǒng)的受力情況。用v=O.l m/min, f=20 kHz, 進(jìn)行超聲切削時(shí)，刀具在每一個(gè)振動(dòng)周期 T=1/20000s

20、內(nèi)的純切削時(shí)間t。是非常短的，只有10 5 s。在純切削時(shí)間t 之內(nèi)，刀具沿切削方向的切削長度1T=v/f= 8 10 6 mm。由此可見，超聲車削是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的微量切削過程。在一個(gè)切削循環(huán)過程中，刀具在很小位移上得到很大的瞬時(shí)速度和加速度，在局部產(chǎn)生很大的能量。這時(shí)被加工材料在局部微小體積內(nèi)的物理、機(jī)械性能必將發(fā)生重大變化。在超聲振動(dòng)的影響下，摩擦系數(shù)大大降低，只有普通切削的1/10 左右，使超聲車削的切削力下降到普通切削的1/3-1/100 這種工藝效果對精密加工或?qū)偠鹊汀⒐β市〉膬x表機(jī)床將有重要意義。切削溫度大幅度降低超聲車削時(shí)，被加工材料的彈塑性變形和刀具各接觸表面的摩擦系

21、數(shù)大幅度下降，且切削力和切削熱都以脈沖形式出現(xiàn)，使切削熱的平均值大幅度下降。切屑的平均溫度僅400 C 左右，切屑完全沒有氧化變色，用手去摸也不會(huì)燙傷，這是普通切削不可想象的。由于超聲車削過程是一種分離型的斷續(xù)過程，切削熱是以脈沖形式出現(xiàn)變化的，在極短的切削過程中，熱量來不及傳到更深的金屬內(nèi)部，所以切削溫度的絕對值是比較低的。超聲車削消除了大部分無用的切削熱，也沒有普通切削因嚴(yán)重發(fā)熱而引起的后遺癥。大幅度降低表面粗糙度，制和顯著提高加工精度超聲車削破壞了產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺的條件，又由于大幅度降低切削力、切削溫度，使得工件表面粗糙度R值大幅度降低，加工精度大幅度提高。超聲車削過程中，刀刃雖在振動(dòng)，

22、但在刀刃于工件接觸并產(chǎn)生切屑的各個(gè)瞬時(shí)，刀刃所處的位置遵從不靈敏性振動(dòng)切削機(jī)理。按照這個(gè)機(jī)理，不僅工件的變形量減少，而且完全不隨時(shí)間變動(dòng)，宛如靜止的狀態(tài)一樣，從而使精密加工成為可能。大量的超聲切削試驗(yàn)證明，超聲切削可顯著提高零件的尺寸精度和幾何精度。流變儀是一種對材料的流變特性進(jìn)行測定的儀器。流變儀通過模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝，測定分析測定材料的流變性能，通過流變儀測量出的數(shù)據(jù)可直接用于材料的生產(chǎn)加工。大幅降低切削溫度超聲加工時(shí)，由于切削力小、切削溫度低、冷卻充分，使工具壽命明顯提高。當(dāng)振動(dòng)方向、振動(dòng)參數(shù)和切削用量選擇合適時(shí)，一般可使工具壽命提高幾倍至幾十倍，對難加工材料和難加工工序，其效

23、果更好。刀具壽命的延長不僅節(jié)約了刀具材料，減少刀具刃磨和更換刀具所需的輔助時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，而且有利于保證加工質(zhì)量。提高了切屑液的使用效果普通切削中，切屑總是壓在刀具前刀面上，形成一個(gè)高溫、高壓區(qū)。對冷卻液來說，這是個(gè)禁區(qū)。切削過程中，冷卻液只能在外圍間接地起冷卻作用。超聲切削時(shí)，切削過程是斷續(xù)發(fā)生的，當(dāng)?shù)毒吲c工件分離時(shí)，冷卻液從四面進(jìn)入切削區(qū)，包圍刀尖，進(jìn)行充分的冷卻和潤滑。在刀具切入時(shí)，切削液被強(qiáng)力擠壓，形成瞬時(shí)高壓，使切削液直接滲到刀具與切屑的接觸表面，充分地起冷卻和潤滑作用。超聲切削時(shí)，由于超聲振動(dòng)的影響所形成的空化作用，一方面可是冷卻液均勻乳化，形成均勻一致的乳化液微粒；另一方面

