超声深孔枪钻机床设计设计

1、河南理大学本科毕业设计（论文）注： PAGE 56摘 要本次毕业设计我们小组的题目是超声深孔枪钻机床，我们以CA6140普通车床为基础，对其传动系统、进给系统、床身等进行全面系统地分析，采取合理的技术措施，对车床进行改造，同时，又加上超声装置，改变其钻削条件，从而获得较高的加工精度和表面质量。本设计立足于“改”，使机床改装后既满足加工要求，又结构简单、方案合理。此次设计该机床是为了钻削细长孔，工件材料为45钢，孔的直径10mm，长度500mm，钻孔精度为IT8，改造对象为CA6140普通车床。此次设计，我的具体任务是设计枪钻系统，超声系统和机床导轨。设计总共分为四章。第一章首先进行工艺分析，制

2、定总体设计方案，结合CA6140普通车床自身特点和深孔枪钻机床的设计要求和工作情况，并巧妙地加工超声装置。第二章根据加工要求设计深孔枪钻系统，包括枪钻、中心架、扶正器、联结器等。第三章为超声系统设计，包括超声波发生器、换能器、变幅杆，以及各部件之间地连接，其中，变幅杆的设计是一个重点。第四章根据机床的总体要求和特点设计导轨。关键词：车床，枪钻，超声，表面质量AbstrctThe gun drilling lathe is introduced in this Graduate design .The design is regarding the ordinary CA6140 lathe a

3、s fundation . Towards the machine, after we have analaysised its vedrivetrain system ,the body of the machine tools and so on , comprehensively.we transform it by plenty of technology measures rationaly. Morever,some Ultrasonic devices are used in order to improve the conditions of drilling.In this

4、way , better surface quality and processing precision would be obtainded. Reforming is the basis of this design ,The reformed machine tools not only meet the requirements of process , but also has a simply structure and a reasonable process plan .To drilling the long and small holes,we design the ma

5、chine tools.The material of the workpiece is 45,the diameter of the hole is 10mm and the longth is 500mm,the processing precision is IT8. In this design,my task is designing the system of gun drilling ultrasonic and Caterpillar Track ，The design consists of four chapters in a total.Chapter 1 has two

6、 parts . The first , processing the craft analysis to refit CA6140 lathe as the double boring machine , principal axis of lathe is used as the indirect power ,and arousing two boring principal aixs are used as the boring active-line, and the struction of the feed completes the mation of boring . Sec

7、ond , CA6140 lathe is proceeded analysis and refitted the total layout .Chapter 2 . According to the requirement of the process , design the gung drilling system.Chapter 3 . the design for Ultrasonic devices are the primary importance of the design . Because they relate to the quality of workpiece .

8、Morever,how to get the right linking among the developments must be thunk over. This part includes the generator,transducer and straight conical hone.Chapter 4 In this part, Caterpillar Track is designed according to the overall requirements of the gun drilling lathe.Key Words: CA6140 lathe , gun dr

9、illing , ultrasonic , surface quality目 录前 言.6 1、制定设计机床方案81.1任务.81.2车床的分析和改装总体布局.8 1.2.1分析机床的技术状态.8 1.2.2改装的总体布局.102、枪钻的设计112.1深孔加工的特点和发展状况.112.2枪钻结构及其尺寸的设计.122.2.1枪钻头部的设计.132.2.2枪钻钻杆的设计.152.2.3枪钻柄部的设计.162.2.4枪钻几何参数的设计.162.3工件中心架的设计.182.4扶正器的设计192. 5联结器的设计.202.6枪钻中心架的设计212.7枪钻辅助部分设计212.8枪钻使用的具体要求223、

10、超声系统的设计.25 3.1超声振动的装置和原理.25 3.2超声深孔钻削的优点.26 3.3超声波发生器和换能器的设计. .28 3.4超声变幅杆的设计30 3.4.1变幅杆的设计原理.30 3.4.2变幅杆的设计.323.5变幅杆与其它零件的连接.394、导轨的设计.404.1导轨的作用及要求.404.2滑动导轨的磨损形式414.3导轨材料的设计414.4导轨截面形状的设计424.5导轨的结构尺寸设计434.6导轨的润滑和防护44致 谢45前 言毕业设计的意义：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！作为一个机械设计制造及其自动化专业的本科生，我想大家都深深理解这句话的含义。我们毕业设计的意义也在

11、如此。毕业设计是对我们大学四年所学知识的系统总结和综合运用，同时也是对我们分析问题和决绝问题的能力的检验。它是我们大学生活的最后一环，也是我们大学学习最为重要的一环。因此，认真的作好这次毕业设计，无论是对于我们步入社会，投身于生产一线；还是以后继续深造都有着非常重要的意义。毕业设计，是我们大学本科生活的完美结束，也是我们美好新生活的开始！毕业设计的目的：通过本次毕业设计，我们希望能够达到以下目的：1. 培养我们综合运用和巩固扩展所学知识，提高理论联系实际的能力；2. 培养我们收集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献的能力；3. 使我们更加熟练的运用AUTOCAD、Word 等计算机办公软

