【文章內(nèi)容簡介】 科學(xué)院聲學(xué)研究所及上海超聲波電子儀器廠研制手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 4 成功超聲拉管設(shè)備，為我國超聲加工在金屬塑性加工填不了空白。 1983 年 10月，我國第一次 “ 振動切削專題研討會 ” 召開，促進了超聲加工技術(shù)在我國的深入研究 和推廣。 1985 年，廣西大學(xué)，南京電影機械廠和南京刃具廠聯(lián)合開發(fā)了我國第一套 “ QZC250A 型 ” 超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第 11研究所研制成功超聲旋轉(zhuǎn)加工機，在玻璃、陶瓷等脆性材料的鉆孔、端銑、螺紋加工等取得了良好的工藝效果。 1987 年，北京電加工研究所在國際首次提出超聲加工等取得了良好的工藝效果。 1987 年，北京電加工研究所在國際首次提出了超聲頻調(diào)制電火花與超聲波復(fù)合的研磨、拋光加工技術(shù)，并成功應(yīng)用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。 1989 年，我國研制成功超聲研磨裝置。 1991 年研制成功變截面 細長桿超聲車削系統(tǒng)裝置。 20 世紀(jì)末到本世紀(jì)初，我國的超聲加工技術(shù)發(fā)展迅猛，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究，尤其是在金剛石、陶瓷、瑪瑙、玉石、淬火鋼、模具鋼、花崗巖、大理石、石英、玻璃和燒結(jié)永磁體等難加工領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的問題。取得了良好的效果。 超聲加工的優(yōu)點 與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工 [2]有如下優(yōu)點： 1. 適合加工各種硬脆材料，不受材料是否導(dǎo)電的限制。既可加工玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨、金剛石、大理石等不導(dǎo)電的非金屬材料，又 可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鐵合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料。 2. 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱更小，不會產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗糙度也很低，可達 ~,尺寸精度可達 ，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。 3. 工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復(fù)雜的相對運動，便可加工各種復(fù)雜的型腔和型面。一般的，超聲加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作、維修也比較方便。 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 5 4. 可以與其他多種加工方法結(jié)合應(yīng)用，如超聲電火花加工 和超聲電解加工等。 5. 利用超聲焊接技術(shù)可以實現(xiàn)同種或異種材料的焊接，不需要焊劑和外加熱，不因受熱而變形，沒有殘余應(yīng)力，對焊件表面的焊接處理要求不高。 本課題的主要研究工作 針對瓷磚、超薄零件在傳統(tǒng)切割機切割易碎現(xiàn)象，本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應(yīng)力、切削熱很小的優(yōu)點，在傳統(tǒng)切割機上嵌入一個超聲震動系統(tǒng)，進行超聲震動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合小型超聲切割機的傳動部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計小型超聲切割機。使用小型超聲切割機，切割瓷磚、超薄零件更加平穩(wěn)，成品率更高。 本課題要求學(xué)生以普通手持式切割機結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ)，設(shè)計添加一超聲振動系統(tǒng)，以實現(xiàn)超聲振動切割加工，提高工件加工的質(zhì)量和效率。 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 6 2 小型超聲切割機的整體設(shè)計方案 小型超聲切割機整體設(shè)計方案的擬定 小型超聲切割機是在傳統(tǒng)切割機的基礎(chǔ)上，利用超聲加工適合加工各種脆性材料、切削應(yīng)力和切削熱更小的特點，嵌入一個超聲振動系統(tǒng)，使之實現(xiàn)超聲加工，加工脆性材料、超薄零件。這設(shè)計包括基本傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和超聲振動系統(tǒng)兩部分，以這樣的組合方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擬定 方案一：沒有任何傳動，采用電機直接輸出動 力，整個系統(tǒng)就一根軸，動力直接輸出提供到鋸片，實現(xiàn)切割。如圖 21所示。 圖 21 電機軸 方案二：電機軸輸出動力經(jīng)過一對直齒輪或者斜齒輪傳動，進行降速升扭作用，然后通過輸出軸將動力提供給鋸片，實現(xiàn)切割。如圖 2 23所示。 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 7 圖 22 直齒輪傳動 圖 23 斜齒輪傳動 方案三：電機軸輸出動力經(jīng)過聯(lián)軸器傳遞動力，然后通過輸出軸輸出動力給鋸片實現(xiàn)切割。如圖 24所示。 圖 24 剛性聯(lián)軸器 方案的分析： 方案一：結(jié)構(gòu)最簡單，符合傳動鏈盡量短的原則，但是沒有經(jīng)過任何傳動副，手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 8 這樣會導(dǎo)致超聲系統(tǒng)裝 置無法安裝到切割機上面，所以不合理，不予采納。 方案二：經(jīng)過了直齒輪或者斜齒輪傳動，得到了一定的降速升扭的作用，結(jié)構(gòu)也比較簡單，但是由于小型超聲切割機是采用嵌入超聲振動系統(tǒng)來實現(xiàn)超聲加工，而對于超聲振動來說，超聲振動只能振動小件的，輕的刀具，所以這對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分有一定的要求，也就是說要使切割機的外形盡可能的小型化，而對于直齒輪或者斜齒輪傳動來說，切割機的鋸片是裝在電機軸的同個軸向位置，而在這個位置上，殼體的徑向尺寸至少等于兩傳動齒輪的直徑和再加上兩倍的殼厚，這樣會導(dǎo)致切割機的尺寸很大，不適于小型化，所以 不合理，不予采納。 