【正文】 年 月 日 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 超聲加工是利用超聲振動(dòng)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，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。允許提交答辯。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲波鉆床的加工特性和存在的設(shè)計(jì)缺陷。重點(diǎn)分析超聲波鉆床的機(jī) 械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)超聲波鉆床的變幅桿、換能器、床身結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析研究，確定了超聲波鉆床的設(shè)計(jì)方案，繪制了超聲波鉆床主要部件的零件圖和裝配圖。 鑒于以上情況和該生畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中良好表現(xiàn)，成 績?cè)u(píng)定為 82 分。對(duì)答辯組提出的問題回答準(zhǔn)確，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。本文在上述目的基礎(chǔ)上根據(jù)超聲波鉆的特點(diǎn)，構(gòu)思并設(shè)計(jì)出超聲鉆床的鉆臺(tái)。人們?cè)蕉喟殉暡庸づc其他加工方式相結(jié)合，逐漸形成了多樣的加工方法。 超聲深孔加工的發(fā)展史 眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短 。日本已經(jīng)制成新型 UMT7 三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機(jī)，功率 450 W，工作頻率 20 kHz，可在玻璃上加工孔徑 mm、深 150 mm的深小孔，其圓度可達(dá) mm，圓柱度為 mm。 1996 年，日本東京大學(xué)在超聲加工機(jī)床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為 φ15μm的微孔。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時(shí)內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡(luò)，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。 兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法 —— 超聲振動(dòng)磨削，進(jìn)行了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削陶瓷深孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對(duì)難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了 Al2O3 陶瓷精密超聲加工的機(jī)理、過程動(dòng)力學(xué)以及發(fā)展趨勢(shì)，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。 山東大學(xué)研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動(dòng)脈沖放電加工技術(shù)，工具電極的超聲振動(dòng)引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專用脈沖發(fā)生器。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學(xué)性能有關(guān)，在同樣的加工條件下，材料的強(qiáng)度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、裝潢的要求。 淮海工學(xué)院對(duì)燒結(jié)永磁體材料超聲振 動(dòng)加工過程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行了理論研究。同時(shí)，借助于 SEM 分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機(jī)理。 (2) 研制和采用高效的振動(dòng)切削系統(tǒng) 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及實(shí)用振動(dòng)切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實(shí)用的大功率振動(dòng)切削系統(tǒng)早日問世。 ② 振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。日本企業(yè)界如日立、多賀和 Towa 公司等已開始這方面的實(shí)用化研究?？梢酝茢啵暭庸ぜ夹g(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)由變幅桿將位移振幅放大后傳輸給工具頭，工具頭作縱向振動(dòng)，其振動(dòng)方向如圖 21 b 中的箭頭所示。假如不用磨料而只用振動(dòng)著的超聲工具頭直接縱向“錘擊”工件表面，那只能使工件表面產(chǎn)生損傷，實(shí)際上材料并沒有被去除。