12、件，提高计算机辅助设计的能力；4. 训练和提高机械设计的基本理论和技能；5. 培养独立思考，独立工作的能力；6. 培养我们的团队合作意识。毕业设计的动机： 在孔加工中，40%以上是深孔加工。随着机械工业的迅速发展，新型材料的出现，孔加工难度越来越大，加工精度要求越来越高，深孔加工往往成为卡脖子工序，因而充分了解和认识深孔加工的机理和特点，对提高深孔加工的切削效率，保证产品质量都是十分重要的。目前常用于加工深孔的枪钻机床，由于自身的缺点，常会出现刀杆剧烈振动或弯曲，钻头无法钻进工件，切削堵塞，同轴度差等问题。因此，改进枪钻机床的自身条件和工作环境的意义就颇为重大。有鉴于此，我们借本次毕业设计的的

13、机会，选择了“超声深孔枪钻机床设计”这一课题。在本次设计中，我们在普通枪钻机床上加上超声波系统，实现钻头在振动的条件下钻削，形成脉冲式的切削力形式，可以有效地降低切削力和切削热，改变切削性能，尤其在难加工材料的加工和精加工中，振动钻削具有普通切削无可比拟的工艺效果。 我选这个课题主要是因为超声深孔枪钻机床的设计过程能够很好和自己四年的基础课和专业课的知识联系起来。另外我想在研究生阶段身层次地学习超声波方面的知识，希望能够通过本次设计而为以后的学习打好基础。本说明书就是我们在普通枪钻机床的基础上进行创新设计全过程的总结，虽经指导老师精心指导， 但由于我们知识深度不够，现场工作经验不足等，设计中还

14、有不少不足和疏忽之处，希望各位老师批评指正，谢谢！1、制定设计机床方案1.1 任务加工对象：细长孔，其孔的直径10mm，长度500mm工件材料：45钢技术要求：钻孔精度为IT8 粗糙度3.2生产类型：中批生产 1.2 车床的分析和改装总体布局1.2.1 分析机床的技术状态由于深孔钻床的特殊性，其价格比较昂贵对于非专业化深孔加工的厂家，成本过高。而采用普通车床改装为深孔加工机床，由于其成本低、制造周期短以及 一床多用(车削、深孔钻削、深孔镗削和深孔珩磨)等优点。已为许多生产厂家所接受。 车床改装为深孔加工机床主要有机床和油路两大部分。机床部分主要有中心架、扶正器和联结器三大部件；油路部分主要合进

15、油路、回油路以及排屑箱、油箱等。 根据枪钻机床加工的特点，要使其加工工艺能得到实现，有三个必要条件：第一要有合格的枪钻刀具，第二要有符合枪钻特点的机床，第三要有符合枪钻加工特殊要求的切削液，这三个条件缺一不可。 此外，用普通车床改装为枪钻机床时，需要校核原机床的功率，由于加工的孔的直径为10mm，据图1.1可知，CA6140车床的功率完全可以满足设计的枪钻机床的功率要求。同时，枪钻加工采用的是工件旋转，枪钻进给的方式，因此，机床要有较高的主轴转速。CA6140车床的转速需要校核或者重新设计。 图1.1 钻孔直径与机床功率P的关系图 枪钻机床除了对主轴有一般机床主轴的常规要求之外，由于枪钻加工时

16、刀具每转的进给量很小，有时小到每转进给在5um以内，因此枪钻主轴对其轴向窜动要求很严格，一般应控制在3um以内。过大的轴向窜动将使刀具切削时每转切削量很不均匀而使机床不能正常工作。另外，枪钻主轴转速一般都比较高，主轴系统不应有明显的振动，主传动一般采用齿形皮带，传动应平稳而且噪声要小，主轴的振动将影响刀具的使用寿命，对主轴的径向跳动一般不作具体要求。由于枪钻切削时切削力比较小因此对主轴的刚性的要求明显低于其他机床，根据这些要求枪钻主轴一般直径较小，主动轴承一般采用向心推力球轴承。 此外，枪钻对进给滑台的要求是运行平稳，绝对不允许有爬行。这和主轴不允许窜动是同一道理，因此，一般不使用液压滑台，考

17、虑到实际应用中滑台进给量需要调整，因此滑台常带有调速功能，枪钻滑台一般宽度较小但行程较长，这是枪钻滑台的一个特点。2.2 改装的总体布局CA6140车床改装成超声深孔枪钻机床，改装时，不改变原车床的性能，只需将车床上刀架和横向进给装置拆除，换上联结器、扶正器和中心架分别装在车床内导轨上。原机床主运动和进给运动机构不变，不用原车床油路系统，另行配置油箱和排屑箱，并在扶正器和联结器上接冷却润滑油路，改装后的钻床拆除深孔钻削装置后，仍可作为车床使用。 床身是改装的重要部分，也是变动最大的部分，它是根据深孔加工的特点设计的，在设计时，我们不但考虑满足枪钻机床自身的特点，同时还要考虑枪钻装置与超声装置的

18、巧妙连接，即变幅杆、联结器、换能器等部件的结构和具体位置的安排。使改造成的超声深孔枪钻机床既能满足加工的需要，同时又美观，大方。改造后的机床大致轮廓如图1.2所示 图1.2机床整体轮廓 修改后的机床具有一下优点：该改装是在旧机床上进行的，修旧利废，投资小，见效快。因设置了超声装置，可以显著提高生产率。加工质量能达到图纸要求。 2、枪钻的设计2.1深孔加工的特点和发展状况 深孔振动切削是从20世纪50年代开始发展起来的一种新的切削方法，由于它在难加工材料和难加工工序的加工中所具有的优良工艺效果，因而受到国外工业发达国家的重视，并积极地进行了开发研究，取得了重大的进展。在国内，振动切削的研究工作虽

