超声振动钻削机构设计

目 次1．绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 31.1.引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 31.2.课题的来源及其研究的内容„„„„„„„„„„„„„„„„ 31.3.超声振动钻削机构概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 41.4.超声波的产生及其特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 51.5.超声波的加工原理及特点„„„„„„„„„„„„„„„„„ 61.6.超声波加工发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 72．超声振动钻削系统的结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„ 92.1.引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 92.2.超声振动钻削系统的结构设计„„„„„„„„„„„„„„„ 93．超声振动钻削机构声学系统的设计„„„„„„„„„„„„„„ 3.1.超声波发生器与换能器„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.2.超声变幅杆的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4．钻头夹具的设计与连接„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.1.钻头夹具的选取与设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.2.钻头夹具与变幅杆的连接„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5．其他零部件的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5.1.其他零部件的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6．校核与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6.1.轴承的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6.2.内轴套的校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 设计总结 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第一章 绪论引言50192770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，课题来源及其研究的内容的优点，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使其可以安装在普通机床上便可进行旋转超声加工。2动方程角度来探讨变幅杆的设计和刀具的设计问题。3.线。4250W品，对其进行系列化设计。5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。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之保持V<2af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）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。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()1一1(晶片厚薄亦产生规律性变化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:质密度等有关，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就越大。处质点始终不动化了加工过程的进行。超声波加工原理及特点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，0.01—0.1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。索；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。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：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。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—a0.08 m，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用。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因此，对一于加工薄壁、窄缝及低刚度工件是有利的。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。与电解加工、电火花加工比较，超声波加工效率较低。超声波加工发展概况50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6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超声振动钻削系统的结构设计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2-1所示：用。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；工具的旋转运动；工具的超声振动；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)。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1,2,4,5图2-1超声振动钻削机构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：常密切的关系。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能防止机构的摆动。有足够的稳定性和承载能力，能够抵制干扰，实现稳定加工。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。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超声波发Th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 图3-1 发生器工作原理框图3-1（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。磁致伸缩换能器 它是利用某些铁磁体（如纯镍等）在变化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。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，换能器出端尺寸 52mm，输入电压220V，连续工作时间30-60min。超声变幅杆的设计变幅杆的功用4-510-20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1ka222k2k

(3.1)(3.2)式中：—能量密度a—振幅k—k2(3.3)—弹性介质密度c—弹性介质的波速—角频率 (3.4)f—频率。所以，根据（2.2）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 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定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。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。固定方式固定方式系两端固定中心固定，两端自由Ln，n2Ln，n=1,3,5„2固有频率f nn2L，nf nn2L（n=1,3,5„）（表中： -杨氏模量；-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n=1n=1n=1n=1n=3n=2n=3

