《学位论文超声波旋转加工机结构设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学位论文超声波旋转加工机结构设计.doc（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 超声波旋转加工机结构设计摘要超声加工技术是近30年来逐步发展的一种特种加工方法，并以它的工艺效果得到了广泛的应用。由于它横跨机械学、电学和声学三个学科，因而也可把超声加工技术是为边缘学科。超声加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声振动进行振动加工的方法。超声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作用是，将220V或380V的交流电源转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是，将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是，将换能器的振动振幅进行放大。早期的超声波加工主要依靠工具作超声波振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件
2、材料达到加工目的。但加工效率低，并随着加工深度的增加而显著降低。后来，随着新型加工设备及系统的发展和超声波加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压人磨料悬浮液的超声波加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声波加工孔的直径及孔深的范围。近20多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声波频振动，同时又绕本身轴线以10005000r/min的高速旋转的超声波旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已
3、用于航空、原子能工业，效果良好。本文设计的超声波旋转加工机，它的核心内容是超声换能器及变幅杆的设计。本文将从基本的理论讲起，详细介绍换能器及变幅杆的原理、作用、设计计算等。除了机械结构的设计，本文还介绍了控制步进电机的控制系统的设计。关键词超声波；机械加工；声学Ultrasonic wave revolving manufacturingAbstractThe technology of ultrasonic process is a special method process in recent 30 years, and it has a wide application because
4、 of its good crafty result. Since the technology of ultrasonic process is relative with mechanism, electricity and acoustics, it can be considered as frontier science.Ultrasonic process, it is a processing method which manufacture the work piece ultrasonic vibration at a direction. The system of ult
5、rasonic process is consist of the manufacturing install of ultrasound, the ultrasonic transforming install, the pole of changed flap , the system of transmitting vibration, tools, and the system of craft, and so on. The function of the manufacturing install of ultrasound is to transform the 220 or 3
6、80 mains to the ultrasonic electric vibrating signal；the function of the ultrasonic transforming install is to transform the ultrasonic electric vibrating signal to the machining vibration；and the function of the pole of changed flap is to amplify the amplitude.The early ultrasonic machining mainly
7、depends upon the tool to make the supersonic wave frequency vibration, causes in the suspending liquid the grinding compound to obtain the impact energy, thus the elimination work piece material achieves the processing goal. But the processing efficiency is low, and obviously reduces along with the
