超聲波切削道具夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)—畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 超聲波切削道具夾持機(jī)構(gòu) 系 別 機(jī)電工程系 專業(yè)班級(jí) 06機(jī)電3班 學(xué)生姓名 吳文鋒 指導(dǎo)教師 王紅飛 提交日期 年 月 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文） 任 務(wù) 書

2、 茲發(fā)給 06機(jī)電3班 班學(xué)生 吳文鋒 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下： 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 超聲波切削道具夾持機(jī)構(gòu) 2.應(yīng)完成的項(xiàng)目： （1）查找和閱讀有關(guān)振動(dòng)加工技術(shù)及其切削系統(tǒng)的資料

3、； （2）掌握振動(dòng)切削系統(tǒng)裝置及其受力情況； （3）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告； （4）完成外文資料翻譯工作； （5）進(jìn)行振動(dòng)切削系統(tǒng)裝置分析以及其受力情況，力學(xué)計(jì)算研究； （6）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書。

4、 3.參考資料以及說(shuō)明： （1）曹鳳國(guó)，張勤儉.超聲加工技術(shù). 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.1 （2）徐可偉，朱訓(xùn)生．超聲振動(dòng)在精密切削中的應(yīng)用．新技術(shù)新工藝．2001.3

5、 （3）胡傳忻. 特種加工手冊(cè). 北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.4 （4）金慶同.特種加工.航空工業(yè)出版社.1988.6 （5）劉晉春，趙家齊，趙萬(wàn)生.特種加工，北京:機(jī)械工業(yè)出版，2000.7 （6）張?jiān)齐姡暭庸ぜ捌鋺?yīng)用．北京： 國(guó)防工業(yè)出版社．1995 （7）秦嬋，丁鋒，劉紹梁. 工程力學(xué), 華南理工大學(xué)出版社. 2006.6

6、 （8）黃小清，陸麗芳，何庭蕙.材料力學(xué), 華南理工大學(xué)出版社.2007.2 4.本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書于 年 月 日發(fā)出，應(yīng)于 年 月 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會(huì)進(jìn)行答辯。 專業(yè)教研組（系）負(fù)責(zé)人 審核 年

7、 月 日 指導(dǎo)教師（導(dǎo)師組） 簽發(fā) 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總評(píng)成績(jī)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯小組負(fù)責(zé)人簽字： 年 月

8、 日 摘 要 超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種新型非傳統(tǒng)的特種切削加工方法與傳統(tǒng)的機(jī)械加工 相 比，能有效的降低切削力和切削溫度、提高工具使用壽命及已加工表面的耐磨性 、耐腐蝕性 、大幅度降 低表面粗糙度Ra 值和顯著提高加工精度，在難加工零件的精密加工中得到了良好應(yīng)用。 本文通過(guò)認(rèn)識(shí)超聲加工技術(shù)，進(jìn)而研究和建立超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)，并對(duì)超聲振動(dòng)

9、系統(tǒng)的一些零部件和振動(dòng)裝置進(jìn)行了分析研究。在切削加工領(lǐng)域，提高加工精度方法很多，其中一個(gè)非常重要的研究方向在于如何努力減小切削過(guò)程中的切削力和切削熱。超聲振動(dòng)切削技術(shù)在降低切削力和切削熱方面有重要的作用，可以較好地解決難加工材料、難加工零件以及精密加工等方面的一些工藝問(wèn)題。 本文主要探討了一種可安裝在普通機(jī)床或數(shù)控機(jī)床上便可進(jìn)行超聲車削加工的超聲振動(dòng)車削裝置設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低等特點(diǎn)。而且安裝方便，能直接安裝在普通的車床刀架上使用。本實(shí)驗(yàn)所需要的超聲車削裝置系統(tǒng)取用的是縱向振動(dòng)形式的超聲車削裝置。根據(jù)超聲振動(dòng)車削裝置設(shè)備的受力情況，進(jìn)行受力分析，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和確定支撐機(jī)構(gòu)的

