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1、摘要旋转超声加工中刀具以必然超声频振动的同时还作相对于工件的旋转。刀具通常常利用低碳钢作为基体，表面涂覆或烧结一层金刚石磨粒。因此转超声加 工是一种结合了传统超声加工去除材料机理和金刚石磨抛作用的一种复合加工 方式。与超声加工相较，旋转超声加工能够提供高的多的材料去除率，能加工更 深的孔，及取得更高的加工精度，因此也取得了更为普遍的运用。若与数控技术 相结合就可以够用于进行硬脆材料的的成型加工。实践证明它是一种加工硬脆材 料，如陶瓷、玻璃和岩石的有效方式。超声加工装置由超声波发生器，换能器和变幅杆组成。而旋转超声加工装置 则需要进一步考虑如何实现旋转。本文在分析原有的超声加工装置的基础上，提
2、出了一种新型的旋转超声加工装置，它可应用与数控机床与铣床上，并可实现主 轴头的摆转，能够方便的加工斜面与斜孔。关键词：旋转超声加工，加工装置 ，主轴摆转AbstractRotary ultrasonic machining superimpose rotational movement on the tool head that vibrates simultaneously at ultrasonic freqency .The tool is made of mild steel coated or bonded with diamond is a hybrid machining pro
3、cess which combines the material removal mechanisms of conventional ultrasonic machining and diamond with ultrasonic machining ,it can provide a much high material removol,deep holes,and fine precision,which leads to its further application. And it has been proved to be a promising and cost-effectiv
4、e machining method or hard and brittle materials, such as engineering ceramic, glass, stone,.Ultrasonic machining equipment consists of ultrasonic generator，transducerand hornRotary ultrasonic machining need to consider how to realize the rotate of the this paper ,I analyse the device which have be
5、designed,and put forward a newt vibrating system of rotary ultrasonic can be assembled on the numerical control machine， vertical milling machine. And it also can realize the wiggle of the device,in order to machine inclined hole and face conveniently.KEY WORDS：rotary ultrasonic machiningprocess dev
6、ice spindle swinging目录超声加工的提出及其分类 4.超声振动装置及机床的研制进展 5.选题的目的、意义及工作任务81.3.1选题的目的、意义 8.1.3.2课题主要工作内容及任务 1. 0本章小结1.0第 2 章 旋转超声加工装置的整体设计 11超声波加工原理及其特性 11旋转超声加工的大体原理 132.2.1 超声振动的捶击作用 132.2.2 金刚石匠具的磨抛作用 142.2.3 超声空化作用 142.2.4 液压冲击和旋转运动增进了碎屑的排出 14旋转超声振动加工装置的主要组成 152.3.1 超声波发生器 152.3.2 超声换能器 162.3.3 超声变幅杆 18
7、各组成部份的连接与固定 192.4.1 变幅杆和换能器的连接 192.4.2 变幅杆的固定 202.4.3 超声波发生器与超声振动系统的连接 20旋转超声振动系统的设计 202.5.1 对已有的超声加工装置进行分析 202.5.2 旋转超声加工机构装置结构上的实现方式 232.5.3 旋转超声加工装置的整体结构的初步设计 24本章总结 25第 3 章 旋转超声加工装置细节性设计计算 25已知条件： 25超声换能器设计 253.2.1 压电陶瓷片的设计 263.2.2 前后盖板的选材 273.2.3 夹心式换能器计算 27变幅杆设计 283.3.1 变幅杆的材料 283.3.2 变幅杆参数设计
8、293.3.3 连接及定位方式设计 33内外桶，端盖及密封装置设计 343.4.1 内外筒设计 343.4.2 端盖及密封装置的设计 343.4.3 法兰盘设计 35主轴的设计 35主轴头摆转功能实现的设计 36致 谢 36参考文献 371 绪 论超声加工的提出及其分类随着生产进展和科学实验的需要，很多工业部门，尤其是宇航、国防工业部要 求产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向进展，所用的材料愈来愈难 加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英和钨、硅等各 类高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工；工件形状愈来愈复杂，精 度、表面租糙度
9、和某些特殊要求也愈来愈高。传统的切削加工的本质和特点：一是刀具材料比工件更硬；二是靠机械能把工件材料切 除。但当工件材料愈来愈硬，零件结构愈来愈复杂的情形下，原来行之有效的方式转变成限 制生产率和影响加工质量的不利因素。于是人们开始探索、发掘用软的工具加工较硬的工件 材料，不仅用机械能而且还采用电、化学、光、声等能量来进行加工的特种加工方式，超声 加工技术就是在此背景下进展起来的。采用超声加工，能够对上述难加工进行经济加工。实 践证明超声加工在硬脆性材料加工方面是仅次于磨削加工的一种高效加工方式。超声技术在工业中的应用开始于上个世纪10 到20年代， 以经典声学理论为基础，同 时结合电子技术、
