超声振动钻削机构设计

目次
1．绪论 (3)
1.1.引言 (3)
1.2.课题的来源及其研究的内容 (3)
1.3.超声振动钻削机构概述 (4)
1.4.超声波的产生及其特性 (5)
1.5.超声波的加工原理及特点 (6)
1.6.超声波加工发展概况 (7)
2．超声振动钻削系统的结构设计 (9)
2.1.引言 (9)
2.2.超声振动钻削系统的结构设计 (9)
3．超声振动钻削机构声学系统的设计 (13)
3.1.超声波发生器与换能器 (13)
3.2.超声变幅杆的设计 (14)
4．钻头夹具的设计与连接 (30)
4.1.钻头夹具的选取与设计 (30)
4.2.钻头夹具与变幅杆的连接 (31)
5．其他零部件的设计 (32)
5.1.其他零部件的设计 (32)
6．校核与计算 (34)
6.1.轴承的计算 (34)
6.2.内轴套的校核 (34)
设计总结 (36)
致谢 (39)
参考文献 (40)
第一章绪论
1.1引言
自上世纪50年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的需要，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量和性能价格比。

为此各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，这些都对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。

因此，一些材料采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，特种加工便应运而生。

超声波加工是特种加工的一种，它始于1927年，至今已有70多年的发展历史。

它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料已达到加工目的的加工方法。

提到超声波加工，不能不提到超声波加工设备——机床。

多年来，人们不断改进超声波加工机床，通过不断努力，使其取得了很大的进展，超声波加工效率提高了数倍，但它还是有很多的缺陷需要改进，本文将对超声波加工机提出一种新概念。

1.2课题来源及其研究的内容
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。

解决各种难切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旋转超声复合钻削机构，它的具体结构将会在第二章中得到具体阐述。

该新型结构可以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可技工大型工件的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。

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，研究一种新的结构，使其可以安装在普通机床上便可进行旋转超声加工。

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刀具的设计问题。

3、对变.隔杆进行结构分析和动力学分析，分析其最大应力和振幅的变化曲线。

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品，对其进行系列化设计。

5、通过实验验证该结构的可行性，并且对其进行超声加工的效率和质量进行研究，以验证其是否达到专用机床的要求。

6、对本课题的内容做出总结和展望。

1.3 超声振动钻削机构概述
超声振动钻削是近代出现的一种特殊的切削加工的方法，是对难加工材料或难加工工序进行加工的有效方法之一。

它是在传统的钻削过程中给钻头（或工件）加上某种有规律的、可控的高频振动,在切削参数优化的条件下，以达到改善钻削性能的一种本质的新颖的加工方法。

即超声振动钻削是将振动驱动装置的高频信号，通过一定的转换放大装置后变为机械位移附加到钻头或工件上，使之工具或工件以振动频率f，振幅a，在钻削方向上按正旋波形作强迫振动，为了得到良好的效果，要求切削速度V与振动参数f，a之间 2的条件，以形成的一种脉冲式的变速断续的切削过程。

因此，欲保持V<af
完成超声振动钻削工艺，就需要设计一套声振系统：振源――放大系统――连接装置――工具或工件等装置。

具体讲需要设计产生高频信号的超声振动源（即超声波发生器）、将电信号变为机械信号的换能器、为实现工具振动必须放大的变幅杆、连接工具并与之适配的标准夹头及钻削工具等零部件。

工作时，超声波发生器产生的高频电振荡通过换能器变成机械振动，再由变幅杆把这种微小的机械振动加以放大并传递给由标准夹头连接的工具上使工具或工件产生规则的强迫振动并利用这种振动进行钻削加工。

超声振动钻削与普通钻削的区别是在钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。

超声振动钻削装置主要有三种形式①轴向振动装置，即振动方向与钻头轴向方向相同的装置。

②扭转振动钻削装置，即振动方向与钻头旋转方向相同的装置。

③复合振动钻削装置，即轴向振动与扭转振动的叠加的装置。

1.4 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16—16000Hz。

当声波的频率低于16Hz时就叫次声波，高于16000Hz则称为超声波、加工用超声波的频率为16000-25000Hz。

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1一1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
4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，强化了加工过程的进行。

1.5 超声波加工原理及特点
超声波加工是利用工具作超声振动，并沿工具头振动方向施加一定压力，通过液体磨料来加工材料。

超声波加工的基本原理是:加工时，超声波发生器通过换能器产生超声波(频率通常为16—25kHz)，此波因振幅太小，仅0.005—0.01mm，不能用于加工，需通过变幅杆放大至0.01—0.1 mm，再传给工具。