24、，切削液更容易滲透到材料的裂紋內(nèi)，進(jìn)一步提高了冷卻液的使用效果，改善了排屑條件。在沒有冷卻液的情況下，由空氣起冷卻作用。由于刀具在離開切屑時(shí)，前刀面完全暴露在空氣中，而鋼在空氣中只需要有10 8 s 的時(shí)間就能形成一分子層后的氧化層，并隨時(shí)間成近似拋物線關(guān)系擴(kuò)散加厚。形成的氧化層減少了刀具與切屑接觸表面之間的摩擦，延長了刀具的使用壽命。提高已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性超聲切削時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)的切削長度11 是很小的。刀具是按正弦規(guī)律振動(dòng)的，在加工面上形成的細(xì)小刀痕如同二次再加工時(shí)形成的花格式網(wǎng)狀花紋。數(shù)量如此巨大的花紋均勻密布在零件的表面上，工作時(shí)在零件的表面形成較強(qiáng)的油膜，對提高滑動(dòng)面耐磨性

25、有著重要作用。用4） 28 mm 的 45 號(hào)鋼圓棒進(jìn)行普通車削、超聲車削和普 通 磨 削 ， 然 后 把 試 件 放 在 Q835 型 平 面 拋 光 機(jī) 上 進(jìn) 行 研 磨 ， 磨 盤 線 速 度 為30m/min，加壓80N，加306 號(hào)金剛沙研磨劑，用萬分之一天平秤重，其結(jié)果列于表1.1 。此表說明，超聲車削工件表面的耐磨性高于普通車削，接近普通磨削。表 1.1 耐磨性試驗(yàn)研磨時(shí)間（min）金屬去除量（mg）普通車削超聲車削普通磨削200.60.250.2400.90.40.3601.10.50.4表 1.2 耐腐蝕性試驗(yàn)加工方法10min20min30min磨蝕量（ m）普通車削23

26、3.8超聲車削11.62.4普通磨削0.81.52用普通車削、超聲車削、普通磨削三種不同加工方法加工同樣材料的圓棒后，進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)。把試件放入腐蝕液中，用電加熱器加熱至300 C 并保溫，每10min測量一次，其結(jié)果列于表1.2。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲車削工件表面的耐腐蝕性高于普通車削，接近普通磨削。1.3.7大大節(jié)省能源，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)普通車削中，使用大功率電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工件高速回轉(zhuǎn)，并使車刀擠壓工件進(jìn)行加工。一方面，帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)并推動(dòng)刀刃振動(dòng)的能量都是來自遠(yuǎn)離刀刃的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，且從電動(dòng)機(jī)工件回轉(zhuǎn)和從電動(dòng)機(jī)一刀具運(yùn)動(dòng)都需要復(fù)雜的傳動(dòng)鏈：主傳動(dòng)鏈、進(jìn)給傳動(dòng)鏈。另一方面，切削力大，切削溫度高。因此

27、，必須使用大功率電動(dòng)機(jī)。在對能源越來越重視的情況下，如果降低切削力，動(dòng)力就會(huì)有富裕，因而就可以加大切削深度和進(jìn)給量。如果加工精度和表面質(zhì)量對轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量（一定條件下）不敏感，則在保證生產(chǎn)率的前提下，可以大大簡化主傳動(dòng)鏈和進(jìn)給傳動(dòng)鏈，使普通車床CW6140A的 21 級(jí)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成三四級(jí)轉(zhuǎn)速，而且進(jìn)給量級(jí)數(shù)減半。這時(shí)簡化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)大有益處。如果從更本上而不是靠冷卻液大幅度降低切削溫度，就會(huì)大大節(jié)約因刀具與切屑接觸表面之間的劇烈摩擦、磨蝕所消耗的大量無用能量。超聲切削恰有這些特點(diǎn)?？傊?，超聲加工有著普通加工無法比擬的工藝效果，尤其是在難加工材料、精密零件的加工和圓度誤差、圓柱度誤差、平行度誤差、直線度

28、誤差等超精密加工中，更是大顯身手，因此成為機(jī)械加工中的一種新技術(shù)，在生產(chǎn)實(shí)踐中獲得了越來越多的應(yīng)用。超聲加工的應(yīng)用范圍由于超聲加工的工藝效果十分顯著，因而在生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。超聲加工的應(yīng)用范圍列于圖1.1 。隨著超聲加工研究的不斷深入，它的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴(kuò)大。見圖 1.1 所示為超聲波加工應(yīng)用范圍。超聲加工圖 1.1 超聲加工的應(yīng)用范圍本文的主要內(nèi)容在查閱、綜述國內(nèi)外有關(guān)超聲波加工研究資料的基礎(chǔ)上研制旋轉(zhuǎn)式超聲波加工裝置，并將其與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，建立出超聲波旋轉(zhuǎn)加工結(jié)構(gòu)的裝置。分析超聲波加工過程中，其零件的應(yīng)力分布并選擇零件的類型和材料。利用超聲波旋轉(zhuǎn)式加工分析加工所需工藝參數(shù)如工具轉(zhuǎn)