10、计量技术、机械振动、相关技术和材料学等学科领域的成绩进展起来的一 门综合技术。超声技术的应用领域可划分为功率超声和检测超声两大领域。其中，功率超声 是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或使这种 状态改变加速的一门技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征，大致分为两 类，一类是带磨料的超声磨料加工（包括游离磨料和固结磨料） ，另一类是采用切削工具 （如车刀、冲头、压头、钻头、砂轮、铣刀）与其它加工方式相结合形成的超声复合加工， 其分类繁多，参见图 1-2。这里只要讨论功率超声加工在孔及面磨抛方面的应用。超声振动装置及机床的研制进展超声振动系统主要由换
11、能器、变幅杆和工具头等部份组成，是超声设备的核心部份。在 传统应用中，超声振动系统多数采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但最近 几年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工 作方式、设计计算、及其应用研究都取得了新的进展。日本成功研制成一种新型“纵弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机 上成功应用。该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷，上下各两片，组成上下两个半圆形压 电换能器（压电振子），产生“纵弯”型复合振动，其特点是小型化，结构简单，刚性增 强。日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。该设 备将会刚石中
12、心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，并能检测钻孔力的转变和钻孔精度, 和孔的表面质量。用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验，实验结果表明：将 金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方式。我国东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发 生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部份组成。当发生器输 出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装 置的特点足：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达 90左右，而且结构简 单、体积小，便于操作。沈阳航空工业学院成立了镗孔
13、用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩 换能器，扭转变幅杆作纵向振动时在扭转变幅杆的小端输出沿圆周方向的扭转振动。镗刀与 扭转变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率500W,频率为1623 kHz,具有频率自 动跟踪工能。西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置 。该装置 由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用 纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中利用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、 制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证， 结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此本钱低廉，
14、适合在生产中应用。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。美国 Branson 声 能公司前后制成 UMT-3 和 UMT-5 两种超声旋转加工机。 UMT 的主轴旋转精度 0002 英寸，转速为05000转/分，工具的最大尺寸为巾38毫米，在玻璃板上已加工出直径 毫 米深达 305 毫米和直径 1 毫米深 300 毫米的孔。美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋 转加工陶瓷材料去除率模型的计算方式， 并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，肯定了材料 去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的进展。在第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，德国DM
15、G公司展出了其新产品DMS35 Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min,特别适合陶瓷、 玻璃、硅等硬脆材料的加工。与传统加工方式相较，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度 Ra um，可加工精密小孔，可谓硬脆材料加工设备性能的新飞跃。国内机电部第十一研究所范国良等人研制的用于加工 YGA 激光晶体棒的 T3030-3/ZV 超声旋转加工实验样机，已成功用于 YAG 激光晶体棒的成行加工。该机工作 频率7-22KHZ,功率400W，加工晶体棒直径310mm,加工精度：圆度，圆柱度一 般为 。另外，国内众多高校及研究所，如天津大学、太原理工大学、四川大学、哈尔滨工 业大学等也开展了旋转超声加工装置及加工进程的研究。各国生产的加工机床规格如表1-1 所示表 1-1 各国产加工机床规格苏联4715UZS-5UZS-5ZUPSME-2SUZS-5M4H)0280010001000-50001005001IK-2218-2216.5181S-2O60-50-500.8-25日本岛ED理化二业公司USM 1. OOF-IAU$M 5to-iAUSM 1. 00D-2A.10050(100019il.d
