手持式超聲振動切割機的機構設計畢業(yè)設計

1、<p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）題目： 手持式超聲振動切割機的機構設計 </p><p>　　一、畢業(yè)設計（論文）工作規(guī)定進行日期：2011年 1 月 16 日起至 2011年 6 月 02 日止</p><p>　　二、畢業(yè)設計（論文）進行地點：

2、 </p><p><b>　　三、任務書的內容：</b></p><p>　　1、課題研究的目的、意義</p><p>　　目前，硬脆材料在工業(yè)中的應用相當普遍，但這類材料堅硬易碎，導致它們的孔加工是一大難題。本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基礎，設計添加一超聲振動系統(tǒng)，以實現超

3、聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率。本課題可使學生了解超聲技術的應用，掌握結構設計的程序、步驟和方法，培養(yǎng)學生解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。 </p><p><b>　　2、課題研究任務</b></p><p>　?。?） 通過實地調研和查閱文獻，

4、了解超聲波加工原理、特點和應用。 </p><p>　?。?） 復習機械設計的知識，確定鉆孔機的傳動結構設計。 </p><p>　?。?） 明確超聲振動系統(tǒng)設計方法，確定設計方案。 </p><

5、;p>　?。?） 選擇換能器和變幅桿，確定超聲振動系統(tǒng)各參數。 </p><p>　?。?） 用PRO/E軟件繪制小型超聲鉆孔機的3D整體裝配圖。 </p><p>　?。?） 用PRO/E導出CAD裝配圖及部分零件圖，圖紙總量折合A0圖紙三張。

6、 </p><p>　　（7） 整理和編寫說明書。 </p><p><b>　　3、工作程序</b></p><p>　?。?）資料收集；

7、 </p><p>　?。?）理論計算； </p><p>　?。?）結構設計；

8、 </p><p>　?。?）結構建模、完成圖紙、計算說明書。 </p><p><b>　　4、日程安排</b></p><p>　　1月20日——2月25日 實習、調研、收集資料、翻譯外文資料。

9、 </p><p>　　2月26日——3月15日 撰寫開題報告、工作計劃并確定總體方案。 </p><p>　　3月16日——4月15日 進行并完成系統(tǒng)設計計算工作。 </p><p>　　4月16日——5月04日 繪制并完成總裝配圖。

10、 </p><p>　　5月05日——5月15日 繪制并完成全部零件圖。 </p><p>　　5月16日——5月31日 完成畢業(yè)論文撰寫并進行修改和完善。 </p><p>　　6月01日

11、——6月02日 整理修改圖紙，打印并提交論文和圖紙。編寫畢業(yè)設計（論文）答辯提綱，準備答辯 </p><p><b>　　5、成果要求</b></p><p>　　畢業(yè)設計論文一篇（不少于一萬字）；

12、 </p><p>　　畢業(yè)設計圖紙一套（折合A0圖紙三張）； </p><p>　　外文資料翻譯一份（不少于5000英文單詞）。 </p><p><b>　　

13、6、主要參考文獻</b></p><p>　　[1] 曹國鳳主編.超聲加工技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.8 </p><p>　　[2] 林書玉著.超聲換能器的原理和設計[M].北京：科學出版社 ，200

14、4 </p><p>　　[3] 蒲良貴，紀名剛主編.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5

15、 </p><p>　　[4] 成大先主編.機械設計手冊.單行本.機械傳動[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.1 </p><p>　　[5]林清安著.Pro/ENGINEER 野火3.0基礎零件

16、設計（上、下）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007 </p><p>　　[6]郭玲文主編.AutoCAD2006中文版基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2006.1

17、 </p><p>　　[7] NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Proceedings of Winter Annual Meeting of ASME, Vol. 17 (1985-11), 1

18、 </p><p>　　[8] NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Annals of CIRP Vol. 35/1 (1986-8), 205 </p><p>　　

19、[9] SUZUKI, K., UEMATSU, T, NAKAGAWA, T. Annals of CIRP Vol. 36/1 (1987-8), 115 </p><p><b>　　指導教師簽名：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　

20、教研室主任簽名：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　學生簽名：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　小型超聲切割機的結構設計</p><p>　

21、　[摘要] 在陶瓷的應用中，超聲加工和普通機械加工相比有很多的優(yōu)勢。導體和絕緣體材料都可以被加工，同時加工復雜的三維立體外形可以像加工簡單的外形一樣快速。再者，這種工藝不會在工件的表面產生熱變形和化學的反應，同時作用在工件表面的淺的壓應力能增加被加工部分的受力強度。</p><p>　　本論文利用超聲加工適合加工各種脆性材料且切削應力、切削熱很小的有點，在傳統(tǒng)的切割機上嵌入一個超聲振動系統(tǒng)，進行超聲振動系統(tǒng)的結構

22、設計，結合小型超聲切割機的傳動部分結構設計，設計小型超聲切割機。</p><p>　　旋轉超聲加工的這個或者其他的優(yōu)勢，讓這種加工方法在將來玻璃和陶瓷工業(yè)應用中持續(xù)增加歡迎度。</p><p>　　[關鍵詞] 超聲加工；超聲振動系統(tǒng)；換能器；變幅桿；切割機</p><p>　　Design of the small ultrasonic cutting machin

