旋转超声加工

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：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。下表3-1为几种常用变幅杆的主要设计公式表3-1常用变幅杆参数设计计算公式变幅杆类型圆锥形指数形阶梯形截面变化规律振幅放大倍数半波共振长度l=λ(kl)0/2π根(kl)0由下式求出位移节点符号说明和分别为变幅杆输入端和输出端面积；D和d分别为变幅杆输入、输出端直径；k为波数，k=，为圆频率，=，为共振频率，c为纵波在细杆中的声速，平直细杆中的波长，；N为面积系数，本次设计我选用了圆锥形聚能器（变幅杆）。变幅杆直径的选择要兼顾效率和刚性两方面。直径大，刚性好，但能量损失大，一般使变幅杆大端与换能器尺寸相等或稍大。本设计选用的换能器端面直径为52，故变幅杆大端直径选为52，变幅杆小端直径选13。（1）变幅杆谐振长度的设计有已知条件可得N＝4，变幅杆材料为调质45钢，纵波波速c＝5169m/s，频率ƒ=20khz，从而求得根据圆锥型变幅杆频率方程：用数值分析法求得谐振长度代入谐振长度公式得（2）位移节点的设计由于所以C0=56.2258，即节点的位置处于距大端56.2258mm（3）放大系数代入放大系数公式的mp=7.148（4）形状因数由应变极大值条件从而可求得应变极大值点形状因数至此，变幅杆的基本外观尺寸计算完毕。又考虑换能器的外径，以及与变幅杆固结在一起的法兰与内筒的连接。当确定了内筒的内径则也可确定。3.3.3连接及定位方式设计传统超声变幅杆的径向定位靠一段圆柱面，超声能量传递主要靠大圆柱的上端面与其他构件进行紧密配合进行。对于传统超声加工，由于主轴不回转，这样的结构能够满足联接和超声能量传递要求。但对于旋转超声加工，由于变幅杆与其他构件的联接是螺纹联接，以圆柱面定位只能采用数值较大的间隙配合，导致变幅杆与联接构件同轴度较差，因而该联接结构便不能满足旋转超声加工的回转精度要求，特别是两级或多级变幅杆联接之后，工具端面的径向跳动较大。清华大学戴向国、傅水根等人提出了两面定位的超声变幅杆结构利用圆锥面进行径向定位，利用圆锥面和大圆柱的上端面与构件之间的紧密配合进行超声能量传递。两面定位系统是过定位系统，虽然给加工和装配带来一定的难度（如需通过配作满足加工要求），但该结构能够满足超声能量传递的特定声学要求，在特定情况下采用还是必要的。而且实验证明该结构较好地满足了旋转超声加工的各方面要求。在此次设计中采用此两面定位机构。该结构如下图3-1所示图3-1两面定位的变幅杆结构示意图3.4内外桶，端盖及密封装置设计3.4.1内外筒设计内筒内径d已经知道换能器外径为52mm，换能器上有外伸的电极，在考虑换能器与内筒间必须的间距，因此间距取为5mm，因此内筒内径可取为d=62mm。内筒长度L内筒内要伸入轴，伸入的轴上装有换能器，锁紧螺母，再考虑换能器与轴之间的间隙，内筒长度总计取为214mm。内筒厚度m内筒外侧要进行铣削以安装轴承，而且其上要钻螺钉孔以进行连接，因此内筒厚度铣削过的为14mm，其上安装的轴承内径d同时也定为90mm。选取角接触球轴承，其安装尺寸为99mm，因此内筒未加工前尺寸为99mm。内筒外部安装轴承段的长度考虑轴承的宽度为24mm，端盖用来定位轴承的外伸端取为8mm，则总长度为32mm至此内筒尺寸设计完成。而外筒借鉴内筒的设计并考虑内外桶共同配合实现轴承的定位，因此外筒尺寸也可以确定。如所绘图所示。3.4.2端盖及密封装置的设计端盖由于要考虑到内筒与外筒之间的旋转，及变幅杆为锥形面，因此端盖及密封装置必须与变幅杆上的法兰平齐，密封采用密封环，具体结构见图纸。3.4.3法兰盘设计法兰盘厚度取为9mm，上面制有铰制孔，以进行定位和连接。