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1、l摘要摘要: :超声波加工是一门重要的特种加工技术，超声加工的总概述：其分为超声车、铣、磨、钻等。超声振动磨削是一种特殊的切削加工的方法,这种加工技术对于加工陶瓷、高强度复合材料以及硬脆材料具有独到的优势。本文从超声振动声学子系统设计超声振动磨削机构。从声学角度和波动方程角度分别介绍了变幅杆设计的理论基础。 设计了机构与工件相连接以及机构与机床相连接装置。这个超声振动磨削机构，可以直接装配到一般普通机床上直接使用，因此非常方便。这种新型机构可以作为一种机床附件，它具有体积小、结构简单、成本低、可加工大型工件的优点，对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。关键词：关键词：超声波发生器，换能
2、器，变幅杆，珩磨头。 lABSTRACT:The ultrasonic machining is an important special machining technology, is the supersonic processing total outline: It divides into the supersonic vehicle, the mill, to rub, to drill and so on. The ultrasonic vibration grinding is one special machining method, this kind of proces
3、s technology regarding the ceramics, the high strength compound materials as well as the hard crisp material has the original superiority. This article from ultrasonic vibration acoustics system design organization. Introduced the amplitude pole design rationale from acoustics angle and the wave equ
4、ation angle. Has designed the organization and the work piece connects as well as the organization and the engine bed junction device. Designs this ultrasonic vibration grinding organization, may assemble directly to the engine bed on the direct use. This kind of new organization may take one kind o
5、f engine bed appendix, has the volume to be small, the structure is simple, the cost low merit, has the vital significance to the ultrasonic machining as well as engine beds development. KeyKey wordswords: Ultrasonic generator, transducer, amplitude pole, top horizontal jade piece wheel head.l目目 录录第
6、一章第一章 绪绪 论论51.1 引言 .51.2 超声振动磨削机构概述 .51.3 超声波的产生及其特性 .61.4 超声波加工发展概况 .71.5 课题研究的内容 .7第二章第二章 超声振动磨削系统的总体机构设计超声振动磨削系统的总体机构设计92.1 引言 .92.2 超声振动磨削系统的结构设计 .92.2.1 超声波机床与普通机床的异同点： 92.2.2 超声振动磨削系统基本结构的确定.10第三章第三章 超声振动磨削机构声学子系统的设计超声振动磨削机构声学子系统的设计.123.1 超声波发生器与换能器 123.2 超声变幅杆的设计 143.2.1 变幅杆的功用.143.2.2 变幅杆的振动
7、形式及特点.153.2.3 变幅杆的类型分析和比较.163.2.4 变幅杆类型的选择.183.2.5 变幅杆材料的选择.193.2.6 变幅杆的设计与解析.203.2.7 变幅杆各参数的计算.253.2.8 变幅杆与换能器的连接.273.2.9 变幅杆的固定.273.3 轴瓦的设计与连接.283.4 外固定套的设计与连接293.5 油石的选择30l3.6 螺钉 、双头螺柱、 垫圈和梯形螺栓的选择323.6.1 螺钉的选择 .323.6.2 双头螺柱的选择 .323.6.3 垫圈的选择 .333.6.4 梯形螺栓的选择 .33第四章第四章 超声振动磨削机构建模超声振动磨削机构建模344.1 三维
8、建模软件344.2 对超声振动磨削机构进行建模.394.2.1 变幅杆的三维建模与三维建模步骤.394.2.2 刀杆的三维建模与三维建模步骤.404.2.3 轴瓦的三维建模与三维建模步骤.414.2.4 支架的三维建模与三维建模步骤.424.2.5 超声振动磨削机构的三维建模与三维建模步骤.43第五章第五章 结论和展望结论和展望445.1 结论445.2 展望44参参 考考 文文 献献45致致 谢谢46附录一附录一 英文科技文献翻译英文科技文献翻译.47附录二附录二 毕业设计任务书毕业设计任务书.66l超声振动磨削机构的设计与建模超声振动磨削机构的设计与建模第一章第一章 绪绪 论论1.11.1