23、e’s structure</p><p>　　[Abstract] In ceramic applications, USM provides a number of advantages compared to conventional machining techniques. Both conductive and nonconductive materials can be machined, and

24、 complex three-dimensional contours can be machined as quickly as simple shapes. Additionally, the process does not produce a heat-affected zone or cause any chemical/electrical alterations on the workpiece surface, and

25、a shallow, compressive residual stress generated on the workpiece surface can increase the high-</p><p>　　The purpose of this subject is to the fragile issue of the tile , thin parts in the traditional cutti

26、ng machine to cut . Using ultrasonic maching which suitable for processing a variety of brittle materials with small cutting stress and cutting heat , embedded in a conventional cutting machine ultrasonic vibration syste

27、m, conduct a small part of ultrasonic cutting machine transmission structure design,make the structural design of the system.</p><p>　　With this and other advances in RUM, it is likely that this machining me

28、thod will continue to gain popularity for glass and ceramic applications in the near future. </p><p>　　[Keyword]:Ultrasonic Machining;Ultrasonic vibration system;Transducer;Horn;</p><p>　　Cuttin

29、g machine</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引言--------------------------------------------------------------1</p><p>　　1.1 課題背景及選題意義-----------------------------------------

30、---1</p><p>　　1.2 目前國內外超聲加工的發(fā)展情況----------------------------------2</p><p>　　1.3 超聲加工的優(yōu)點------------------------------------------------4</p><p>　　1.4 本課題的主要研究工作--------------------

31、----------------------5</p><p>　　2 小型超聲切割機的整體設計方案--------------------------------------6</p><p>　　2.1 小型超聲切割機的整體設計方案的擬定----------------------------6</p><p>　　2.2 傳動系統(tǒng)結構的擬定----------

32、----------------------------------6</p><p>　　2.3 超聲振動系統(tǒng)方案的擬定----------------------------------------8</p><p>　　2.3.1 換能器的擬定----------------------------------------------8</p><p>　　2

33、.3.2 變幅桿的擬定---------------------------------------------10</p><p>　　2.4 總體方案的確定-----------------------------------------------10</p><p>　　3 超聲振動系統(tǒng)的結構設計-------------------------------------------

34、11</p><p>　　3.1超聲振動系統(tǒng)--------------------------------------------------11</p><p>　　3.2 換能器的設計-------------------------------------------------12</p><p>　　3.3 變幅桿的設計-----------------

35、--------------------------------15</p><p>　　3.3.1 變幅桿材料的選擇-----------------------------------------16</p><p>　　3.3.2 四分之一波長變幅桿的設計---------------------------------16</p><p>　　4 部分零件的

36、強度校核-----------------------------------------------20</p><p>　　4.1 鍵的校核-----------------------------------------------------20</p><p>　　4.2 軸的校核--------------------------------------------------

37、---20</p><p>　　5 小型超聲切割機的整體裝配-----------------------------------------22</p><p>　　5.1 動力系統(tǒng)結構-------------------------------------------------22</p><p>　　5.2 傳動系統(tǒng)結構------------------

38、-------------------------------24</p><p>　　5.3 超聲振動系統(tǒng)結構---------------------------------------------27</p><p>　　5.4 小型超聲切割機的整體裝配-------------------------------------27</p><p>　　6 結束

39、語-----------------------------------------------------------29</p><p>　　7 致謝-------------------------------------------------------------30</p><p>　　8 參考文獻---------------------------------------

40、------------------31</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 課題背景及選題意義</p><p>　　小型切割機是日常生活乃至工程建設中非常便捷的切割加工工具，傳統(tǒng)的小型切割機在切割瓷磚，超薄零件時，由于瓷磚是脆性材料，當傳統(tǒng)切割機在切割的時候，經常出現瓷磚會碎掉，這樣一來會造成了成品率不高

41、，同時也造成了浪費，甚至出現大量的固體污染，特殊垃圾；對超薄零件而言，和脆性材料一樣，由于薄這個特殊原因，導致了加工的時候也容易碎掉，另外，超薄零件對于切削應力，切削熱是非常敏感的，容易產生熱變形，特別是對于精度要求高的零件，考慮熱變形是重中之重，而如果在加上低剛度的條件的話，那么傳統(tǒng)切割機在加工的時候，成品率就更加低了，浪費和造成的垃圾就更加嚴重了[8]。</p><p>　　現在這個高速發(fā)展的社會，和諧可持續(xù)

42、發(fā)展是一個重要的理念，低碳節(jié)能是去昂乃至世界現在提倡的一種理念，所以這樣的浪費是不予提倡的，也會是未來需要改進的方向。針對這一問題，就必須要求有新型的切割工具來切割瓷磚，超薄零件，是在加工這些零件的時候，保證交給你的質量和精度，提高成品率，減少浪費和污染，實現節(jié)約和低碳經濟。</p><p>　　在新型加工方面，前沿的超聲加工[2]引人注目，也令人可喜，試想如果將小型切割機和超聲加工結合在一起，利用超聲加工的特點