此时，工具与工件之间充满了液体(水或煤油)与磨料(氧化铝或碳化硅等)混合的悬浮液。

工具以很小的压力压在工件上。

工作液中悬浮的磨粒在工具的超声振动下，以高速不断冲击工件加工表面，使该表面受到很大的压强而产生材料的变形，当应力超过其强度极限时，材料将发生破坏而成粉末状去除。

同时由于悬浮工作液的扰动，促使磨粒以高速抛磨工件的加工表面。

此外，悬浮工作液受工具端部的超声振动而产生的“空化”现象在工件表面形成液体空腔，促使液体渗入被加工材料的缝隙处，而空腔的瞬时闭合又引起强烈的液压冲击，加快了工件材料的机械碎除作用，并有利于加工区域磨料悬浮液的均匀搅拌和磨蚀产物的排除。

磨料悬浮液的循环流动使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒，工具逐渐渗入到材料中，工具形状便复现在工件上。

因此，超声加工是磨粒在超声振动下的机械冲击和抛磨作用与超声空化作用的综合结果，其中磨粒的连续冲击和抛磨作用是主要的。

1)悬浮液中磨料的不断机械冲击，是超声加工的主要因素，但不仅是这一因
索；
2)由于工具端部的超声振荡而产生的“空化”现象，令工件表面形成液体空腔，促使液体进入工件缝隙处，空腔的瞬间空化，更会加速磨料对工件表面的破碎作用；
3)可以认为，超声加工正是磨料的机械冲击与空化作用的综合结果。

后来，在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波(RUM)，它与传统超声波加工不同之处在于:工具在作超声振动的同时附加了旋转运动;工具由金属粉
末和人造金刚石或立方氮化硼磨料按一定比例烧结而成;将冷却水而不是磨料一悬浮液输入到工具和工件表面之间。

超声波加工的特点：
1)加工对象为各种硬脆材料，如玻璃、陶瓷、人造宝石、半导体等材料，尤其是电加工难以加工的材料。

其原因是超声加工是靠磨料及液体分子的不断冲击、空化作用。

2)加工精度高。

尺寸精度可达0.01—0.02mm，表面粗糙度
R可达0.63—
a ，被加工面也无组织改变，无残余应力，其原因是其加工靠微小磨粒作0.08m
用。

3)工件在加工过程中受力小。

这是因为在加工过程中，磨料运动方向与加工表面垂直与切入方向一致，工件仅受磨料瞬时局部冲击力，不存在横向摩擦之故。

因此，对一于加工薄壁、窄缝及低刚度工件是有利的。

4)可加工出复杂型腔及型面。

其原因是工具可用较软材料制作，故易于制出复杂形状之工具。

基于此，决定了超声加工机床结构简单，易于维护。

5)与电解加工、电火花加工比较，超声波加工效率较低。

1.6 超声波加工发展概况
我国超声波加工始于50年代末期，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。

第二章超声振动系统的结构设计
2.1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旋转超声钻削系统，应用该系统可以在普通机床上实现旋转超声复合钻削加工。

2.2 超声振动钻削系统的结构设计
2.2.1 超声波机床和普通机床的异同点
1、相同点
超声波加工机床一般为专用机床，但它同样是机床的一种，具有一般机床的共性。

它们都具有床身、工作头、进给机构，工作台及其位置调节机构，磨削液供给系统等。

2、不同点
尽管超声加工机床和普通机床有很多相同的地方，但是它们为了完成各自的加工目的，还具有许多不同的地方，如表2-1所示：
从上面可知，超声波加工机床和普通的数控机床在本体的结构上基本是相同的，而本体又是机床最为复杂的部分，这包括设计一、制造上的难度。

于是，本文提出了一种新型旋转超声复合磨削头，它可以安装在数控机床的主轴上，代替
超声加工机床进行超声波加工，从而简化了超声波加工机床，而且做到了一机多用。

2.2.2 超声振动钻削系统基本结构的确定
1、超声加工机应具备的基本要求
一般超声加工机主要实现超声加工的功能需要具有的功能包括下列几点：1}工具或工件的进给运动；
2)工具的旋转运动；
3)工具的超声振动；
4)工作台X方向的运动；
5}工作台Y方向的运动；
6)大功率加工机还要具有冷却系统(风冷或水冷)。

其中，工具或工件的进给运动、工具的旋转运动与超声振动是超声小孔加工必须的基本运动;工作台X, Y方向的移动是为了加工不同位置的孔或加工成型槽，同时便于工件的装夹和定位。