10、結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小。 最后，應(yīng)用所制造出來(lái)的新超聲振動(dòng)車削系統(tǒng)裝置，作為可以在車床上進(jìn)行加超聲振動(dòng)的車削實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：超聲加工；振動(dòng)切削裝置；夾持機(jī)構(gòu)； Abstract Ultrasound the cutting production techniques is the latest of a new special cutting process with conventional mechanical process

11、ing, can effectively reduce the amount of temperature, and cutting tool life and has been machined surface wear resistant properties, too, corrosive, or a rough surface of the ra reduce the value and significant increase in the difficult process, machine parts for precise work of the application. I

12、n this paper, through the study of ultrasonic machining(USM)technology, ultrasonic vibration cutting system is set up for research of machining parts, including the overall structure is preliminarily designed. Equipments are involved in assembling simulation. There are many methods to improve machin

13、ing precision. One of the most important researches is to reduce cutting forces and the amount of heat produced during machining. The ultrasonic vibration cutting technology takes important roles in the reducing of cutting forces and heat. It has been used to solve many cutting difficulties encounte

14、red in ordinary machinery manufacturing practices, especially in the cutting of some special materials and precision machining parts. This chapter mainly discusses one kind of ultrasonic vibration cutting device to be possible to install on the ordinary machine or the numerical control machine then

15、 may carry on the supersonic turning processing the ultrasonic vibration turning arrangement, might realize the structure to be simple, the volume was small, cost low status characteristic. Moreover installs conveniently, can install directly on the ordinary lathe carriage uses. This article tests t

16、he ultrasonic vibration cutting device which needs to use is the longitudinal mode ultrasonic vibration cutting device. According to the ultrasonic vibration cutting device stress situation, carries on the stress analysis, carries on mechanics computation and the determination support organization s

17、tructure shape and the size. Finally, on the basis of designed transformer horn and ultrasonic turning, an ultrasonic vibration cutting system is established. It is planned to be fixed and debugged on machine tool. While for machining parts, turning trials with and without ultrasonic vibration are

18、taken to try to get the test results. Keywords: Ultrasound processing ； vibration cutting device ； between the agencies ； 目 錄 摘要 4 Abstract 5 第一章 緒 論 8

19、1.1 超聲波振動(dòng)切削技術(shù) 8 1.2 國(guó)內(nèi)外超聲振動(dòng)切削技術(shù)的研究與應(yīng)用 9 1.3超聲振動(dòng)切削的發(fā)展方向 3 第二章 超聲加工的基本原理 11 2.1超聲波的產(chǎn)生 11 2.2 超聲振動(dòng)切削的基本原理 11 2.3 超聲振動(dòng)切削特點(diǎn) 12 2.4 超聲振動(dòng)切削的應(yīng)用 13 第三章 超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 14 3.1 超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu) 14 3.2 超聲振動(dòng)系統(tǒng) 14 3.3 超聲波發(fā)生器 15 3.4 超聲波換能器 16 3.5 超聲波變幅桿 16 第四章 超聲振動(dòng)切削道具夾持機(jī)構(gòu) 17 4.1 超聲車削系統(tǒng)受力分析 18 4.1.1 超聲振動(dòng)切削刀具

20、的振動(dòng)規(guī)律 18 4.1.2 刀屑接觸長(zhǎng)度分析 19 4.1.3 切削力分析 20 4.1.4 完成振動(dòng)切削過(guò)程所需功率 20 4.2 超聲振動(dòng)車削裝置總體要求 21 4.2.1車削裝置技術(shù)要求 21 4.2.2裝置的總體特征 21 4.2.3校核工作時(shí)超聲振動(dòng)車削裝置Z字架的強(qiáng)度。 22 4.3 超聲振動(dòng)車削裝置零部件分析 26 4.3.1發(fā)生器與換能器的選用 26 4.3.2變幅桿與換能器的聯(lián)接 26 4.3.3刀具設(shè)計(jì)與變幅桿的聯(lián)接 27 4.3.4刀尖高度調(diào)節(jié)裝置 29 4.4 超聲振動(dòng)車削裝置安裝、調(diào)試 29 4.5 超聲車削實(shí)驗(yàn)分析 31 第五章 總

