Z3040型摇臂钻床主轴的超声改造

摘要本次设计的整个构思中，在不改变Z3040型摇臂钻床主轴箱外形的的前提下，实现Z3040型摇臂钻床的主轴实现超声振动加工是本次设计的主要问题，因此如何在主轴上安装变幅杆是此次设计首要解决的问题，经过反复思考，变幅杆的安装必须对主轴和轴套的结构进行改造，设计好变幅杆的外形后，引出了对主轴和轴套的结构从新进行设计的任务，在设计好变幅杆和换能器后，下一步需要解决的问题是如何为超声换能器接电。超声换能器的传统接电方式是设计电刷。电刷与安装在主轴上的电刷架相连，然后电刷架通过导线把电流传给超生换能器。在本次设计当中，由于Z3040型摇臂钻床主轴外的面有一个实现主轴升降运动的轴套，因此，为设计电刷装置给换能器供电带来了很大的麻烦。受到发电机的启发，我利用电磁感应现象设计了一个种不用电刷为换能器供电的方式，下面简称无刷换能器。对于无刷换能器的设计，在本次设计的思考当中，理论上我想出了两种方案,我命名为方案一和方案二。方案一和方案二的原理都是电磁感应定律，主要的区别在于方案一需用到超声波发生器作为外接源，而方案二则是直接利用主轴转动的机械能转化作为换能器的外接电源。由于设计的时间有限，本次设计说明书中我仅介绍方案一的设计方法。57AbstractThe design of the whole idea，no change in Z3040 type radial drill spindle box shape of the premise，realizing Z3040 type of spindle radial drill ultrasonic vibration is the realization process of design problems.Therefore, how to install horns in the spindle is the primary problem, through repeated design thinking , spindle and sleeves should be reformed for ultrasonic horns fixing. After ultrasonic horns stem design, leading for new design task of spindle and sleeves structures. After finishing horns and transducer design, problems need to be solved is how to connect ultrasonic transducer electricity. Ultrasonic transducer traditional mode is designed to brush up, Brush and installation of brush frame in together.Then the current frame through a wire brush to living transducer.In this design, Because Z3040 type of spindle radial drill outside a realization of the axis movement, Therefore, to design for power transducer brush device has brought a lot of trouble. Inspired by the generators, I use electricity induction phenomenon design a kind of dont brush for transducer, below the power as brushless transducer.For the design of brushless transducer, in this design thinking, theoretically I figured out two scheme, I named scheme and a second.Plan a and 2 is the principle of electromagnetic induction laws, the main difference scheme that ultrasonic generator as a source of external, either directly by scheme of rotating shaft mechanical energy into the external power source as transducers.Due to the limited time, the design of the design specification of only one solution I introduce design method.前言毕业设计是教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，能使学生综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习。学习的最终目的是为了应用。与实际结合的课程能激发学生的学习动力，产生强烈的学习爱好。在实际教学过程中，我们发现，拿到实用性强的课题的学生积极性明显高于其他学生。因此，课题应尽可能地贴近生产实际、生活实际。而注重课题的教学性能使知识承上启下，一方面强化原有知识，另一方面保证了知识的前后连贯性，有助于学生进一步消化原有知识，提高自己。目 录摘要1前言3目 录41 绪 论71.1 引言71.2 概述71.3 超声波简介71.3.1 超声波的科学定义71.3.2 超声波的产生71.3.3 超声波的主要参数81.3.4 超声波的特点91.4 超声加工技术的现状和发展趋势92 课题设计思路202.1 设计动机202.2 Z3040型摇臂钻床简介202.2.1主要结构212.2.2摇臂钻床的运动形式222.2.3主要技术参数222.3 设计步骤233 各个设计步骤的具体计算说明243.1 主轴改进后的总体装配图及其说明243.2 轴的设计说明243.2.1轴的结构设计243.3 换能器的设计说明253.3.1 超声波换能器简介253.3.2材料原理263.3.3无机压电材料273.3.4有机压电材料283.4换能器283.5 压电驱动器293.6 传感器上的应用293.6.1压电式压力传感器：293.6.2压电式加速度传感器303.8压电陶瓷材料303.8.1细晶粒压电陶瓷303.8.2PbTiO3系压电材料313.8.3压电陶瓷-高聚物复合材料313.8.4压电性特异的多元单晶压电体313.9电刷介绍323.9.1电刷常见故障333.10 变幅杆的设计说明343.10.1 变幅杆材料的确定353.10.2 变幅杆外形的选择353.10.3 变幅杆尺寸的确定363.10.4 变幅杆与换能器的连接384 换能器的接电设计384.1 设计思路384.2 设计步骤384.3励磁线圈的设计424.3.1概念及分类424.3.2型号、代号及产品表示方法444.4漆包线标准454.5 常用漆包线的特性和用途464.6尺寸474.7导体尺寸484.8计算484.9 性能494.10耐热性能494.11电性能504.12硅钢片概述504.13用途504.14对硅钢性能的要求514.15线圈的结构设计514.16 线圈的安装515主轴套的设计535.1 主轴套的结构设计535.2 主轴套的尺寸确定536 主轴与变幅杆的连接547 变幅杆与刀具的连接558结束语561 绪 论 1.1 引言创新是一个民族进步的灵魂。工业技术的进步在于创新，因为它改善了工作质量，提高了工作效率，巩固了竞争地位，对经济，对社会、对技术产生了根本影响。1.2 概述随着经济的飞速发展，生产技术的不断进步，超声波技术也被广泛地应用于医学、化工、航天、制造等各个领域，并取得了良好的成果。