43、和切割機的切割特性，就能誕生新型的切割機，即小型超聲切割機。而這樣的切割機便能解決切割瓷磚易碎、切割超薄零件易碎易熱變形的問題。同時超聲加工又是良好的環(huán)保的能源，這樣的環(huán)保的新型的工具在這方面的利用將是新的一個里程碑，也將促進我國的超聲加工業(yè)的發(fā)展，為我國在新興工業(yè)增長點奠定又一個良好的基礎。</p><p>　　超聲振動切削技術是把超聲波振動的力有規(guī)律地加在刀具上使刀具周期性地切削和離開工件的加工技術, 是結合

44、超聲波技術和傳統(tǒng)切削工藝的一種新型切削技術。日本隈部淳一郎先生在20世紀60年代對超聲振動切削技術完成了大量開創(chuàng)性工作, 他的實驗表明, 在刀具施加一定頻率和振幅的超聲波振動,可以改變傳統(tǒng)金屬切削的切削性質, 改善切削效果, 他把該技術稱之為振動切削( vibration pulse cutting)。</p><p>　　到目前為止, 英、美、蘇、德、日、中等國家己對超聲振動加工設備的研制以及工藝方法作了一些研

45、究，但是大規(guī)模的將超聲振動技術投入到實際加工中還存在這不少需要攻克的技術難題：</p><p><b>　　切削效率的問題</b></p><p>　　超聲波發(fā)生系統(tǒng)的問題</p><p><b>　　超聲切削刀具裝置</b></p><p>　　本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基礎，設計添加

46、一超聲振動系統(tǒng)，以實現超聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率，體積不大，成本不高，符合市場需求，同時力求新穎的結構設計能夠讓工人操作起來方便，安全。 </p><p>　　1.2 目前國內外超聲加工的發(fā)展情況</p><p>　　超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中產生磨料的沖擊，拋磨，液壓沖擊及由此產生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿著一定方向施加超聲頻振

47、動進行振動加工，或者利用超生振動使工件相互結合的加工方法。超聲加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器，換能器，變幅桿，振動傳遞系統(tǒng)，工具，工藝裝置等構成。超聲波發(fā)生器的作用是將220V或者380V的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號；換能器[13]的作用是將超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動振幅放大；超聲波的機械振動經變幅桿放大后傳給工具，使工具以一定的能量和工件作用，進行加工。</p><p>　　超

48、聲加工技術是超聲學的一個重要分支。超聲加工技術是伴隨著超聲學的發(fā)展而逐漸發(fā)展的。</p><p>　　早在1830年，為探討人耳究竟能聽到多高的頻率，F.Savrt曾用一多齒的齒輪，第一次人工產生了2.4萬赫茲的超聲波，1876年加爾頓的氣哨實驗產生的超聲波的頻率達到了3萬赫茲，后改用氫氣時，其頻率達到了8萬赫茲。這些實驗使人們開始對超聲波的性質有了一定的認識。</p><p>　　對超聲

49、學的誕生起重大推進作用的是1912年豪華客輪泰坦尼克號在首航中碰撞冰山后沉沒，這個當時震驚世界的悲劇促使科學家提出用聲學方法來探測冰山。這些活動啟發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)期間偵查德國潛艇的緊張研究</p><p>　　1927年，美國物理學家伍德（R.W.Wood）和盧米斯（A.E.Loomis）最早做了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當時并未應用在工業(yè)上。1951年，美國的科恩制成了第一

50、臺實用的超聲加工機，并引起廣泛關注，為超聲加工技術的發(fā)展奠定了基礎。</p><p>　　日本是較早研究超聲加工技術的國家，20世紀50年代，日本已經設立專門的振動切削研究所，許多大學和科研機構也都設有這個研究課題。日本研究超聲加工的主要代表人物有兩位：一位是中央大學的島川教授，《超聲波工學——理論和實際》是他的代表作;另一位是宇都宮大學的隈部淳一郎教授，《精密加工、振動切削基礎和應用》是他的代表作。日本研究人員

51、不但把超聲加工用在普通設備上，而且在精密機床、數控機床中也引入了超聲振動系統(tǒng)。1977年日本將超聲振動切削與磨削用于生產，可對直徑為600毫米大型船用柴油機缸套進行鏜孔。</p><p>　　原蘇聯的超聲加工研究也比較早，20世紀50年代末60年代初已經發(fā)表過很有價值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復合加工等方面均有生產應用，并取得了良好的經濟效果。為了推動超聲加工的應用，1973年原蘇聯召開了一次全國

52、性的討論會，充分肯定了超聲加工的經濟效果和實用價值，對這項新技術在全國的推廣應用起到了積極的作用。到80年代末期，當時蘇聯已經生產系列超聲振動鉆削裝置。</p><p>　　20世紀70年代中期，美國在超聲鉆中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已處于生產應用階段，超聲車削、鉆孔、鏜孔已處于試驗性生產設備原型階段。1979年通用超聲振動切削系統(tǒng)已經供應工業(yè)界應用。</p><p>　　德

53、國和英國也對超聲加工的機理和工業(yè)應用進行了額大量的研究，并發(fā)表了許多有價值的論文，在生產中也得到了積極的應用。例如，英國于1964年提出使用燒結或者電鍍金剛石工具的超聲旋轉加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點，取得了較好的效果。</p><p>　　我國超聲加工技術的研究始于20世紀50年代末，60年代末開始了超聲振動車削的研究，1973年上海超聲波電子儀器廠研制成功ＣＮＭ－２型超聲研磨機

