超声振动车削装置整体设计报告

1、一，超声振动车削装置总体方案设计报告。超声振动车削具有降低切削力和切削热，提高加工效率的优点，可以提高工件的表面质量和尺寸精度。本章根据工件的特性设计了纵向超声振动车削装置。设计的超声振动车削装置必须具备以下条件：（1）当切削刀具装到变幅杆上，能和换能器产生共振；（2）切削刀具与换能器或变幅杆之间要拆装方便；（3）当切削刀具安装到变幅杆上后，该系统的振动频率应保持不变。该装置主要由超声波发生器，换能器，变幅杆，支架，刀架，车刀组成。车刀与变幅杆用螺丝连接，便于装卸，装置用螺栓固定在车床的刀架上。整个装置简单，拆卸方便，符合实验要求。超声振动车削装置如下图1所示.。其工作过程为，超声波发生器将2

2、20V、50Hz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，本实验采用的超声波发生器的输出频率为20KHz。压电陶瓷换能器是用来把高频电振荡转换成高频机械振动，经变幅杆将振幅放大，超声波机械振动经变幅杆放大后，将能量传递给车刀，实现超声振动车削。整个装置通过支架安装在刀架上。图1 超声振动车削装置示意图二，超声发生器和换能器系统设计 超声波发生器将220V、50Hz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。超声加工过程中，振动系统的温度、刚度、载荷变化、加工面积、工具磨损等因素的变化，使得系统的固有频率发生漂移，因此要求超声波发生器

3、必须满足下列要求：足够的输出功率；频率稳定，并能在所需要求范围内连续可调；发生器的输出阻抗应与换能器的阻抗相匹配；发生器能根据负载变化调整输出功率，具有频率自动跟踪能力；具备连续工作能力，且价格便宜。换能器的作用是利用物体的压电效应和磁致伸缩效应，将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，目前主要有：磁致伸缩换能器、压电陶瓷换能器以及电磁换能器。用于超声加工中的换能器必须具备结构尺寸小、电声转换效率高、阻抗易于匹配、发热量小、能够长时间连续工作。经过对比，压电陶瓷换能器能够满足上述要求。通过综合比较，我们选用杭州成功超声设备有限公司生产的超声波发生器和压电陶瓷换能器。相关参数如

4、下：超声波发生器：工作电压220V、50Hz；输出功率100W；输出频率为20KHz。压电陶瓷换能器：能量转换效率高>%90 ：整个系统无发热现象，可长时间连续不间断工作；与超声波发生器输出阻抗易匹配。三，变幅杆结构设计报告超声切削加工中，刀具刀尖的振幅要求达到1020um，而换能器的振幅一般为45um，远不能满足超声加工的需要，必须采用变幅杆将换能器的振幅放大。其作用是：(1)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：(2)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。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

5、相等，使之处于共振状态。变副杆的类型按杆件尺寸不同主要有全波谐振型、半波谐振型和四分之一波谐振型；按截面形状不同，主要有阶梯型、圆锥型、指数型和悬链型。变幅杆的设计要兼顾效率和刚性原则，这里变幅杆按半波长谐振型，截面形状采用圆锥型变幅杆的安装采用两端自由中间固定方式，上端为自由端并与换能器相接，下端自由端和刀具相接，中间设置振动节，即波节，通过变幅杆的振动节，将整个声振系统固定在机床刀架上。变幅杆材料选用45#钢，经调质处理后使用。其声学性能为密度=7.81x103Kg/m3， 纵波声速5.169x103变幅杆设计参数及其设计步骤如下：（1）根据装置的总体技术要求，确定共振频率f=20KHz；

6、（2）估算变幅杆放大系数K；（3）根据压电陶瓷换能器的尺寸确定变幅杆大小端直径；（4）确定变幅杆使用材料，根据半波长谐振型变幅杆计算其长度、位移节点。变幅杆与换能器之间的连接要求简单、可靠，能有效的传递能量，其连接方式如图2所示，中间采用双头螺柱分别拧进变幅杆和换能器，两接触面分别涂上凡士林，然后拧紧。 图2 变幅杆与换能器之间的连接四，超声振动车削装置整体系统有限元分析报告。对自由状态下的变幅杆进行仿真，其模态示意图如图3所示。由图3可知变幅杆的频率为21647 Hz，基本上接近20 KHz，这个结果是可以接受的。变幅杆上的网格线发生了扭曲，变幅杆末端有明显的膨胀趋势，说明斜槽式变幅杆能实现

7、纵向振动，软件中查找节点位于距离变幅杆大端56mm处。 图3 无约束状态下的变幅杆模态图在图3的节点处布置法兰盘，对法兰盘施加位移约束后（如图4所示）再次进行仿真。法兰与变幅杆间连接板的厚度直接影响振动效果，若连接板太厚，法兰盘上的位移约束将大大削弱变幅杆上的纵向振动，影响转化后的振动效果；若连接板太薄则法兰盘起不到应有的固定作用，系统的整体刚性不足，无法满足工作要求。经过大量的实验并参照前人的经验，最终确定法兰盘与变幅杆间的接触板厚度为3 mm，仿真结果如图5所示。由图5可知，输出端膨胀明显，网格线扭曲严重，这些都是振动的有力证据。在变幅杆的法兰盘上施加位移约束后，纵-扭振动的转化良好，说明

8、节点位置选择正确，接触板厚度适合。图4变幅杆法兰盘的约束形式 图5 约束法兰盘后的变幅杆仿真结果在图5的基础上安装刀具，对变幅杆和刀具进行整体仿真，分析刀具与变幅杆组成的系统的振动情况。仿真的前提条件是刀具和变幅杆的材料性质相同，忽略刀具与变幅杆的连接方式对仿真的影响，视其为一个整体。对振动系统施加的约束条件如图6所示，图7是刀具和变幅杆组成系统的仿真结果。由图7知，系统整体的振动频率为20.355KHz，振动转化效果良好。刀具、变幅杆组成的系统良好的振动形态说明节点位置选择适中，满足设计要求。图6 振动系统的约束方式图7(a) 振动系统的仿真结果 图7(b) 振动系统的仿真结果四，超声振动车

9、削振动系统震动效果测试用阻抗分析评定换能器、变幅杆、车刀组成的振动系统的性能，能精确地测量振动系统的阻抗和振动频率，掌握系统元器件间的阻抗匹配情况，并为变幅杆的进一步修正和改进提供参考。阻抗分析仪是利用物体具有不同的导电作用，测量阻抗时对物体表面施加低电平电流，通过阻抗计算出各种器件、设备参数和性能优劣的装置。用Impedance Analyzer PV70A型阻抗分析仪对换能器、变幅杆、车刀组成的振动系统进行阻抗分析，测试结果如图8所示。由图8可知：振动系统的动态电阻为26.48，动态电阻值较小，表明电源能耗小；振动系统的反谐振频率和谐振频率都在20 KHz附近，与设计的频率接近，无需进一步的修正；系统的机械品质系数较高，说明系统的电声转化效率高。另外，观察导纳圆的形状发现导纳圆完整且形状良好，极坐标系出现大几字形，说明所设计的振动系统性能优异。图8 振动系统的阻抗分析结果用KEYENCE激光位移传