1.3 超声波简介1.3.1 超声波的科学定义科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为11.3.2 超声波的产生声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 频率高于2104赫的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。1.3.3 超声波的主要参数超声波的两个主要参数： 频率：F20K/Hz； 功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。 太小的声强无法产生空化效应。1.3.4 超声波的特点(一)超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 (二)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 (三)超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。（治疗） 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。1.4 超声加工技术的现状和发展趋势结合近年来超声加工技术的发展状况，综述了超声振动系统的研究进展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。 1.4.1超声振动系统的研究进展及其应用超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，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和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。日本还研制成一种新型“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。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。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。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并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法。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分组成。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。该装置的特点是：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。沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为1623kHz，具有频率自动跟踪性能。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，冷却循环系统中使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，因此成本低廉，适合于在生产中应用。另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。1.4.2 超声加工技术应用研究深小孔加工：众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。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。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450W，工作频率20kHz，可在玻璃上加工孔径1.6mm、深150mm的深小孔，其圆度可达0.005mm，圆柱度为0.02mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。1996年，日本东京大学在超声加工机床上，利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为15m的微孔。1998年又成功地加工出直径为5m的微孔。湘潭大学进行了内圆表面的超声光整强化研究。该方法是在钻孔后对孔进行精加工处理，通过机械超声强化处理，在普通机床上达到精铰、研磨的精度，可实现机械化。初步实验结果表明，该方法加工效果显著，表面粗糙度值可大大降低，内圆表面形成有益的残余压应力，有较高的显微硬度，提高了工件的耐用度，同时内圆表面呈网状纹络，特别适合像轴瓦等表面贮油工件的精加工，并可大大降低生产成本。哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出15的深小孔。兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法超声振动磨削，进行了超声振动磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。拉丝模及型腔模具研磨抛光：聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用，新的超声研磨抛光方法和设备已出现。北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用超声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。该技术已获得国家专利，并在生产中获得应用。台湾的H.Hocheng等人对模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了一套高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进行了抛光试验，研究结果表明此系统大大提高了模具钢的抛光质量。日本研制的UMA-1型数控超声研磨机，其研磨时间在1999s范围内可任意设定；频率自动跟踪；研磨钢针夹持可靠，发热少，钢针磨耗能自动修整；钢针以固定速度进给，具有研磨时间短、精度高的优点。浙江大学进行了超声波-电化学复合研磨硬质合金拉丝模的实验研究。吉林大学对机器人超声-电火花复合加工模具曲面进行了研究，结果证明该方法可改善加工质量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。哈尔滨工业大学针对目前模具光整加工难以实现高精度、高效率加工的实际问题，将电解加工、机械研磨及超声加工相复合，提出了一种新型的光整加工方法电化学超精密研磨技术，开发研制了一种数控展成超精密光整加工的新工艺及设备。通过对模具型腔高效镜面加工的实验，表明选配适当工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙度Ra0.025m的镜面，效率较普通研磨提高10倍以上，较电解研磨提高1倍以上。难加工材料的超声加工：金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。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法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确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发展。山东大学研究开发了工程陶瓷小孔的超声振动脉冲放电加工技术，工具电极的超声振动引起脉冲放电，从而代替了传统电火花加工的专用脉冲发生器。另外，工具电极的超声振动还可以起到清洗缝隙的作用，并采用该技术对Al2O3/(W，Ti)C、Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw3种Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔进行加工，研究了其加工机理和加工参数对不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，该复合加工技术有效地结合了超声加工和放电加工的特点，能高效、高质量地加工陶瓷材料。