超聲波切削道具夾持機構設計—畢業(yè)設計

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1、 本科畢業(yè)設計（論文） 超聲波切削道具夾持機構 系 別 機電工程系 專業(yè)班級 06機電3班 學生姓名 吳文鋒 指導教師 王紅飛 提交日期 年 月 日 畢 業(yè) 設 計 （論文） 任 務 書

2、 茲發(fā)給 06機電3班 班學生 吳文鋒 畢業(yè)設計（論文）任務書，內容如下： 1.畢業(yè)設計（論文）題目： 超聲波切削道具夾持機構 2.應完成的項目： （1）查找和閱讀有關振動加工技術及其切削系統的資料

3、； （2）掌握振動切削系統裝置及其受力情況； （3）撰寫畢業(yè)設計開題報告； （4）完成外文資料翻譯工作； （5）進行振動切削系統裝置分析以及其受力情況，力學計算研究； （6）完成畢業(yè)設計（論文）說明書。

4、 3.參考資料以及說明： （1）曹鳳國，張勤儉.超聲加工技術. 化學工業(yè)出版社, 2005.1 （2）徐可偉，朱訓生．超聲振動在精密切削中的應用．新技術新工藝．2001.3

5、 （3）胡傳忻. 特種加工手冊. 北京:北京工業(yè)大學出版社，2001.4 （4）金慶同.特種加工.航空工業(yè)出版社.1988.6 （5）劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工，北京:機械工業(yè)出版，2000.7 （6）張云電．超聲加工及其應用．北京： 國防工業(yè)出版社．1995 （7）秦嬋，丁鋒，劉紹梁. 工程力學, 華南理工大學出版社. 2006.6

6、 （8）黃小清，陸麗芳，何庭蕙.材料力學, 華南理工大學出版社.2007.2 4.本畢業(yè)設計（論文）任務書于 年 月 日發(fā)出，應于 年 月 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。 專業(yè)教研組（系）負責人 審核 年

7、 月 日 指導教師（導師組） 簽發(fā) 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）評語： 畢業(yè)設計（論文）總評成績： 畢業(yè)設計（論文）答辯小組負責人簽字： 年 月

8、 日 摘 要 超聲振動切削加工技術是最近發(fā)展起來的一種新型非傳統的特種切削加工方法與傳統的機械加工 相 比，能有效的降低切削力和切削溫度、提高工具使用壽命及已加工表面的耐磨性 、耐腐蝕性 、大幅度降 低表面粗糙度Ra 值和顯著提高加工精度，在難加工零件的精密加工中得到了良好應用。 本文通過認識超聲加工技術，進而研究和建立超聲振動切削系統，并對超聲振動

9、系統的一些零部件和振動裝置進行了分析研究。在切削加工領域，提高加工精度方法很多，其中一個非常重要的研究方向在于如何努力減小切削過程中的切削力和切削熱。超聲振動切削技術在降低切削力和切削熱方面有重要的作用，可以較好地解決難加工材料、難加工零件以及精密加工等方面的一些工藝問題。 本文主要探討了一種可安裝在普通機床或數控機床上便可進行超聲車削加工的超聲振動車削裝置設備，可以實現結構簡單，體積小，成本低等特點。而且安裝方便，能直接安裝在普通的車床刀架上使用。本實驗所需要的超聲車削裝置系統取用的是縱向振動形式的超聲車削裝置。根據超聲振動車削裝置設備的受力情況，進行受力分析，進行力學計算和確定支撐機構的

10、結構形狀和尺寸大小。 最后，應用所制造出來的新超聲振動車削系統裝置，作為可以在車床上進行加超聲振動的車削實驗。 關鍵詞：超聲加工；振動切削裝置；夾持機構； Abstract Ultrasound the cutting production techniques is the latest of a new special cutting process with conventional mechanical process

11、ing, can effectively reduce the amount of temperature, and cutting tool life and has been machined surface wear resistant properties, too, corrosive, or a rough surface of the ra reduce the value and significant increase in the difficult process, machine parts for precise work of the application. I

12、n this paper, through the study of ultrasonic machining(USM)technology, ultrasonic vibration cutting system is set up for research of machining parts, including the overall structure is preliminarily designed. Equipments are involved in assembling simulation. There are many methods to improve machin

13、ing precision. One of the most important researches is to reduce cutting forces and the amount of heat produced during machining. The ultrasonic vibration cutting technology takes important roles in the reducing of cutting forces and heat. It has been used to solve many cutting difficulties encounte

14、red in ordinary machinery manufacturing practices, especially in the cutting of some special materials and precision machining parts. This chapter mainly discusses one kind of ultrasonic vibration cutting device to be possible to install on the ordinary machine or the numerical control machine then

15、 may carry on the supersonic turning processing the ultrasonic vibration turning arrangement, might realize the structure to be simple, the volume was small, cost low status characteristic. Moreover installs conveniently, can install directly on the ordinary lathe carriage uses. This article tests t

16、he ultrasonic vibration cutting device which needs to use is the longitudinal mode ultrasonic vibration cutting device. According to the ultrasonic vibration cutting device stress situation, carries on the stress analysis, carries on mechanics computation and the determination support organization s

17、tructure shape and the size. Finally, on the basis of designed transformer horn and ultrasonic turning, an ultrasonic vibration cutting system is established. It is planned to be fixed and debugged on machine tool. While for machining parts, turning trials with and without ultrasonic vibration are