8、processing depth increase. After wards, along with new processing equipment and system development and ultrasonic machining craft unceasing consummation, the people use the spatial tool interior outward to pump the type inward to oppress others the grinding compound suspending liquid the ultrasonic
9、machining way, not only enhanced the productivity large scale, moreover expanded the ultrasonic machining hole diameter and the depth of hole scope. Nearly 20 for many years, overseas have used the agglutination or plates the diamond the advanced tool, both makes the supersonic wave frequency vibrat
10、ion, simultaneously and circles the itself spool thread by the 1000-5000r/min high speed revolving ultrasonic wave revolving processing, has the higher production efficiency and the hole processing depth compared to the common ultrasonic machining, simultaneously the straightness good, the size prec
11、ision high, the tool wears slightly, besides may process the hard crisp material, but also may process carbonizes the steel, the dioxide steel, the dioxide iron and the boron epoxy compound materials, as well as the stainless steel and the titanium alloy fold the level the material and so on. At pre
12、sent, has used in the aviation, the atomic-energy industry, the effect is good.The ultrasonic gyrating machine that the text designed, its main content is the design of the ultrasonic transforming install and the pole of changed flap. This text will detailed introduce the principle, function, design
13、 calculation etc. of them from foundational theory. Except the mechanical construction of the machine, this text also introduces design of the controlling system of the generator of step-by-step.Keywords Ultrasonic; Processing; Acoustics目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 超声加工的工艺效果21.2.1 切削力大幅度降低21.2
14、.2 切削温度大幅度降低31.2.3 大幅度降低表面粗糙度R。制和显著提高加工精度31.2.4 大幅降低切削温度31.2.5 提高了切屑液的使用效果31.2.6 提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性41.2.7 大大节省能源，简化机床结构51.3 超声加工的应用范围5第2章 总体方案72.1 加工头设计72.1.1 超声换能器72.1.2 超声变幅杆72.1.3 进给机构72.1.4 动力机构72.2 工作台设计7第3章 超声波换能器设计83.1 晶体的压电效应83.2 压电材料83.3 压电换能器设计83.4 基本理论93.4.1 任意变截面振动方程及其解93.4.2 频率方程，振速和应力分布1