19、然己从20世纪60年代末开始，但由于历史原因，未能继续进行下去。直到20世纪70年代后期，一些大专院校才重新开始研究，其研究成果已应用于生产，并取得了明显的经济效益。振动切削与普通切削相比，在降低切削力和切削热方面有明显的效果，尤其在难加工材料的加工和精密加工中，振动切削具有普通切削无法比拟的工艺效果。因此，作为精密机械加工和难加工材料加工的一种新技术，振动切削已经逐步渗透到多种机械加工领域，振动钻削就是比较成功的应用实例。 振动钻削，即在钻头(或工件)正常工作进给的同时，对钻头(或工件)施加某种有规律的振动，使钻头在振动中切削，形成脉冲式的切削力波形，使切削用量按某种规律变化，以达到改善切削

20、效能的目的。根据实际加工的需要，适当选择振动参数(频率v，振幅A以及频率v与工件转速n的比例关系)，可以控制切屑的大小和形状，得到满意的切屑，避免切屑堵塞。可提高生产效率几倍到十几倍，提高加工精度12级，且加工表面质量也有较大改善。深孔加工难度高、加工工作量大，已成为机械加上中的关键性工序。随着科学技术的进步，产品的更新换代十分频繁新型高强度、高硬度的难加工零件不断出现，无论是对深孔加工的质量、加工效率，还是刀具的耐用度都提出了更高的要求。因此研究深孔加工的新工艺、探索深孔加工刀具的新结构、深孔加工的检测方法和监测系统等已成为人们十分关注的问题。深孔零件的材质，过去多采用碳素结构钢、低合金钢和

21、高强度合金钢。新型工程材料如钛合金、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、陶瓷、塑料、碳素纤维塑料、复合材料等，开始在深扎零件上采用。新材料的逐步采用对深孔加工提出了新的技术难题。 除了深孔零件的材质外，零件的毛坯质量也有了很大的改观。现在深孔零件的毛坯除了采用般的铸、锻、轧制毛坯外，对于机械性能要求高的深孔零件，采用真空冶炼、电边重熔等方法获得高质量的铸锭后，进行压力加工。在管坯生产中，除了一般的热轧、冲轧无缝管以外现已采用精轧无缝管材。冶金技术的进步提高了材料的机械性能使材料的加工性能发生了很显著的变化；锻造及压力加工技术的进步，使得毛坯材料的去除率大为降低。另外，由于热处理技术的发展，深孔工件经过热处

22、理后，在机械性能、结晶与显微组织上都有了较大的改善。这直接影响着材料的再加工性。随着新材料发展及材料机械性能的提高，促进了新刀具材料的不断发展。深孔刀具所使用的刀具材料多为高速钢、YG及YT类的硬质合金。目前，已开始试验和采用新型高速钢材料、超细晶粒硬质合金、涂层刀片、陶瓷(金属陶瓷、等)、立方氮化硼、金刚石等新型刀具材料。2.2枪钻结构及其尺寸的设计 枪钻机床是一种深孔加工机床，在机床结构上与传统的钻镗类组合机床有很大的区别，具有自己的特点：如刀具切削时独特的受力方式，排屑方式，对机床和切削液的要求等等。枪钻是外排屑深孔钻的代表，也是小直径10mm以下)深孔加工的常用方法。目前硬质合金枪钻的

23、最小直径为1mm；钻孔深度与直径之比超过100，最大可至250；另外枪钻加工可以达到的精度很高，视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔。钻孔精度为IT7IT9；钻孔表面粗糙度为6.30.4um，直线度很高可以达到0.1/1000。 由于枪钻的这些特点，近几年来，已用于精密浅孔和特殊孔加工。枪钻的使用范围也在不断扩大，不仅用于加工通孔，还可以加工盲孔、阶梯孔、斜孔、半圆孔、断续孔和叠层板孔等。同时，在某种场合下，还可以取代传统的钻扩铰工艺，经常解决钻扩铰工艺不能解决的难题。枪钻由头部1、钻杆2和传动部3(柄部)三部分组成，如图2. 1所示。 查深孔加工技术表2.1可以得

24、到： 图2. 1 枪钻的机构枪钻直径，钻杆直径，刀头长度，钻柄直径。2.2.1枪钻头部的设计枪钻头部材料为硬质合金。目前常采用焊接的方法连接枪钻头部和钻杆，为了保证焊接牢固，定位准确，常采用如图2.2所示的焊口形式。并且在焊接后，进行校直、精磨工序，以保证头部与柄部的同轴度。 钻头头部有出油孔，出油孔的形状和大小主要根据切削液流动特性和流量的要求来确定。 常用的形状有单圆孔形、半月形、八字形及双圆孔形4种。其中双圆孔形及八字形的出油孔截面积为最大，常用于大直径枪钻或双刃枪钻。小直径枪钻或单刃枪钻，常用单圆孔及半月形截面形状。本次设计的枪钻直径不大，且又属于单刃枪钻。结合以上分析，故选用半月形截