18、taken to try to get the test results. Keywords: Ultrasound processing ； vibration cutting device ； between the agencies ； 目 錄 摘要 4 Abstract 5 第一章 緒 論 8

19、1.1 超聲波振動切削技術 8 1.2 國內外超聲振動切削技術的研究與應用 9 1.3超聲振動切削的發(fā)展方向 3 第二章 超聲加工的基本原理 11 2.1超聲波的產生 11 2.2 超聲振動切削的基本原理 11 2.3 超聲振動切削特點 12 2.4 超聲振動切削的應用 13 第三章 超聲振動切削系統結構 14 3.1 超聲加工機床結構 14 3.2 超聲振動系統 14 3.3 超聲波發(fā)生器 15 3.4 超聲波換能器 16 3.5 超聲波變幅桿 16 第四章 超聲振動切削道具夾持機構 17 4.1 超聲車削系統受力分析 18 4.1.1 超聲振動切削刀具

20、的振動規(guī)律 18 4.1.2 刀屑接觸長度分析 19 4.1.3 切削力分析 20 4.1.4 完成振動切削過程所需功率 20 4.2 超聲振動車削裝置總體要求 21 4.2.1車削裝置技術要求 21 4.2.2裝置的總體特征 21 4.2.3校核工作時超聲振動車削裝置Z字架的強度。 22 4.3 超聲振動車削裝置零部件分析 26 4.3.1發(fā)生器與換能器的選用 26 4.3.2變幅桿與換能器的聯接 26 4.3.3刀具設計與變幅桿的聯接 27 4.3.4刀尖高度調節(jié)裝置 29 4.4 超聲振動車削裝置安裝、調試 29 4.5 超聲車削實驗分析 31 第五章 總

21、結與展望 32 5.1本文研究總結 32 5.2今后工作的展望 32 參考文獻 33 致 謝 34 第一章緒論 1.1超聲波振動切削技術 超聲振動切削技術是把超聲波振動的力有規(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，是結合超聲波技術和傳統切削工藝的一種新型切削技術。振動切削加是 2 0世紀 6 0年代發(fā)展起來的一種先進制造技術，它通過在常規(guī) 的切削刀具上施加高頻振動，使刀具和工件發(fā)生間斷性的接觸，從而使傳統切削模 式發(fā)生了根本性的變化。由此變化解決了傳統的切削加工中固有的難題，如切

22、削中 的振動和切削熱變形等，從而得到了優(yōu)良的切削效果。迄今為止，世界各國雖然在 振動切削某些現象的解釋上，某些參數的選擇上還有一些差別，但對它的工藝效果 是一致公認的。作為精密機械加工和難加工材料加工中的一種新技術，它已經滲透 到各個加工領域，出現了各種復合加工方法，使傳統的加工技術有了一個飛躍。研 究表明，由于其在一定范圍內能夠有效地解決難切削材料的加工及其精密切削加工 方面的問題并在加工中具有一系列的特點，因而越來越引起人們的重視而受到世界 各國的矚目。 按超聲波輻射大小不同，超聲技術的使用可分為兩大方面：一是利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)，稱為功率超聲；第二類是利用它來采集信息，

23、稱為檢測超聲。 功率超聲是超聲學中一個重要的研究方向，特別在超聲振動切削方面的應用十分廣泛，超聲振動除能對普通材料進行加工外，還能對高硬、軟、薄、脆等性能材料進行加工。 超聲波能傳遞很強的能量。超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力。因此，有時可用這個壓力的大小來表示超聲波的強度，傳播的波動能量越強，則壓力也越大。 振動能量的強弱，用能量強度來衡量。能量強度就是通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號J來表示。 式中 — 彈性介質的密度 C—彈性介質中的波速 A—振動的振幅 —圓頻率， 由于超聲波的頻率（

24、）很高，其能量強度可達幾十～幾百瓦/。 1.2國內外超聲振動切削技術的研究與應用 超聲振動切削這一加工方法 自五十年代末提出來以后，國外許多專家學者從不同的方面對其進行了大量的試驗研究。 近年來，日、美、前蘇聯、 英、德等工業(yè)發(fā)達國家對這一新工藝新技術給予普遍重視， 并取得了較大進展與生產性應用 J 。 從研究的深度、 廣度以及實際應用效果來看，日本在超聲振動方面處于國際領先地位。 1 9 7 7年，日本對振動切削與振動磨削方面的研究已相當深入且已應用于生產。 研究超聲振 切理論與應用技術奠基人的日本宇都官大學的隈部淳一郎教授 ， 他在 1 9 5 6年首先提出了系統的振

25、動切削理論，發(fā)表了大量的論文，出版了 《 精密加工一振動切削一基礎及應用的專著，把振動切削理論成功地應用于車、刨、銑、鉆、鏜、鉸、拉、磨削、螺紋加工齒輪加工、拋光、珩磨、拉伸與擠壓等冷熱加工領域，并取得了意想不到的效果與顯著的經濟效益。目前，超聲振切系統在 日本已作為生產項目申請為專利。日本新瀉鐵工所早開始生產振動切削車床與振動攻絲機。有些工廠還把振動切削系統成功地安裝在普通車床、大型機床和數控機床上。 在美國， 6 o年代初就對振動切削進行研究， 7 0年代中期， 美國在超聲振動鉆中心孔磨削、光整加工與振動焊接、振動拉管等方面已處于生產應用階段；振動車、鉆、鏜等切削加工已處于試驗性生產