2、超声振动钻削机构的基本结构
从上面对超声波加工机应具备的六项基本要求可以看出，第1, 2, 4, 5项要求是一般普通数控机床都具备的条件，所以我们可以利用普通机床的本体结构，而第三项要求工具的超声振动是通过超声振动系统实现的，而冷却系统也是非常容
图2-1超声振动钻削机构
易实现的。

所以超声振动钻削系统的主要结构就是超声波加工的声学系统。

它的基本结构如图2-1所示。

总体结构的完善设计是超声加工得以顺利进行的重要保证。

基于上述所讲，超声振动钻削机构设计从以下几点出发：
1)考虑到声学部分在加工时的高速钻削运动，应充分保证旋转部分的运动平衡性，因而在设计时应尽量考虑各部件的对中性，以及部件之间的相互连接和定位，以便将偏心度降至最低。

系统各部件加工时要严格保证公差要求，并进行良好的装配，以保证其运转平稳，这与超声振动系统的寿命及加工效率和质量有非
常密切的关系。

2)在考虑系统各个零部件对中性的同时还要保证机构与机床主轴连接时的对中性以及可靠性，这也是设计两个吊丝定在机床主轴箱上的主要目的，同时还能防止机构的摆动。

3)有足够的稳定性和承载能力，能够抵制干扰，实现稳定加工。

4)该超声波加工的振动系统不能与它所要安装的机床主体发生干涉。

我们可以把超声振动钻削机构作为一种机床附件，机床附件是指除机床以外的用于扩大机床加工性能范围的附属装置。

由于机床主机的发展，机床附件种类越来越多，要求也越来越高，超声振动钻削机构就是对机床附件的发展。

第三章超声振动钻削机构声学系统的设计
3.1超声波发生器与器换能
超声波发生器的作用，是将220V或380V的交流电变成有一定功率输出
的超声频电振荡，以提供振动切削加工中的振动能量。

其工作原理见图3-1.
图3-1发生器工作原理框图
由图3-1可知：扫频信号发生器产生一电讯号（它的频率以换能器谐振频
率为中心频率，并在此中心频率左右摆动），这个电信号经前置放大后驱动由VMOS管组成的功率放大器，经功率放大后，由输出变压器耦合到换能器，从
而产生超声波。

功率调节是由可控硅调压电路调节功放单元直流电压来达到
的。

并使用检测电路监视功率放大器的运行情况，一旦与设定值不符合，保
护电路将动作，切断功放单元的直流电压并关闭扫频振荡器的输出，这样，
有效地保护了超声波发生器的功率放大部分不受损坏。

为使发生器和换能器相匹配，以便发生器效率最高，变幅杆振幅最大，
则超声波发生器必须满足下列要求：输出功率应达到技术指标；频率稳定，
并能在所需范围内连续调节，最好有频率自动跟踪系统；发生器的输出阻抗
应与换能器阻抗相匹配。

对超声波发生器的其它要求是结构简单、工作可靠、
经久耐用、价格便宜。

换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换成超声频
机械振动。

实现这种转换，可以利用压电效应和磁致伸缩效应。

换能器主要有磁致伸缩换能器、压电换能器两种。

(1) 磁致伸缩换能器它是利用某些铁磁体（如纯镍等）在变化磁场中所产生的磁致伸缩效应而制成的。

磁致伸缩换能器效应就是指将磁铁体置于变化的磁场内，由于磁场的变化导致铁磁体产生长度变化的现象。

磁致伸缩换能器的机械强度高、输出功率大。

磁致伸缩换能器在五六十年代得到了广泛应用，但由于这种换能器体积大，发热严重，随着压电材料的发展，在超声加工中应用的越来越少了。

(2) 电致伸缩换能器它是利用某些压电晶体材料的压电效应的逆效应制成的。

压电效应是指压电晶体在一定方向，一定的晶面上受压或受拉时，就在相应的面上出现电荷。

这种效应具有可逆性，既在压电晶体上加一个电场，当电场方向和压电轴方向相一致时，压电晶体句沿一定的方向发生强烈的压缩或拉伸。

如果电场是交变的，则压缩与拉伸（即振动）也是交变的。

超声波发生器输出交变电场加在压电晶体上，从而获得机械振动，产生超声波振动。

压电式换能器结构尺寸小，电声转换效率高，发热较小，与超声加工系统易于匹配，同时价格适中。

因此决定采用压电式换能器。

本实验所采用的超声发生器与换能器参数如下：频率f=20kHz，换能器输出端尺寸 52mm，输入电压220V，连续工作时间30-60min。

3.2 超声变幅杆的设计
3.2.1 变幅杆的功用
在超声振动加工中，当整个超声系统共振时，从换能器直接能得到的振幅最大只有4-5微米，为了准确地实现车刀和工件的分离，满足超声加工形成的必要条件，要求刀尖的振幅至少要达到10-20微米。