25、面形状，如图2.1所示。 图2. 2 焊口形式同时，为了保证加工精度枪钻头部有两个导向块，与副切削刃带形成三点定圆自身导向。因所设计的枪钻直径10，可直接在圆柱面出磨出平面，形成两个导向块。如图2.1所示。另外，为了增加切削液的流动空间，需要在钻头内刃的延长线上磨出过油通道，为了避免切屑堆积，使切削液易于流向V型槽，还要在铀肩上磨出与径向成15，宽度为0.2mm的倒角。过油通道有三种形式：斜坡型，如图2. 3所示，斜坡斜台型和斜坡平台型。本设计选用的是斜坡型，因为此种形式刃磨方便，其中，。图2.3 斜坡型过油通道2.2.2枪钻钻杆的设计 枪钻钻杆一般用高强度合金钢管压制而成，钻杆通常有D形、U

26、形、V形、中心槽形、麻花形和圆形等类型。其中，V形钻杆常用于普通枪钻，而且可以用于钻深一些的孔，因此，我选择了V形钻杆，如图2.4所示。 图2.4 V形钻杆的结构设计时，钻杆直径必须略小于钻头直径，但不宜过小否则切屑容易泄漏到V形槽外，划伤已加工面。通常，钻杆直径 (mm)取 式中 钻头直径，mm钻杆壁厚（mm）取 本次设计中，枪钻的结构尺寸如表2. 1所示：（mm）取 式中 钻头可重磨长度，mm;孔深，mm；切屑箱长度，mm；予留余量，mm；中心架长度, mm；柄部长度，mm。(见图2.5) 图2.5 钻杆长度确定示意图表2. 1 枪钻的结构尺寸结构尺寸(mm)设计数值100030500 2

27、50 100 60 602.2.3枪钻柄部的设计柄部是将钻头和机床连接起来的部分，柄部与机床的连接孔要求有一定的同轴度，并且连接必须牢靠以便有效地传递力和力矩。本次设计的柄部与钻杆，与变幅杆连接均属于螺纹连接。该设计的枪钻柄部是圆柱形的，中间带有通孔，柄部内外均有螺纹，其内螺纹与钻杆连接，而外螺纹与变幅杆连接。柄部长度为l=40mm,直径为，通孔直径为10mm。2.2.4枪钻几何参数的设计2.3工件中心架的设计中心架的主要功能是支承、扶正旋转的工件，与普通车床中心架的功用相同。但由于深孔加工零件较重，而且工件长度很大，此外，枪钻机床采取的是工件旋转，枪钻进给的运动方式，工件外圆速度较高，因此，

28、必须使用滚动支承。日前常用的有局部滚动和整体滚动两种形式，分别使用三点支承和四点支承。局部滚动中心架的优点是工件件装夹方便，其缺点是刚性较差，工件外圆必须预先车出定位基准并且找正不太方便。由于深孔钻床没有足座，采用这类中心架，一般必须在工件端面上车定位锥和授油器导向套上锥面配合定心。而整体式滚动式中心架适用于中小型深孔加工机床，由轴承、支座支承套、支承调节螺钉和底板等构成。工件安装在支承套内，调整4个支承螺钉进行工件对中。该中心架具有刚性好，回转精度高，找正方便等优点，但工件的装夹不如局部滚动式中心架方便、需要移动中心架。通过上述比较，以及结合超声枪钻机床自身的特点和工件加工条件，本设计采用整

29、体式滚动式中心架，大致形状如图2. 7所示。 图2.7 整体式滚动式中心架1底板；2支座；3支承调节螺钉；4支承套；5轴承 在本次设计中，选择的滚动轴承类型为：深沟球轴承，其结构代号6022。所选用的圆螺母为GB81288 M1052。选用的支撑螺钉的型号为：GB3788 M6100 ，其它尺寸见图纸。2.4扶正器的设计 2. 5联结器的设计 2 .6枪钻中心架的设计 由于枪钻自身的特点，在加工时需要一个或多个中心架，从而起到支撑的作用，防止钻杆受力变形，影响加工质量。另外，为了适应不同直径的枪钻，中心架所夹持的圆的直径应该能够调节。本设计中，采用的是用三个螺钉调节其直径。由于所设计的中心架厚

30、度很小，不适合在导轨上滑动和固定，因此，在其下部采用一个螺钉，使其固定，需要调整中心架位置时，可以松开螺母，使其在导轨上滑移。具体见图纸。2.7枪钻辅助部分设计导套装置枪钻是单切削刃的钻孔工具，切削刃不对称，无法自己对正中心进行加工，所以在钻孔开始时须有外物引导，通常在加工中是利用钻孔的导向套来引导的。同时，导套对切削和切削液的收集和引流，以及对切削区域飞溅的切削液进行封闭处理和控制，都有很大的作用。导套的材料、制造质量以及它与刀具的配合间隙是影响枪钻加工质量的重要环节，若间隙太大，会产生间隙震动，导致孔的加工精度降低和切削刃剥落。它与刀具的配合间隙控制在512um之间，一般来说，如果公差超过

