【正文】 《固體間不同厚度界面層超聲反射聲學(xué)技術(shù)》 ?！冻?聲加工概況和未來展望 》 。 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。 ④斷針 功率過大，鋼針 太長(zhǎng)所故。 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。 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。工件材料的斷殘韌性越低，加工孔徑越小蹦邊就越明顯。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。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。（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。 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。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。 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。 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 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(jiǎn)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。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。 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。 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 。 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。 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)。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。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)。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(zhǎng)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。反向電場(chǎng)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。通常，輻射面的形狀采用正方形。在交變磁場(chǎng) 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。 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。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)。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。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?？梢酝茢?，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。 ② 振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。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。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。 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。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。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。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。 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。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)。 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(jī)?cè)u(píng)定為 82 分。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。 答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人 (簽字 )： 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。超聲波加工技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用超聲加工則可有效解決上述問題。 1998 年又成功地加工出直徑為 φ5μm 的微孔。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。 巴西的研究人員對(duì)石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。 天津理工學(xué)院對(duì)大理石超聲精密雕刻技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。到目前為止，輸出能量為 4 kW 的振動(dòng)切削系統(tǒng)已研 制出來并投產(chǎn)使用。但是，超聲波橢圓振動(dòng)切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁共 45 頁 5 2 超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介 超聲波加工原理 超聲波發(fā)生器 換能器 變幅桿 工具頭 磨料 工件 容器 泵 磨料供給管頭 工作臺(tái) 1接觸壓力 F 1 工具頭震動(dòng)方向 1震動(dòng) 位移振幅分布 圖 21 超聲加工的基本加工裝置 超聲波加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最基本的加工方式是磨料沖擊加工，因此下面以磨料沖擊加工為例闡述超聲加工的基本原理。只有依靠切變應(yīng)力才能將材料去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應(yīng)力含有切向成分，此切向分量對(duì)加工過程中材料的去除起重要作用。 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器分模擬電路超聲波發(fā)生器和數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，這里主要講述模擬電路超聲波發(fā)生器。放大部分可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，主要看輸 出功率的需要。目前，廣泛采用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。 因?yàn)榻饘俨牧系碾娮杪实?，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的極化強(qiáng)度增大的作用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 12 頁共 45 頁 12 圖 210 壓電換能器的結(jié)構(gòu) 超聲變幅桿 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，是超聲加工處理設(shè)備中超聲振動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分之一。而復(fù)合形是由各種簡(jiǎn)單形變幅桿根據(jù)實(shí)際需要組合而成的。為了改變這一狀況，就必須采用復(fù)合變幅桿的形式來彌補(bǔ)不足以提高其輸出性能。要設(shè)計(jì)超聲鉆床，也就從這幾個(gè)方面入手，詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟見下面。一般取 L1=λ /4，使界面位置位于圓錐體與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 17 頁共 45 頁 17 鉆床床身設(shè)計(jì) 床身包括了底盤與支撐，下面是其床身設(shè)計(jì)步驟： ① 構(gòu)思并繪制 床身 結(jié)構(gòu)草圖 ② 初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸 在初定床身參數(shù)尺寸 前，首先應(yīng)考慮其標(biāo)準(zhǔn)件的選擇，再去制定其余的尺寸。 ①構(gòu)思并繪制 擺桿 結(jié)構(gòu)草圖 ②初定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸 此設(shè)計(jì)需根據(jù)常用緊固螺母，設(shè)計(jì)軸的徑向尺寸大小，其余根據(jù)實(shí)際形體比例設(shè)計(jì)其尺寸。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 21 頁共 45 頁 21 圖 310 傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái) 示意 ③在草稿上進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核 校核通過，確定 傳動(dòng)絲杠及工作臺(tái) 最終結(jié)構(gòu)尺寸。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 22 頁共 45 頁 22 圖 311 組合示意 工件夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要追求夾緊方便、可靠，另外加工實(shí)現(xiàn)方便。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 24 頁共 45 頁 24 圖 312 組合示意 超聲鉆固定套的設(shè)計(jì) 超聲鉆固定套用于固定超聲鉆，并與導(dǎo)桿相連接，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、輕巧即可。 B、運(yùn)動(dòng)方式：此鉆床工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)上下的移動(dòng)，鉆臂可實(shí)現(xiàn)左右的擺動(dòng)，方便與工件的定位。在實(shí)際加工中，常用單位時(shí)間內(nèi)工具頭的進(jìn)給量來表示相對(duì)加工速度，該方法比較直觀、方便。一般常用 45 號(hào)鋼作為超聲工具，不必淬火。三者并沒有嚴(yán)格的界限，應(yīng)根據(jù)加工的實(shí)際狀況而定。 如：①青磚 ②玻璃 ③大理石 ④鵝卵石 ⑤花崗巖 ⑥巖石 ⑦瓷磚（材料見下圖 32） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 31 頁共 45 頁 31 圖 42 超聲鉆加工實(shí)驗(yàn)材料 （ 3）超聲波波形調(diào)試 將超聲波發(fā)生 器與示波器正確連接后（采用一通道即可），再將示波器打開，校零后，將超聲波發(fā)生器電源開關(guān)打