29、速，機(jī)床進(jìn)給量等對各個(gè)零件進(jìn)行選擇。確定出最合理的工作方式。第 2 章 總體方案加工頭設(shè)計(jì)超聲換能器超聲波換能器的作用，是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，它是超聲波設(shè)備的關(guān)鍵部件之一。按其使用的材料分，可劃分為兩大類：一類是磁致伸縮換能器，它使用的材料有沖孔鎳片；具有磁致伸縮性能的合金，如鎳鐵合金、鋁鐵合金以及鐵氧體等。另一類是壓電換能器，使用的材料有非鐵型壓電晶體和鐵茗型壓電陶瓷。在本設(shè)計(jì)中采用應(yīng)用很普遍的壓電換能器。壓電換能器有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)尺寸小，瞬時(shí)輸出功率達(dá)35-40W/cm2；電聲轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%；抗拉強(qiáng)度低，設(shè)計(jì)、裝配和工作不當(dāng)時(shí)易損壞；振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

30、、制造和調(diào)整精度要求較高；頻率范圍窄；價(jià)格便宜；冷卻方便。超聲變幅桿超聲波變幅桿就是改變換能器的振幅。它是個(gè)無源器件，本身不產(chǎn)生振動(dòng)，只是將輸入的振動(dòng)改變振幅后再傳遞出去，同時(shí)也完成了阻抗變換。超聲波在合適的電場激勵(lì)下能產(chǎn)生有規(guī)律的振動(dòng)，其振幅一般在10um 左右，這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是不夠的，連上通過合理設(shè)計(jì)的變幅桿后，超聲波的振幅可以在很大的范圍變化，只要材料強(qiáng)度足夠，振幅可以超過100um。我們把超聲波換能器與變幅桿連接后的整體叫振動(dòng)子。另一方面，變幅桿在做縱向伸縮振動(dòng)時(shí)，其中的某橫截面左右兩邊的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向剛好相反。相當(dāng)于存在一個(gè)相對靜止的節(jié)面。這個(gè)節(jié)面叫做節(jié)點(diǎn)，這里也是

31、振動(dòng)子的最佳固定點(diǎn)，偏離這個(gè)節(jié)點(diǎn)固定就會(huì)降低震動(dòng)子的工作效率，俗稱漏波。一般來說，鋁質(zhì)變幅桿聲傳遞效率高，但材料強(qiáng)度低，易開裂和螺絲滑絲；鋼質(zhì)變幅桿強(qiáng)度高，但聲阻抗相對較大；鈦合金變幅桿綜合性能好，缺點(diǎn)就是價(jià)格高難加工它的作用主要是將超聲換能器輸出的振幅放大。考慮到變幅桿的加工及前后振速比，采用圓錐形并在小端面后接一平滑圓柱體的超聲變幅桿。同時(shí)，為了增加加工頭的剛度，使用 4 變幅桿以減少加工頭長度。進(jìn)給機(jī)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求進(jìn)給分辨率為微米級(jí)，因此采用步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)的按步運(yùn)動(dòng)來達(dá)到精度。同時(shí)，采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)使電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工

32、。工作臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求進(jìn)給分辨率為微米級(jí)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)X， Y 方向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并使用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)。本章小結(jié)本小節(jié)主要列出了超聲波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)的用途，并依據(jù)其工作狀況選定了各個(gè)零件的材料。為后面章節(jié)的數(shù)據(jù)計(jì)算和超聲波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。第 3 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超聲波換能器設(shè)計(jì)超聲換能器的作用，是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)。晶體的壓電效應(yīng)自然界里的晶體品種很多，例如金剛石、藍(lán)寶石、紅寶石、石英及硫化鋅等。晶體學(xué)家將他們歸納為32 種對稱類型，其中有20 種可能有壓電性能。具有壓電性能的晶體稱為壓電晶體