26、設備的階段；振動拉削、銑削與螺紋切削也已試驗成功；超聲振動系統已能供應生產上應用，且部分已標準化 。 前蘇聯 5 0 年代末 6 0 年代初發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產應用，并取得了良好的經濟效益。為了推動超聲加工的應用，1 9 7 3年前蘇聯召開了一次全國性的討論會，充分肯定了超聲加工的經濟效果和實用價值，對這項新技術在全國的推廣應用起到了積極的作用。 在此期間，德國和英國也對超聲加工的機理和工業(yè)應用進行了大量的研究工作，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產中也得到了積極的應用。 我國超聲加工的研究始于五十年代末，但當時超聲波發(fā)生器

27、、換能器和聲振系統很不成熟，缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作。 六十年代初期， 哈爾濱工業(yè)大學應用超聲車削， 加工了一批飛機上的鋁制細長軸，取得了良好的切削效果。然而，此項技術直到七十年代末期才重新受到重視。 近 l O多年來，在超聲波振動切削領域中，我國已取得了顯著的成績。這主要有以下 幾個方面：( 1 )超聲振動切削的設備和刀具；( 2 )超聲振動切削的理論研究；( 3 )超聲振 動切削加工各種材料的實驗研究；( 4 )超聲振動切削加工精度和表面質量；( 5 )超聲振動 切削時刀具的磨損和耐用度；( 6 )超聲振動切削在各種加工方法方面的研究和應用；( 7 ) 超聲振動技術從機械行業(yè)向

28、其它行業(yè)的研究和應用拓展。 由于超聲技術具有許多獨特的優(yōu)點和性質，應用范圍十分廣泛，所以可以預見，隨著 對超聲加工技術的進一步研究和應用，這項技術必將在我國的技術進步和現代化建設中發(fā) 揮越來越大的作用。 1.3超聲振動切削的發(fā)展方向 隨著傳統加工技術和高新技術的發(fā)展，超聲振動切削技術的應用 日益廣泛，超聲振動 切削機理的研究 日趨深入，其發(fā)展動向主要有以下幾方面。 ( 1 )從試驗性研究開始轉向實際生產應用研究。超聲振動切削裝置已明顯地朝著小 型化、實用化、標準化、系列化與商品化方向發(fā)展。 ( 2 )超聲振動切削系統已更新換代。如超聲波

29、發(fā)生器早已實現了晶體管化，淘汰了 電子管結構。 換能器已從使用磁致伸縮效應的鎳片發(fā)展為使用電致伸縮效應的壓電晶體。 ( 3 )在振動方式上已經從單一的縱向振動的換能器系統發(fā)展為扭轉換能的系統，并且局部共振技術已投入運用 。 ( 4 ) 研制和采用高效的振動切削系統；現有的實驗及實用振動切削加工系統輸出功率尚小、能耗高.因此.期待實用的大功率振動切削系統早日問世，這也是超聲技術工業(yè)化廣泛應用的必要基礎。 ( 5 )超聲振動切削加工的工種已由主要是車削、鉆孔與攻絲發(fā)展到了鏜孔、銑削、刨削、拉削、螺紋加工、齒輪加工、磨削、拋光與珩磨等。 ( 6 ) 超聲振動切削加工的工件材料已

30、從一般的碳素結構鋼與合金結構鋼向軟韌、硬脆 難加工材料方面發(fā)展。 ( 7 )除研究適合于振動切削刀具的幾何參數外，還要研究適合于振動切削的刀具材 料，以保證振動切削所使用的刀具具有足夠的刀具耐用度，如天然金剛石，人造金剛石和 超細晶粒的硬質合金材料。 ( 8 )著技術的發(fā)展，對零件的加工精度、加工表面粗糙度和加工表面質量提出了很 高的要求，因此使超聲振動切削加工向精密與超精密加工方向發(fā)展是非常必要的。 ( 9 )密重疊加工，即加工時一方面使刀具作超聲振動切削，另方面使被加工工件也 同時作超聲振動，從而構成了精密二維重疊振動切削。這種方法可有效地用來對硬度高而 抗拉強度低的陶瓷

31、材料進行精密切削。此法之最大刀具特點是切削力可大大減小而顯著提 高了生產效率。 ( 1 0)拓寬超聲波振動切削加工的應用范圍。將超聲波振動切削加工技術從機械行業(yè)向其它行業(yè)拓展。 其次，超聲振動微細加工，既不依賴于材料的導電性又沒有熱物理作用，更具有可加工較高深度比的三維形狀，這決定了它在這類材料上的得天獨厚的發(fā)展優(yōu)勢。而超聲技術正朝著高精度、微細化發(fā)展，微細超聲振動加工技術更有望成為微電子機械系統（MEMS）技術的有力補充。 此外，超聲加工技術在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中己有廣泛的應用，必定日益趨向于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復合加工，塑料件的焊接，以及清