21、結(jié)與展望 32 5.1本文研究總結(jié) 32 5.2今后工作的展望 32 參考文獻(xiàn) 33 致 謝 34 第一章緒論 1.1超聲波振動(dòng)切削技術(shù) 超聲振動(dòng)切削技術(shù)是把超聲波振動(dòng)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(shù)，是結(jié)合超聲波技術(shù)和傳統(tǒng)切削工藝的一種新型切削技術(shù)。振動(dòng)切削加是 2 0世紀(jì) 6 0年代發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，它通過(guò)在常規(guī) 的切削刀具上施加高頻振動(dòng)，使刀具和工件發(fā)生間斷性的接觸，從而使傳統(tǒng)切削模 式發(fā)生了根本性的變化。由此變化解決了傳統(tǒng)的切削加工中固有的難題，如切

22、削中 的振動(dòng)和切削熱變形等，從而得到了優(yōu)良的切削效果。迄今為止，世界各國(guó)雖然在 振動(dòng)切削某些現(xiàn)象的解釋上，某些參數(shù)的選擇上還有一些差別，但對(duì)它的工藝效果 是一致公認(rèn)的。作為精密機(jī)械加工和難加工材料加工中的一種新技術(shù)，它已經(jīng)滲透 到各個(gè)加工領(lǐng)域，出現(xiàn)了各種復(fù)合加工方法，使傳統(tǒng)的加工技術(shù)有了一個(gè)飛躍。研 究表明，由于其在一定范圍內(nèi)能夠有效地解決難切削材料的加工及其精密切削加工 方面的問(wèn)題并在加工中具有一系列的特點(diǎn)，因而越來(lái)越引起人們的重視而受到世界 各國(guó)的矚目。 按超聲波輻射大小不同，超聲技術(shù)的使用可分為兩大方面：一是利用它的能量來(lái)改變材料的某些狀態(tài)，稱為功率超聲；第二類是利用它來(lái)采集信息，

23、稱為檢測(cè)超聲。 功率超聲是超聲學(xué)中一個(gè)重要的研究方向，特別在超聲振動(dòng)切削方面的應(yīng)用十分廣泛，超聲振動(dòng)除能對(duì)普通材料進(jìn)行加工外，還能對(duì)高硬、軟、薄、脆等性能材料進(jìn)行加工。 超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波的作用主要是對(duì)其傳播方向上的障礙物施加壓力。因此，有時(shí)可用這個(gè)壓力的大小來(lái)表示超聲波的強(qiáng)度，傳播的波動(dòng)能量越強(qiáng)，則壓力也越大。 振動(dòng)能量的強(qiáng)弱，用能量強(qiáng)度來(lái)衡量。能量強(qiáng)度就是通過(guò)垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量，用符號(hào)J來(lái)表示。 式中 — 彈性介質(zhì)的密度 C—彈性介質(zhì)中的波速 A—振動(dòng)的振幅 —圓頻率， 由于超聲波的頻率（

24、）很高，其能量強(qiáng)度可達(dá)幾十～幾百瓦/。 1.2國(guó)內(nèi)外超聲振動(dòng)切削技術(shù)的研究與應(yīng)用 超聲振動(dòng)切削這一加工方法 自五十年代末提出來(lái)以后，國(guó)外許多專家學(xué)者從不同的方面對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。 近年來(lái)，日、美、前蘇聯(lián)、 英、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這一新工藝新技術(shù)給予普遍重視， 并取得了較大進(jìn)展與生產(chǎn)性應(yīng)用 J 。 從研究的深度、 廣度以及實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，日本在超聲振動(dòng)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位。 1 9 7 7年，日本對(duì)振動(dòng)切削與振動(dòng)磨削方面的研究已相當(dāng)深入且已應(yīng)用于生產(chǎn)。 研究超聲振 切理論與應(yīng)用技術(shù)奠基人的日本宇都官大學(xué)的隈部淳一郎教授 ， 他在 1 9 5 6年首先提出了系統(tǒng)的振