15、0第4章 变幅杆设计144.1 变幅杆的作用144.1.1 聚能作用144.1.2 有效地向负载传输144.2 圆锥形变幅杆振动弹性方程的通解14第5章 其他机械结构设计215.1 进给机构设计215.1.1 滚珠丝杠215.1.2 步进电机215.2 工作头升降机构设计215.2.1 电动机225.2.2 联轴器225.2.3 螺旋丝杠22第6章 控制系统设计236.1 步进电机开环驱动原理236.2 控制系统硬件电路图236.2.1 单片机246.2.2 环形分配器246.2.3 功率放大电路246.3 控制面板设计24第7章 重要部件校核267.1 滚珠丝杠的校核267.1.1 静载荷计
16、算267.1.2 寿命计算267.2 螺旋丝杠校核277.2.1 耐磨性计算277.2.2 自锁性计算27结论29致谢30参考文献31附录32千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景人耳可以听到的声波频率范围约为16-20000Hz。低于16Hz的声波称为次声波，高于2000OHz的声波称为超声波。人们还把频率为0. 5 X IO9Hz以上的声波称为特超声或微波超声。人耳听不见次声和超声，而很多海洋动物能感受。可见，此声波和超声波也是客观存在的自然现象。由于人
17、耳听不到超声，所以人们研究它比较玩。直到上世纪生产和科学有了相当发展，对超声的研究和应用有了可能和需要之后，超声学才发展起来。超声具有许多独特的性质和优点，所以超声学的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔的应用前景。超声加工技术是功率超声应用的一个分支。超声加工起源于20世纪50年代初期。最早研究超声加工技术的国家是日本。日本在甲府设立了专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正宪教授，超音波工学理论和实际是他的代表作；另一位是宇都宫大学的限部淳一朗教授，精密加工、振动切削基础和应用是他的代表作。日本研究人员不但
18、把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统，并且试图将超声加工引入超精密加工机床。超声加工在日本已获得近百项专利，在生产中发挥了一定的作用。前苏联的超声加工研究也比较早，二十世纪50年代末60年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。他们对超声加工设备操作人员的技能等级共分为五级。为了推动超声加工的应用，1973年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。上世纪60年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超声技
19、术还很不成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都较差，美国的研究工作曾经停顿了10年。70年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、钻孔、膛孔已处于试验性生产设备原型阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。我国超声加工的研究始于上世纪50年代末，曾经掀起过群众性的“超声热”，由于当时超声波发生器、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很快就冷了下来。60年代末，哈尔滨工业大学应用
20、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，但事后没有进行深入的总结和研究。由于我国特定的历史条件，中断了这项新技术的研究工作十多年。1976年以后，我国再次开展超声加工的试验研究和理论讨论工作。吉林工业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声车削设备及试验研究。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1983年10月，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“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作用，交流了研究和应用成果，
21、促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。1985年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、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。1989年，张云电研制成功超声布磨装置，在汽车、拖拉机、摩托车发动机气缸、炮管、油缸、煤矿液压支架等精密孔的晰磨加工中进行了生产应用，并通过了部级鉴定，填补了国内技术空白。1990年，超声晰磨装置被列为国家级新产品。1991年，张云电研制成功变截面细长杆超声车削装置，从根本上解决了节制杆、各种复杂形状的变幅杆、等截面细长杆精密加工的重大技术问题，对保证产品质量、提高制造技术水平有重大意义