54、。1982年上海鋼管廠、中國科學院聲學研究所及上海超聲波電子儀器廠研制成功超聲拉管設備，為我國超聲加工在金屬塑性加工填不了空白。1983年10月，我國第一次“振動切削專題研討會”召開，促進了超聲加工技術在我國的深入研究和推廣。1985年，廣西大學，南京電影機械廠和南京刃具廠聯合開發(fā)了我國第一套“QZC-250A型”超聲振動切削系統(tǒng)。同年，機械電子工業(yè)部第11研究所研制成功超聲旋轉加工機，在玻璃、陶瓷等脆性材料的鉆孔、端銑、螺紋加工等取得

55、了良好的工藝效果。1987年，北京電加工研究所在國際首次提出超聲加工等取得了良好的工藝效果。1987年，北京電加工研究所在國際首次提出了超聲頻調制電火花與超聲波復合的研磨、拋光加工技術，并成功應用于聚晶金剛石拉絲模的研磨和拋光。1989年，我國研制成功超聲研磨裝置。1991年研制成功變截面細長桿超聲車削系統(tǒng)裝置。20世紀末到本世紀初，我國的超聲加工技術發(fā)展迅猛，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模研磨拋光、超</p>

56、<p>　　1.3 超聲加工的優(yōu)點</p><p>　　與傳統(tǒng)加工相比，超聲加工[2]有如下優(yōu)點：</p><p>　　適合加工各種硬脆材料，不受材料是否導電的限制。既可加工玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨、金剛石、大理石等不導電的非金屬材料，又可加工淬火鋼、硬質合金、不銹鋼、鐵合金等硬質或耐熱導電的金屬材料。</p><p>　　由于去除工件材料主

57、要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱更小，不會產生變形及燒傷，表面粗糙度也很低，可達Ra0.63~0.08um,尺寸精度可達0.03mm，也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。</p><p>　　工具可用較軟的材料做成較復雜的形狀，且不需要工具和工件作比較復雜的相對運動，便可加工各種復雜的型腔和型面。一般的，超聲加工機床的結構比較簡單，操作、維修也比較方便。</p>

58、<p>　　可以與其他多種加工方法結合應用，如超聲電火花加工和超聲電解加工等。</p><p>　　利用超聲焊接技術可以實現同種或異種材料的焊接，不需要焊劑和外加熱，不因受熱而變形，沒有殘余應力，對焊件表面的焊接處理要求不高。</p><p>　　1.4 本課題的主要研究工作</p><p>　　針對瓷磚、超薄零件在傳統(tǒng)切割機切割易碎現象，本論文利用超

59、聲加工適合加工各種脆性材料且切削應力、切削熱很小的優(yōu)點，在傳統(tǒng)切割機上嵌入一個超聲震動系統(tǒng)，進行超聲震動系統(tǒng)的結構設計，結合小型超聲切割機的傳動部分結構設計，設計小型超聲切割機。使用小型超聲切割機，切割瓷磚、超薄零件更加平穩(wěn)，成品率更高。</p><p>　　本課題要求學生以普通手持式切割機結構的基礎，設計添加一超聲振動系統(tǒng)，以實現超聲振動切割加工，提高工件加工的質量和效率。</p><p&g

60、t;　　2 小型超聲切割機的整體設計方案</p><p>　　2.1 小型超聲切割機整體設計方案的擬定</p><p>　　小型超聲切割機是在傳統(tǒng)切割機的基礎上，利用超聲加工適合加工各種脆性材料、切削應力和切削熱更小的特點，嵌入一個超聲振動系統(tǒng)，使之實現超聲加工，加工脆性材料、超薄零件。這設計包括基本傳動系統(tǒng)結構設計和超聲振動系統(tǒng)兩部分，以這樣的組合方式進行結構設計。</p>

61、<p>　　2.2 傳動系統(tǒng)結構的擬定</p><p>　　方案一：沒有任何傳動，采用電機直接輸出動力，整個系統(tǒng)就一根軸，動力直接輸出提供到鋸片，實現切割。如圖2-1所示。</p><p><b>　　圖2-1 電機軸</b></p><p>　　方案二：電機軸輸出動力經過一對直齒輪或者斜齒輪傳動，進行降速升扭作用，然后通過輸出軸將

62、動力提供給鋸片，實現切割。如圖2-2、2-3所示。</p><p>　　圖2-2 直齒輪傳動</p><p>　　圖2-3 斜齒輪傳動</p><p>　　方案三：電機軸輸出動力經過聯軸器傳遞動力，然后通過輸出軸輸出動力給鋸片實現切割。如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 剛性聯軸器</p><p><

63、b>　　方案的分析：</b></p><p>　　方案一：結構最簡單，符合傳動鏈盡量短的原則，但是沒有經過任何傳動副，這樣會導致超聲系統(tǒng)裝置無法安裝到切割機上面，所以不合理，不予采納。</p><p>　　方案二：經過了直齒輪或者斜齒輪傳動，得到了一定的降速升扭的作用，結構也比較簡單，但是由于小型超聲切割機是采用嵌入超聲振動系統(tǒng)來實現超聲加工，而對于超聲振動來說，超聲振動