25、動(dòng)切削理論，發(fā)表了大量的論文，出版了 《 精密加工一振動(dòng)切削一基礎(chǔ)及應(yīng)用的專著，把振動(dòng)切削理論成功地應(yīng)用于車、刨、銑、鉆、鏜、鉸、拉、磨削、螺紋加工齒輪加工、拋光、珩磨、拉伸與擠壓等冷熱加工領(lǐng)域，并取得了意想不到的效果與顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，超聲振切系統(tǒng)在 日本已作為生產(chǎn)項(xiàng)目申請(qǐng)為專利。日本新瀉鐵工所早開始生產(chǎn)振動(dòng)切削車床與振動(dòng)攻絲機(jī)。有些工廠還把振動(dòng)切削系統(tǒng)成功地安裝在普通車床、大型機(jī)床和數(shù)控機(jī)床上。 在美國(guó)， 6 o年代初就對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行研究， 7 0年代中期， 美國(guó)在超聲振動(dòng)鉆中心孔磨削、光整加工與振動(dòng)焊接、振動(dòng)拉管等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段；振動(dòng)車、鉆、鏜等切削加工已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)

26、設(shè)備的階段；振動(dòng)拉削、銑削與螺紋切削也已試驗(yàn)成功；超聲振動(dòng)系統(tǒng)已能供應(yīng)生產(chǎn)上應(yīng)用，且部分已標(biāo)準(zhǔn)化 。 前蘇聯(lián) 5 0 年代末 6 0 年代初發(fā)表過(guò)很有價(jià)值的論文。在超聲車削、鉆孔、磨削、光整加工、復(fù)合加工等方面均有生產(chǎn)應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。為了推動(dòng)超聲加工的應(yīng)用，1 9 7 3年前蘇聯(lián)召開了一次全國(guó)性的討論會(huì)，充分肯定了超聲加工的經(jīng)濟(jì)效果和實(shí)用價(jià)值，對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)在全國(guó)的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。 在此期間，德國(guó)和英國(guó)也對(duì)超聲加工的機(jī)理和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，并發(fā)表了許多有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極的應(yīng)用。 我國(guó)超聲加工的研究始于五十年代末，但當(dāng)時(shí)超聲波發(fā)生器

27、、換能器和聲振系統(tǒng)很不成熟，缺乏合理的組織和持續(xù)的研究工作。 六十年代初期， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用超聲車削， 加工了一批飛機(jī)上的鋁制細(xì)長(zhǎng)軸，取得了良好的切削效果。然而，此項(xiàng)技術(shù)直到七十年代末期才重新受到重視。 近 l O多年來(lái)，在超聲波振動(dòng)切削領(lǐng)域中，我國(guó)已取得了顯著的成績(jī)。這主要有以下 幾個(gè)方面：( 1 )超聲振動(dòng)切削的設(shè)備和刀具；( 2 )超聲振動(dòng)切削的理論研究；( 3 )超聲振 動(dòng)切削加工各種材料的實(shí)驗(yàn)研究；( 4 )超聲振動(dòng)切削加工精度和表面質(zhì)量；( 5 )超聲振動(dòng) 切削時(shí)刀具的磨損和耐用度；( 6 )超聲振動(dòng)切削在各種加工方法方面的研究和應(yīng)用；( 7 ) 超聲振動(dòng)技術(shù)從機(jī)械行業(yè)向

28、其它行業(yè)的研究和應(yīng)用拓展。 由于超聲技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性質(zhì)，應(yīng)用范圍十分廣泛，所以可以預(yù)見(jiàn)，隨著 對(duì)超聲加工技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)必將在我國(guó)的技術(shù)進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā) 揮越來(lái)越大的作用。 1.3超聲振動(dòng)切削的發(fā)展方向 隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用 日益廣泛，超聲振動(dòng) 切削機(jī)理的研究 日趨深入，其發(fā)展動(dòng)向主要有以下幾方面。 ( 1 )從試驗(yàn)性研究開始轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用研究。超聲振動(dòng)切削裝置已明顯地朝著小 型化、實(shí)用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與商品化方向發(fā)展。 ( 2 )超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)已更新?lián)Q代。如超聲波