當(dāng)頻率一定時(shí)，增 大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過大，否則會(huì)使振動(dòng)系統(tǒng)超出疲勞強(qiáng)度范圍而損壞。如下我將主要部分作進(jìn)一步介紹。它可以是一個(gè)獨(dú)立的震蕩器，也可以是一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁共 45 頁 7 圖 23 超聲波震蕩器的幾種類型 （ 2）超聲波放大器 超聲波放大器的作用是將震蕩信號(hào)放大至所需電平。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁共 45 頁 8 圖 24 半橋式功率放大器 圖 25 全橋式功率放大器 (3) 匹配電路 超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。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。在交變磁場 H~的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(yīng)，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當(dāng)交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時(shí)，換能器端部振動(dòng)最強(qiáng)烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波 圖 26 磁致伸縮換能器 ②磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) A、窗式換能器 窗式換能器是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型，氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成。通常采用的疊片厚度為 ~。通常，輻射面的形狀采用正方形。有兩種情況出現(xiàn)： 相同。反向電場將削弱壓電片的極化強(qiáng)度，使得壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。其結(jié)構(gòu)圖形如下圖 210 所示。此外在超聲加工處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)工藝上，通常在變幅桿或半波長等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個(gè)法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動(dòng)系統(tǒng)固裝在超聲設(shè)備上。簡單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。輸入阻抗 Zi 定義為輸入端策動(dòng)力與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的復(fù)數(shù)。 圖 211 單一變幅桿 （ 2） 復(fù)合變幅桿 在高強(qiáng)度超聲應(yīng)用中，常常要求變幅桿末端具有很大的振動(dòng)幅度，這就要求變幅桿的形狀因數(shù)ψ及放大系數(shù) Mp 值都盡可能的大，單一變幅桿的ψ值和 Mp 值常出現(xiàn)此優(yōu)彼劣的現(xiàn)象，很難二者兼顧。其中Ⅰ和Ⅲ段為等截面桿，Ⅱ段為變截面桿，而變截面桿可以是指數(shù)形、圓錐形或懸鏈線形等不同形式。 一般超聲波鉆床 由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和輔助機(jī)構(gòu)等組成。 壓電換能器有以下幾個(gè)部分組成，如下圖 31 所示： 圖 31 超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖 如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號(hào)由壓電陶瓷的“逆壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換成機(jī)械的振動(dòng)。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復(fù)合型效果最好，其結(jié)構(gòu)圖如下圖 33 所示。 R2 是變幅桿端部的尺寸，視所需的振動(dòng)幅度而定，往往是變化的；圓錐體部分的 L2 不宜設(shè)計(jì)過大否則振幅放大系數(shù)太小，一般的取 kl2 = π / 4 換能器的振動(dòng)頻率 f=20kh ， R1=22mm ,R2=5mm ①彈性材料的選擇 彈性材料選用 45 鋼，該材料的疲勞強(qiáng)度高，而且易加工。 鉆床的機(jī)架設(shè)計(jì) 超聲波鉆床機(jī)架的設(shè)計(jì)包括了床身、工作臺(tái)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)等，其功能應(yīng)考慮能上下、左右、前后的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且能有效的壓緊工件，同時(shí)也應(yīng)考慮其加工的方便等。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 18 頁共 45 頁 18 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 。 