33、。將這種晶體以一定方式切成薄片，當(dāng)此類薄片表面受到壓力時(shí)，薄片兩面會(huì)帶上正、負(fù)電，內(nèi)部產(chǎn)生電場。這就是說，晶體將機(jī)械轉(zhuǎn)換成了電能，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)晶體薄片外加電場時(shí)，薄片就產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變，薄片會(huì)變形。這就是說，晶體將電能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。壓電晶體同時(shí)具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，構(gòu)成壓電換能器。具有壓電效應(yīng)的單晶體有石英、羅息爾鹽等，多晶體有欽酸鋇、錯(cuò)欽酸鉛等。壓電材料本 設(shè) 計(jì) 采 用 錯(cuò) 欽 酸 鉛 壓 電 陶 瓷 （ PZT-8）o 錯(cuò) 欽 酸 鉛 壓 電 陶 瓷 簡 稱 PZT,在 300.4000C 之間，沒

34、有較低的相變點(diǎn)，在較大的溫度范圍內(nèi)勝能比較穩(wěn)定。作為換能材料，它的壓電效應(yīng)顯著?？梢酝ㄟ^變更其化學(xué)組分在很大范圍內(nèi)調(diào)整其性能，以滿足多種不同的需要。錯(cuò)欽酸鉛種類繁多，各具特點(diǎn)。對于PZT-8，它的場強(qiáng)損耗特低，額定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗張強(qiáng)度大，壓電常數(shù)、禍合系數(shù)比較高，介電常數(shù)小，在超聲加工中有著廣泛的應(yīng)用。壓電換能器設(shè)計(jì)壓電換能器是由螺栓將金屬蓋板和壓電陶瓷元件堆聯(lián)接在一起，形成壓電陶瓷元件在中央的“夾心”結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)之所以選擇壓電使換能器是因?yàn)樗幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：陶瓷元件都有大的抗壓強(qiáng)度，中心螺栓給與預(yù)緊力，一方面能在環(huán)境強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)增強(qiáng)換能器的穩(wěn)定性；另一方面，確保在大功率驅(qū)動(dòng)條件下處于壓縮狀態(tài)

35、，從而避免陶瓷膨脹而造成的破裂，因陶瓷材料的缺點(diǎn)是可允許的張應(yīng)力小。圓環(huán)的數(shù)目及聯(lián)接方式都有選擇余地，從而能在較寬的阻抗及頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)換能器。改變首、尾金屬蓋板的材料、尺寸能夠控制換能器的帶寬、前后振速比和有效 機(jī)電藕合系數(shù)等性能參數(shù)。對于超聲換能器，它的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：振子振速，應(yīng)力分布，振子前后振速比等。3.1.4基本理論對于本設(shè)計(jì)來說，我們采用的是四分之一波長的超聲振子，節(jié)面設(shè)在振子與變幅桿的交界上，因而本振子無前蓋板。為了提高前后振速比，后蓋板的特性聲阻抗應(yīng)比變幅桿的特性聲阻抗要大。因此，選取軟鋼作為后蓋板材料（聲阻抗率為 TOC o 1-5 h z 339.78106kg/m2s）

36、， 選 用 PZT-8作 為 陶瓷材料 （ 聲 阻 抗 率為222.42106kg/m2s）， 選 用 鈦 合 金 作為 變 幅桿的材 料 （ 聲 阻 抗 率為45 22.14 106kg/m2s）。選擇k2l2 0.6，則陶瓷晶堆長度l2(共振頻率為18Hz)：0.62950l 20.63 0.01565m2k2218 103使用兩片晶片，每片厚7.05mm后蓋板軟鋼長度l3 ：1 Z21 22.42k3l3 tg 1( 2ctgk2l2) tg 1ctg0.6) 0.69Z339.780.6c5100l 3.0.69 c 0.693 0.03111mk22 f218 1033.2變幅桿的設(shè)

37、計(jì)變幅桿的作用即將機(jī)械振動(dòng)位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上進(jìn)行聚能。超聲換能器的振幅一般為4-10 um，而超聲加工對振幅的要求往往需要達(dá)到10-100um，這就必須借助于變幅桿將換能器的振幅放大。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過它任一截面的振動(dòng)能量是不變的（傳播損耗不計(jì)），截面小的地方能量密度變大。作為機(jī)械阻抗的變換器，在換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負(fù)載傳輸。本設(shè)計(jì)中，為了增加加工頭的剛度，使用四分之一波長的變幅桿以減少加工頭長度。四分之一波長的變幅桿種類很多，按其母線的形狀分：有階梯形、圓錐形、指數(shù)函數(shù)形、雙曲函數(shù)形等等。在這之中，圓