29、發(fā)生器早已實(shí)現(xiàn)了晶體管化，淘汰了 電子管結(jié)構(gòu)。 換能器已從使用磁致伸縮效應(yīng)的鎳片發(fā)展為使用電致伸縮效應(yīng)的壓電晶體。 ( 3 )在振動(dòng)方式上已經(jīng)從單一的縱向振動(dòng)的換能器系統(tǒng)發(fā)展為扭轉(zhuǎn)換能的系統(tǒng)，并且局部共振技術(shù)已投入運(yùn)用 。 ( 4 ) 研制和采用高效的振動(dòng)切削系統(tǒng)；現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及實(shí)用振動(dòng)切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高.因此.期待實(shí)用的大功率振動(dòng)切削系統(tǒng)早日問(wèn)世，這也是超聲技術(shù)工業(yè)化廣泛應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。 ( 5 )超聲振動(dòng)切削加工的工種已由主要是車削、鉆孔與攻絲發(fā)展到了鏜孔、銑削、刨削、拉削、螺紋加工、齒輪加工、磨削、拋光與珩磨等。 ( 6 ) 超聲振動(dòng)切削加工的工件材料已

30、從一般的碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼向軟韌、硬脆 難加工材料方面發(fā)展。 ( 7 )除研究適合于振動(dòng)切削刀具的幾何參數(shù)外，還要研究適合于振動(dòng)切削的刀具材 料，以保證振動(dòng)切削所使用的刀具具有足夠的刀具耐用度，如天然金剛石，人造金剛石和 超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料。 ( 8 )著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件的加工精度、加工表面粗糙度和加工表面質(zhì)量提出了很 高的要求，因此使超聲振動(dòng)切削加工向精密與超精密加工方向發(fā)展是非常必要的。 ( 9 )密重疊加工，即加工時(shí)一方面使刀具作超聲振動(dòng)切削，另方面使被加工工件也 同時(shí)作超聲振動(dòng)，從而構(gòu)成了精密二維重疊振動(dòng)切削。這種方法可有效地用來(lái)對(duì)硬度高而 抗拉強(qiáng)度低的陶瓷

31、材料進(jìn)行精密切削。此法之最大刀具特點(diǎn)是切削力可大大減小而顯著提 高了生產(chǎn)效率。 ( 1 0)拓寬超聲波振動(dòng)切削加工的應(yīng)用范圍。將超聲波振動(dòng)切削加工技術(shù)從機(jī)械行業(yè)向其它行業(yè)拓展。 其次，超聲振動(dòng)微細(xì)加工，既不依賴于材料的導(dǎo)電性又沒(méi)有熱物理作用，更具有可加工較高深度比的三維形狀，這決定了它在這類材料上的得天獨(dú)厚的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。而超聲技術(shù)正朝著高精度、微細(xì)化發(fā)展，微細(xì)超聲振動(dòng)加工技術(shù)更有望成為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的有力補(bǔ)充。 此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中己有廣泛的應(yīng)用，必定日益趨向于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清

32、潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗等方面的應(yīng)用?？梢酝茢?，超聲加工技術(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 第二章超聲加工的基本原理 2.1超聲波的產(chǎn)生 超聲波的產(chǎn)生是由壓電晶片(如石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等)的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的。如圖2-1所示，當(dāng)壓電晶片受到某一規(guī)律的壓縮和拉伸時(shí)(晶片厚薄亦產(chǎn)生規(guī)律性變化)，在晶片兩面產(chǎn)生相同電壓變化，稱為正壓電效應(yīng)。反之，把某一規(guī)律變化的電壓加在壓電晶體片兩面上，它就作相應(yīng)機(jī)械振動(dòng)，稱為逆壓電效應(yīng)[3]。 圖2-1正壓電效應(yīng) 當(dāng)壓電晶片受到來(lái)自高頻(>20kHz)發(fā)生器的高頻電壓作用而發(fā)生逆

33、壓電效應(yīng)時(shí)，晶片在其厚度方向發(fā)生變薄及變厚的振動(dòng)，晶片周圍介質(zhì)點(diǎn)亦相應(yīng)振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)在介質(zhì)中傳播，即形成超聲波。 2.2超聲振動(dòng)切削的基本原理 超聲波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過(guò)磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法. 超聲波加工是磨料在超聲波振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。加工時(shí)在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過(guò)換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳

