超声振动钻削机构方案论证报告.doc

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1、目 次1、课题的来源与意义 31.1 课题的背景与意义31.2 课题设计要解决的问题31.3 课题研究现状和发展趋势42、本课题的设计任务与技术要求 52.1 本毕业设计课题应达到的目的52.2 本毕业设计课题任务的内容和要求53、方案拟定超声振动钻削机构总体设计布局 53.1 超声波加工机床的基本结构53.2 超声振动钻削机构的基本结构63.3 超声波加工的基本原理73.4 换能器的选择83.5 变幅杆的选用104、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

2、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、

3、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。

4、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

5、动在难加工材料超精密金刚石切削加工的应用，研究表明:采用金刚石刀具的超声振动切削能获得表面粗糙度约为光学质量表面。而且对玻璃可以进行塑形加工。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。198

6、3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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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，

12、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

13、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

14、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:1、结构尺寸小，瞬时输出功率达3 5 -40w/，但连续振动时只能达到它的1/5左右，即7-8 w/ (无冷

15、却散热条件时)；2、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。磁致伸缩换能器的特点:1、在工作条件变化很大的情况下使用时，切削力的变化以及振动系统自身的一些变化对工具振动形态的影响小；2、机械强度高，振动系统使用安全可靠，换能器寿命长； 3、频率范围宽，因而工具在磨损范围较大的情况下仍能找到谐振频率点；4、每单位面积的输出功率

16、可达30-40w/ ；5、转换效率低，一般为30%-40%；6、镍片价格昂贵；7、镍片换能器与变幅杆之间一般采用钎焊连接；8、一般采用循环水冷却方式，因而需附加水冷却系统。从上述特点可以看出，各种换能器都有利弊。因此，在选择换能器的种类时，要根据加工的具体条件加以分析比较。磁致伸缩换能器虽然具有较小的机械Q值，可以传递声能的频率范围宽，能容许变幅杆的设计制造误差以及工具磨损。然而，磁致伸缩换能器的效率极低，其电能损失转换为热能，因此必须带有冷却设备，由于工作时主轴高速旋转，使得其主轴系统结构相当复杂。压电换能器正好克服上述缺点，它体积小，机械谐振频率低，输出振幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高，

17、不需冷却设备，为旋转加工提供了方便，虽然其具有较高的机械Q值，但现在的超声波电源一般都具有良好的频率跟踪性能，完全能跟踪其固有频率的变化。因此，本设计拟采用压电换能器。3.5 变幅杆的选用超声波加工过程中，工具前端只有达到一定的振幅才能提高加工效率，振幅的增大可以有两种方式获得:一种是加大输入电功率，在压电材料的工作范围内，提高换能器的激励电压，从而增大工具头的振幅，这种力一法不能改变换能器前后的振速比，效率低，此外持续的工作会引起换能器发热，使换能器的工作效率及功率容量严重下降;另一种是在换能器与工具头之间增加变幅杆又称为超声聚能器，它主要作用是放大机械振动质点的振动位移和振动速度，或将超声

18、能量聚集在较小的面积上，此外，变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在超声换能器与声负载之间进行阻抗匹配，使能量有效的传输。本文采用第二种方法。第二章已经介绍了变幅杆有多种类型，不同形状的变幅杆都有各自的优缺点，具体情况如表3一1所示。本章还将从声学角度和波动方程两个方面来介绍阶梯形变幅杆的设计工作。第四章 方案对比方案一此方案把超声振动机构作用于刀具上，从而满足我们的使用要求，达到普通机床切削加工玻璃、陶瓷、钛合金等难机加工的材料。而且可以达到相当高的精度。总的说来此方案除有超声加工的一般优点以外还具有以下特点：1、整个机构成本低。因为刀具的整个机构的质量很小，完成相同的振动对超声波发生器的要求较