38、錐形變幅桿的功效比較低，但由于它制造較簡單，因此選圓錐形變幅桿，我們可以通過在小端面后接一平滑圓錐體來增加它的前后振速比。圓錐形變幅桿的計(jì)算3.1 變幅桿如圖 3.1 ，本設(shè)計(jì)采用鈦合金作為變幅桿的材料，并令變幅桿大、小截面積之比為 TOC o 1-5 h z R4 R5 4， k4l4 0.8，大端直徑為72mm，共振頻率為18Hz，則圓錐體部分長度l4為c5100l4 0.8/ k4 0.8 c 0.830.0348m42 f 218 103小圓柱長度l5為k5l51tgctgk4l4R41R5 k4l4tg 1 ctg0.8 3 11.290.8l51.29 / k5 1.29c2f51

39、001.293 0.05613m218 103應(yīng)力分布圖3.23.2 應(yīng)力分布3.3進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于工作頭和工作臺(tái)的進(jìn)給分辨率都是0. 005mm，因此把它們放在一起考慮。滾珠絲杠滾珠絲杠的作用是將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)的最大特點(diǎn)在于螺桿和螺母間的螺紋軌道間放置有滾動(dòng)體（鋼球），這樣螺桿和螺母間的相對運(yùn)動(dòng)的摩擦為滾動(dòng)摩擦，從而減小摩擦系數(shù)，提高效率和精度。滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠，這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。鋼球； 2- 擋球器；3- 反向器；4- 絲杠圖

40、3.3 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)它由螺母1、鋼球2、擋球器（圖a） 、返向器（圖b） 3 及絲杠 4 等四個(gè)部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉合回路。滾珠絲桿副傳動(dòng)的特點(diǎn).傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率0.92 0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高3 4 倍（滑動(dòng)絲桿效率為0.2 0.4） 。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲桿螺母副的1/ 4 1/ 3。.給予適當(dāng)預(yù)緊，殼消除絲桿和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛性好。.啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高

41、，同步性好。.有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲桿和螺母都可以作為主動(dòng)件。.磨損小，使用壽命長，精度保持性好。.制造工藝復(fù)雜。滾珠絲桿和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值特別小，故制造成本高。.不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于重力作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置6。典型滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)1 螺母2套3鋼球4螺旋槽返回通道5擋球器6絲杠圖 3.4 單螺母外循環(huán)滾動(dòng)螺旋副1 、 7螺母2擋球器3鋼球4絲杠5墊圈6圓螺母圖 3.5 雙螺母外循環(huán)螺紋調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副1、6螺母2調(diào)整墊片3返向器4鋼球5絲杠圖 3.6 雙螺

42、母內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副1、 6螺母2內(nèi)齒圈3返向器4鋼球5絲杠圖 3.7 雙螺母內(nèi)循環(huán)齒差調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副滾珠絲杠的安裝與支承數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給要獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母副本身的剛度外，滾珠絲杠正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座絲杠端部的軸承及其加工的不精確性和它們在受力之后的過量都會(huì)給進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度帶來影響。因此，螺母座的孔與螺母之間必須保持良好的配合，并應(yīng)保證孔對端面的垂直度。螺母座應(yīng)增加適當(dāng)?shù)慕畎?，并加大螺母座和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸剛度。滾珠絲杠的不正確安裝以及支承機(jī)構(gòu)的剛度不足會(huì)使?jié)L珠絲杠的壽命大為下降。滾珠絲桿常

43、用推力軸承支承，以提高軸向剛度（當(dāng)軸向負(fù)載很小時(shí)，也可用角接觸軸承） ，滾珠絲杠在機(jī)床上的安裝支承方式如圖3.8所示。圖 3.8 滾珠絲杠安裝方式絲杠的選取設(shè)計(jì)1. 滾動(dòng)絲杠副的選擇已知：精密機(jī)床絲杠副壽命Lh =15000h Y 向工作臺(tái)重量為400N,X 向工作臺(tái)重量為800N nm=400r/min1） Y 向滾珠絲杠的的選擇1）Fm 計(jì)算Fm f（ G G） =0.18（400+200） =108NFC KFKHKAFm 129.6N2）選用滾珠絲杠副。根據(jù)式得Ca FC 3nmLh 41. 6 7 14 0(3.1)C 2320N a選用系列代號(hào)為2004 2.5,Ca=5393N，

