【正文】 了實驗、研究和分析，最終得出超聲波加工的特點，對超聲波加工的獨特優(yōu)點進行了很好論證。 隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲波振切削加工技術(shù)應(yīng)用日益 廣泛。對于超聲波技術(shù)的探究的人越來越多，更多的超聲加工技術(shù)被應(yīng)用于各種生產(chǎn)加工，已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用。例如，切削液很難進入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時作軸向振動進行孔加工已取得了較好的效果。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問題。該方法是在鉆孔后對孔進行精加工處理，通過機械 —— 超聲強化處理，在普通機床上達到精鉸、研磨的精度，可 實現(xiàn)機械化。實驗研究表明，應(yīng)用該裝置可以在 Ti合金上加工出 φ mm、且深徑比 15 的深小孔。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重 阻礙了應(yīng)用推廣。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對材料去除機制進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結(jié) 構(gòu)的變化和晶粒的錯位，而高沖擊力會導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。 美國堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和 加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。 山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對大理石的孔加工進行了研究，并與陶瓷材料進行了對比研究。 同濟大學(xué)對超聲加工建筑玻璃小孔的實驗進行了研究，探討了工具振動的振 幅、頻率、工件材料、進給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁共 45 頁 4 幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。 (3) 對振動切削機理深入研究 當(dāng)前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面： ① 在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。美國、英國、德國和新加波等國的大學(xué)以及國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué) 已開始這方面的研究工作。 此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。主要由超聲波發(fā)生器、換能振動系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和工作臺等部分組成。無數(shù)磨料顆粒連續(xù)不斷的沖擊，可使加工工件的表面破碎和去除。超聲加工常用的頻率是從 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁共 45 頁 6 20kHz 到 40kHz，位移振幅在 10~100μ m 之間。 超聲波加工系統(tǒng)組成 超聲波加工系統(tǒng)一般主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、以及一些輔助裝置組成。 圖 22 震蕩 放大型超聲波發(fā)生器方框圖 （ 1） 超聲波震蕩器 超聲波震蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。電路圖如下圖 23 所示。其工作原理圖如下圖 2圖 25所示。 超聲波換能器 超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。當(dāng)線圈中通以一定直流電流 Io 產(chǎn)生最佳偏磁場 Ho 后，再通過以交變電流 I使其產(chǎn)生交變磁場 H~，使 H~重疊于 Ho之上，由此鐵芯中的磁場將在 Ho 水平上變化。 圖 27窗式磁致伸縮換能器 這種換能器的特點是從兩端面輻射超聲波。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。 (2)壓電換能器 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁共 45 頁 11 ① 壓電換能器的工作原理 壓電換能器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，即壓電晶體的逆壓電效應(yīng)而制成的，如圖 29 所示，將壓電材料做成片狀，上下兩面涂上銀層作為電極，并進行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場。 。 ② 壓電換能器的結(jié)構(gòu)形式 超聲加工處理設(shè)備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有：薄長片形換能 器、圓環(huán)形換能器、薄圓片形換能器和夾心式換能器。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負載之間架起橋梁，進行阻抗匹配，使超 聲能量更有效地從換能器向負載傳輸。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復(fù)合形。其中 Mp 是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度的比值；形狀因數(shù)ψ是衡量變幅桿所能達到最大振動速度 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁共 45 頁 13 的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，值越大，通過變幅桿所能達到最大振動速度也越大。單一變截面桿如圖 211 所示。 圖 212 為三段復(fù)合變幅桿。 圖 212 三段復(fù)合變幅桿 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁共 45 頁 14 3 小型超聲波鉆床設(shè)計 根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設(shè)計出一臺簡單的超聲波鉆床，并且通過與普通鉆床其性能進行對比，探討總結(jié)出超聲波鉆床的工性能。 