【正文】 ..................................... 38 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁共 45 頁 1 1 緒論 超聲波加工技術(shù)是高新加工技術(shù)之一，也是當(dāng)今世界各國一個(gè)熱門的話題。 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。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。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。 前蘇聯(lián)在 20 世紀(jì) 60 年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床。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。整個(gè)加工過程分兩個(gè)階段進(jìn)行：首先用超聲振動(dòng)將非導(dǎo)電層去除掉，當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時(shí)，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進(jìn)行加工。 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。湘潭大學(xué)進(jìn)行了內(nèi)圓表面的超聲光整強(qiáng)化研究。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。該工藝將超聲振動(dòng)引入 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁共 45 頁 2 到精密電火花加工中，通過研究超聲振動(dòng)對電火花精加工過程的影響，開發(fā)出了一種將超聲和電火花結(jié)合在一起的新型 4 軸電火花加工裝置。 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比實(shí)驗(yàn)。 難加工材料的超加工 金 屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、 高 溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對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)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對 Al2O3 陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。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，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。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。 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，該復(fù)合加工技術(shù)有效地結(jié)合了超聲加工和放電加工的特點(diǎn)，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。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。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺階。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。 北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動(dòng)引入普通聚晶金剛石 (PCD)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析 PCD 材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機(jī)理的基礎(chǔ)上，對 PCD超聲振動(dòng)研磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究。 淮海工學(xué)院對燒結(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。 沈陽工業(yè)學(xué)院研究了采用電鍍金剛石 工具頭對瑪瑙進(jìn)行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān)系。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。 (1) 研制和采用新的刀具材料 在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機(jī)械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。 (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。在日本，超聲振動(dòng)切削裝置通?？奢敵龉β?1 kW，切削深度為 ～ mm。 ② 振動(dòng)切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。 (4) 超聲橢圓振動(dòng)切削的研究與推廣 超 聲波橢圓振動(dòng)切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。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。尤其是對硬 脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究?？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。一方面，材料加工的客觀需要推動(dòng)和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強(qiáng)有力加工手段，又促進(jìn)了新材料的發(fā)展。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。 超聲波加工的基本裝置如圖 21 所示。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。由于超聲振動(dòng)的加速度是非常大的，所以磨料顆粒的加速度（或沖擊力）也是非常大的。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。 另外，磨料懸浮中的超聲空化效應(yīng)對加工也有很大的作用。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，否則會使振動(dòng)系統(tǒng)超出疲勞強(qiáng)度范圍而損壞。因此，一般多采用比較低的超聲頻率。如下我將主要部分作進(jìn)一步介紹。其模擬電路超聲波發(fā)生器組成如下圖 22所示。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)。其震蕩器的類型有： RC 正弦波震蕩器、 LC 正弦波震蕩器、壓控震蕩器等。 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放大至所需電平。 ①橋式功率放大器 橋式功率放大器可分成半橋式功率放大器和全橋式功率放大器兩種形式。 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。只有在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常地工作。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)對工件的超聲加工處理。 (1)磁致伸縮換能器 ①磁致伸縮換能器的工作原理 磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料制作的鐵芯外面纏繞而成，如圖 26 所示。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。其結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁共 45 頁 10 形式如圖 27 所示 。通常采用的疊片厚度為 ~。疊片上有孔，在疊片中形成閉合磁回路，漏磁少，并有利于散熱。通常，輻射面的形狀采用正方形。 圖 28 環(huán)形磁致伸縮換能器 這種類型換能器的特點(diǎn)是：當(dāng)線圈中同時(shí)通過偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應(yīng)力的作用，沿圓周產(chǎn)生長度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動(dòng)，可以自圓環(huán)內(nèi) 側(cè)面 (圖 28 a ) 或外側(cè)面 (圖 28 b )向周圍介質(zhì)輻射超聲波。有兩種情況出現(xiàn)： 。極化強(qiáng)度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長的形變。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。當(dāng)外加電場頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時(shí)，壓電片振動(dòng)最大，聲輻射也最強(qiáng)烈。其結(jié)構(gòu)圖形如下圖 210所示。在超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動(dòng)幅度較小，所以必須借助變幅桿的作用將機(jī)械振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移量和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。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。 變幅桿可分為縱向振動(dòng)變幅桿、彎曲振動(dòng)變幅桿。簡單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。 （ 1）單一變幅桿 超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長度 L,放大系數(shù) Mp，形狀因數(shù)ψ，位移節(jié)點(diǎn)xo，輸入力阻抗 Zi 和彎曲勁度參數(shù)加以描述。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)。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實(shí)際應(yīng)用中這是需要避免的。 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。在有些應(yīng)用場合需要特別高的振動(dòng)速度時(shí)，也常用到長度滿足共振條件的復(fù)合形變幅桿。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。當(dāng)Ⅰ或Ⅲ的任一段為零，則可構(gòu)成兩段復(fù)合變幅度桿 。 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。 超聲波發(fā)生器的選用 由于超聲波發(fā)生器內(nèi)部電路等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 由于知識有限這里進(jìn)行適當(dāng)選用即可。 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由壓電陶瓷的“逆壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換成機(jī)械的振動(dòng)。實(shí)物如下圖 32所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 15 頁共 45 頁 15 圖 32 超聲波換能器 變幅桿設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) （ 1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強(qiáng)度高、易加工的結(jié)構(gòu)鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼； （ 2）大圓錐體端部與超聲換能器配合，度表面的粗糙度 有較高的要求，一般性的選 （ 3）變幅桿的小端圓柱半徑 R2 大小直接影響放大倍數(shù)，故 R2不易取太大； （ 4）變幅桿的聯(lián)接采用細(xì)牙螺紋，以免振動(dòng)過程中松脫。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。 圖 33變幅桿結(jié)構(gòu)圖 對于圓錐平滑彈性體： 頻率方程如下： 1 1 2ta n 3 c o t 2 .22RRkl kl kl R??? 31 振 幅放大系數(shù)為： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 16 頁共 45 頁 16 1 sin 2.2 cos 3R klM R kl? 32 由上式可知：放大系數(shù)與 R R L L2 有關(guān)， L3 又由 L2 確定的，因此，只要知道R R L2，那么整個(gè)變幅桿的尺寸就可以確定。 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。介質(zhì)彈性模量：E= N