44、且尺寸較為合適。3）滾珠絲杠長度的確定。滾珠絲杠的有效絲杠長度根據(jù)工作臺(tái)的尺寸和Y 向的行程確定為軸端尺寸參考文獻(xiàn) 14 查表確定公稱直徑為20mm 的尺寸系列。（ 2） X向滾動(dòng)絲杠副的選擇1）Fm計(jì)算Fm f（ G G） =0.18（800+200） =180N70mm,絲杠的FC KFKHKAFm 216N2）選用滾珠絲杠副。根據(jù)式得(3.2)Ca 3972N選用系列代號(hào)為2004 2.5,Ca=5393N，且尺寸較為合適。其中Ca 額定軸向動(dòng)負(fù)荷，NFm 絲杠的軸向當(dāng)量負(fù)荷，Nnm 絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/minf 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，f 0.18。G 工作臺(tái)重G 工件重KF 載荷系數(shù)，取K

45、F =1.2K H 硬度影響系數(shù)，取K H =1K A 可靠性系數(shù)，取K A =13）滾珠絲杠長度的確定。滾珠絲杠的有效絲杠長度根據(jù)工作臺(tái)的尺寸和X 向的行程確定為80mm,絲杠的軸端尺寸參考文獻(xiàn) 14 查表公稱直徑為20mm的尺寸系列。3.3.2步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化

46、產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩MJmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的

47、依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)原理，它由以下幾部分組成：單片機(jī)：單片機(jī)的作用是接受指令，并將指令轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，控制環(huán)形分配器。環(huán)形分配器：它根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷，并根據(jù)指令使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)行方式。功率放大電路：由于從單片機(jī)發(fā)出的脈沖經(jīng)過分配器分配給各相繞組，其功率很小。功率放大電路的作用就是將脈沖信號(hào)進(jìn)行電流和電壓放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的控制脈沖信號(hào)作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)和停止等。由 文獻(xiàn) 4 可知，伺服電動(dòng)機(jī)的主參數(shù)是功率（kW

48、）, 但是選擇伺服電動(dòng)機(jī)卻并不按功率，而是根據(jù)下列指標(biāo)選擇的。折算至電動(dòng)機(jī)機(jī)軸的最大負(fù)載轉(zhuǎn)（ 1）最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩不得超過電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 矩TlFm a PxhTf1Tf 2 i（3.3）2式中Fmax 絲杠上的最大軸向載荷，等于軸向進(jìn)給力加導(dǎo)軌摩擦力（ N ）；Ph 絲杠的導(dǎo)程（m）； 滾珠絲杠的機(jī)械效率；Tf1 因滾珠絲杠螺母預(yù)加載荷引起的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；Tf 2 滾珠絲杠軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩根據(jù)所設(shè)計(jì)的Tf1和 Tf2可以忽略不計(jì)。所以Fm=2T/S 其中S為進(jìn)給絲杠導(dǎo)程，S=4mm 為 進(jìn)給絲杠的正效率，取 =0.9；得 T=Fm S/2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的額定扭矩要大于T。Y 向的步進(jìn)電機(jī)T= Fm

49、S/2 =76Nmm T T X 向的步進(jìn)電機(jī)T= Fm S/2 =127Nmm T T 由己知條件，進(jìn)給分辨率為0. 005mm，考慮誤差，選脈沖當(dāng)量p =0. 004mm脈bL 0360 p(3.4)沖，取 i=1 ，則由得360 pbL0360 0.004 10 30.0040.36 /脈沖式中 b 為電機(jī)步距角，L。為滾珠絲杠導(dǎo)程，i 為傳動(dòng)比。由電機(jī)步距角可選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)90BF006，其各項(xiàng)參數(shù)為：相數(shù)：5步距角：0.36 / 0.72電壓：24V相電流：3A最高空載啟動(dòng)頻率：2. 4KHz 分配方式：五相十拍。工作頭升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為了擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍，以適應(yīng)不同尺寸工件，并提高

50、工作效率快速接近工件，設(shè)計(jì)工作頭自由升降來調(diào)整工作頭與工作臺(tái)之間的空間，擴(kuò)大加工范圍。本設(shè)計(jì)利用螺旋絲杠，采用三相異步電動(dòng)機(jī)通過螺旋絲杠帶動(dòng)工作頭升降，并利用自鎖使工作頭停于某個(gè)位置。電動(dòng)機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)上所帶動(dòng)的零件有變幅桿，換能器，支撐架和套筒，其他的可忽略不計(jì)。分別計(jì)算他們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：變幅桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1變幅桿的質(zhì)量分兩部分：一個(gè)是圓柱形的，一個(gè)是圓錐形的。圓柱體的那部分質(zhì)量m1r52l5=4.5 3.14 0.9 0.9 5.6=64.094g圓錐體的那部分質(zhì)量 TOC o 1-5 h z 121m2r42l4 =4.5 3.14 3.6 3.6 3.5=213.64