考虑到无需密封铰制孔设定为四个。且法兰盘凸缘对轴承有定位作用。3.5主轴的设计带传动传动比取为i=2求出轴上的功率p1、转速n1、转矩T1取带传动效率为η1=0.92则p1=p*η1转速n1=n1*1/2T1=9550000p1/n1初步确定轴的最小直径按照下式初步估算轴的最小直径dmin=A03√p1/n1选取轴的材料为45钢，调质处理，由表取A0=112又考虑轴要与轴承的孔径相配合，故需同时选轴承型号，综合考虑得d=30mm轴的结构设计轴上零件：轴上装有圆螺母，止动垫圈，法兰盘，集流环支架，大带轮，套筒及轴承。根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：轴承选用角接触球轴承7000型，其尺寸为d*D*B=30mm*55mm*13mm；轴承与带轮间靠套筒定位，考虑到带轮的定位，需制出轴肩，则带轮的安装d直径可取为34mm，由带轮的设计尺寸宽度取为1.5d=51mm；考虑带轮与箱盖之间的距离取为16mm，则定位套筒长度取为20mm。计入带轮定位所需的外伸长度6mm，则d=30mm段长度为45mm，d=34mm段长度为47mm；考虑到带轮的定位及与桶壁的距离下一段直径取为40mm，长度取为40mm。下一段装有集流环支架，法兰盘，并制有螺纹安装圆螺母与止动垫圈。集流环支架取为20mm，法兰盘壁厚为9mm，查表得圆螺母厚度为10mm，止动垫圈厚度为5mm。考虑安装后轴上余的长度5mm，这一段长度总长为40mm，制出的螺纹长度为18mm。至此轴的结构已确定，总长为172mm。如图3-2所示3.6主轴头摆转功能实现的设计为了可轻易实现加工斜面和斜孔的工序，主轴头需要有左右倾斜的功能。其摆转功能的实现主要靠蜗轮蜗杆机构。其功能的实现具体叙述如下连接板可与机床床身固定连接，悬臂轴的大端固装在连接板上，悬臂轴的另一端插入箱体的内腔，悬臂轴与箱体相对旋转连接；悬臂轴上固装有蜗轮，箱体中安装有蜗杆，蜗杆与箱体为相对旋转连接，蜗轮与蜗杆形成蜗轮蜗杆副机构，箱体装配在连接板上并与之相对旋转连接。在切削过程中，如果需要加工斜面或斜孔时．只要把T型螺栓松开，旋转蜗杆即可使主轴头倾斜，从而实现加工斜面和斜孔的需要。致谢在本次关于旋转超声加工装置的毕业设计过程当中，我得到了老师的耐心指导。张老师不厌其烦的给我们解答疑难问题，为我们的设计付出了巨大的心血。老师的帮助从毕业实习贯穿了整个毕业设计的全过程，由于我们的知识贫乏和无知没少耗费老师的精力。在此，向张老师表示深深的歉意和诚挚的感谢:张老师，您受累了！感谢爸妈含辛茹苦的养育之恩，你们和哥哥姐姐的支持是我顺利完成四年的大学学习和考取研究生的最大动力。我爱你们！另外在设计的过程中也得到同组同学以及课题类似同学的帮助，在此一并向他们表示感谢！参考文献【1】曹风国主编,超声加工技术,化学工业出版社,1995【2】张云电主编,超声加工及其应用,国防工业出版社,1993【3】】机械工程手册电机工程手册编辑委员会,机械工程手册(第二版)机械制造工艺及设备卷(二),国防工业出版社,1980【4】孟少农主编,机械加工工艺手册2,机械工业出版社,1998.3【5】孔庆华刘传绍主编,极限配合与测量技术,同济大学出版社,2002.2【6】机械手册联合编写组,机械设计手册,机械工业出版社,2000【7】上海金属切削技术协会编,金属切削手册(第二版),上海科学技术出版社,1989【8】辛一行邹慧君等,现代机械设备设计手册第一卷设计基础,机械工业出版社,2002.6【9】刘晋春赵家齐赵万生等,特种加工(第四版),机械工业出版社,2004.1【10】樊国良应崇福林仲茂,一种新型的超声加工深小孔的工具系统,应用声学,1982【11】郑书友，旋转超声加工机床的研制及实验研究.华侨大学，博士学位论文，2008【12】杨志斌，