32、潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗等方面的應用?？梢酝茢?，超聲加工技術在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。 第二章超聲加工的基本原理 2.1超聲波的產生 超聲波的產生是由壓電晶片(如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等)的逆壓電效應產生的。如圖2-1所示，當壓電晶片受到某一規(guī)律的壓縮和拉伸時(晶片厚薄亦產生規(guī)律性變化)，在晶片兩面產生相同電壓變化，稱為正壓電效應。反之，把某一規(guī)律變化的電壓加在壓電晶體片兩面上，它就作相應機械振動，稱為逆壓電效應[3]。 圖2-1正壓電效應 當壓電晶片受到來自高頻(>20kHz)發(fā)生器的高頻電壓作用而發(fā)生逆

33、壓電效應時，晶片在其厚度方向發(fā)生變薄及變厚的振動，晶片周圍介質點亦相應振動，這個振動在介質中傳播，即形成超聲波。 2.2超聲振動切削的基本原理 超聲波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法. 超聲波加工是磨料在超聲波振動作用下的機械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。加工時在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動方向加上一個不大的壓力，超聲波發(fā)生器產生的超聲頻電振蕩通過換能器轉變?yōu)槌曨l的機械振動，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳

34、給工具，并驅動工具端面作超聲振動，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細的微粒，從材料上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。與此同時，懸浮液受工具端部的超聲振動作用而產生的液壓沖擊和空化現象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時得到更新。 2.3超聲振動切削的特點 超聲振動切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦熱減小、刀具壽命提高和已加工表面粗糙度值減少,即有以下特點: ①在切削過程中,

35、刀具前面不是始終與工件保持接觸狀態(tài),而是處于有規(guī)律的接觸、分離狀態(tài)。 ②有規(guī)律的脈沖沖擊切削力取代了連續(xù)切削力。 ③刀具(或工件)的有規(guī)律強迫振動取代了刀具和工件無規(guī)律的自激振動。 ④切削力大部分來自刀具(或工件)的振動,刀具(或工件)的運動僅是為了滿足工件加工幾何形狀而設置的。 (2)工藝效果分析 ①瞬間切削力增大 根據連續(xù)彈性體動力分析理論,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周邊的材料也參與抵抗變形,就使得切口處切削力降低。在振動切削中,材料的破壞過程與普通切削不同,它由每次沖擊產生細微破壞而完成切削。在振動切削中,因振動提高了實際的瞬間切削速度,并以動態(tài)沖擊力作

36、用于工件,使得局部變形減少,作用力集中,瞬間切削力增大。從而獲得較大的波前切應力,有利于金屬的塑性脆化。減小塑性變形,利于切削。在超硬材料的加工方面,這一優(yōu)點更為突出。 ③有利于冷卻 刀具的高速振動對刀具的散熱十分有利,同時由于刀具的前面周期性脫離工件,使得切削液更容易進入刀具和工件之間,也增加了系統的散熱能力。振動切削中,刀具在振動源驅動下周期性接觸、離開工件。刀屑分離時,切削液產生空化作用,切削液充分進入切削區(qū)。振動切削時刀具對工件的沖擊作用,應力波的出現,有利于切削區(qū)裂紋的萌生和擴展。刀屑接觸時,由于壓力差出現,使得切削液滲透作用加強,充分發(fā)揮切削液的潤滑和冷卻作用。這些都大大降低了

37、前刀面與切屑間及后刀面與已加工工件表面間的摩擦。 2.4超聲振動切削技術的應用 超聲振動切削技術是在研究了切削加工本質的基礎上所提出的一種精密加工方法,它彌補了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的適用范圍,主要有以下幾方面: (1)難切削材料的加工 不銹鋼、淬硬鋼、高速鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵以及陶瓷、玻璃、石材等非金屬材料由于力學、物理、化學等特性而難以加工,如采用超聲振切削則可化難為易。例如用硬質合金刀具振動車削淬硬鋼(35～45HRC)外圓、端面、螺紋與鏜孔時,不但提高了平行度、垂直度與同心度,而且可達到“鏡面”的表面粗糙度,也可用金剛石刀具進行振動

38、精密加工。又如鈦歷來只能以磨削和研磨作為精加工,現用硬質合金刀具振動車削時,其端面上的最大表面粗糙度值可達Ra=2～3μm,最佳時可達Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨與氧化鋁等材料時得不到平整的加工表面,只有采用超聲振動才能產生微粒式的切削分離并得到整齊的加工表面。國外用超聲振動能順利地切削富鋁紅柱石,如果將超聲波能源切斷,工件會馬上損壞,根本無法加工。 (2)難加工零件的切削加工 如易彎曲變形的細長軸類零件,小徑深孔、薄壁零件,薄盤類零件與小徑精密螺紋以及形狀復雜、加工精度與表面質量要求又較高的零件,用普通切削與磨削加工很困難,用振動切削,既可提高加工質量,又可提高生產效率,例

39、如用硬質合金車刀超聲振動精車細長的退火調質鋁棒(Φ7.2mm,長220mm)的外圓,振動頻率為F=21.5kHz,振幅為A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全損耗系統用油作為切削液,加工后可獲得工件直徑精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超聲振動精鏜有特殊鋼制成的薄壁圓筒(工件長70mm,孔徑15mm,壁厚1mm),在鏜過的50mm長度上可測出內孔精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。 (3)高精度、高表面質量工件的切削加工 與普通切削相比,振動切削時切屑變形與切削力小,切削溫度低,加工表面上不產生積屑瘤、鱗刺與表面微裂紋,再加上表面硬化程度較大,表

