【正文】 與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。 結(jié)構(gòu)參數(shù) 根據(jù)變幅桿的基本知識(shí)及實(shí)際的應(yīng)用。其組成部件十分簡(jiǎn)單，除壓電陶瓷、電極需要買賣外，其余部件可通過車削 45 鋼的方式得到。 超聲波換能器的設(shè)計(jì) 由于壓電式換能器較易實(shí)現(xiàn)，這里設(shè)計(jì)選擇壓電陶瓷型換能器。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。 圖 212 三段復(fù)合變幅桿 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 14 頁共 45 頁 14 3 小型超聲波鉆床設(shè)計(jì) 根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設(shè)計(jì)出一臺(tái)簡(jiǎn)單的超聲波鉆床，并且通過與普通鉆床其性能進(jìn)行對(duì)比，探討總結(jié)出超聲波鉆床的工性能。如果兩等截面桿的長(zhǎng)度相等，則構(gòu)成具有變截面過渡段的階梯形變幅桿。 圖 212 為三段復(fù)合變幅桿。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。單一變截面桿如圖 211 所示。 在實(shí)際應(yīng)用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負(fù)荷的變化而變化的幅度要小，彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)，彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關(guān)。其中 Mp 是指變幅桿工作在共振頻率時(shí)，輸出端與輸入端的 質(zhì)點(diǎn)位移或速度的比值；形狀因數(shù)ψ是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動(dòng)速度 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13 頁共 45 頁 13 的指標(biāo)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(dá)到最大振動(dòng)速度也越大。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。其中縱向振動(dòng)變幅桿可分為簡(jiǎn)單形、復(fù)合形。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)幅輻射超聲能量時(shí)，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開，使換能器避免被腐蝕，減少受到熱的影響。超聲變幅桿還可以作為機(jī)械阻抗變換器，在換能器和負(fù)載之間架起橋梁，進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負(fù)載傳輸。 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。 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(zhǎng)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。 圖 29 壓電換能器的工作原理 利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場(chǎng)換為交變電場(chǎng)時(shí)，壓電片就會(huì)產(chǎn)生與交變電場(chǎng)同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。 。外加電場(chǎng)起到了使壓電片的極化強(qiáng)度增大的作用。 (2)壓電換能器 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jìn)行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場(chǎng)。 B、環(huán)形換能器 環(huán)形磁致伸縮換能器也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、退火等工藝制成其結(jié)構(gòu)形式如圖 28 所示。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。 因 為金屬材料的電阻率低，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。 圖 27窗式磁致伸縮換能器 這種換能器的特點(diǎn)是從兩端面輻射超聲波。由于它是由許多薄片集成而成，疊片上有孔，所以被稱為窗式換能器。當(dāng)線圈中通以一定直流電流 Io 產(chǎn)生最佳偏磁場(chǎng) Ho后，再通過以交變電流 I使其產(chǎn)生交變磁場(chǎng) H~，使 H~重疊于 Ho 之上，由此鐵芯中的磁場(chǎng)將在 Ho水平上變化。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。 超聲波換能器 超聲換能器是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。一般放大器與負(fù)載 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 9 頁共 45 頁 9 之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)很重要的內(nèi)容 —— 調(diào)諧，即選用一定值的電抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。其工作原理圖如下圖 2圖 25 所示。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。電路圖如下圖 23所示。習(xí)慣上，把前一種稱為它激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱為自激式超聲波發(fā)生器。 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(gè)一定頻率的信號(hào)，用以推動(dòng)后面的放大部分。 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。 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。同樣，當(dāng)位移振幅一定，而頻率增高時(shí)，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動(dòng)能量 的損耗將增大。超聲加工常用的頻率是從 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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。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。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。這樣，當(dāng)工具頭作縱向振動(dòng)時(shí)，就沖擊磨料顆粒，磨料顆粒又沖擊加工表面，超聲加工主要是利用磨料顆粒的“連續(xù)沖擊”作用。主要由超聲波發(fā)生器、換能振動(dòng)系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和工作臺(tái)等部分組成。 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 。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。 超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。 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。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。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和新加波等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)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。 ③ 振動(dòng)切削機(jī)理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。 (3) 對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理深入研究 當(dāng)前和今后一 個(gè)時(shí)期對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理的研究將主要集中以下幾個(gè)方面： ① 在振動(dòng)切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。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。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(jì)說明書（論文） 第 4 頁共 45 頁 4 幾何參數(shù)外，在振動(dòng)切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對(duì)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(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。 超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和未來展望 隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動(dòng)切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。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。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。研究指出，研磨軌跡的增長(zhǎng)和超聲振動(dòng)脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。該研 究對(duì)其他玻璃材料的加工具有一定參考價(jià)值。 同濟(jì)大學(xué)對(duì)超聲加工建筑玻璃小孔的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，探討了工具振動(dòng)的振幅、頻率、工件材料、進(jìn)給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律。 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)。 山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對(duì)大理石的孔加工進(jìn)行了研究，并與陶瓷材料進(jìn)行了對(duì)比研究。另外，工具電極的超聲振動(dòng)還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術(shù)對(duì) Al2O3/(W， Ti)C、 Al 2O3/Ti B 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁共 45 頁 3 Al2O3/TiB2/SiCw3 種 Al2O3 基陶瓷刀具材料表面定位方孔進(jìn)行加工，研究了其加工機(jī)理和加工參數(shù)對(duì)不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。 美國(guó)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(jì)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(dòng)了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。 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。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對(duì)材料去除機(jī)制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會(huì)引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯(cuò)位，而高沖擊力會(huì)導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。 英國(guó)阿伯丁大學(xué)國(guó)王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時(shí)工藝參數(shù)對(duì)材料去 除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對(duì)沖擊力的特性進(jìn)行了研究，提出了一種新的材料去除率的計(jì)算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。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(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。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。實(shí)驗(yàn)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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了 Ti 合金深小孔的超聲電火花復(fù)合加工。該方法是在鉆孔后對(duì)孔進(jìn)行精加工處理，通過機(jī)械 —— 超聲強(qiáng)化處理，在普通機(jī)床上達(dá)到精鉸、研磨的精度，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 1998 年又成功地加工出直徑為 φ5μm 的微孔。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。英國(guó)申請(qǐng)了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。在美國(guó)，利用工具旋轉(zhuǎn)同時(shí)作軸向振動(dòng)進(jìn)行孔加工已取得 了較好的效果。采用超聲加工則可有效解決上述問題。例如，切削液很難進(jìn)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。一般來說，孔加工工具的長(zhǎng)度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。對(duì)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。超聲波加工技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高新技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 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。本設(shè)計(jì)方案主要滿足了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、操作方便、能實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向動(dòng)作等要求，很好的滿足了超聲鉆加工的進(jìn)給與裝夾。 論文著重介紹了超聲波加工系統(tǒng)基本組成和超聲波加工的特點(diǎn)，如發(fā)生器、換能器、變幅桿和超聲磨料加工等，并通過超聲波加工中典型加工方式 —— 超聲波鉆進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、研究和 分析，最終得出超聲波加工的特點(diǎn)，對(duì)超聲波加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了很好論證。 答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人 (簽字 )：