n=3n=3n=5n=5图3-2不同固定方式的谐振图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：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。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＝1.01～1.81lNN3.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。在面积系数相同时，有 > > >圆锥 指数 悬链线 阶梯4.加工难易程度不同。阶梯型变幅杆最容易加工，圆锥型变幅杆次之。指数型、悬链线型最难加工。具体表3-2所示：表3-2 不同变幅杆优缺点对比在功率超声技术应用中，不同的加工条件下对变幅杆的要求也有所不同。例如：在高声强超声处理应用中，如超声钻切硬脆材料、超声焊接、超声金属成型，超声疲劳实验、超声破碎、及某些超声治疗等等，变幅杆主要起放大聚能作用。这时，对变幅杆的要求主要是要有尽可能大的放大系数。中，负载的变化较小，而且不需要外加静压力。此时对变幅杆的输入阻抗特性及刚度要求不高，因此常常采用简单的阶梯型变幅杆。这种变幅杆在面积系数相同的情况下，放大系数最大，而且加工也比较容易。如果变幅杆的负载是固体，如超声焊接、超声钻切等，在工作中大多需要一稳定性高，而且容易进行机械加工。变幅杆类型的选择在选用变幅杆的类型是应从三方面来考虑，一是设计比较简单，容易获得较准确的设计数据；二是要注意制造的难易程度；三是要根据振动切削的选取上我主要考虑了两种变幅杆：一是阶梯型变幅杆，一是圆锥型变幅杆。主要因为这两种变幅杆设计都比较简单且都比较容易加工。纵波的截面发生突变，导致加工中振幅稳定性不够，当它受到负载阻力时，振幅减小的现象比较严重，而且在粗细过渡的地方容易产生应力集中而造成疲劳断裂。在实验中发现，阶梯型变幅杆共振性能不好，表现在和换能器的匹配性不好，得到的振幅很小且不稳定。而圆锥型变幅杆则输出功率大，工作的频率稳定性好，有足够的刚度，共振长度最长，在长时间工作后换能器发热还能处于共振状态。在超声车削时当切削用量变化时，振动电源的振动频率发生漂移时，圆锥型变幅杆仍能够处于较好的共振状态，而且超声电源不用设频率自动跟踪系统。同时圆锥型变幅杆形状因数 最大，制造也比较容易。45#与复合材料，变幅杆的负载是固体（钻头或镀金刚石硬质合金钻头，加工时要求变幅杆工作稳定性高，有足够的弯曲劲度。经过综合比较，笔者最后决定采用圆锥型变幅杆。变幅杆材料的选择变幅杆从形状上看就是一般的金属杆，但是选取什么样的金属材料来制造成变幅杆的折断或无法正常工作。振动切削希望变幅杆在制造上选用疲劳强度高、具有一定得硬度又具有较好的韧性的金属材料，在工作频率范围内材料的损耗小且容易进行机械加工。另外，作液体处理应用的变幅杆，还要求其辐射面所用的材料应当耐腐蚀。常用的变幅杆材料有不锈钢、耐热合金钢、钛合金等等，特别是钛合金，由于其性能优良，是变幅杆中的首选材料，但材料与制造成本较高，是该材料应用的局限。具体比较如表3-3所示。表3-3 常用材料的声学特性在本设计中，考虑到成本问题，变幅杆的材料选择 钢，并需对其调处理。调质后该材料的有关参数如下：抗拉强度b

61.5kgmm2

Max

0.4b

25kgmm2；材料密度7.9gmm3；超声波在该种材料中的传播速度c5.169106s；超波在该种材料中的波长f258.45mm。变幅杆的设计与解析圆锥型变幅杆形状如图3-3所示：图3-3其对称轴为坐标轴x，在距离原点Ox处取出一小体元（x,x+dx力如图所示，先导出面积函数：3-4所示，DDDx处的任一1 2 x截面的直径，补全为三角形：则：xD lyD lyx1

图 3-4

（3-5）2D yly （3-6）2D12由式2-6得 y Dl2

（3-7）DD1 2把式2-7代入式2-5得D DDx1 1D D1 2D

2x （3-8）令 1N （称为面积系数）D2故，由式2-8得N1D Dx 1

x) （3-9）Nl令N1Nl由式2-9得D Dax) （3-10）x 1其面积函数 Sx

Sax)2 （3-11）1设质点的位移函数 (x)其应力函数(x)