40、面產生殘余壓應力小,切削過程穩(wěn)定,容易加工出高精度與高表面質量的工件。 例如前述的超聲振動車削軟鋁制成的細長軸(長200mm,7mm)時可得到圓度2μm、圓柱度3μm/170mm的加工精度。超聲車削Φ5mm的電動機整流器銅線時,可得到Ra=0.05μm的鏡面,用其他加工方法是不可能達到的。 (4)排屑、斷屑比較困難的切削加工 鉆孔、鉸孔、攻螺紋、剖斷、鋸切、拉削等切削加工時,切屑往往處于半封閉或封閉狀態(tài),因而常不得不由于排屑斷屑困難而降低切削用量,這時如果用振動切削則可比較順利地解決排屑斷屑,保證加工質量與提高生產效率。 第三章超聲振動切削系統結構 3

41、．1超聲加工機床結構 超聲加工機床又稱超聲加工設備，它們的功率大小和結構形狀雖有所不同，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、機床本體和磨料工作懸浮液循環(huán)系統等，其主要組成部分如下圖3-1所示[8]。 超聲加工機床 超聲波發(fā)生器（超聲電源） 超聲振動系統 機床本體 工作液循環(huán)系統和換能器冷卻系統 超聲換能器 變幅桿 工具 工作頭 加壓機構及工作進給機構 工作臺及其位置調整機構 圖3-1普通超聲加工機床結構 為了實現超聲加工機床操作的自動化，此前，清華大學已經開發(fā)了以工控PC為硬件基礎的，完全數控化的旋轉超聲加工機床，實現了機床數控自動化的突破[

42、9]。 天津大學也在超聲加工機床方面做了很多的研究，并對機床進行了模塊化設計研究。這些研究結果有利于產品的更新換代，縮短設計和生產制造周期，降低成本，方便維修維護和性能穩(wěn)定可靠的提升[10]。 縱觀國內外對于超聲波加工機床的研究，其超聲波加工機床均為專用機床，它們的結構基本上包括機床本體，超聲波電源、超聲振動系統，主軸旋轉系統，主軸軸向進給系統等，而機床本體，主軸旋轉系統和主軸軸向進給系統結構復雜，體積大，設計制造困難，相應的增加機床的制造成本，移動困難。 3．2超聲振動系統 超聲振動系統是超聲設備的核心。多年來，超聲加工采用的超聲振動系統大都采用縱向振動方式，并按“全調諧”工作。近十

43、年來，國內對振動系統的工作方式和設計計算、振動方式及其應用研究都取得了許多新的進展。 超聲振動系統，即超聲波振動加工系統，主要由精密機床和超聲波振動裝置兩大部分構成。其中超聲波振動裝置部分為：超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿等三個主要的部件[2]。 超聲振動系統工作原理是通過超聲波發(fā)生器將 220V 或 380V 的50Hz交流電轉換成有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，即超聲頻電振蕩信號，在將電信號加到換能器上，使其產生同頻率的機械振動，此振動通過變幅桿將振幅放大，最終在工具端部產生足夠大的機械振動幅值[7]。 超聲振動系統分有縱向振動系統、彎曲振動系統和扭轉振動系統[2]?？v向振動

44、系統具有傳遞振動功率大、振動能量損耗小等特點。縱向超聲振動系統使用小質量車刀。車刀成本低、不必準確測量和確定超聲車刀的位移與節(jié)點，因而使用方便，同時刀尖高度調節(jié)機構設計較簡單、刀具拆卸、刃磨方便，易于調到共振狀態(tài)。 彎曲振動系統使刀桿在垂直桿的軸向方向作往復運動。彎曲振動裝置剛性較好、變幅桿固定，結構簡便，但彎曲振動刀桿節(jié)點的測定和壓塊的調節(jié)比較麻煩、車刀磨損后重新刃磨后節(jié)點還要發(fā)生變化、輔助時間長、調整麻煩、特別是刀尖高度調整較為麻煩，不易調整車刀所需要的高度，而刀尖高度對超聲加工的效果起著至關重要的作用。刀具的拆裝不方便。這些使其應用受到限制。 而在實際應用中，扭轉超聲振動系統，則應用

45、得比較少。 3．3超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成。其中，振蕩器是超聲頻發(fā)生器的核心。根據超聲波加工的需要，超聲波發(fā)生器的輸出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最為多見。 超聲波發(fā)生器的作用是提供有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供振動切削加工中的能量。 圖3-2超聲波發(fā)生器原理圖 超聲波發(fā)生器的原理：首先由信號發(fā)生器來產生一個特定頻率的信號如圖3-2，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，特定頻率就是指換能器的頻率，一般在超聲波設備中使用到的超聲波頻率為 25kHz、28kHz、35kHz、40kHz；100kHz

46、及以上現在尚未大量使用。使用的功率一般從 50W 到 5000W不等。由信號發(fā)生器產生的頻率信號經過功率放大器后需經過阻抗匹配，使得輸出的阻抗與換能器相符，推動換能器將電信號轉換為機械振動。 作為超聲波電源，要求電源有比較高的頻率穩(wěn)定性和良好的可調性。較完善的超聲波發(fā)生器，還應該有反饋環(huán)節(jié)，主要提供兩方面的反饋信號：第一個是提供輸出功率信號，通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。第二個是提供頻率跟蹤信號，頻率跟蹤信號可以控制信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器的頻率在一定范圍內跟蹤換能器的諧振頻率點，讓發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。 頻率自動跟蹤系統，按獲得反饋信號的不同，可分為電反饋系統和聲