51、6g33123 213J121J2mr2 (207.525+474.552) 25 2522=213149 g?mm2=0.0213 kg?m2支架和套筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3他們的質(zhì)量分為兩部分m1r523 m2r42= 164.09499+ 3213.646363612 1510 24 210=830655 g? mm2=0.083 kg?m2換能器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2換能器有壓電陶瓷和后蓋板組成壓電陶瓷的質(zhì)量2m1r 2l2=7.5 3.14 25 25 7.05 2=207.525g后蓋板的質(zhì)量2m r 2l3 =7.8 3.14 25 25 31=474.552gm1r2l =7.8 3.14 4

52、8 48 30=1692.88g2m2r1 l1 =7.8 3.14 15 15 50=275.535g TOC o 1-5 h z 1111J31m1r21m2r12= 1692.884848+ 275.53515153 2 12 21 22=1981195 g?m m2=0.198 kg?m2總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2J=J1+J2+J3=0.083+0.022+0.198=0.303g k?m2要求其轉(zhuǎn)速兩秒到達(dá)角速度2nw 2 n =104.67rad /s60其角加速度w =52.33 /st電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩M 1M1 J =0.303 52.33=15.86N?m當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶有負(fù)載時(shí)所需的

53、的轉(zhuǎn)矩M 2選用工件材料是工具鋼，查文獻(xiàn) 15 知道單位切削力是2100N / mm2鉆用直徑4mm 的孔。其總切削力F= 2100 r2=26376NP FvM 2 95509550 v =52.73N?mnn所以電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩MM M1 M 2 =15.86+52.73=68.59N?m電動(dòng)機(jī)所選轉(zhuǎn)矩值大于M,綜合考慮選YZ100M2-6 型號(hào)電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)：額定功率為15kw，轉(zhuǎn)速為943r/min ，輸出轉(zhuǎn)矩為143 N?m聯(lián)軸器為了確保伺服系統(tǒng)的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機(jī)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都要求無間隙、底摩擦、低慣量、高剛度、高諧振以及適宜的阻尼比。為了達(dá)到這些要求，最重要的是提高傳

54、動(dòng)剛度和降低慣量。提高剛度的措施可以采用帶有錐形夾緊環(huán)（簡稱錐環(huán)）的撓性聯(lián)軸器，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力以傳遞扭矩；柔性片能補(bǔ)償同軸度及垂直誤差引起的憋勁現(xiàn)象。參考文獻(xiàn) 14 選用選用YL6型。 J28 44GB5843 86.J25 44螺旋絲杠根據(jù)上面工作臺(tái)中絲杠的選取方法一樣，綜合考慮選用公稱直徑為20mm 螺旋絲杠，并采用雙向受載的整體式螺母結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)在帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)的過程中只克服方主軸的自重，同樣按照上面的算法綜合考慮選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)90BF006。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠的校核由于本次設(shè)計(jì)的特種加工機(jī)的特點(diǎn)就是加工時(shí)，受力、受熱

55、、受沖擊較一般加工機(jī)小許多，所以設(shè)計(jì)中選擇的軸承、導(dǎo)軌等一般都能滿足設(shè)計(jì)要求。滾珠絲杠對加工機(jī)的加工精度有影響，而對于工作頭升降機(jī)構(gòu)來說，螺旋絲杠的作用也比較重要。因此，在本節(jié)中將對滾珠絲杠及螺旋絲杠作校核。滾珠絲杠的主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕和塑性變形。因此，主要根據(jù)工作速度確定計(jì)算準(zhǔn)則。本設(shè)計(jì)采用的滾珠絲杠為低速工作，則按壽命條件和靜載荷確定其基本尺寸，并選擇其中較大者。靜載荷計(jì)算Coa KFK HQ（ 3.5）式中：Coa 基本額定靜載荷K H 硬度影響系數(shù)KF 載荷系數(shù)Q 軸向載荷本設(shè)計(jì)采用的是導(dǎo)程為4mm，公稱直徑為20mm的滾珠絲杠，查表得Coa 12.65KNKH =2.65KF 1