9、 引言引言 随着科学技术的迅速发展和激烈的市场竞争，加快了产品更新换代的步伐，为此，各种新材料、新结构、高要求的零部件大量涌现，这对机械制造业提出了新的要求。解决各种难磨削材料尤其是硬脆材料及复合材料的加工问题成了一个急待解决的问题。传统加工方法难度大、质量差、特种加工也就应运而生。特种加工包括电火花加工、超声波加工以及激光加工等。其中，超声波加工适合于加工各种硬脆材料，尤其是加工难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、半导体等材料。因此在现在的加工中得到了广泛的应用。但是，超声波机床具有体积大、成本高的缺陷。还有加工的尺寸受到限制。为此，本文提出了一种新型的超声振动磨削机构，该新型结构可
10、以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可加工大型工件的优点，该机构可以直接安装在车床上即改变了传统的车床只能切削工件而不能珩磨工件的缺点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。1.21.2 超声振动磨削机构概述超声振动磨削机构概述超声振动磨削机构中的声学系统包括有：超声波发生器、换能器、变幅机构和珩磨头。超声波发生器是将 220V 或 380V 的交流电变成有一定功率输出的超声频电信号，即把电信号转变成超声频电信号;而超声频电信号通过换能器的作用把其转换成机械信号，机械信号通过变幅杆的变幅作用把振幅或速度放大传递给珩磨头进行超声振动珩磨。1.31.3 超声波的产生及其特性
11、超声波的产生及其特性声波与光波、电磁波一样，都是因物体在介质中发生振动，介质各点之间存在弹性联系，引起相邻各点的振动从而形成的纵波。声波是人耳能感受到的一种纵波。其频率范围是 1616000Hz。当声波的频率低于 16Hz 时就叫次声波，l高于 16000Hz 则称为超声波、加工用超声波的频率为 16000-25000Hz。图 1-1 压电晶片受外力影响下的形变它是由压电晶片(如石英、钦酸钡、错钦酸钡等)的逆压电效应产生的。如图 1- 1 所示，当压电晶片受到某一规律的压缩和拉伸时(晶片厚薄亦产生规律性变化)，在晶片两面产生相同电压变化，称为正压电效应。反之，把某一规律变化的电压加在压电晶体片
12、两面上，它就作相应机械振动，称为逆压电效应。当压电晶片受到来自高频(20kHz)发生器的高频电压作用而发生逆压电效应时，晶片在其厚度方向发生变薄及变厚的振动，晶片周围介质点亦相应振动，这个振动在介质中传播，即形成超声波。在现在的生产加工中，超声波的应用非常广泛.它具有如下特性:1. 超声波可在气体、液体和固体介质中传播，其传播速度与频率、波长、介质密度等有关，2. 声波能传递很强的能量。超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力。因此可用压力大小来表示超声波的强度，传播的波动能力越强压力也就越大。3. 超声波会产生反射、干涉和共振现象。出现波的叠加作用，使弹性杆中某处质点始终不动。1.4
13、1.4 超声波加工发展概况超声波加工发展概况国际方面：自 19 世纪末到 20 世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。 l1922 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。 40 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 我国超声波加工始于 50 年代末
14、期，曾掀起一阵群众性的“超声热” ，由于超声电源、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来。60 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。1976 年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。1983 年，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会” ，1985 年，机械电子工业部第 11 研究所研制成功旋转超声加工机，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。80年代后期，天津大学的李天基等人在高速磨削时对磨头施以超
15、声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有了大幅度提高。北京装甲兵技术学院提出了一种“超声微振车削”的新工艺、其特点是功率小、振幅小，同样可获得一般振动车削效果。清华大学王先速等进行了 45 号钢制成的超声砂带研抛的实验研究。1.51.5 课题研究的内容课题研究的内容课题研究的内容有以下六点：1. 超声加工机床进行分析，通过和普通机床的比较，研究一种新的机构，使其可以安装在普通机床上便可进行超声加工。2. 变幅杆是超声波机床振动系统的重要组成部分，本文将从声学角度和波动方程角度来探讨变幅杆的设计和珩磨头的设计问题。3. 对变幅杆进行结构分析和动
16、力学分析。4. 为满足不同用户的要求，以超声电源功率 250W 的磨削头结构为基型产l品，对其进行系列化设计。5. 对超声振动磨削机构进行三维建模。6. 对本课题的内容做出结论和展望。l第二章第二章 超声振动磨削系统的总体机构设计超声振动磨削系统的总体机构设计2.12.1 引言引言超声波加工在硬脆材料及复合材料的加工方面具有其它加工方法无可比拟的优越性，正日益成为加工硬脆材料的重要方法之一。因此，对超声加工机床的研究工作也必将提出越来越高的要求，但是机床设计过程中的一些主要设计参数，如加工负载阻抗、换能器和变幅杆的损耗功率等，尚难精确计算和测量，加工设备换能器，变幅杆材料性能参数差异较大，这就对进行合理设计带来困难。此外，关于加工机本体设计为了更适合超声加工的特点，也还在不断改进和完善之中。为满足市场对超声磨削加工机不断增长的需求，本章设计了一种新型超声磨削系统