这样必然需要在换能器和加工工具之间增加振幅放大部分，即变幅杆。

变幅杆的主要作用有两个：一是将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上，即聚能作用；另一个作用是作为机械阻抗的变换器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。

变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过它任一截面的振动能量是不变的
（假定声能在均匀介质中的传播损耗不计），因此截面小的地方能量密度变大，由声学原理可知，能量密度正比于振幅a 的平方，即
221ka =
ρ (3.1) k
a ρ2=
(3.2) 式中：
ρ—能量密度
a —振幅
k —系数，2ωρc k '= (3.3) ρ'—弹性介质密度
c —弹性介质的波速
ω—角频率 f πω2= (3.4)
f —频率。

所以，根据（2.2）式知，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。

为了获得较大的振幅，应使变幅杆的共振频率（即谐振频率）和外激振动频率相等，使之处于共振状态。

超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述。

在实际应用中更常用的是：共振频率（共振长度），放大系数，形状因数和输入阻抗等等。

放大系数M p 是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数ϕ是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，ϕ值越大，所能达到的最大振动速度也越大；输入力阻抗定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。

3.2.2 变幅杆的振动形式及特点
变幅杆是一种根据声振理论而设计的特殊结构的部件。

为了更好地设计变幅杆，必须首先了解杆的基本振动形式和特点。

用打击或其他方法能使杆中产生纵波，由于波的反射作用而使整个杆处于
驻波式的振动状态。

杆的固定点就是驻波的波节，杆的自由端就是驻波的波腹。

因此根据杆的长度和杆的固定方式，就能确定杆中可能产生的驻波的波长和频率，而此频率就是杆的固有频率。

下表就是根据杆的固定方式不同，而得到杆长和波长的关系式以及杆的固有频率。

表3-1
（表中：γ - 杨氏模量；ρ - 材料密度）
由上表可知，杆的固有频率不只一个，而是许多个。

因此杆的固有振动也是多种多样的。

杆还能以各种固有频率所组成的简谐振动谱进行非简谐振动。

振动频率为基频，是固有频率中最小的一个。

其他频率均为基频的整数倍，称为谐频，相应的波则为谐波。

但是实验证明，在一个杆中，激发基波是最容易的，被激起的振动幅度也最大。

谐波频率越高，越难以激发，而且振动的振幅也越小。

在振动切削中大多激发杆的基频波。

不同的固定方法，相当于给系统不同的刚度，从而得到不同的振动频率。

两端固定就是增加了系统的刚性，致使固有频率提高。

超声振动钻削中的变幅杆，属于两端自由中间固定的一种，上端为自由端并与工件相接，下端也是自由端和换能器相接，中间设置振动节，通过变幅杆的振动节，把整个声振系统固定在钻床拖板上。

两端固定
中心固定，两端自由
图3-2 不同固定方式的谐振图
3.2.3 变幅杆的类型分析和比较
变幅杆是超声振动系统的关键零件之一。

它的选取对超声振动钻削装置的声能传递好坏是至关重要的。

变幅杆主要有：指数型变幅杆、悬链线型变幅杆、圆锥型变幅杆、阶梯型变幅杆四类。

其区别是：
1. 当面积系数N 相同时，对单一变幅杆而言，阶梯型变幅杆的放大系数最大，其次是悬链线型、指数型，最小是圆锥型。

圆锥型变幅杆的放大系数最大可达到5～10倍；指数型变幅杆的放大系数最大可达到10～20倍，使用中性能稳定；阶梯型变幅杆的放大系数最大可达到20倍以上，但它受到负载时，振幅减小的现象比较严重，工作不够稳定，而且在粗细过渡的地方易产生应力集中而造成疲劳断裂。

为此，在设计阶梯型变幅杆时，其截面剧变处，必须有过渡圆弧。

2. 指数型和圆锥型变幅杆的共振长度l 随N 的增大而增大。

在N ＝1.01～
1.81范围内悬链线型变幅杆的l 随N 的增大而变短，以后随N 的增大而增大。

3.在高声强超声加工中〔如超声拉管〕，在变幅杆的输出端需要有很大的振动振幅。

变幅杆的最大振动速度除了受杆材料的疲劳强度限制以外也和变幅杆的形状有关。

所以在满足所需要的放大系数之外，还应选择形状因数大的变幅杆。

阶梯型变幅杆虽然放大系数大，但其形状因数 也最小。

在面积系数N 相同时，有
n=3
n=2 n=5
n=3
n=1。