56、.1初步估計(jì)軸向載荷Q = 3000NKFK HQ 1.1 2.65 3000 8.75KNCoa符合要求壽命計(jì)算壽命條件KhCa KFKHK1QKn(3.6)式中：Ca基本額定動(dòng)載荷Kh 壽命系數(shù) knKn轉(zhuǎn)速系數(shù)K1短行程系數(shù)KH 硬度影響系數(shù)Q 軸向載荷查 文獻(xiàn) 13 得Ca 7.5KN1Lh 3 Kh500KH2.4Q 3000NK1 1.031Kn 33.3 3 n其中Lh 為工作壽命，查表為15000h, n 為轉(zhuǎn)速，n=0.5r/s ，則1Kh15 3KFKHK1Q1.1 2.4 1.03 3000 6.19 KN CaKn33.3符合要求螺旋絲杠校核滑動(dòng)螺旋副的失效主要是螺紋磨

57、損，而且本設(shè)計(jì)要求螺桿具有自鎖性，因此，要校核螺桿的耐磨性及自鎖性。耐磨性計(jì)算3.7)Fpppd 2hn式中：p 工作比壓F 軸向載荷d 2 螺桿中徑h 螺紋的工作高度n 旋合圈數(shù)pp 許用比壓本設(shè)計(jì)中采用的螺桿螺桿中徑為18mm螺紋工作高度為,2.5m，旋合圈數(shù)為6，許用比壓查文獻(xiàn) 13 3Mp，則F3000p2.64MpPpd2hn 0.018 0.0025 63.6.2自鎖性計(jì)算Sarctgld2l arctg fcos2(3.8)(3.9)式中： 螺紋升角S螺紋導(dǎo)程l 當(dāng)量摩擦角f 摩擦系數(shù)螺紋牙型角查表得f =0.130 S =4mm0.1farctg arctgcos15cos25

58、.91arctgSarctg d24183.09 l符合要求。軸承的校核根據(jù)工作條件決定采用一對角接觸軸承，并選軸承型號(hào)7204AC。設(shè)定左邊的軸 承為 軸 承 1， 右 邊的軸 承為 軸 承2 ，根 據(jù) 工 作 狀 況 確 定 Fr11000N ，F(xiàn)r21000N,FA300N ,轉(zhuǎn)速 n400r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)中無沖擊，預(yù)期壽命Lh4000h。所選用的軸承的安裝位置見圖3.9。3.9先計(jì)算軸承1、 2 的軸向力Fa1、Fa2查 文獻(xiàn) 12 軸承內(nèi)部的軸向力為：FS1 =0.68 1000=680NFS2 =680N根據(jù)工作狀況確定FS2+ FA=680+300=980NFS1 所以軸承1 為

59、計(jì)算軸承1、 2 的當(dāng)量動(dòng)載荷,查 文獻(xiàn) 12 查得 e 0.68，而Fa1Fr1Fa1Fs2 FA 980NFa2FS2=680N980=0.980.681000Fa2Fr26801000=0.68= e查 文獻(xiàn) 12 得 X1 0.41Y1=0.87X2 1Y2 =0. 故當(dāng)量動(dòng)載荷為：P1 X1Fr1 Y1Fa1 0.41 1000+0.87 980=1263NP2 X2Fr2 Y2Fa2 1 1000+0 680=1000N（ 3）計(jì)算所需的徑向基本額定動(dòng)載荷Cr因結(jié)構(gòu)要求兩端選擇同樣尺寸的軸承，今P1 P2 ,故應(yīng)以軸承1 的徑向當(dāng)量動(dòng)載荷 P1 為計(jì)算依據(jù)。Cr1f pP1 (60

60、nft1061Lh)31.1 1263(160 400164000) 3 =6362Nfp 1.1106ft =1其中 fp 載荷系數(shù)， pft 溫度系數(shù)，由 文獻(xiàn) 12 查得軸承的徑向基本額定載荷Cr 14000N 。因?yàn)?Cr1 Cr，故所選7024AC 軸承適用。本章小結(jié)本章主要進(jìn)行超聲波旋轉(zhuǎn)加工機(jī)的總體設(shè)計(jì)。在各個(gè)零件的材料選取和工作原理的介紹。在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，選取了電機(jī)、螺旋絲杠，并對其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，另外還介紹了他們的工作原理。這一部分在總的設(shè)計(jì)過程中非常重要。也對其選用的換能器、變幅桿進(jìn)行了介紹和計(jì)算。并進(jìn)行了相關(guān)強(qiáng)度校核。對滾珠絲杠進(jìn)行了靜載荷計(jì)算、壽命計(jì)算、對螺旋絲杠進(jìn)行耐