（3-12）其中E为杨氏弹性模量，并设变幅杆材料密度为 。由图3-4所示，小体元上所受张力为x程

dx, 据牛顿第二定律列出动力学方(S)dxS2x t2

dx （3-13）在简谐振动情况下：) （3-14）) （3-15）t2t2

A2)（3-16）把式2-12、式2-15代入式2-13得2 1S 2 0 （3-18）x2 Sxx k2c2

(k称为圆波数)且波速 c所以，式2-18变为：2x2

1S

k0 （3-19）把式2-11代入式2-19得：2x2

2a ax1

k0 （3-20）解此方程得： 1 (ACoskxBSinkx) （3-21）x1a 1 (AkSinkxkCo)x 1

(ACosBSink（3-22）x x1a

(x

1)2a 推导频率方程及圆锥型杆的谐振长度边界条件x=0时 0xx=l时 0x当x=0 ，

0时由式2-22得-kaB-a故ABka当 x=l ，x

0时

（3-23）Aka-la1

Sinkl

Bkala1

Coskl

Aa2(la1)2

Coska

a2B(la1)2

Sinkl0(Ak aB )Sinkl(Bk aA)Coskl0(lala1把式2-23代入得(Bk2

aB )Sinkl(Bk

aBk

)Coskl0a la1 la1故tgkl

ka2la2k2(latgkl kl1(k)2(laa

（3-24）kl的数值解。Kl的值也可有下表3-4查出：表3-4NklNkl1.053.14243.553.56381.103.14453.603.57181.153.14783.653.57881.203.15213.703.56821.253.15733.753.59351.303.16333.803.60071.353.17003.853.60781.403.17713.903.61481.453.18483.953.62181.503.19294.003.62861.553.20134.053.63541.603.21014.103.64211.653.21914.153.64871.703.22834.203.65521.753.23764.253.66161.803.24714.303.66801.853.25674.353.67431.903.26644.403.68051.953.27264.453.68662.003.28604.503.69262.053.29584.553.69862.103.30574.603.70452.153.31554.653.71032.203.32534.703.71612.253.33514.753.72172.303.34494.803.72742.453.37384.953.74382.503.38345.003.74912.553.39285.103.75962.603.40225.203.76992.653.41165.303.77982.703.42085.403.78962.753.42995.503.79912.803.43905.603.80842.853.44805.703.81752.903.45685.803.82642.953.46565.903.83503.003.47436.003.84353.053.48296.103.85183.103.49146.203.85993.153.49996.303.86783.203.50826.403.87553.253.51646.503.88313.303.52456.603.89053.353.53266.703.403.54056.803.453.54846.903.503.55617.003.8977当定出面积系数N之后，就可查出kl值，kl值知道后，就可以算出谐振3.8977长度l，用一个等效公式来定谐振长度lp (kl)lp2 （3-25）x0的公式位移节点就是超声波在变幅杆中传播时节点（振幅为零的点）的位置，求出位移节点的目的是为了在进行超声振动钻削时，利用节点把变幅杆固定下来，这样，一方面固定变幅杆，另一方面使能量损失为最小。边界条件 x0 时 位移1x0 时 应变0x当x0，时 由（3-21）得1 1故x0

A10时 由（3-21）得Bk2A0故B

k1kkA,B代回（3-21）得 1(

coskx

1sinkx)k所以 111x

(coskxsink

（3-26）x00代入（3-26）得位移节点 111x0故

(coskx0

sinkxk

)0得tg(kx

coskx0)k

sinkx0k 0

（3-27）0 导出振幅放大倍数Mp振幅放大倍数就是超声波经过变幅杆后，小端的振幅与大端振幅之比。由于是半波长的变幅杆，所以大端小端的振幅互为相反数，大端已设为，所以小端设为 ，故边界条件xl时，振幅，把该边界条件代1 2 2入（3-26）

1 (cosklsinkl)2故2Mp21

11l k1111l (coskl sinkl) （3-28）l把

N1代入（2-28）得NlM N(cosklp

N1sinkl) （3-29）Nkl变幅杆各参数的计算已知条件：圆锥型变幅杆的工作频率为 20kHz，材料用45号钢，大端径D1=52mm，小端直径D2=20mm。1N=D 1D2共振长度：