31、15um就需要更换导套。所以为了提高导套的使用寿命，导套现在多采用硬质合金来制造。如果机床的设计特点使得钻孔套无法使用，则可利用中心钻在工件上钻出一个浅的导引孔，以产生和导套相同的效果。此方法常用在加工中心上用枪钻钻孔时。刀杆的弯曲对孔的偏移量和直线度有很大影响。另外，钻杆的V型杆在高速加工时会产生抖动，所以较长的枪钻必须有可移动的滑动导套来支撑。两个导向套的距离不能超过枪钻直径的40倍。切削液处理和供给系统枪钻加工对切削液要求很高，必须有合适的压力，足够的流量并且要经过严格的过滤，过滤精度要求达到10u,过滤精度不良将影响孔的加工质量和刀具的使用寿命。枪钻机床设计时经常采用多级过滤。与过滤问

32、题一起考虑的还有排屑问题，冷却液处理及排屑系统要有足够的容量，多大的容量合适不能仅以流量的几倍来确定，而应计算连续切削时切削液的温升是否能超过规定值（一般不超过）。这与环境温度，切削功率，冷却液的压力和流量以及切削箱的形状有关。此外，切削液不管是油基还是水基的，都必须是为枪钻切削专用配置的。一般情况下，使用油基切削液可以提高工件的加工质量并且能大幅度提高刀具的使用寿命，油泵比水泵更容易产生更高的压力，并且价格便宜。2.8枪钻使用的具体要求 切削用量的选择 切削用量的选择与切削过程以及切屑的形成有关，同时也与被加工零件材料、精度要求和机床特性相关。其切削速度主要取决于刀具材料，受到钻头耐用度和机

33、床转速的限制。目前，高速钢枪钻一般取切削速度v为3570m/min,硬质合金的切削速度可通过查孔加工技术表2.2获得。进给量主要受工艺系统(刀具、工件和机床等)刚度和强度的限制。此外，还受到加工表面质量、排屑效果和切削液的性质等因素的影响。日前，高速钢枪钻常取f为0.010.032mmr直径大者取上限，硬质合金枪钻进给量可参考孔加工技术表2.2选取。在本次设计中，采用的切削用量为：v=40m/min；f=0.01mm/r；乳化切削液压力为6.3MPa，流量以20L/min注入。对枪钻机床的要求 枪钻钻削需要使用专用机床。一般使用专门设计的专用枪钻钻床，这种钻床是根据枪钻钻削的特点而设计的用它可

34、以获得最佳的钻削效果。一台好的枪钻机床应满足下述要求： (1) 刚性好振动小； (2) 具有足够大的功率；（3）具有足够高的主轴转速；（4）进给机构稳定；（5）具有满足要求的切削液装置和排屑装置；此外，还需装备可调式进给过载保护器；保证切削液系统与机床同步起动的电机联锁装置；油压表；切削液过滤器等。使用枪钻应注意的问题 (1)工件的夹紧必须安全可靠，并与机床同心同轴可将工件外圆和端面加工，至少要车出定位面。 (2)在加工长工件时，工件和枪钻都使用固定中心架。 (3)工件上的中心孔一定要小于枪钻的直径。 (4)开始钻削时，必须使用导向钻套，钻套的内径与钻头直径相配，钻套的内径要磨至IT6级。工件

35、较短或者直线度要求不高时，亦可采用在工件上预钻导向孔来导向。 (5)钻套是易损件，当钻套内径磨损量大于0.02mm时,钻套就应该调换，最好使用硬质合金钻套。3、超声系统的设计3.1超声振动的装置和工作原理虽然超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声发生器、超声振动系统、机床和磨料屈浮液循环系统，其主要组成如图3.1所示。图3.1 超声加工设备的主要组成 一般的超声加工（Ultrasonic Machining 简称USM）是利用作超声频振动的工具端面，促使悬浮在工作液中的磨粒冲击工件表面，去除工件表面的一种特种加工方法。而超声钻削则属于超声加工方法与普通钻削的结合，同时

36、也属于振动切削的一个分支。超声加工的工作原理（见图3.2）是：由超声波发生器产生高频电振荡（一般为1625千赫），施加于换能器上，将高频电振荡转换为超声电振动。超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。由于超声振动的加速度是非常大的，所以磨料颗粒的加速度(或冲击力)也是非常大的。无数磨料颗粒连续不断的冲击，可使加工工件的破碎和去除。 图3.2 超声振动原理示意图1工具；2变幅杆；3换能器；4超声波发生器3.

37、2超声深孔钻削的优点：振动钻削按振动性质分，有自激振动钻削和强迫振动钻削。自激振动钻削是利用切削过程中产生的振动进行的。强迫振动钻削是利用专门的振动装置，使钻头或工件产生可控的有规律的振动进行切削。按振动的频率分，有高频振动钻削和低频振动钻削。钻头或工件的振动频率在16KHz以上的称高频振动钻削或超声波振动钻削，其高频振动是利用超声波发生器、换能器、变幅杆来实现的，而主要目的是为了改善加工精度和表面粗糙度、提高切削效率和效能、扩大切削加工适应范围等。振动频率在几百赫兹以下的称为低频振动钻削，它主要靠机液或电液等激励装置来实现，其以断屑为主要目的，同时也可以有效地提高孔的加工精度。按振动方式分，