47、反饋系統[11,12]；按激勵形式分有兩種，一種是他激式，另一種是自激式。應用較多的是晶體管自激式超聲發(fā)生器，其線路簡單，造價低，可靠性好，該類發(fā)生器還具有一定的頻率自動跟蹤能力，因此有很廣闊的應用范圍[7]。 超聲加工過程中，振動系統的溫度、剛度、載荷變化、加工面積、工具磨損等因素的變化，使得系統的固有頻率發(fā)生漂移，因此常要求超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求[14]：足夠的輸出功率；頻率穩(wěn)定，并能在所需求范圍內連續(xù)可調；發(fā)生器的輸出阻抗應與換能器的阻抗相匹配；發(fā)生器能根據負載變化調整輸出功率，具有頻率自動跟蹤能力；具備連續(xù)工作能力，且價格便宜。 3．4 超聲波換能器 換能器就是進行能量轉換

48、的器件，是將一種形式能量轉換為另一種形式能量的裝置。超聲換能器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。 換能器的作用是利用物體的壓電效應和磁致伸縮效應，將超聲波發(fā)生器產生的超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動，目前主要有：磁致伸縮換能器、壓電陶瓷換能器以及電磁換能器。用于超聲加工中的換能器必須具備結構尺寸小、電聲轉換效率高、阻抗易于匹配、發(fā)熱量小、能夠長時間連續(xù)工作。經過對比，壓電陶瓷換能器能夠滿足上述要求。 3．5超聲波變幅桿 超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿。超聲變幅桿是振動系統中的一個重要組成部

49、分，它在振動系統的主要作用是把機械振動的質點位移或速度放大，并將超聲能量集中在較小的面積上即聚能，因此也稱超聲變速桿，超聲聚能器。在高聲強超聲如超聲加工，超聲焊接等應用中，幅射面的振動幅度一般需要幾十到幾百微米，只要在換能器的端面連接超聲變幅桿，才能將機械振動放在到符合要求。另外，超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和聲負載之間進行阻抗匹配，使超聲能量更有效的從換能器到負載傳輸。 工具是變幅桿的負載, 其結構尺寸、質量大小以及與變幅桿連接的好壞, 對超聲振動共振頻率和超聲波加工性能均有很大影響。工具可以通過焊接或螺釘固定在變幅桿上; 也可以和變幅桿設計成整體。采用可拆卸式, 雖然能快

50、速更換工具, 但可能出現工具松懈、超聲能量損失、疲勞破壞等問題。 根據桿件尺寸的不同，常用的變幅桿有全波諧振型、半波諧振型和四分之一波諧振型；根據是否空心分為實心型變幅桿和空心型變幅桿；根據桿件振動方式的不同，變幅桿也可分為縱向振動變幅桿，彎曲振動變幅桿，扭轉振動變幅桿。其中縱向振動變幅桿根據截而形狀的不同，主要分為圓柱形、階梯型、圓錐型、指數型和懸鏈型，如圖3-3所示的[2]。而復合形變幅桿，是由各種簡單變幅桿根據實際需要組合而成的。 圖3-3常見的變幅桿形狀 各種傳統形狀變幅桿各具優(yōu)點，但都不是最理想的。圓柱形變幅桿，不能放大小端面的振動幅值；圓錐、指數形和懸鏈形變幅桿，

51、雖然振幅放大倍數較低，但在工業(yè)中應用比較廣泛。然而指數形和懸鏈形變幅桿，由于外形的特殊性，不易加工，所以它的應用受到了一定程度的限制。階梯形變幅桿，雖然具有比圓錐形和指數形的變幅桿都大的振幅放大倍數，但它的直徑突變引起極大的應力集中，從而使得變幅桿的工作應力大增，導致變幅桿疲勞斷裂，使得它不能被廣泛應用。 第四章 超聲振動切削道具夾持機構 超聲振動切削是給刀具(或工件)施加一定方向 頻率和振幅的振動，以改善其切削功效的脈沖切削方法．該方法自50年代提出以來，國內外許多學者從不同的方面對其進行了大量的試驗研究 。由于該方法能改善機械加工表面質量與精度，延長刀具壽命，提高切削加工的應

52、用范圍，故被廣泛應用于車、銑、刨、磨、鉆、螺紋加工、齒輪加工和拋光等方面．目前的超聲振動切削系統仍然停留在5O年代末期日本教授隈部淳一郎提出的傳統形式上，由于該系統設計和制造都很復雜，機構體積太，機電轉換效率低(一般只有20％～60％)，使得該技術在機械加工中難以推廣。實驗結果表明，該系統能有效地提高機械精密加工表面質量和精度． 超聲振動切削系統包括兩部分：切削機床和超聲振動發(fā)生裝置。超聲車削是給刀具(或工件)在某一方向上施加一定頻率和振幅的振動，以改善車削效能的車削方法。 振動車削有兩種：一種是以斷屑為主要目的，這時多采用低頻(最高幾百赫茲)、大振幅(最大可達幾毫米)的進刀方向振刀；另一