64、只能振動小件的，輕的刀具，所以這對傳動系統(tǒng)結構部分有一定的要求，也就是說要使切割機的外形盡可能的小型化，而對于直齒輪或者斜齒輪傳動來說，切割機的鋸片是裝在電機軸的同個軸向位置，而在這個位置上，殼體的徑向尺寸至少等于兩傳動齒輪的直徑和再加上兩倍的殼厚，這樣會導致切割機的尺寸很大，不適于小型化，所以不合理，不予采納。</p><p>　　方案三：電機輸出的動力經過聯軸器，再連接到輸出軸，最后到刀片，結構簡單，符合傳動

65、鏈盡量短的原則，又可以很好的把超聲振動系統(tǒng)安裝到切割機上面，實現超聲切割。</p><p>　　綜上，選擇方案三作為傳動系統(tǒng)的結構設計。</p><p>　　2.3 超聲振動系統(tǒng)方案的擬定</p><p>　　超聲振動系統(tǒng)大體分為兩個部分：換能器和變幅桿。所以要確定超聲振動系統(tǒng)，就是要確定換能器和變幅桿。</p><p>　　2.3.1 換能

66、器的擬定</p><p>　　換能器[9]可分為壓電換能器（如圖2-5）和磁致伸縮換能器（如圖2-6）兩大類。</p><p>　　圖2-5 壓電換能器</p><p>　　圖2-6 磁致伸縮換能器</p><p>　　其中對于壓電換能器，壓電換能器的特點：（1）結構尺寸小，瞬時輸出功率達35-40瓦每平方厘米，但連續(xù)振動時只能達到它的1/5

67、左右，即7-8瓦每平方厘米（無冷卻散熱條件）；（2）電聲轉換效率高達90%；（3）抗拉強度低，設計、裝配和工作時易損壞；（4）超聲振動系統(tǒng)的設計、制造和調整的精度要求較高；（5）頻率范圍窄；（6）價格便宜；（7）冷卻方式簡單；（8）換能器與變幅桿一般采用螺紋連接。換能器與變幅桿之間的結合面以及其他結合面的加工質量、連接螺紋的加工質量對振動參數都有影響。</p><p>　　而對于磁致伸縮換能器，磁致伸縮換能器的特

68、點：（1）在工作條件變化很大的情況下使用時，切削力的變化以及振動系統(tǒng)自身的一些變化對工件振動形態(tài)的影響??；（2）機械強度高，振動系統(tǒng)使用安全可靠，換能器的壽命長；（3）頻率范圍寬，因而工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點；（4）每單位面積的輸出功率可達30-40瓦每平方厘米；（5）換能效率低，一般為30%-40%;(6)鎳片價格昂貴；（7）鎳片換能器與變幅桿之間一般采用釬焊連接；（8）一般采用循環(huán)水冷卻方式，因而需附加冷卻水冷卻

69、系統(tǒng)。</p><p>　　從以上特點可以看出，兩種換能器各有利弊。因此在選擇換能器的種類時，要根據加工的具體條件加以分析。雖然磁致伸縮換能器頻率范圍寬，工具在磨損范圍較大的情況下仍能找到諧振頻率點，然而其換能效率低，損耗的能量轉化成熱量，因此需要冷卻系統(tǒng)，這樣一來會使輸出端結構復雜。而壓電換能器正好能克服上述缺點，它的體積小，機械諧振頻率低，輸出振幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高，不需要冷卻設備，為旋轉加工提供

70、方便。因此，本設計采用壓電換能器。</p><p>　　2.3.2 變幅桿的擬定</p><p>　　對于變幅桿[15]的擬定，如表2-1不同類型變幅桿優(yōu)缺點對比，不同形狀的變幅桿都有各自的優(yōu)缺點，在此選擇圓錐形。</p><p>　　表2-1 不同類型變幅桿優(yōu)缺點對比</p><p>　　2.4 總體方案的確定</p><

71、;p>　　綜上，傳動部分系統(tǒng)結構選用聯軸器傳動，然后輸出端再連接由壓電換能器和圓錐行變幅桿組成的超聲振動系統(tǒng)，這樣組成小型超聲切割機結構系統(tǒng)。</p><p>　　3 超聲振動系統(tǒng)的結構設計</p><p>　　3.1 超聲振動系統(tǒng)</p><p>　　超聲波聲學系統(tǒng)也稱為聲學部件或超聲振動系統(tǒng)，它是實現超聲加工必不可少的部分。超聲振動系統(tǒng)由換能器和變幅桿組成

72、，裝在變幅桿端部的工具作為變幅桿的負載，也作為超聲振動系統(tǒng)的一部分。圖3-1所示為超聲系統(tǒng)結構圖。</p><p>　　鎖緊螺栓2.墊圈3.后蓋板4.電極片5.壓電陶瓷片6.前蓋板和變幅桿</p><p>　　圖3-1 超聲振動系統(tǒng)結構</p><p>　　3.2 換能器的設計</p><p>　　超聲換能器[9]是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超