38、主要有三种，即轴向振动振动方向与钻头轴线方向相同；扭转振动振动方向与钻头旋转方向相同；复合振动轴向振动与扭转振动迭加。振动钻削要取得良好的工艺效果，一方面要选择合适的振动参数与切削参数，另一方面要选择与加工材料切削性能相匹配的振动方式。具体而言，振动方式的选择与工件材料、硬度、可切削性有关。轴向振动方式容易形成分离型切屑，适用于较软不易断屑的纯铝、纯铜等材料。但轴向振动时刀具与切削面的分离易造成刀具损坏。扭转振动一般是非分离型切屑，其断屑效果比普通切削强得多，但比轴向振动要差些。不过这种振动方式对刀具保护好，寿命长，适宜于较硬易断屑的淬火钢等材料。而复合振动断屑效果最好，但刀具磨损也最严重，可

39、用于难加工材料。振动切削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。为了研究超声钻磨硬脆材料，本课题将为此设计一套经济实用的轴向超声钻磨装置，以期为实际生产应用提供一定的参考价值。加工时，工具在产生轴向高频振动的同时，还绕机床主轴做高速旋转，形成脉冲式的切削，它不同于一般的钻削加工，超声深孔钻削具有可以改善钻削条件和机理，提高枪钻的动态刚度，入钻定位准确，提高孔的内表面质量等一系列的优点，具体阐述如下： (1)断屑可靠，排屑顺畅：在适用范围内，只要振动参数和切削用量选择恰当，不论加工何种材料，采用何种刀具角度，都能可靠地断屑，解决了超细长小直径深孔(特别是难加工材料超细长小直径深孔)加工的断肩

40、及排屑问题，可以使小孔钻削实现自动进给。 (2)提高了切削液的使用效果和钻头的耐用度：振动钻削过程中，刀刃与工件加工表面发生周期性分离产生高频率的抽吸挤压作用，切削液能直接渗透到刀具与切屑的接触表面。一方面有效地冷却了钻头的刃部，减小了切削热；另方面降低了切屑与前刀面的摩擦系数，减小了切屑变形，使得切屑能顺利地排出。 (3)降低了切削力：振动频率越高，切削力降低的比例越大。 (4)提高了加工精度和表面质量：振动钻削降低了切削力，减小或消除了切削过程中的振动，钻削平稳、因而减小了孔径的尺寸分散性。同时由于减少了切屑划伤。孔的表面粗糙度可降低13级。也就是说，在振动钻孔过程中，由于脉冲切削力波形的

41、作用，原来直径小的钻头，无形之中直径变大了，钻孔时钻头更不容易弯曲，这样，可以提高钻孔的垂直度，得到更加正而直的孔形。另外，在保持钻头不疲劳断裂的范围内，应尽可能地加大钻头前端的振幅，这样可以得到精度更高的孔形。本设计之所以在普通枪钻机床上加上一系列超声装置，就是为了改善钻削条件，降低切削力，提高排屑效果，从而提高加工孔的表面质量，降低表面粗糙度。3.3超声波发生器与换能器的选用超声波发生器相当于电动机，也称为超声频发生器、超声电源，其作用是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量。目前使用的超声波发生器频率为1625KHz，功率在20400

42、0W范围内。功率在1000W以上的超声波发生器多用电子管式，而小功率者多用晶体管实现。近年来由于电子技术的进步，大功率的电子管超声波发生器已逐渐被晶体管所取代。晶体管电路发生器失真小、效率高、寿命长，但稳定性、耐冲击性和抗干扰性差，目前主要应用于压电陶瓷换能器的驱动。而电子管式发生器耐冲击，结构简单，可靠性好，但失真大、效率低、易老化、操作繁琐，且机内存在高压，使用很不方便。不管是电子管或是晶体管式的，超声波发生器的组成方框图都类似图3.3所示，分为振荡级、电压放大级、功率放大级和电源四部分。其中振荡级由三极管连接成电感反馈振荡回路，调节电路中的电容可以改变振荡频率，振荡级的输出经耦合至电压放

43、大级放大后，利用变压器倒相输送至末级率放大器。功率放大管常用多管并联输出，经输出变压器输出至换能器。 图3.3超声波发生器方框图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：输出功率和频率在一定范围内连续可调且稳定，最好有频率自动跟踪系统和自动微调的功能，发生器的输出阻抗应与换能器阻抗相匹配。此外还要求超声波发生器结构简单、工作可靠、经久耐用、价格便宜、体积小等。换能器作用是将高频电振荡转换成机械振动，它是将电功率转化成机械功率的关键部件。换能器与发生器的匹配包括两个方面的内容：一是发生器的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致；二是在额定输入电功率条件

44、下，换能器输出的声功率最大。换能器与发生器的匹配方法是，首先准确测量换能器的动态阻抗及其变化范围，然后合理选择发生器输出阻抗和匹配回路的元件值，用逐步逼近的方法，通过反复调试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。目前实现这一目的可利用压电效应和磁致伸缩效应两种方法，对应的换能器有压电换能器和磁致伸缩换能器两种。压电换能器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，压电晶体就相应地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

45、电晶体随即产生交变地伸缩变形。超声波发生器输出交变电场加在压电晶体上，从而获得超声波振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振状态，故晶体片的厚度应为声波的半波长或整数倍。压电式换能器结构尺寸小，机械强度低，电声转换效率高，发热较小，辐射功率较小，与超声加工系统易于匹配。磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体（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。它比压电式换能器有较高的机械强度和较大的输出功率，常用于中功率和大功率的超声加工。其缺点是涡流发热损失较大，电声转换效率低，故加工过程中需用水冷