方案三：電機輸出的動力經(jīng)過聯(lián)軸器，再連接到輸出軸，最后到刀片，結(jié)構(gòu)簡單，符合傳動鏈盡量短的原則，又可以很好的把超聲振動系統(tǒng)安裝到切割機上面，實現(xiàn)超聲切割。 綜上，選擇方案三作為傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 超聲振動系統(tǒng)方案的擬定 超聲振動系統(tǒng)大體分為兩個部分：換能器和變幅桿。所以要確定超聲振動系統(tǒng)，就是要確定換能器和變幅桿。 換能器的擬定 換能器 [9]可分為壓電換能器（如圖 25）和磁致伸縮換能器（如圖 26）兩大類。 圖 25 壓電換能器 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 9 圖 26 磁致伸縮換能器 其中對于壓電換能器，壓電換能器的特點：（ 1）結(jié)構(gòu)尺寸小，瞬時輸出功率達 3540 瓦每平方厘米，但連續(xù)振動時只能達到它的 1/5 左右，即 78瓦每平方厘米（無冷卻散熱條件）；（ 2）電聲轉(zhuǎn)換效率高達 90%；（ 3）抗拉強度低，設(shè)計、裝配和工作時易損壞；（ 4）超聲振動系統(tǒng) 的設(shè)計、制造和調(diào)整的精度要求較高；（ 5）頻率范圍窄；（ 6）價格便宜；（ 7）冷卻方式簡單；（ 8）換能器與變幅桿一般采用螺紋連接。換能器與變幅桿之間的結(jié)合面以及其他結(jié)合面的加工質(zhì)量、連接螺紋的加工質(zhì)量對振動參數(shù)都有影響。 而對于磁致伸縮換能器，磁致伸縮換能器的特點：（ 1）在工作條件變化很大的情況下使用時，切削力的變化以及振動系統(tǒng)自身的一些變化對工件振動形態(tài)的影響??；（ 2）機械強度高，振動系統(tǒng)使用安全可靠，換能器的壽命長；（ 3）頻率范圍寬，因而工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點；（ 4）每單位面積的輸出功 率可達 3040瓦每平方厘米；（ 5）換能效率低，一般為 30%40%。(6)鎳片價格昂貴；（ 7）鎳片換能器與變幅桿之間一般采用釬焊連接；（ 8）一般采用循環(huán)水冷卻方式，因而需附加冷卻水冷卻系統(tǒng)。 從以上特點可以看出，兩種換能器各有利弊。因此在選擇換能器的種類時，要根據(jù)加工的具體條件加以分析。雖然磁致伸縮換能器頻率范圍寬，工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點，然而其換能效率低，損耗的能量轉(zhuǎn)化成熱量，因此需要冷卻系統(tǒng)，這樣一來會使輸出端結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而壓電換能器正好能克服上述缺點，它的體積小，機械諧振頻率低， 輸出振幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高，不需要冷卻設(shè)備，為旋轉(zhuǎn)加工提供方便。因此，本設(shè)計采用壓電換手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 10 能器。 變幅桿的擬定 對于變幅桿 [15]的擬定，如表 21 不同類型變幅桿優(yōu)缺點對比，不同形狀的變幅桿都有各自的優(yōu)缺點，在此選擇圓錐形。 表 21 不同類型變幅桿優(yōu)缺點對比 變幅桿類型 優(yōu)點 缺點 指數(shù)型 共振頻率范圍較寬，傳遞功率大 制造較困難，放大系數(shù)不大，當(dāng)采用半波長時，大系數(shù) Mp不宜超過 16 圓錐形 制造容易，機械強度大 放大系數(shù)小，一般放大系數(shù)Mp=，共振長 度最長 雙曲函數(shù)型 放大系數(shù)大，允許 Mp=2030 制造困難，當(dāng)采用大的 Mp時，常因應(yīng)力過大而破裂 階梯型 制造容易，面積系數(shù) N一定時，放大系數(shù)最大，共振長度最短 不適于傳遞大功率，共振頻率范圍較小 總體方案的確定 綜上，傳動部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用聯(lián)軸器傳動，然后輸出端再連接由壓電換能器和圓錐行變幅桿組成的超聲振動系統(tǒng)，這樣組成小型超聲切割機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 11 3 超聲振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 超聲振動系統(tǒng) 超聲波聲學(xué)系統(tǒng)也稱為聲學(xué)部件或超聲振動系統(tǒng)，它是實現(xiàn)超聲加工必不可少的 部分。超聲振動系統(tǒng)由換能器和變幅桿組成，裝在變幅桿端部的工具作為變幅桿的負載，也作為超聲振動系統(tǒng)的一部分。圖 31所示為超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 1. 鎖緊螺栓 圖 31 超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 手持式超聲振動切割機的機構(gòu)設(shè)計 12 換能器的設(shè)計 超聲換能器 [9]是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。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)換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進而實現(xiàn)對工件的超聲加工處理。 本設(shè)計采用的縱向夾心式壓電換能器 ，這種換能器能沿著縱向產(chǎn)生較大的振幅且輸出功率較大。它的基本結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷片、電極片、連接螺桿、前后蓋板以及絕緣管組成。由于此基本結(jié)構(gòu)尺寸比較大，本設(shè)計采用的是四分之一波長縱向夾心壓電換能器，如圖 31所示?？梢越频刂豢紤]軸向應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系。 由胡克定律： xYxSFT ????? ?)( 式中 T — 應(yīng)力； F — 彈性力； )(xS — 任意位置處的 截面積； Y — 楊氏彈性模量； x??? — 應(yīng)變； 則節(jié)圓的一元段應(yīng)用牛頓第二定律 ： ? ? ? ? 22tdxxSxxSxYdF ??