34、給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來(lái)。雖然每次打擊下來(lái)的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。與此同時(shí)，懸浮液受工具端部的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時(shí)得到更新。 2.3超聲振動(dòng)切削的特點(diǎn) 超聲振動(dòng)切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦熱減小、刀具壽命提高和已加工表面粗糙度值減少,即有以下特點(diǎn): ①在切削過(guò)程中,

35、刀具前面不是始終與工件保持接觸狀態(tài),而是處于有規(guī)律的接觸、分離狀態(tài)。 ②有規(guī)律的脈沖沖擊切削力取代了連續(xù)切削力。 ③刀具(或工件)的有規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)取代了刀具和工件無(wú)規(guī)律的自激振動(dòng)。 ④切削力大部分來(lái)自刀具(或工件)的振動(dòng),刀具(或工件)的運(yùn)動(dòng)僅是為了滿足工件加工幾何形狀而設(shè)置的。 (2)工藝效果分析 ①瞬間切削力增大 根據(jù)連續(xù)彈性體動(dòng)力分析理論,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周邊的材料也參與抵抗變形,就使得切口處切削力降低。在振動(dòng)切削中,材料的破壞過(guò)程與普通切削不同,它由每次沖擊產(chǎn)生細(xì)微破壞而完成切削。在振動(dòng)切削中,因振動(dòng)提高了實(shí)際的瞬間切削速度,并以動(dòng)態(tài)沖擊力作

36、用于工件,使得局部變形減少,作用力集中,瞬間切削力增大。從而獲得較大的波前切應(yīng)力,有利于金屬的塑性脆化。減小塑性變形,利于切削。在超硬材料的加工方面,這一優(yōu)點(diǎn)更為突出。 ③有利于冷卻 刀具的高速振動(dòng)對(duì)刀具的散熱十分有利,同時(shí)由于刀具的前面周期性脫離工件,使得切削液更容易進(jìn)入刀具和工件之間,也增加了系統(tǒng)的散熱能力。振動(dòng)切削中,刀具在振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)下周期性接觸、離開工件。刀屑分離時(shí),切削液產(chǎn)生空化作用,切削液充分進(jìn)入切削區(qū)。振動(dòng)切削時(shí)刀具對(duì)工件的沖擊作用,應(yīng)力波的出現(xiàn),有利于切削區(qū)裂紋的萌生和擴(kuò)展。刀屑接觸時(shí),由于壓力差出現(xiàn),使得切削液滲透作用加強(qiáng),充分發(fā)揮切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用。這些都大大降低了

37、前刀面與切屑間及后刀面與已加工工件表面間的摩擦。 2.4超聲振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用 超聲振動(dòng)切削技術(shù)是在研究了切削加工本質(zhì)的基礎(chǔ)上所提出的一種精密加工方法,它彌補(bǔ)了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的適用范圍,主要有以下幾方面: (1)難切削材料的加工 不銹鋼、淬硬鋼、高速鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵以及陶瓷、玻璃、石材等非金屬材料由于力學(xué)、物理、化學(xué)等特性而難以加工,如采用超聲振切削則可化難為易。例如用硬質(zhì)合金刀具振動(dòng)車削淬硬鋼(35～45HRC)外圓、端面、螺紋與鏜孔時(shí),不但提高了平行度、垂直度與同心度,而且可達(dá)到“鏡面”的表面粗糙度,也可用金剛石刀具進(jìn)行振動(dòng)

38、精密加工。又如鈦歷來(lái)只能以磨削和研磨作為精加工,現(xiàn)用硬質(zhì)合金刀具振動(dòng)車削時(shí),其端面上的最大表面粗糙度值可達(dá)Ra=2～3μm,最佳時(shí)可達(dá)Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨與氧化鋁等材料時(shí)得不到平整的加工表面,只有采用超聲振動(dòng)才能產(chǎn)生微粒式的切削分離并得到整齊的加工表面。國(guó)外用超聲振動(dòng)能順利地切削富鋁紅柱石,如果將超聲波能源切斷,工件會(huì)馬上損壞,根本無(wú)法加工。 (2)難加工零件的切削加工 如易彎曲變形的細(xì)長(zhǎng)軸類零件,小徑深孔、薄壁零件,薄盤類零件與小徑精密螺紋以及形狀復(fù)雜、加工精度與表面質(zhì)量要求又較高的零件,用普通切削與磨削加工很困難,用振動(dòng)切削,既可提高加工質(zhì)量,又可提高生產(chǎn)效率,例