52=2.6 （3-30）20N频率方程 tg(kl)= kl （3-31）N1( )2(kl)2N1N值代入（3-31）式解得（kl）=3.40波长

5.169106

258.45 （3-32）f 20103l=258.453.4139.85mm (3-33)x：0圆波数 kc

20000 2.43102c 5.169106

（3-34）N1Nl

4.4103 （3-35）1x arctgk1

1arctg

2.43102

57.27mm （3-36）0 k 2.43102 4.4103放大系数M ：p N1 1.6 M Ncoskl sinkl2.6cos3.4 sin3.42.57p Nkl 2.63.4 （3-37）应变极大点x ：Marctgarctg4.4103 0.181 （3-38）k 2.43102至此，变幅杆的形状系数完全确定，其形状如图3-5所示：具体尺寸参见工装设计成套图。图3-5 变幅杆的实际图形变幅杆与换能器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，就不会正常起振。因此，这两个被连接表面必须经过研磨加工，以保证很高的平面度和很小的表面粗糙度（不低于 Ra0.4。组装时，这两个被连接表应先涂硅油，然后再拧紧螺纹。变幅杆的固定（即振动节厚）尽量小，以减小振动能量传到法兰盘上。根据实验可知，振动节厚取3-6mm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。第四章 钻头夹具的设计与连接钻头夹具的选取与设计钻头夹具的设计是超声钻削加工中的一个难点，同时又是一个重点。由于本实验使用的是 3mm的钻头，其他夹具不具备装卸简便，易于把钻头固牢靠的优点，为此我们选用夹头。考虑到钻头的装卸方便，作者曾设计一弹簧夹头，但是，由于弹簧夹头内部连接环节较多，且缝隙较大，在施加超声振动时，能量损失太大，所以未采用弹簧夹头。考虑到变幅杆的能量传递，为了防止在变幅杆与夹头的连接处出现能量损失，把夹头与变幅杆相连接的一端的尺寸设计成与变幅杆小端一样的尺寸，同时使夹头有一个锥度，其形状类似变幅杆，使能量能够过渡到钻头，并且使两连接件完全接触，可以看成一个整体，使得两连接件之间的能量传递减小到最小，并且能够在主轴作轴向振动的条件下，两者可以同时作轴向振动，避免了钻头与变幅杆的不同轴振动。此夹头的缺点是每一把钻头要对应一个夹头，且钻头易折断。其具尺寸见图4-1所示。图4-1 刀具夹头刀具夹头与变幅杆的连接夹头与变幅杆的连接是靠螺纹进行连接的。我们在设计时，考虑到夹头要装卸简便，由于夹头根据钻头的尺寸，选用一般小夹头，它可以适应不同尺寸的钻头的需要。为此我们选用螺纹连接，把夹头的一端设计成螺栓，在变幅杆的小端加工一个螺纹孔，使之能够完全配合，把夹头牢固地固定在变幅杆的小端。第五章 其他零部件的设计5.1其他零部件的设计为了能把主轴与钻削工具连接在一起，为此设计了一个内套，内套形状与具体尺寸如图所示：其上部为 4号莫氏锥柄，能与钻床主轴相配合，把其插入主轴中的锥孔内，并在锥柄的顶端，开一个螺纹孔，在主轴的开口处用一螺钉拧紧，防止锥套在与主轴转动过程中出现相对转动。下部为一厚度为10mm的中空套，内部放入换能器和变幅杆，变幅杆利用节点位置的圆盘固在内套的下端面。在内套的加工过程中，锥柄和与轴承配合的部分均要求磨光。由于内套与变幅杆、换能器都要随主轴转动，所以我们只能借助于电刷和滚动轴承。电刷的主要作用是能够把从超声波发生器发生的电信号传输给考虑到要具备有导电性强的要求，本实验采锡铜圈，把锡铜圈固定在一绝缘套上，绝缘套则通过小量的过盈配合固定在内套上，从换能器上引出两条导线，通过内套的小孔把导线焊接在铜圈上。与铜圈紧密接触的是电刷，电刷我们利用导线与铜圈焊接在一起，并把导线穿过一条压簧，并把其放在一小绝缘筒内。小绝缘套的外部车成螺纹，将其拧在外固定套上。压簧的主要作用就是让从发生器发出的电信号通过导线和铜圈始终传送到锡铜圈上。这样能保证电刷下与铜环接触，保证了电流的畅通。能改变变幅杆小端的钻削工具在超声频振动状态下进行加工工件。外固定套的设计，为了固定轴承，我们设计出其形状与尺寸如图5-1所示：图5-1 外固定套图5-2 内轴套图5-3 吊丝用吊丝将其固定，吊丝一端车成螺纹形状，将其拧在外固定套的上端的端盖上面，另一端则与卡毂环相连，其形状零件图所示，利用螺栓将吊丝与毂环压紧，两个毂环卡在钻床主轴上。第六章 校核与计算轴承的计算根据内轴套的直径与设计结构的特征，选用型号为 51118的推力球轴承下面进行校核与演算。查机械设计手册得：51118型号的轴承的额定动载荷为：Ca51118型号的轴承的额定静载荷为：C0