山东大学还利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。结果表明，材料去除率与大理石的力学性能有关，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，其去除率越低，加工精度越高。天津理工学院对大理石超声精密雕刻技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。该系统解决了大理石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水平跨上了新台阶。同济大学对超声加工建筑玻璃小孔的实验进行了研究，探讨了工具振动的振幅、频率、工件材料、进给压力、工作介质等主要加工参数对材料去除率的影响规律。结果表明，超声加工建筑玻璃小孔的精度、表面质量均可满足建筑安装、装潢的要求。该研究对其他玻璃材料的加工具有一定参考价值。北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。淮海工学院对烧结永磁体材料超声振动加工过程中的材料去除机理进行了理论研究。该研究指出，磨料颗粒的尺寸与加工效率有密切的关系，对实际生产具有一定的指导作用。沈阳工业学院研究了采用电镀金刚石工具头对玛瑙进行钻孔的可行性以及加工参数与材料去除率的关系。研究表明，该方法不仅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同时，借助于SEM分析了该方法加工玛瑙的材料去除机理。1.5超声振动切削超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他在20世纪5060年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应用。俄罗斯科学院和英国拉伯运大学对超声振动切削的非线性过程进行了深入研究，利用流变模型对超声振动切削实验结果进行了理论解释。通过对超声切削的动力学研究，得到了振动工具的非线性振幅特性曲线，并讨论了超声振动切削的优越性及其应用领域。日本工业大学提出了采用稍低频率(30005000Hz)的振动切削方法，并用于切削纤维型材料(如金属短纤维)。另外，美国、英国、德国和新加坡等国的大学以及日本企业界如日立、多贺和Towa公司等还进行了超声椭圆振动切削的研究。我国对振动切削的研究起步稍晚。自广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一台“CZQ250A型超声波振动切削系统”之后，许多大专院校、科研院所和工厂都开展了对振动切削的研究，取得了很多重要成果。研究内容从振动切削实验到实际工艺应用，从振动切削实验系统设计到对振动切削机理，范围较广泛，内容较深入。山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究，探讨了超声振动钻削中各项工艺参数对加工效果的影响，并从理论上分析了超声振动钻削时的材料去除机理。东南大学在研究超声振动切削的刀具振动规律时得出：刀具与切削的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切割。上海交通大学对超声椭圆振动切削技术进行了研究，阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了超声波椭圆振动切削运动特性，介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。兵器工业五二研究所进行了超声振动车削与普通车削、磨削加工陶瓷材料的对比试验研究。研究结果表明，振动车削可明显地提高陶瓷加工表面的质量，有效地消除普通车削、磨削中形成的表面微裂纹，因此是陶瓷精密加工的一种新方法。长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验，通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产，收到了令人满意的效果，具有较好的发展前景。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(50W)、振幅小(25m)，同样可获得一般振动车削的效果。2.5超声复合加工将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。罗马尼亚的学者对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究，建立了电极在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。该研究直接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能。日本的研究人员研究了压电高频响应驱动器对电火花加工速度的影响，指出高频振动对240m微孔的加工可提高速度1.52.5倍。法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度,粗加工提高10%，精加工提高400%，并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的面积增大。电极的超声振动能改善加工过程的主要原因是：电极表面的高频振动加速了工作液的循环，使间隙充分消电离；间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小。北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进行研究。于1987年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究，并对工程陶瓷进行了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特性。结果表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于普通电火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普通电火花加工。南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究，它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者认为，这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用，有助于改善电火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，使加工速度及微细孔电火花加工的深径比得到提高。南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。1.6超声加工技术的发展趋势和未来展望1.6.1超声振动切削技术随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。(1)研制和采用新的刀具材料在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。(2)研制和采用高效的振动切削系统现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1kW，切削深度为0.010.06mm。(3)对振动切削机理深入研究当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方面：在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成屑的。振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。振动切削机理的微观研究及数学描述。