73、聲加工處理設備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產生的超聲頻電能轉換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大和聚能后再傳輸到工具頭，進而實現對工件的超聲加工處理。</p><p>　　本設計采用的縱向夾心式壓電換能器，這種換能器能沿著縱向產生較大的振幅且輸出功率較大。它的基本結構是壓電陶瓷片、電極片、連接螺桿、前后蓋板以及絕緣管組成。由于此基本結構尺寸比較大，本設計采用的是四分之一波長縱向夾心壓電換能器，如圖

74、3-1所示?？梢越频刂豢紤]軸向應力和應變間的關系。</p><p><b>　　由胡克定律：</b></p><p><b>　　式中 —應力；</b></p><p><b>　　—彈性力；</b></p><p>　　—任意位置處的截面積；</p><

75、p><b>　　—楊氏彈性模量；</b></p><p><b>　　—應變；</b></p><p>　　則節(jié)圓的一元段應用牛頓第二定律：</p><p><b>　　因為</b></p><p><b>　　式中—材料的密度；</b></p

76、><p><b>　?。恪牧系穆曀?；</b></p><p>　　得變截面桿縱振振動的波動方程：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中ｋ—波數，ｋ＝；</p><p><b>　　—角頻率；</b></p>

77、<p>　　對換能器振子，振子各節(jié)面是均勻等節(jié)面，即＝常數，波動方程為：</p><p>　　由于振速，振子各部分振速方程為：</p><p><b>　　通解：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b>

78、</p><p>　　式中—振子各部分的特性聲阻抗　　； n=1,2,3</p><p><b>　　—振子位移；</b></p><p><b>　　—振子各部分長度；</b></p><p>　　—振子各部分的速度；</p><p>　　考慮到圖3-1中換能器振子部分（

79、即節(jié)面左側部分）在諧振頻率處，在他們的結合面上，前部分輸出阻抗等于后部分的輸入阻抗，即邊界條件為： </p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>&

80、lt;b>　?。?-7）</b></p><p>　?。?-8） （3-9）</p><p><b>　　（3-10）</b></p><p>　　式中—振子尾端振速；</p&g

81、t;<p><b>　　—振子各部分長度；</b></p><p>　　代邊界條件（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）（3-9）代入（3-2）（3-3） </p><p><b>　　可分別得：</b></p><p><b>　　=-</b></p><

82、;p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=0</b></p><p><b>　　=</b></p><p&g

83、t;　　將式（3-10）代入式（3-3）的換能器的振動頻率方程：</p><p><b>　　（3-11）</b></p><p>　　為了提高振動系統(tǒng)的振速比，后蓋板選取特性聲阻大的軟鋼，前蓋板與變幅桿做成一體，選取特阻抗小的鈦合金或者硬鋁，具體情況要根據變幅桿的材料選取。</p><p>　　壓電陶瓷片取PZT-8，外徑46毫米，內徑10毫

84、米，厚7毫米，共1片。</p><p>　　3.3 變幅桿的設計</p><p>　　超聲變幅桿[15]，又稱超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。超聲波加工過程中，工具前端只有達到一定的振幅才能提高加工效率，振幅的增大可以有兩種方式獲得：一種是加大輸入電功率，在壓電材料的工作范圍內，提高換能器的激勵電壓，從而增大工具頭的振幅，這種方法不能改變換

85、能器前后的振速比，效率低，此外持續(xù)的工作會引起換能器的發(fā)熱，是換能器的工作效率及功率容量嚴重下降：另一種是在換能器與工具頭之間增加變幅桿又稱為超聲聚能器，它主要作用是放大機械振動質點的振動位移和振動速度，或將超聲能量聚集在較小的面積上，此外，變幅桿還可以作為機械阻抗黃能起，在超聲換能器與聲負載之間進行阻抗匹配，使能量有效的傳輸。</p><p>　　3.3.1 變幅桿材料的選擇</p><p&

86、gt;　　眾所周之，超聲波加工中變幅桿是必不可少的零部件，起著至關重要的作用因此它對材料有較高的要求，具體要求如下：</p><p>　　在工作頻率范圍內材料的損耗小；</p><p>　　材料的疲勞強度高，而聲阻抗小，以獲得較大的振動速度和位移振幅；</p><p><b>　　易于機械加工；</b></p><p>

87、　　做液體處理應用時，還要求變幅桿的輻射面所用的材料耐腐蝕；</p><p>　　變幅桿材料應鍛造，纖維伸長方向應與聲傳輸線一致，以提高變幅桿的抗疲勞性能及聲學性能。</p><p>　　一般來說，欽合金的性能最好，但價格昂貴，且機械加工較困難；鋁合金價格便宜，易于機械加工，但抗超聲空化腐蝕性能很差；鋼價格便宜，較易加工，但損耗較大；黃銅損耗很大；45號鋼性能好，價格便宜，又容易加工，所以

88、一般情況下采用45號鋼。</p><p>　　變幅桿材料應進行探傷檢查，以測試材料內有無裂紋和缺陷，否則聲能就不能沿著聲傳輸線傳遞，而且材料易斷裂和引起令人討厭的噪聲。因此，有裂紋和缺陷的材料必須報廢。</p><p>　　3.3.2 四分之一波長變幅桿的設計</p><p>　　考慮到尺寸結構緊湊問題，本設計采用四分之一波長變幅桿。超聲變幅桿的作用是把機械振動的質