39、如用硬質(zhì)合金車刀超聲振動(dòng)精車細(xì)長(zhǎng)的退火調(diào)質(zhì)鋁棒(Φ7.2mm,長(zhǎng)220mm)的外圓,振動(dòng)頻率為F=21.5kHz,振幅為A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全損耗系統(tǒng)用油作為切削液,加工后可獲得工件直徑精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超聲振動(dòng)精鏜有特殊鋼制成的薄壁圓筒(工件長(zhǎng)70mm,孔徑15mm,壁厚1mm),在鏜過(guò)的50mm長(zhǎng)度上可測(cè)出內(nèi)孔精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。 (3)高精度、高表面質(zhì)量工件的切削加工 與普通切削相比,振動(dòng)切削時(shí)切屑變形與切削力小,切削溫度低,加工表面上不產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺與表面微裂紋,再加上表面硬化程度較大,表

40、面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力小,切削過(guò)程穩(wěn)定,容易加工出高精度與高表面質(zhì)量的工件。 例如前述的超聲振動(dòng)車削軟鋁制成的細(xì)長(zhǎng)軸(長(zhǎng)200mm,7mm)時(shí)可得到圓度2μm、圓柱度3μm/170mm的加工精度。超聲車削Φ5mm的電動(dòng)機(jī)整流器銅線時(shí),可得到Ra=0.05μm的鏡面,用其他加工方法是不可能達(dá)到的。 (4)排屑、斷屑比較困難的切削加工 鉆孔、鉸孔、攻螺紋、剖斷、鋸切、拉削等切削加工時(shí),切屑往往處于半封閉或封閉狀態(tài),因而常不得不由于排屑斷屑困難而降低切削用量,這時(shí)如果用振動(dòng)切削則可比較順利地解決排屑斷屑,保證加工質(zhì)量與提高生產(chǎn)效率。 第三章超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3

41、．1超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu) 超聲加工機(jī)床又稱超聲加工設(shè)備，它們的功率大小和結(jié)構(gòu)形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發(fā)生器、超聲振動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床本體和磨料工作懸浮液循環(huán)系統(tǒng)等，其主要組成部分如下圖3-1所示[8]。 超聲加工機(jī)床 超聲波發(fā)生器（超聲電源） 超聲振動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)床本體 工作液循環(huán)系統(tǒng)和換能器冷卻系統(tǒng) 超聲換能器 變幅桿 工具 工作頭 加壓機(jī)構(gòu)及工作進(jìn)給機(jī)構(gòu) 工作臺(tái)及其位置調(diào)整機(jī)構(gòu) 圖3-1普通超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)超聲加工機(jī)床操作的自動(dòng)化，此前，清華大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了以工控PC為硬件基礎(chǔ)的，完全數(shù)控化的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床數(shù)控自動(dòng)化的突破[

42、9]。 天津大學(xué)也在超聲加工機(jī)床方面做了很多的研究，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)研究。這些研究結(jié)果有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代，縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造周期，降低成本，方便維修維護(hù)和性能穩(wěn)定可靠的提升[10]。 縱觀國(guó)內(nèi)外對(duì)于超聲波加工機(jī)床的研究，其超聲波加工機(jī)床均為專用機(jī)床，它們的結(jié)構(gòu)基本上包括機(jī)床本體，超聲波電源、超聲振動(dòng)系統(tǒng)，主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，主軸軸向進(jìn)給系統(tǒng)等，而機(jī)床本體，主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和主軸軸向進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，設(shè)計(jì)制造困難，相應(yīng)的增加機(jī)床的制造成本，移動(dòng)困難。 3．2超聲振動(dòng)系統(tǒng) 超聲振動(dòng)系統(tǒng)是超聲設(shè)備的核心。多年來(lái)，超聲加工采用的超聲振動(dòng)系統(tǒng)大都采用縱向振動(dòng)方式，并按“全調(diào)諧”工作。近十