圖 37 組合示意 擺動(dòng)伸縮桿的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)擺桿伸縮桿是為方便鉆床左右的擺動(dòng)，與前后的伸縮，在工件裝夾后可以方便鉆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 19 頁共 45 頁 19 與工件的對(duì)位。 ⑤選擇加工方式及 熱處理 此零件可通過數(shù)控車削的方式得到，但套管的內(nèi)壁與推桿的表面接觸部分要求比較高，加工后需表面淬火處理，以防磨損。其余設(shè)計(jì)時(shí)注意足夠的強(qiáng)度即可。最后對(duì)導(dǎo)向孔進(jìn)行淬火處理以增加其強(qiáng)度，以防磨損。絲杠與床身用滾動(dòng)軸承聯(lián)接，轉(zhuǎn)動(dòng)效果好，不易磨損。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 23 頁共 45 頁 23 圖 311 工件夾緊裝置 示意 ③在草稿上進(jìn)行簡單的強(qiáng)度校核 校核通過，確定 工件夾緊裝置 最終結(jié)構(gòu)尺寸。可夾緊一定寬度和厚度的工件。 ④材料的選擇 考慮其加工性良好與質(zhì)的輕巧，這里選擇鋁合金。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 27 頁共 45 頁 27 圖 315 超聲鉆床結(jié)構(gòu) 示意 ① 繪制 超聲鉆床裝配圖 ②工作原理說明 A、工件裝夾：將工件置于夾緊裝置 移動(dòng)塊與固定塊之間，通過推動(dòng)移動(dòng)塊以及擰動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)的螺母使其夾緊。 磨料沖擊超聲波加工介紹 磨料沖擊超聲加工是一種應(yīng)用非常廣泛的超聲加工方式，它是磨粒在超聲振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果。 圖 41 磨料沖擊超聲加工示意圖來衡量 影響磨料沖擊超聲加工的效率、精度和表面質(zhì)量因素 磨料沖擊超聲加工的效率一般用單位時(shí)間去除工件材料的質(zhì)量或體積來 衡量。因此磨料沖擊超聲加工的頻率應(yīng)用范圍是 20~40Hz；位移振幅一般在 10~100μ m 范圍。（以玻璃的加工速度為基準(zhǔn)） 表 4a 不同材料超聲加工的相對(duì)加工速度 材料 玻璃 鍺 石英 紅寶石 硬質(zhì)合金 金剛石 相對(duì)加工速度 100% 57% 52% 18% 5% %~% ⑷工具材料對(duì)加工效率的影響 作為超聲加工工具的材料 不可太硬，否則會(huì)促使磨料很快邊鈍，工具本身也容易被過量損耗，對(duì)提高加工效率很不利。 影響加工質(zhì)量的因素很多，最主要的是磨料的粗細(xì)，該因素不但對(duì)加工效率有較大影響，對(duì)加工精度與表面質(zhì)量的影響也十分明顯。粗檔加工以對(duì)工件材料去除為主，中檔加工是承上啟下的過度階段，而精檔加工則是對(duì)工件被加工表面進(jìn)行拋光精加工。（本次實(shí)驗(yàn)所用磨料主要是 碳化硼和金剛砂） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 30 頁共 45 頁 30 磨料沖擊超聲加工實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)工具和材料 在實(shí)驗(yàn)之前，我們首先現(xiàn)羅列以下此實(shí)驗(yàn)所需要用的材料和工具，見下表 4a 所示。切好后，辨別材質(zhì)并標(biāo)號(hào)。我們可以發(fā)現(xiàn)此波形為一帶毛刺的尖峰波，這正是加工的所要得到的波形。取出工件并用抹布將加工過程中濺出來的水擦掉，清洗工件，觀察加工孔的情況，可以把它們進(jìn)行比較。電流的大小對(duì)加工速同樣有影響，電流越大加工的速度越快反之則速度很慢。應(yīng)盡量的避免此類情況的發(fā)生。工件材料的斷殘韌性越低，加工孔徑越小蹦邊就越明顯。出口崩邊的原因是由于玻璃、陶瓷等硬翠材料抗拉強(qiáng)度低，在孔的加工后期，孔周邊出的壓力最大，進(jìn)給力和超聲沖擊力使其沿環(huán)狀裂紋方向發(fā)生斷裂。 由超聲加工孔后期陶瓷材料的受力情況，在工件的底下施加一個(gè)均不力，使其作用方向與工件所受到總均不載荷方向相反，則 可以減小超聲加工在陶瓷空底面上的應(yīng)力，通過施加與壓力的方法，可以有效的避免超聲波加工陶瓷空出口邊緣崩碎現(xiàn)象，提高加工質(zhì)量，但是避免出口邊緣崩碎所施加的與壓力難以確定。 改進(jìn)措施： 工具磨損的大小取決于工具的材料、結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)的加工參數(shù)。 ③鉆的加工率慢 應(yīng)為在鉆孔只控制工件的向上進(jìn)給速度，而速度的控制只能近似的保證加工順利進(jìn)行為條件，由于試驗(yàn)的條有限，無法保證加工中位最佳靜壓力，而超聲波加工中加工壓力對(duì)材料去除率即加工效率的影響是非常重要的。若還不見效，則可能是：工具頭老化、鋼針開焊、加焊。 ④斷針 功率過大，鋼針 太長所故。 ⑥換工具頭是應(yīng)關(guān)掉工作開關(guān)，不可無工具頭運(yùn)轉(zhuǎn)。 此次實(shí)驗(yàn)可以很好的說明超聲加工它與傳統(tǒng)的加工方式比較確實(shí)有它的獨(dú)特之處，毫無疑問我們應(yīng)該發(fā)現(xiàn)并表明，超聲波加工在加工脆硬性材料方面有特出的優(yōu)點(diǎn)，值得我們進(jìn)一步探究，需要我們注意的是一些加工細(xì)節(jié)問題。《超聲波加工技術(shù)》 ?！冻?聲加工概況和未來展望 》 。20xx 年 [6]成大龍 ?！豆腆w間不同厚度界面層超聲反射聲學(xué)技術(shù)》