46、却，否则温度升高，超过居里点，磁致伸缩效应将消失。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。根据工件加工的实际条件和相应的技术要求，本此设计我所采用的超声波发生器型号为H66MC，电源电压220V，频率50Hz，输出功率大于250W，这里所说的250W，指的是电子管可以输出250W的功率，并不是说在刀具的刀尖上能发出250W的振荡功率，其振荡频率为8KHz22 KHz。使用的换能器为压电式换能器，固有频率为20KHz，其输出端尺寸52mm，连续工作时间min。3.4超声变幅杆的设计3.4.1 变幅杆的设计原理超

47、声变幅杆又称超声变速杆、超声放大杆、超声聚能器。变幅杆是超声换能器的重要关连器件。特别在高强度超声设备的振动系统中作用更为重要。总的来说变幅杆有以下四方面作用：首先这一器件用来放大位移振幅(或振速)，或者把能量集中在较小的面积上即聚能作用。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（传播损耗不计），由于能量密度正比于振幅的平方，所以截面小的地方，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。第二个作用，变幅杆在检测超声中可以作为机械阻抗变换器，使换能器与声负载更好地匹配耦合，更有效地在换能器与声负

48、载之间传递交换超声能量。第三个作用，变幅杆也是为了用来固定整个机械系统(在波节处固定)从而尽可能地减少机械能量的损耗。 第四个作用，变幅杆使换能器和工作媒质之间获得热学和化学上的隔绝。变幅杆通常是一根半波长的变截面杆,超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体中传播，只是在不同的介质中传播的速度不同，它与波长和频率之间的关系为。超声波的主要作用是对其传播方向上的障碍物施加声压。这个声压具有很强的能量，振动能量的大小可以用能量密度来衡量。能量密度就是通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用来表示，单位W/cm2 （31） 式中 弹性介质的密度（kg/m3）； 弹性介质中的波速（m/s）； 振动

49、的振幅（mm）； 角频率，（rad/s）。变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的（不计传播损失）、那么截面小的地方能量密度就大，由式（31）可知： （32）式中为常量，由此可见，截面越小，能量密度就大，那么振幅也就越大。另外，超声波在一定条件下，会产生波的干涉与共振现象，当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将产生波的反射。所以在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、传播方向相反的两列波，这两个完全相同的两列波从相反的方向回合，就会产生波的干涉。当弹性杆的长度复合某一规律时，杆上某些点的位置始终不变，其振幅为零，形成波节，同时另一些点的振幅最大，其振幅为原振

50、幅的两倍，形成波腹，即得到了稳定的驻波。因此，为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，使之处于最大振幅共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声波的半波长或整数倍。同时固定变幅杆的支撑点（即节点），应该选在驻波的波节处，而且必须保证节点的位置清晰准确。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Mp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，值越大，所能达到的最大振动速度

51、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。在实际应用中，常常要求输入力阻抗随频率及负载的变化要小。3.4.2变幅杆的设计变幅杆材料的选择：对变幅杆材料的要求是：在工作频率范围内材料的损耗小；材料的疲劳强度高，而声阻抗率小，以获得较大的振动速度和位移速度；易于机械加工，作液体处理应用时还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀。适合上述要求的金属材料有铝合金、铜镍合金，如硬质合金、铍青铜及钛合金等。钛合金的性能较好，但机械加工较困难，价格昂贵；铝合金加工容易，但抗超声空化腐蚀很差，钢损耗较大。一般情况下，只要调质处理就能满足要求，要是在有螺纹或锥部等直径急剧变化的部位进行表面氮化处

52、理，就能防止产生疲劳裂纹。此外，受幅杆材料应进行探伤，以避免材料内无裂纹和缺陷，否则声能就不能沿着声传输路线传递、材料断裂或引起令人讨厌的噪声。因此有裂纹或缺陷的材料必须报废。本次设计采用价格便宜、加工容易的45号钢，材料的声学特性基本能满足实验需要。材料的声学特性为：在供应状态下，密度=7.81103kg/m3，杨氏模量E=20.921010N/m2，抗拉强度61107N/m2，棒中纵波声速c=5169m/s。变幅杆类型的选择：超声加工技术中常用的变幅杆有阶梯形、悬链形、指数形及圆锥形变幅杆，如图3.4所示。在选用变幅杆的类型时，应从三个方面来考虑，一是设计比较简单，容易获得较准确的设计数据

53、；二是要注意制造的难易程度；三是要根据振动切削的具体要求，特别是放大倍数、工作稳定性、切削用量等来选择合适的变幅杆。表3.1列除了常见的几种变幅杆性能的比较。 本设计考虑到变幅杆的负载是固体，加工时要求变幅杆工作稳定性高，有足够的刚度和弯曲劲度，以及放大系数要求不大。经过综合比较并结合实际条件，采用圆锥形变幅杆。此外，因为枪钻工作过程中，需要切削液从钻杆后端流入，而钻杆又和变幅杆相连接，因此，圆锥形变幅杆也需要有一通孔。在本次设计中，我采用的是带有圆柱孔的圆锥形变幅杆。表3.1 各类变幅杆的性能比较优缺点类型优 点缺 点阶梯形设计制造最简单，当面积系数一定时，振幅放大系数最大，半波共振长度最短