超聲波換能器的設(shè)計 由于壓電式換能器較易實現(xiàn)，這里設(shè)計選擇壓電陶瓷型換能器。 結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)變幅桿的基本知識及 實際的應(yīng)用。 R1 與換能器的尺寸一致，對于一個特定的換能器十一個固定的值。 ②申博在變幅桿中傳播的速度及 波長 速度 V=(E/ρ )1/2= ()1/2=(m/s) 33 波長 λ = v/f= （ mm） 34 ③尾柱長度及圓柱體部分的長度 尾柱長度 L1 L1=λ /4= （ mm） 圓柱體部分的長度 L2 L2= ? /4K= 51304 2 2 0 1 0 0 0X XX? ? = （ mm） 取整 L2=32（ mm） ④小截面部分長度 因為 1 1 2ta n 3 c o t 2 .22RRkl kl kl R???=cot4? +4? x（ 225 — 1） = 則 kl3= 所以 L3= 513020xx0 =（ mm） 取整 L3= 35(mm) ⑤振幅放大系數(shù) 振幅放大系數(shù) M M= 1 sin cos 3R klR kl = 22 sin / ? =20 即根據(jù)設(shè)計參數(shù)加工出如圖示的變幅桿。因深溝球軸承運用廣泛，運動良好，這里我選用此軸承，參考機械設(shè)計手冊，示意圖如下： 34 圖 34 根據(jù) d=20mm,可查得 D取 42mm,B=，示意圖如下： 圖 35 底盤 圖 36 支承桿 ③在草稿上進行簡單的強度校核 校核通過，確定床身的最終結(jié)構(gòu)尺寸。綜合上設(shè)計兩件，加工 方便，簡單美觀，實現(xiàn)效果良好。 ④材料的選擇 考慮其加工性良好，這里底盤與支撐都選擇 45 鋼。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 20 頁共 45 頁 20 圖 39 組合示意 傳動絲杠及工作臺設(shè)計 因所設(shè)計鉆床為小型化的，傳動機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)追求簡單化、輕型化與可靠化，這里傳動 方式我選擇了螺旋傳動的方式，設(shè)計步驟如下： ①構(gòu)思并繪制 擺桿 結(jié)構(gòu)草圖 ②初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸 這里無標準件，只是在設(shè)計絲杠是螺紋選擇常見的 M20，以方便加工。 ⑤選擇加工方式及熱處理 工作臺可通過數(shù)控加工中心銑削或線切割的方式得到，絲杠可通過數(shù) 控車削的方式得到。另外絲杠與工作臺的加工都十分簡單，絲杠還加裝了轉(zhuǎn)盤，工作臺上開有排屑孔。采用一端固定，一端移動的形式。 ⑥繪制加工零件圖 ⑦ 工件夾緊機構(gòu)設(shè)計組合圖 簡要說明 如下是加裝工件夾緊機構(gòu)設(shè)計組合圖，工件可得到有效的夾緊，夾緊方 便，架構(gòu)輕巧。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 25 頁共 45 頁 25 圖 313 超聲鉆固定套 示意 ③在草稿上進行簡單的強度校核 校核通過，確定 超聲鉆固定套 最終結(jié)構(gòu)尺寸。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 26 頁共 45 頁 26 圖 314 組合示意 超聲鉆床組裝圖說明 超聲鉆床組裝示意圖如下，分別由底盤、支承桿、擺動伸縮桿、擋圈、傳動絲杠、軸承、工作臺、工件夾緊裝置、超聲鉆（換能器、變幅桿等）、超聲鉆固定套、手動轉(zhuǎn)盤、止動手把等組成。下面我們在進行實驗之前就先講下，磨料沖擊加工的的基本原理。磨料沖擊超聲加工示意圖如圖41所示 。 ⑴傳遞到工具頭的超聲頻率和振幅對加工效率的影響 當(dāng)頻率一定時增加振幅，或當(dāng)振幅一定時增加頻率都可以提高加工速度，但過大的振 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁共 45 頁 29 幅和過高的超聲頻率都會使工具或變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，如果超過其疲勞強度時，使用壽命將會大大降低，甚至遭到破壞。如下表 4a列出了幾種不同性質(zhì)的材料的相對加工速度。所以在設(shè)計超聲工具時一定要考慮盡可能有利于工作液的循環(huán)。 一般磨料沖擊超聲加工可分為粗、中、細三檔模式，對于磨料粒度的選擇也是由粗到細依次排列。它們的共同特點是高硬度、高脆性 ，都適于用磨料沖擊超聲進行加工。 （ 2）加工材料準備 將找到的不規(guī)則的加工材料清洗，并用切割機切成規(guī)則形狀便于實驗的裝夾。判斷水霧化的方法就是用勺把水澆到變幅桿的末端，看水的是否四濺，若沒有則還需要調(diào)整波形，直到最后產(chǎn)生霧化現(xiàn)象為止。由于磨料的價格昂貴，將碗里磨料的水倒掉，可留下次實驗繼續(xù)使用。反只表面的加工質(zhì)量很低。狀態(tài)的改變也給試驗的準確性帶來了誤差。 提出加工中存在的問題及改進措施 （ 1）加工中存在的問題和改進措施 ①崩邊現(xiàn)象 在超聲鉆孔中，一個很難避免的問題就是工具入口和出口端會出現(xiàn)蹦邊的現(xiàn)象。入口崩邊是由于工具的進給力和超聲振動材料長產(chǎn)生環(huán)狀裂紋，工具的震動使整個 裂紋上端脫落造成的。加工中工具的進給速度的大小應(yīng)根據(jù)不同工件材料、部通加工階段選取。同時液破壞工具。此外，還要針對加工材料，優(yōu)化軸向載荷、工具參數(shù)和工具振幅等參數(shù)。 （ 2）簡單故障的排除及注意事項 ①換能器不工作 開機后打開工裝開關(guān)，這時可反復(fù)多次開、關(guān)工資開關(guān)，調(diào)整調(diào)諧鈕。 ③換能器發(fā)燙 由于電流過大解決方法同上。及水沙比例不合適，一般水沙的比例為，能流動即可、不可太干。 加工的設(shè)備也是及其簡單，只有發(fā)生器外加超聲波電機，無其它復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)。在此我對他們熱忱的幫助表示衷心的感謝！ 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 38 頁共 45 頁 38 參考文獻 [1] 曹鳳國 ?！冻曤姍C技術(shù)與應(yīng)用》 [ 4]超范國良 , 陳傳梁 。北京化學(xué)工業(yè)出版社 。20xx 年 [7 ]寧偉，許明翔，王耀俊 。20xx 年 。1995 年 [8] 王亞非 , 袁敬閎 , 曾宏亮 ?！稒C械 設(shè)計手