=65000N。=200000N。最小载荷常数： A=0.21设计的机构为超精密加工系统，所以其转速非常高，一般为 2500r/min由轴承手册查的 51118型号的推力球轴承在脂润滑的情况下极限转速为1700r/min；在油润滑的情况下极限转速为2700r/min。本次设计的机构为油滑完全符合要求。于是选定平均转速为 2500r/min。设超声振动钻削系统每年工作 300天，每天工作18个小时，寿命为20年。将其化为小时得到轴承的计划寿命为 108000小时。2600N。由轴承寿命计算公式得：106 CL ( a)310h 60n pn=2500r/minCa

=65000N，P=2600N代入得：L10h

=108166h因此，我们选的轴承完全符合要求。内轴套的校核由于内轴套为中空，而整个超声钻削系统比较简便，质量轻，整个内轴套上几乎没有附加的额外重量。旋转产生的离心力也由于内轴套的完全对称性而相互抵消。外固定套对内轴套的干涉几乎为零。本来质量就轻，又加上吊丝与卡毂环和机床主动轴外轴壳相连，达到了固定和承受的目的，从而使外固定套由于钻削运动产生的各种影响干涉不到内轴套。钻削过程产生的振动等影响与超声振动钻削系统的振动相符相成，相互抵消，可以忽略不计。超声振动钻削系统加工的对象是直径最大为 3mm的细小孔，钻削刀具积小，质量轻，扭矩小，产生的扭矩和弯矩很小，不会超过内轴套的极限转矩而使其失效。综上所述，内轴套的校核完全符合理论要求，校核无误。设计总结本文主要结论超声波振动技术是一项面向未来的技术，支持先进材料加工，为很多增长型市场提供了新的加工力一法。高性能材料诸如陶瓷、玻璃、石英、复合材料以及硬质合金等，有着令人瞩日的特性，如耐磨性，耐腐蚀性，抗压，不宜变形及耐高温性，超声振动技术还可以直接对它们进行加工。针对目前超声波专用机床具有成本高、体积大等一系列缺陷，本文主要探讨了一种可安装在普通机床上便可进行超声钻削加工的旋转超声振动钻削机构，并对其进行了实验研究。全文的主要工作和结论如下:1安装在摇臂钻床、立式铣床等机床上加工大型零件，符合一般用户的要求，实用性强。2用质量互易法介绍了工具尺寸的设计。3、对圆锥形变幅杆进行了结构分析和动力学分析。4有更广泛的应用范围。5机构的结构设计是可行的，在加工效率方面也达到了超声加工专用机床的要求。后续展望本文对超声振动钻削机构的结构设计、变幅杆的动力学分析研究方面做了一些工作，取得了一定的进展。但由于时问仓促，加之客观实验条件所限，还有许多问题需要进一步分析和探讨。1、本文只对超声振动钻削机构进行了结构设计，而对上具末端静载荷的测量没有做进一步的研究，这将在以后的工作中做进一步探讨，以使该结构在设计更加合理。2、本文只对圆锥形变幅杆进行了理论分析、结构分析和动力学分析。作为一个完整的变幅杆理论，希一望在以后的工作中对其它类型的变幅杆进行全面综合探讨。3、由于实验条件所限，本文的在实验研究方面还有所欠缺。希望在以后的工作中进一步完善。心得体会毕业设计是四年大学生活中最重要的设计；也是难度最大的设计；是四年知识的积累；也是四年学习状况的一个评估。中两个典型的例子让我刻骨