53、種是以改善加工精度和表而粗糙度、提高車削效率、擴大車削加工適應范圍為主要目的，則要用高頻、小振幅（最大約30 )振刀。 超聲車削裝置的作用是使車刀獲得一定振幅的超聲頻機械振動，將超聲振動系統和車刀固定在刀架上實現超聲車削加工。超聲車削裝置有縱向振動、彎曲振動和扭轉振動三種形式。在本實驗的設計研究中使用的是縱向振動超聲車削裝置，并選取小質量刀片(如硬質合金刀片)，這樣不必測量和確定超聲車刀的位移及節(jié)點，因而使用方便。但是這種裝置需采用剛性固定變幅桿的方法，而且變幅桿應具有足夠的剛度。隨著超聲車削技術研究的不斷深入，而且這種裝置使用方便，車刀成本低，因而它的應用越來越多。 4.1 超聲車削

54、系統受力分析 4.1.1 超聲振動切削刀具的振動規(guī)律 設刀具在切削速度方向的振動是正弦振動，其位移為 （4-1） 式中， 為刀具振動的角頻率，， 為刀具振動頻率;a為刀具的振幅；t為時間．由式(1)得刀具的振動速度、加速度 （4-2） (4-3) 設切削速度為 ，則刀具相對工件的速度為 (4-4) 圖4-1所示為在振動切削時刀具相對工件的振動規(guī)律，從圖中可知，在 時刻，刀具的前刀面開始與切屑分離，直到時刻，它們又重新接觸進入切削狀態(tài)．切削過程中每一周期只有時間刀具在切削，其余大部分時間刀具與切屑處于分離狀態(tài)，很顯然刀具與切屑的分離作用是振動

55、切削的最根本特點，正是這一特點才使得刀尖每次 能以極大的加速度沖擊工件進行切削．如以振動頻率 f=20kHz．a=l0um 進行振動切 削時．刀尖振動的加速度可達l6000g(g為重力加速度)，刀尖振動的加速度為重力速 度的16000倍，因此，振動切削與普通切削相比有著本質的不同。 圖4-1振動切削過程示意圖 4.1.2 刀屑接觸長度分析 圖4-2振動切刀具的運動規(guī)律 圖4-2所示為振動切削過程中刀具的運動規(guī)律。切削中刀尖以頻率,振幅作簡諧振動。從切削開始到刀尖離開切屑的時間設為，則刀屑脫離瞬時是切削速度v與刀尖振動速度剛好相等的時刻，即有： （4-5）

56、或 （4-6） 振動切削過程中，刀尖經一定時間后將再次與工作接觸，設這個時刻為則有： （4-7） 式中，分別為時刻刀尖的位移值，有， 代入式（4-7）可得 （4-8） 由此可進一步求出有效切削時間為： （4-9） 刀尖與切屑的接觸長度為 （4-10） 振動切削參數為f=20kHZ,a=10um,v/aw=1/3, 利用式（4-6）（4-8）（4-9）和（4-10）式可求出 =15.2us , =47.25us , =17.95us , =6.97um 4.1.3 切削力分析 振動切削過程中，刀具以沖擊載荷作用于被切材料，動態(tài)

57、應力波作用將大大改善切削效果。同時，材料是沖擊破壞，切削能量減少，切削力也會相應減小。特別重要的是，振動切削中前刀面與剪切面之間的內摩擦將向外摩擦轉換，從而使摩擦力降低，總切削力幅值也將大大減小。因此，振動切削中不僅僅是平均切削力降低，脈沖力幅值也會減小。有關實驗顯示，約為普通切削時主切削力的70％左右[6]。功率估算時，可取＝0.70，精確計算可通過實驗進一步測量的大小。 振動切削多用于精密切削場合。以精密車削為例，設切削深度＝1mm，進給量＝0.1mm/r,則由金屬切削手冊可查得切削力大小為： ＝250N， 4.1.4 完成振動切削過程所需功率 圖4-1中清楚地表述出，切削過程中

58、每一周期只有作用瞬間內，刀具相對工件接觸，并做功，此時切削力的大小為。設該做功段長度為，則完成振動切削過程所需的功率表達式為： （11） 式中為刀具振動頻率。P1是振動切削刀具作切削速度方向的振動所需的功率，應該與機床主運動功率區(qū)別開。 將前面所設刀尖振動頻率值和求得代入（11）式可得 ＝0.70＝24.4（W） 由此可見，振動切削過程所需的驅動率不大。 超聲車削裝置的作用是使車刀獲得一定振幅的超聲頻機械振動，將超聲振動系統和車刀固定在刀架上實現超聲車削加工。 本文實驗所需要的超聲車削裝置系統取用的是縱向振動形式的超聲車削裝置?？v向振動的超聲車削裝置一般使用小質量車刀（例

59、如,一振型車刀，機夾可轉位硬質合金刀片），不必測量和確定超聲車刀的位移節(jié)點，因為使用方便。但是縱向振動車削裝置需要采用剛性固定變幅桿的方法，而且變幅桿應具有足夠的剛度。隨著超聲車削技術研究的不斷深入，縱向超聲振動車削裝置以其使用方便，車刀成本低，應用會越來越多。 4.2 超聲振動車削裝置總體要求 4.2.1車削裝置技術要求 針對目前超聲波專用機床具有成本高、體積大等一系列缺陷，本章主要探討了一種可安裝在普通機床或數控機床上便可進行超聲車削加工的超聲振動車削裝置設備，可以實現結構簡單，體積小，成本低等特點。而且安裝方便，能直接安裝在普通的車床刀架上使用。 該裝置主要用于加工黑色金