22、，这项新技术也已通过部级鉴定。到1993年为止，我国已发表了300多篇有关超声加工方面的科学技术论文。可见，随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它必将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。1.2 超声加工的工艺效果1.2.1 切削力大幅度降低超声车削时，切削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工艺系统的受力情况。用v=O.lm/min, f=20kHz, a=15Pm进行超声切削时，刀具在每一个振动周期T=1/20000s内的纯切削时间t。是非常短的，只有l0-s。在纯切削时间t,之内，刀具沿切削方向的切削长度1T=v/f=8X 10-smm。由此可见
23、，超声车削是一个在极短时间内完成的微量切削过程。在一个切削循环过程中，刀具在很小位移上得到很大的瞬时速度和加速度，在局部产生很大的能量。这时被加工材料在局部微小体积内的物理、机械性能必将发生重大变化。在超声振动的影响下，摩擦系数大大降低，只有普通切削的1/10左右，使超声车削的切削力下降到普通切削的1/3-1/100这种工艺效果对精密加工或对刚度低、功率小的仪表机床将有重要意义。1.2.2 切削温度大幅度降低超声车削时，被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的摩擦系数大幅度下降，且切削力和切削热都以脉冲形式出现，使切削热的平均值大幅度下降。切屑的平均温度仅400C左右，切屑完全没有氧化变色，用
24、手去摸也不会烫伤，这是普通切削不可想象的。由于超声车削过程是一种分离型的断续过程，切削热是以脉冲形式出现变化的，在极短的切削过程中，热量来不及传到更深的金属内部，所以切削温度的绝对值是比较低的。超声车削消除了大部分无用的切削热，也没有普通切削因严重发热而引起的后遗症。1.2.3 大幅度降低表面粗糙度R。制和显著提高加工精度超声车削破坏了产生积屑瘤和鳞刺的条件，又由于大幅度降低切削力、切削温度，使得工件表面粗糙度R。值大幅度降低，加工精度大幅度提高。超声车削过程中，刀刃虽在振动，但在刀刃于工件接触并产生切屑的各个瞬时，刀刃所处的位置遵从不灵敏性振动切削机理。按照这个机理，不仅工件的变形量减少，而
25、且完全不随时间变动，宛如静止的状态一样，从而使精密加工成为可能。大量的超声切削试验证明，超声切削可显著提高零件的尺寸精度和几何精度。流变仪是一种对材料的流变特性进行测定的仪器。流变仪通过模拟实际的生产过程和生产工艺，测定分析测定材料的流变性能，通过流变仪测量出的数据可直接用于材料的生产加工5。1.2.4 大幅降低切削温度超声加工时，由于切削力小、切削温度低、冷却充分，使工具寿命明显提高。当振动方向、振动参数和切削用量选择合适时，一般可使工具寿命提高几倍至几十倍，对难加工材料和难加工工序，其效果更好。刀具寿命的延长不仅节约了刀具材料，减少刀具刃磨和更换刀具所需的辅助时间，降低了生产成本，而且有利
26、于保证加工质量。1.2.5 提高了切屑液的使用效果普通切削中，切屑总是压在刀具前刀面上，形成一个高温、高压区。对冷却液来说，这是个禁区。切削过程中，冷却液只能在外围间接地起冷却作用。超声切削时，切削过程是断续发生的，当刀具与工件分离时，冷却液从四面进入切削区，包围刀尖，进行充分的冷却和润滑。在刀具切入时，切削液被强力挤压，形成瞬时高压，使切削液直接渗到刀具与切屑的接触表面，充分地起冷却和润滑作用。超声切削时，由于超声振动的影响所形成的空化作用，一方面可是冷却液均匀乳化，形成均匀一致的乳化液微粒；另一方面，切削液更容易渗透到材料的裂纹内，进一步提高了冷却液的使用效果，改善了排屑条件。在没有冷却液
27、的情况下，由空气起冷却作用。由于刀具在离开切屑时，前刀面完全暴露在空气中，而钢在空气中只需要有10-8s的时间就能形成一分子层后的氧化层，并随时间成近似抛物线关系扩散加厚。形成的氧化层减少了刀具与切屑接触表面之间的摩擦，延长了刀具的使用寿命。1.2.6 提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性超声切削时，在一个周期内的切削长度11是很小的。刀具是按正弦规律振动的，在加工面上形成的细小刀痕如同二次再加工时形成的花格式网状花纹。数量如此巨大的花纹均匀密布在零件的表面上，工作时在零件的表面形成较强的油膜，对提高滑动面耐磨性有着重要作用。用4) 28mm的45号钢圆棒进行普通车削、超声车削和普通磨削，然后把试
28、件放在Q835型平面抛光机上进行研磨，磨盘线速度为30m/min，加压80N，加306号金刚沙研磨剂，用万分之一天平秤重，其结果列于表1-1。此表说明，超声车削工件表面的耐磨性高于普通车削，接近普通磨削。表1-1耐磨性试验研磨时间(min)金属去除量（mg）普通车削超声车削普通磨削200.60.250.2400.90.40.3601.10.50.4表1-2耐腐蚀性试验加工方法10min20min30min磨蚀量（m）233.811.62.40.81.52用普通车削、超声车削、普通磨削三种不同加工方法加工同样直同样材料的圆棒后，进行耐腐蚀试验。把试件放入腐蚀液中，用电加热器加热至300C并保温，