89、點位移或速度放大，將超聲能量集中在較小的面積上，變幅桿之所以能擴大振速或者位移振幅，正是由于通過它的每一界面的振動能量不變（忽略傳播中的損耗），截面積小的地方密度大，而能量密度J正比于振幅A的平方</p><p><b>　　式中 —系數，；</b></p><p><b>　　—能量密度；</b></p><p><

90、;b>　　—振幅；</b></p><p>　　由上式可知，截面積越小，能量密度越大，振動幅度越大。</p><p>　　從減輕機械加工難度以及減小疲勞破換兩點出發(fā)，本文采用復合圓錐變幅桿。</p><p>　　圓錐部分任意位置的截面的截面積表達式為</p><p><b>　　（3-12）</b>&l

91、t;/p><p><b>　　式中 ——系數，；</b></p><p>　　—圓錐變幅桿的大端面半徑；</p><p>　　—圓錐變幅桿的大端面半徑；</p><p>　　—變幅桿圓錐部分長度；</p><p>　　—變幅桿輸入端面積；</p><p>　　—變幅桿輸出端面積

92、；</p><p>　　將式（3-12）代入式（3-1），得：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　　基于諧振頻率處結合面阻抗匹配的原理，得節(jié)圓右側部分的邊界條件為：</p><p><b

93、>　?。?-15）</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　　（3-19）</b></p

94、><p><b>　　（3-20）</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　　（3-22）</b></p><p>　　式中 —工具段部振速；</p><p>　　—工具端部輸入阻抗；</p><

95、;p>　　因為加工中工具端部輸入阻抗不確定，故假設。</p><p>　　將式（3-15）（3-16）（3-17）（3-18）（3-21）（3-22）代入式（3-2）（3-3）（3-13）（3-14）得：</p><p>　　將式（3-12）代入（2-3）（2-14）得復合圓錐前后諧振比：</p><p><b>　　式中 </b>&

96、lt;/p><p>　　將式（3-19）代入（3-3）（3-14）的頻率方程</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　取設計頻率，則振動系統(tǒng)各部分結構尺寸如下圖所示：</p><p>　　圖 3-2 超聲振動系統(tǒng)各部分的尺寸</p><p>　　4 部分零件的強度校核&l

97、t;/p><p><b>　　4.1 鍵的校核</b></p><p>　　在小型超聲切割機工作過程中，半圓鍵受到最大的扭矩為0.5Nm，許用應力</p><p><b>　　其所受剪應力為：</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p

98、><b>　　4.2 軸的校核</b></p><p>　　進行軸的強度計算[3]時，應該根據具體的受載情況，采取相應的計算方法，并恰當的選取其許用應力，忽略對軸的剛度及其振動穩(wěn)定性進行校核。</p><p>　　軸的最小軸為12mm,軸的強度校驗公式為：</p><p><b>　　式中：</b></p>

99、;<p><b>　　，扭轉切應力，；</b></p><p>　　，軸所受的扭矩Nm；；</p><p>　　，軸的抗扭截面系數，</p><p><b>　　，軸的轉速，；</b></p><p><b>　　，軸傳遞的功率，；</b></p>

100、<p>　　，計算截面處軸的直徑，</p><p><b>　　，許用扭轉切應力，</b></p><p><b>　　代入數據得 </b></p><p>　　選用軸的材料為45，45的許用應力為15-25MPa,因此軸的最大應力符合設計要求。</p><p>　　5 小型超聲切割機的整

101、機裝配</p><p>　　小型超聲切割機的整體裝配[5]包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及超聲振動系統(tǒng)這三個部分，大部分連接采用六角螺栓連接，使得結構更加牢靠、緊湊，殼體與殼體之間的配合部分都有引導的卡位定位，使得安裝更加方便，同時保證精度，同時整個裝置也留有空間用以線路布置，以使得整機達到可行。</p><p>　　5.1 動力系統(tǒng)結構</p><p>　　小型切割機的

102、動力結構系統(tǒng)由電機軸（轉子，如圖5-1）、定子（如圖5-2）、電機殼（如圖5-3）、螺釘、軸承（如圖5-4）散熱片（如圖5-5）組成，其結構圖，如圖5-6所示，動力系統(tǒng)的裝配過程是先用螺釘將定子裝在電機殼，把軸承裝進電機軸上，再將這兩個整體配合起來，最后裝上散熱片，完成組裝。</p><p><b>　　圖 5-1 電機軸</b></p><p><b>　

103、　圖 5-2 定子</b></p><p><b>　　圖 5-3 電機殼</b></p><p>　　圖5-4 深溝球軸承</p><p><b>　　圖5-5 散熱片</b></p><p>　　1．散熱片2.螺釘3.電機軸4.電機殼5.軸承</p><p>

104、　　圖 5-6 動力系統(tǒng)結構圖</p><p>　　5.2 傳動系統(tǒng)結構</p><p>　　小型超聲切割機的傳動系統(tǒng)結構由碳刷殼（如圖5-7）、聯軸器（如圖5-8）、圓柱滾子軸承（如圖5-9）、輸出軸（如圖5-10）、定位彈簧片（如圖5-11），其結構圖，如圖5-13所示，該結構是由一對聯軸器連接，再輔以定位和配合而完成的。</p><p><b>　　

105、圖5-7 碳刷殼</b></p><p><b>　　圖 5-8 聯軸器</b></p><p>　　圖 5-9 圓柱滾子軸承</p><p>　　圖 5-10 輸出軸</p><p>　　圖 5-11 彈簧定位片</p><p>　　碳刷殼2.圓柱滾子軸承3.彈簧定位片4.聯軸器5.