19、低。通常的情况下就可以满足。不需要特别的选用超声波发生器。2、达到较高的精度，满足使用要求。由于整个机构的质量很小，使得刀具在振动过程中的灵敏度相当高，从而使误差及时的传递到测试仪里及时调整，通过此种方法来提高加工的精度。3、便于装夹。由于整个机构质量体积都较小，使得整个机构很容易就固定在普通机床上。如本机构设计的和主轴相连的支撑杆便可以达到固定的目的，而且可以提高精度，防止机构摆动。4、便于维修。构成机构的部件质量、体积都非常小，所以如出现问题很容易进行维修，只需要分别来检查维修即可。方案二此方案把超声振动机构作用于工件上，从而满足我们的使用要求，达到普通机床切削加工玻璃、陶瓷、钛合金等难机

20、加工的材料。此方案与普通的机床相比也可以达到较高的精度，但与方案一相比就显得缺点百出，具体所来有以下几点：1、整个机构成本高。因为加工的工件的质量比刀具大的多，完成相同的振动对超声波发生器的要求较高。通常的情况下，需要特别的选用超声波发生器才能满足要求。2、精度有所降低。由于加工工件与刀具质量相比很大，使得刀具在振动过程中的灵敏度不高，从而使误差不能及时的传递到测试仪里及时调整，所以加工的质量有限。3、不便于装夹。由于加工工件与刀具相比质量很大，使得整个机构不容易就固定在普通机床上。如本机构设计的和主轴相连的支撑杆就不可以达到固定的目的，无法防止机构摆动，降低加工质量。4、不便于维修。构成机构

21、的部件质量、体积都非常大，所以如出现问题不容易进行维修，检测也比较复杂。方案确定结合方案的综合评价、刚性评价、精度评价、效率评价和成本评价得到的最优方案如下：总体布局采用方案一，把超声振动钻削机构装在刀具上，从而达到普通机床切削加工玻璃、陶瓷、钛合金等难机加工的材料的目的。换能器选用压电陶瓷换能器，变幅杆采用圆锥形变幅杆。因为其制造容易，机械强度大，又满足我们的放大系数。综合评价其优点如下：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

22、粗糙度可达0.63 -0.08，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。6）整个机构成本低。7）达到较高的精度，满足使用要求。8）便于装夹。9）便于维修。本毕业设计课题工作进度计划：2008年2月 25日-

23、3 月 30日完成毕业设计方案论证报告；2月25日-3月 30日完成毕业设计方案论证报告；4月1 日-5 月1日完成毕业设计图纸；5月2日-5 月10日进行设计说明书编写；5月11日-5 月31日进行毕业论文撰写及修改。参考资料1胡传忻 特种加工手册 北京工业大学出版社 20012. 刘晋春 特种加工 机械工业出版 20003. 范国良 超声加工概况和米来展望电加工 1994 4. 刘浏 发展数控超声波加工中心的设想机电产品开发与创新 2002 5. 刘殿通超声磨削加工机床及其电源的研制天津大学 20016. 戴向国旋转超声加工机床的研究 中国机械工程 20037. 刘金华超声磨削加工机及其模

24、块化设计研究天津大学 20018. 马九荣 机械工程手册(第八卷) 机械工业出版社 1996 9. 张建华 精密与特种加工技术 机械工业出版社 200310.张其馨 超声发生器频率跟踪的控制 电加工 1996 11.朱训生 新型多功能超声发生器的研制机械工程师 199912.陈思忠我国功率超声技术近况与应用进展声学技术 2002 13.骆嘉龄超声波换能器的研究动向试验技术与试验机 199314.祝锡晶大功率超声换能器的研制电加工与模具 2001 15.朱武大功率高Q值超声振动系统频率自动跟踪自动化技术 2000 16.Lorenzo Parrini，New technology for the design of advanced ultrasonic transducers for high-power applications ultrasonic 200317.张云电 超声加工及其应用 国防工业出版社 199518.陈桂生 超声换能器设计 海洋出版社 198419.架桂冬 压电换能器和换能器阵(上) 北京大学出版社 199020.杜功焕 声学基础 南京大学出版社 200121.土先违 精密加上技术实用手册 机械上业出版社 200122.应崇福 超声学 科学出版社 199023.林仲茂 超声变幅杆的原理和设计 科学出版社 1987