29、每10min测量一次，其结果列于表1-2。试验结果表明：超声车削工件表面的耐腐蚀性高于普通车削，接近普通磨削。1.2.7 大大节省能源，简化机床结构普通车削中，使用大功率电动机带动工件高速回转，并使车刀挤压工件进行加工。一方面，带动工件回转并推动刀刃振动的能量都是来自远离刀刃的电动机的转动能量，且从电动机工件回转和从电动机一刀具运动都需要复杂的传动链：主传动链、进给传动链。另一方面，切削力大，切削温度高。因此，必须使用大功率电动机。在对能源越来越重视的情况下，如果降低切削力，动力就会有富裕，因而就可以加大切削深度和进给量。如果加工精度和表面质量对转速和进给量（一定条件下）不敏感，则在保证生产率
30、的前提下，可以大大简化主传动链和进给传动链，使普通车床CW6140A的21级转速转换成三四级转速，而且进给量级数减半。这时简化机构结构大有益处。如果从更本上而不是靠冷却液大幅度降低切削温度，就会大大节约因刀具与切屑接触表面之间的剧烈摩擦、磨蚀所消耗的大量无用能量。超声切削恰有这些特点。总之，超声加工有着普通加工无法比拟的工艺效果，尤其是在难加工材料、精密零件的加工和圆度误差、0、圆柱度误差、0、平行度误差、0,直线度误差、0等超精密加工中，更是大显身手，因此成为机械加工中的一种新技术，在生产实践中获得了越来越多的应用。1.3 超声加工的应用范围由于超声加工的工艺效果十分显著，因而在生产中获得了
31、广泛的应用。超声加工的应用范围列于图1-3。随着超声加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩大。见图1-3所示为超声波加工应用范围。 图1-3超声加工的应用范围第2章 总体方案2.1 加工头设计2.1.1 超声换能器 按其使用的材料分，可划分为两大类：一类是磁致伸缩换能器，它使用的材料有冲孔镍片；具有磁致伸缩性能的合金，如镍铁合金、铝铁合金以及铁氧体等。另一类是压电换能器，使用的材料有非铁型压电晶体和铁茗型压电陶瓷。在本设计中采用应用很普遍的压电换能器。2.1.2 超声变幅杆它的作用主要是将超声换能器输出的振幅放大。考虑到变幅杆的加工及前后振速比，采用圆锥形并在小端面后接一平滑圆柱体的超声变
32、幅杆。同时，为了增加加工头的刚度，使用入4变幅杆以减少加工头长度。2.1.3 进给机构由于设计要求进给分辨率为微米级，因此采用步进电机，利用步进电机的按步运动来达到精度。同时，采用滚珠丝杠副结构使电机的回转运动转化为直线运动。2.1.4 动力机构采用三相异步电动机带动工作头进行旋转加工。2.2 工作台设计进给机构由于设计要求进给分辨率为微米级，采用步进电机驱动X，Y方向工作台运动，并使用滚珠丝杠副结构将回转运动转为直线运动。第3章 超声波换能器设计超声换能器的作用，是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动。3.1 晶体的压电效应自然界里的晶体品种很多，例如金刚石、蓝宝石、红宝
33、石、石英及硫化锌等。晶体学家将他们归纳为32种对称类型，其中有20种可能有压电性能。具有压电性能的晶体称为压电晶体。将这种晶体以一定方式切成薄片，当此类薄片表面受到压力时，薄片两面会带上正、负电，内部产生电场。这就是说，晶体将机械转换成了电能，这种效应称为正压电效应。反之，当晶体薄片外加电场时，薄片就产生内应力和应变，薄片会变形。这就是说，晶体将电能转换成了机械能，这种效应称为逆压电效应。压电晶体同时具有正压电效应和逆压电效应。利用逆压电效应可将电信号转换成声信号，构成压电换能器。具有压电效应的单晶体有石英、罗息尔盐等，多晶体有钦酸钡、错钦酸铅等。3.2 压电材料本设计采用错钦酸铅压电陶瓷（P
34、ZT-8)o错钦酸铅压电陶瓷简称PZT,在300.4000C之间，没有较低的相变点，在较大的温度范围内胜能比较稳定。作为换能材料，它的压电效应显著。可以通过变更其化学组分在很大范围内调整其性能，以满足多种不同的需要。错钦酸铅种类繁多，各具特点。对于PZT-8，它的场强损耗特低，额定静态和动态抗张强度大，压电常数、祸合系数比较高，介电常数小，在超声加工中有着广泛的应用。3.3 压电换能器设计压电换能器是由螺栓将金属盖板和压电陶瓷元件堆联接在一起，形成压电陶瓷元件在中央的“夹心”结构。本设计之所以选择压电使换能器是因为它有以下几个优点：1陶瓷元件都有大的抗压强度，中心螺栓给与预紧力，一方面能在环境
35、强度发生变化时增强换能器的稳定性；另一方面，确保在大功率驱动条件下处于压缩状态，从而避免陶瓷膨胀而造成的破裂，因陶瓷材料的缺点是可允许的张应力小。2圆环的数目及联接方式都有选择余地，从而能在较宽的阻抗及频率范围内设计换能器。3改变首、尾金属盖板的材料、尺寸能够控制换能器的带宽、前后振速比和有效机电藕合系数等性能参数。对于超声换能器，它的主要设计参数有：振子振速，应力分布，振子前后振速比等。3.4 基本理论3.4.1 任意变截面振动方程及其解虽然对于超声加工应用的振子，各部分都是截面均匀一致的柱体，这里还是从任意变截面情况入手，从一般推论到特殊。根据胡克定律式中T为应力，F为弹性力，S (x)为
36、轴上任意位置x出的截面积，Y为杨氏弹性模量，6 /6x为应变。所以d x元段上弹性力的增量，可表示为根据牛顿第二定律 式中为材料的密度。因为声速 所以 如果作简谐振动 所以上式化为 或 如果是均匀等面积，即S(x)=常数，又可简化为 (3-1)式中k为波数，k=w/c因为振速，同样可得到类似（3-1)式的各个方程。由于纵向复合式振子，通常在压电陶瓷元件部分存在节面，所以可把它看作有四部分组成。为了简单起见，用足标n表示各个部分，即n=1,2,3,4。则振子各部分振速方程为 (3-2)振子各部分的坐标，边界条件，尺寸标注均列在图3-2中。方程（3.2)式的通解为 (3-3) (3-4)式中为振子