106、輸出軸</p><p>　　圖 5-12 傳動系統(tǒng)結構圖</p><p>　　5.3 超聲振動系統(tǒng)結構</p><p>　　超聲振動系統(tǒng)是小型超聲切割機的核心部分，它由后蓋板、電極片、壓電陶瓷片、螺桿、前蓋板、變幅桿和墊圈組成，如圖5-13所示</p><p>　　1.鎖緊螺栓2.墊圈3.后蓋板4.電極片5.壓電陶瓷片6.前蓋板和變幅桿<

107、;/p><p>　　圖5-13 超聲振動系統(tǒng)結構</p><p>　　5.4 小型超聲切割機的整機裝配</p><p>　　由上可知，小型超聲切割機由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)三大部分組成，它是由這三個部分通過螺栓和各零件的精確卡位組裝而成的，其PRO-E 3D整機外觀，如圖5-14所示，其CAD完整裝配圖，如圖5-15所示。</p><p&g

108、t;　　圖 5-14 小型超聲切割機的PRO-E 3D整機外觀圖</p><p>　　1.鎖緊螺母2.鋸片3.前蓋板和變幅桿4.螺釘5.壓電陶瓷片6.后蓋板7.螺釘8.圓柱滾子軸承9.螺栓10.聯軸器11.聯軸器12.螺母13.散熱片14.電機定子15.電機軸16.軸承17.螺釘18.電機前端蓋19.軸承20.鍵21.鍵22.擋銷彈簧片23.碳刷殼24.輸出軸25.法蘭盤26.開口墊片27.螺釘28.碳刷銅環(huán)&l

109、t;/p><p>　　圖 5-15 小型切割機的整機裝配圖</p><p><b>　　6 結束語</b></p><p>　　超聲加工是新型的加工技術，是未來發(fā)展的趨勢。目前，硬脆材料在工業(yè)中的應用相當普遍，但這類材料堅硬易碎，導致它們的孔加工是一大難題。小型切割機是日常生活乃至工程建設中非常便捷的切割加工工具，傳統(tǒng)的小型切割機在切割瓷磚，超薄零

110、件時，由于瓷磚是脆性材料，當傳統(tǒng)切割機在切割的時候，經常出現瓷磚會碎掉，這樣一來會造成了成品率不高，同時也造成了浪費，甚至出現大量的固體污染，特殊垃圾；對超薄零件而言，和脆性材料一樣，由于薄這個特殊原因，導致了加工的時候也容易碎掉，另外，超薄零件對于切削應力，切削熱是非常敏感的，容易產生熱變形，特別是對于精度要求高的零件，考慮熱變形是重中之重，而如果在加上低剛度的條件的話，那么傳統(tǒng)切割機在加工的時候，成品率就更加低了，浪費和造成的垃圾就

111、更加嚴重了。本文針對這一現象，進行小型超聲切割機的結構設計，得到一下結論：</p><p>　　小型超聲切割機的設計首先必須考慮切割機的尺寸，盡量要讓它小型化。</p><p>　　小型超聲切割機小型化的關鍵在傳動系統(tǒng)和超聲振動系統(tǒng)的設計，采用聯軸器傳動，結構簡單，符合傳動鏈盡量短的原則，又可以很好的把超聲振動系統(tǒng)安裝到切割機上面，實現超聲切割，采用四分之一波長壓電式換能器和四分之一波長變

112、幅桿組成的超聲振動系統(tǒng)，對小型超聲切割機的小型化有重大的意義。</p><p>　　部分可以可以采用塑料，可以降低成本，減輕重量，優(yōu)化結構。</p><p>　　必要時采用非標零件，可以減少尺寸，使得結構更加緊湊，更加小型化。</p><p><b>　　7 致謝</b></p><p>　　畢業(yè)設計不僅是對前面所學知識

113、的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還很多，通過這次設計，我明白了學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質。</p><p>　　在此，感謝*老師的細心指導，在*老師的悉心指導下讓我懂得了不少的東西，比如獨立思考解決問題，要學會去尋找資料，發(fā)現問題，解決問題等，讓我受益匪淺。在此論文完成之際

114、，向他表示由衷的感謝，同時也感謝所有教育過我的專業(yè)老師。</p><p><b>　　8 參考文獻</b></p><p>　　[1]隈部淳一郎.精密加工振動切削基礎與應用機械工業(yè)出版社,1985.</p><p>　　[2]曹鳳國.超聲加工技術. 化學工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　[3]濮良貴.紀名剛.機