54、共振频率范围较小，受负载后放大倍数小，截面变化处应力较大悬链形放大系数较大，输入阻抗特性最好制造困难，当放大倍数过大时，常因应力过大而损坏指数形一般在大功率、高声强的状态下工作，工作性能稳定，振幅放大倍数相对较大，阻抗较容易匹配制造困难，放大系数小，截面变化不能过大，否则振动无法传播圆锥形制造容易，共振长度长，频率稳定性好，机械强度大振幅放大倍数相对较小，半波共振长度最长变幅杆参数设计为了研究方便，现给出几个假设（在杆的横截面尺寸远小于波长时，这些假设是允许的）：变截面杆由均匀、各向同性材料构成；机械损耗很小，可以忽略不计；杆中通过的弹性波的波阵面是平面，即在杆的横截面上应力分布是均匀的； 平

55、面纵波沿杆轴向传播。具体计算如下：对于一变截面杆，其对称轴为坐标轴，作用在小体积元()上的张应力为，根据牛顿定律可以写出动力学方程： 式中 A杆的横截面积函数，A=A(x)； 质点位移函数， =(x)； 应力函数，；E杨氏模量；杆材料的密度。上式就是变截面杆纵振动的波动方程。这样我们便可以利用该式来分析各种类型的超声变幅杆了。 在简谐振动的情况下，变截面杆纵振动的波动方程为： （33）式中 圆波数，；纵波在杆中的传播速度，；A杆的横截面积函数，A=A(x)；质点位移函数， =(x)；应力函数，；E杨氏模量；杆材料的密度。这样我们便可以利用该式来分析计算带有圆柱孔的圆锥形的超声变幅杆了。如图3.

56、5所示的变幅杆，大端（即坐标原点0处）半径为，小端（即处）半径为，圆柱孔的半径为；则 N=; ; 。则波动方程（33）的解为： （34）（1）两端自由时的共振频率方程 (35)（2）位移节点 (36)（3）放大系数 （37）变幅杆大端的设计尺寸取决于换能器的辐射面积 。一般来说，为了使从换能器传来的能量不至于过多损耗，其截面尺寸应等于或略大于换能器辐射面的尺寸。但其横向尺寸在没有采取特殊措施（例如开槽）的情况下，应小于，以减少横向振动所带来的影响。而小端（即输出端）尺寸应根据传振元件或工具的尺寸来选择。本此设计的带有圆柱孔的圆锥形变幅杆具体的参数值，因所选用的换能器端面直径为mm，故变幅杆大端

57、直径选为D1=52mm，根据枪钻直径及其夹头的大小取小端直径为D2=25mm，圆柱孔直径D10mm，工作频率为20kHz,材料为45号钢。则，该变幅杆具体参数如下： (1)共振长度由式（35）可得 mm(2)位移节点 （3）放大系数 这里需要注意的是：在超声加工中，不仅要求变幅杆的位移节点位置要清晰准确，而且当振动系统固定到相对静止的支架上时，声能耗散最小、振动频率保持不变，不影响振动系统的声阻抗。本设计采用螺栓将变幅杆的法兰盘与外套直接连接在一起。固定时，一方面要求振动处的法兰盘的刚性好；另一方面又要求法兰盘与变幅杆的连接点的厚度（即振动节厚）尽量小，以减小振动能量传到法兰盘上， 振动节厚取

58、36mm比较合适。同时为保证变幅杆工作中不引起侧振以及钻头的变幅振动，制造时必须保证法兰盘端面与变幅杆轴线的垂直度误差不超过0.02mm。在此设计中，法兰盘的位置是：其中心线距离变幅杆大端长度为57.03mm。3.5变幅杆与其它零件的连接变幅杆与换能器之间用双头螺柱来连接。变幅杆中螺纹的中心线与端面之间要求有很高的垂直度。加工时，在车床上通过一次装夹全部完成端面和螺纹的加工，即可保证有很高的垂直度（变幅杆的大端面应和其轴线的垂直度误差不大于0.015mm）。如果换能器和变幅杆的两个被连接表面接触不良，当施加超声波激振时，在连接部位会引起尖叫声，变幅杆不能正常起振。因此，这两个被连接表面必须经过

59、研磨加工，以保证足够高的平面度和足够小的表面粗糙度（不低于Ra0.4）。组装时，这两个被连接表面应先涂硅油，然后再拧紧螺纹。刀具和变幅杆之间的连接一般采取下列两种连接方式：第一种，刀具同变幅杆焊成一体；第二种，采用螺纹连接。一般来说，焊接需要高度熟练的技术，有时表面上看起来已经焊好了，可是接合面并没有全面焊合，这样要是振动系统振动时，刀具很快就会掉下来。为此，我们可采用螺纹连接。此外，为了使切削液通过换能器和变幅杆，顺利达到枪钻，需要在双头螺柱中心钻一个孔，所采用的螺柱型号为 GB898-88 M1050，孔的直径为。 4.导轨的设计4.1导轨的作用及要求导轨的功用是导向和承载。即保证运动部件

60、在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动。在导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨通常只有一个自由度的直线运动或回转运动。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、供作能力和使用寿命。因此，导轨必须满足下列基本要求，（1）导向精度 导向精度是指动导轨沿支承导轨运动时，直线运动导轨的直线性和圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动之间相互位置的准确性。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度，导轨的结构形式、导轨及其支承件的自身刚度和油膜刚度以及热变形等。 （2）精度保持性 为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性的要求。若刚度不足，则直接影响部