(4)超声椭圆振动切削的研究与推广超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。(5)超声铣削加工技术工程陶瓷的应用日益广泛，但其成形加工十分困难。尤其是具有三维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段，严重影响了工程陶瓷材料的推广应用。大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声铣削加工方法，研制了超声数控铣削机床，开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削加工技术，解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题，使加工带有尖角和锐边的三维复杂型面工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷的广泛应用提供了有力的技术支持。1.6.2超声复合加工技术目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景。在现代工业生产中，模具的应用越来越广泛，对模具精度和表面质量的要求也越来越高。在模具制造过程中，光整加工工序对模具质量影响很大，但目前该工序在很大程度上仍依赖手工完成，严重制约了模具加工技术的发展，是一个亟待解决的关键技术问题。华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP神经网络对加工表面粗糙度进行预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地适用于形状复杂的模具型腔光整加工。但尚有许多方面的内容有待进一步研究，特别是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金属的去除机理等。随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条崭新的途径，但该技术在加工过程中短路频繁。山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究。在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电火花铣削技术正在受到重视，但该工艺加工效率偏低，同时由于其加工精度主要依赖于电极损耗的轴向补偿，而电极损耗的轴向补偿量则直接取决于电极损耗率，提高微细电火花铣削的加工效率和稳定性是一个重要的课题。哈尔滨工业大学提出了超声辅助分层去除微细电火花加工技术，电极轴向的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性等起到了极为重要的作用，因此该技术能改善微细电火花铣削时的放电状态，提高加工效率。1.6.3微细超声加工技术以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5m的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速300040000r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra0.2m，可加工0.3mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗。可以推断，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。2 课题设计思路2.1 设计动机 超声震动加工有着明显的优越性，如果把超声震动施加在钻床的主轴上，是否会改善钻孔的不利因素而又不影响其加工精度或是可以忽略不计呢？经过对超声震动各个参数的分析，其对钻孔加工的加工精度的影响是微乎其微的，于是在钻床的主轴上增加一个超声正动是可行的。经过调查对比，我选定对Z3040型摇臂钻床进行主轴的超声改造。2.2 Z3040型摇臂钻床简介图2-1 Z3040外形图该机床适用加工中、小型零件。它可以进行钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等工作，装置其他装置时，还可进行镗孔。该机床主轴转速和进给量变换时采用液压预选变速机构；主轴箱、摇臂、内外立柱加紧是采用液压-菱形块加紧机构，夹紧力大，加紧前后主轴偏心量小；摇臂升降有保险螺母和电器保险机构，进给有钢珠安全离合器等保护装置。主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床（见图）。摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。 钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产。2.2.1主要结构摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。 内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。2.2.2摇臂钻床的运动形式当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为： （1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动； （2）进给运动为主轴的纵向进给； （3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。2.2.3主要技术参数最大钻孔直径 40 毫米主轴中心线到立柱母线距离（Z304012）3501250 毫米主轴箱水平移动距离 900 毫米主轴端面到底座面距离 3501250 毫米摇臂升降距离 600 毫米摇臂升降速度 1.2米/分摇臂回升角度 360主轴前端孔锥度 莫氏4号主轴转速范围（16级）252000转/分进给量范围（16级）0.043.2 毫米/转主轴行程 315 毫米刻度盘每转钻孔深度 122.5 毫米主轴允许最大扭矩 40 公斤力米主轴允许最大进给抗力 1600 公斤力主电机： 功率 3 千瓦 转速 1430 转/分摇臂升降电机： 功率 1.1 千瓦 转速 1500 转/分液压系统用电机： 功率 1.1 千瓦 转速 1500 转/分 冷却泵电机： 功率 0.125 千瓦 转速 3000 转/分 机床重量（Z304012） 3200 公斤 机床外形尺寸（Z304012的长宽高） 217010132625 毫米 主轴变速机构和进给传动机构共用一个箱体。主轴变速机构由七根传动轴和四个双联滑移齿轮组成，可使主轴获得16级转速。2.3 设计步骤为Z3040主轴增加一个超声震动首先要设计一个产生超声震动的系统，根据目前应用最广泛的超声震动系统为： 电源超声波发生器换能器变幅杆对于这次设计的整体而言，选用变幅杆的类型是第一个关键：（一）根据目前现有的变幅杆种类；（二）考虑到变幅杆要安装在主轴上并且要与刀具相连。经过对比，采用复合变幅杆，形状如下图：图2-2 变幅杆根据变幅杆的草图和不改变主轴的箱体结构，可根据原主轴装配图同时设计：（1） 轴的结构及尺寸；（2） 换能器；（3） 变幅杆；这三者是相关联的，所以必须同时满足各自的要求，然后总体达到预期的设计目标。3 各个设计步骤的具体计算说明3.1 主轴改进后的总体装配图及其说明 （见图纸1） 主轴与变幅杆用法兰连接，刀具连接在变幅杆上，整个装置中，换能器把电能转化为机械能，使自身产生超声振动，然后把这个振动传递到变幅杆上放大，再由变幅杆传递到刀具上，使刀具产生超声振动，从而实现主轴的超声加工。3.2 轴的设计说明3.2.1轴的结构设计设计中对Z3040摇臂钻床主轴轴的长度和直径不变，只对轴的末端进行结构的改进，改进如图纸02所示3.3 换能器的设计说明3.3.1 超声波换能器简介超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。本发明由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由816只Cymba