37、各个部分的特性声阻抗。3.4.2 频率方程，振速和应力分布先考虑节面之右侧部分，如图3-2，边界条件为 (a) (b) (c) (d) (e)图3-2振子各部分标注式中为振子前表面振速。为振子表面的输入阻抗，在空气中时，=O在水中时，即为声辐射阻抗，这里代表任意的阻抗。节面之右侧，包括振子的两个部分，有四个待定系数A_ B_ A2, B2,而（3-5)式包含五个方程，多出的一个方程实际用以确定这两部分k, l。与k212之间的关系，也就是四分之一波长振子频率方程。我们利用振动方程的通解（3-3)式和（3-4)式以及边界条件（3-5)式中的（a)，(b)，(c)，和（e）式，计算待定系数得而对任
38、意阻抗是的频率方程，可有（3-4）和（3-5）式推 （3-6）把四个已定系数代入（3-3)式和（3-4)式，就可以获得振子在任意输入阻抗下的振速分布和应力分布，即振速分布 （3-7）应力分布 （3-8）如果。则（3-7）式和（3-8）式可化简如下： （3-9）及 （3-10）而频率方程变为 (3-11）节面的左侧部分，对于超声换能器，尾部后盖板一般是暴露在空气中的。根据图3-2，边界条件为 (a) (b) (c) (d) (e)(3-12)式为振子尾端振速，(3-12)式表示振子尾端暴露在空气中，我们可以运用与上述一样的计算方法，得到振子左半部分的振速分布、应力分布和四分之一波长振子的频率方程
39、。振速分布 (3-13)应力分布 (3-14)（3-14）式中与的关系，由下列频率方程给出，即 (3-15)频率方程（3-11)式和（3-15)式中有几个参变量，我们只能通过盖板和陶瓷材料的特性阻抗求得与的关系曲线及与的关系曲线。如图3-3所示，在0- 范围内，陶瓷长度参数, （或）的值确定后，可唯一的得到盖板的长度参数（或）的值。对于本设计来说，我们采用的是四分之一波长的超声振子，节面设在振子与变幅杆的交界上，因而本振子无前盖板。为了提高前后振速比，后盖板的特性声阻抗应比变幅杆的特性声阻抗要大。因此，选取软钢作为后盖板材料（声阻抗率为)，选用PZT-8作为陶瓷材料（声阻抗率为)，选用钦合金作
40、为变幅杆的材料（声阻抗率为)。选择，则陶瓷晶堆长度（共振频率为18Hz)：使用两片晶片，每片厚7.05mm 后盖板软钢长度 ：振速分布（由式（3-13）：应力分布（由式（3-14）： 第4章 变幅杆设计4.1 变幅杆的作用4.1.1 聚能作用即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进行聚能。超声唤能器的振幅一般为4-10P m，而超声加工对振幅的要求往往需要达到10-100 1.1 m，这就必须借助于变幅杆将换能器的振幅放大。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），截面小的地方能量密度变大。4.1.2 有效地向负载传输作为机械阻抗的
41、变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。本设计中，为了增加加工头的刚度，使用四分之一波长的变幅杆以减少加工头长度。四分之一波长的变幅杆种类很多，按其母线的形状分：有阶梯形、圆锥形、指数函数形、双曲函数形等等。在这之中，圆锥形变幅杆的功效比较低，但由于它制造较简单，因此选圆锥形变幅杆，我们可以通过在小端面后接一平滑圆锥体来增加它的前后振速比。4.2 圆锥形变幅杆振动弹性方程的通解圆锥形变幅杆如图4-1所示，线型简单，加工工艺方便。任意位置的截面面积表达式为 (4-1a) (4-1b)式中 (4-1c)，分别为圆锥形变幅杆大，小端面半径及变幅杆的长度。，
42、为任意位置处圆锥形变幅杆横截面积及其半径。为变幅杆输入端面积。因为，代入（3-1）式得 （4-2）这是一个变系数的二阶微分方程，为了求解，我们令把这些关系式代入（4-2）式，方程（4-2）式可化为所以则 (4-3a) 式中分别为变幅杆材料密度和声速，Y为杨氏模量。 对于本设计采用的在四分之一波长变幅杆小端面接一平滑圆柱体的情况来说，由(4-3a)、(4-3b)、（3-3）和（3-4）式，有边界条件假定组成变幅杆两个部分的声阻抗率相等，即，则可求得各个待定系数及频率方程等参数。频率方程 振速 应力分布 （4-4）把各系数的表达式代入到（4-3a）（4-3b）式、（3-3）式和（3-4）式即可得到
43、变幅杆两部分的振速分布和应力分布 （4-5a） （4-5b）及(4-6a)（4-6b）换能器前后振速比利用边界条件，可求得振子前后振速比 (4-7)本设计采用钛合金作为变幅杆的材料，并令变幅杆大、小截面积之比为，大端直径为60mm，共振频率为18Hz，则圆锥体部分长度为小圆柱长度为振速分布（由式（4-5a）（4-5b） 应力分布（由式（4-6a）（4-6b） 我们将四分之一波长的超声振子和变幅杆组合起来，分析振速分布和应力分布（见图4-3）第5章 其他机械结构设计5.1 进给机构设计由于工作头和工作台的进给分辨率都是0. 005mm，因此把它们放在一起考虑。5.1.1 滚珠丝杠滚珠丝杠的作用是将步进电机的旋转运动变为直线运动。滚珠丝杠传动的最大特点在于螺杆和螺母间的螺纹轨道间放置有滚动体（钢球），这样螺杆和螺母间的相对运动的摩擦为滚动摩擦，从而减小摩擦