60、屬或鋼材的零件，要求有較好的加工精度和表面粗糙度，而且耗能小，輸出功率穩(wěn)定適中，振動頻率穩(wěn)定變化范圍小，系統具備較長的持續(xù)工作時間和工作能力，運轉中聯接部位溫升小。 4.2.2裝置的總體特征 設計的超聲振動車削裝置必須具備以下條件： 1．當切削刀具裝到變幅桿上，能和換能器產生共振； 2．切削刀具與換能器或變幅桿之間要拆裝方便，刀尖高度要可調； 3．當切削刀具安裝到變幅桿上后，該系統的振動頻率應保持不便。 根據上述要求，超聲振動車削裝置一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、切削刀具、支撐機構、刀尖高度調節(jié)機構（設立在機床的刀具架的夾持處）等組成，其主要部件的裝配如圖4-3所示。

61、 圖4-3超聲切削裝置的主要部件的裝配體 其工作過程為：超聲波發(fā)生器15將220V、50Hz的交流電變成有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供振動切削加工中的振動能量。壓電陶瓷換能器是用來把高頻電振蕩轉換成高頻機械振動，振幅為4～5，經變幅桿將振幅放大，超聲波機械振動經變幅桿放大后，將能量傳遞給刀具，實現超聲振動車削。整個裝置通過固定支架為Z字架，安裝在刀架上，刀尖高度的調節(jié)通過旋轉螺栓的旋轉來實現。 4.2.3校核工作時超聲振動車削裝置Z字架的強度。 超聲振動切削刀具的振動規(guī)律為刀具在切削速度方向的振動是正弦振動。 Z字架受到交變應力 （4-12） 應力循環(huán)中，

62、最大應力與最小應力的平均值稱為平均應力，即 它相當于梁在靜平衡位置時該點處的應力，它是交變應力中的靜應力部分（不變部分）。 最大應力與最小應力之差的一半，稱為應力循環(huán)中的應力幅度，并用表示，即 它相當于梁從平衡位置變到最大或最小位置時，該點的正應力改變量，它是交變應力部分。 一個應力循環(huán)中最小應力與最大應力之比值r，稱為交變應力的循環(huán)特征，即 式中的和均取代數值，拉應力為正，壓應力為負。應力循環(huán)特征r是交變應力的一個重要參數，是應力循環(huán)分類的依據。 在工程中，除循環(huán)特征r=-1的

63、交變應力稱為對稱循環(huán)的交變應力外，其他的統稱為不對稱交變應力。 Z字架受到交變應力的類型為對稱循環(huán)交變應力。其應力循環(huán)圖如圖4-4所示 圖4-4 Z字架受到交變應力循環(huán)圖 此時，雙Z字架可以看作懸臂梁，其受力圖如圖4-5（A）所示： 圖4-5 Z字架的受力分析 過危險截面A－A，根據平衡條件，截面A－A上的受力情況如圖4-5（C）所示： 所受內力大小為， 軸向力： N＝F＝ （4-13） 彎距： （4-14） 最大拉應力拉發(fā)生在機架外側，最大壓應力壓發(fā)生在機架內側。大小分別為： （4-15） 計算危險截面積A， 慣性矩I， 和抗彎截面

64、模量 A＝bh (4-16) 對于高為h,寬為b，的矩形截面， 慣性矩 ： （4-17） 抗彎截面模量： （4-18） 把以上各式代入（4-15）式可得 由此可得， (4-19) 由此可得， (4-20) 由（4-19），（4-20）二式可確定a的取值范圍為 （4-21） 本實驗中＝175N ，b=20mm，h= 30mm , Z字架材料為A3鋼 許用應力＝ 160Mp ，許用擠壓應力＝320Mp 把數據代入（4-21）式可以算出 55mm274mm ( * )

65、 懸臂梁在力矩作用下的變形如圖4-6所示， 圖4-6懸臂梁在力矩作用下的變形 其撓曲線方程為 （4-22） 其端截面轉角為 （4-23） 最大撓度為 （4-24） 其中負號表示方向。E為材料彈性模量。 現將力F平移到B點分析，如圖4-7所示 圖4-7 Z字架的受力圖 則有， P＝F ，m＝Fa 此時，Z字架的受力情況和圖4-6提到的懸臂梁相似。 根據剛度條件，可用其撓曲線方程（4-22）先求出鉛垂梁AB的位移 方向向左 由此可得

66、 （4-25） 可用端截面轉角方程（4-23）計算鉛垂梁AB的轉角 逆時針方向 由此可得 （4-26） 式中[y]為許可撓度，為許可轉角。在各類工程設計中，根據梁的工作條件，在設計規(guī)范中對[y]和一般都有具體的規(guī)定值[20]。 機床類，取 [y]＝（0.0001～0.0005）l mm (其中l(wèi)為跨度) =0.001～0.005 rad 本例中取[y]=0.0003a =0.004rad A3鋼的材料彈性模量E＝200GPa 把數據代入（4-25）式得 351mm 代入（4-26）式得 901mm 兩式可確定L的取值范圍為 351mm ( * * ) 4.3 超聲振動車削裝置零部件分析 4.3.1發(fā)生器與換能器的選用 超聲波發(fā)生器將220V、50Hz的交流電變成有