43、年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的工作方式和設(shè)計(jì)計(jì)算、振動(dòng)方式及其應(yīng)用研究都取得了許多新的進(jìn)展。 超聲振動(dòng)系統(tǒng)，即超聲波振動(dòng)加工系統(tǒng)，主要由精密機(jī)床和超聲波振動(dòng)裝置兩大部分構(gòu)成。其中超聲波振動(dòng)裝置部分為：超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿等三個(gè)主要的部件[2]。 超聲振動(dòng)系統(tǒng)工作原理是通過(guò)超聲波發(fā)生器將 220V 或 380V 的50Hz交流電轉(zhuǎn)換成有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，即超聲頻電振蕩信號(hào)，在將電信號(hào)加到換能器上，使其產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，此振動(dòng)通過(guò)變幅桿將振幅放大，最終在工具端部產(chǎn)生足夠大的機(jī)械振動(dòng)幅值[7]。 超聲振動(dòng)系統(tǒng)分有縱向振動(dòng)系統(tǒng)、彎曲振動(dòng)系統(tǒng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)[2]?？v向振動(dòng)

44、系統(tǒng)具有傳遞振動(dòng)功率大、振動(dòng)能量損耗小等特點(diǎn)。縱向超聲振動(dòng)系統(tǒng)使用小質(zhì)量車刀。車刀成本低、不必準(zhǔn)確測(cè)量和確定超聲車刀的位移與節(jié)點(diǎn)，因而使用方便，同時(shí)刀尖高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單、刀具拆卸、刃磨方便，易于調(diào)到共振狀態(tài)。 彎曲振動(dòng)系統(tǒng)使刀桿在垂直桿的軸向方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。彎曲振動(dòng)裝置剛性較好、變幅桿固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，但彎曲振動(dòng)刀桿節(jié)點(diǎn)的測(cè)定和壓塊的調(diào)節(jié)比較麻煩、車刀磨損后重新刃磨后節(jié)點(diǎn)還要發(fā)生變化、輔助時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)整麻煩、特別是刀尖高度調(diào)整較為麻煩，不易調(diào)整車刀所需要的高度，而刀尖高度對(duì)超聲加工的效果起著至關(guān)重要的作用。刀具的拆裝不方便。這些使其應(yīng)用受到限制。 而在實(shí)際應(yīng)用中，扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)，則應(yīng)用

45、得比較少。 3．3超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器主要由振蕩器、電壓放大器、功率放大器和輸出變壓器等部分組成。其中，振蕩器是超聲頻發(fā)生器的核心。根據(jù)超聲波加工的需要，超聲波發(fā)生器的輸出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最為多見(jiàn)。 超聲波發(fā)生器的作用是提供有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供振動(dòng)切削加工中的能量。 圖3-2超聲波發(fā)生器原理圖 超聲波發(fā)生器的原理：首先由信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)如圖3-2，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，特定頻率就是指換能器的頻率，一般在超聲波設(shè)備中使用到的超聲波頻率為 25kHz、28kHz、35kHz、40kHz；100kHz

46、及以上現(xiàn)在尚未大量使用。使用的功率一般從 50W 到 5000W不等。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后需經(jīng)過(guò)阻抗匹配，使得輸出的阻抗與換能器相符，推動(dòng)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。 作為超聲波電源，要求電源有比較高的頻率穩(wěn)定性和良好的可調(diào)性。較完善的超聲波發(fā)生器，還應(yīng)該有反饋環(huán)節(jié)，主要提供兩方面的反饋信號(hào)：第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)，通過(guò)功率反饋信號(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤換能器的諧振頻率點(diǎn)，讓發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。 頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，按獲得反饋信號(hào)的不同，可分為電反饋系統(tǒng)和聲

47、反饋系統(tǒng)[11,12]；按激勵(lì)形式分有兩種，一種是他激式，另一種是自激式。應(yīng)用較多的是晶體管自激式超聲發(fā)生器，其線路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可靠性好，該類發(fā)生器還具有一定的頻率自動(dòng)跟蹤能力，因此有很廣闊的應(yīng)用范圍[7]。 超聲加工過(guò)程中，振動(dòng)系統(tǒng)的溫度、剛度、載荷變化、加工面積、工具磨損等因素的變化，使得系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生漂移，因此常要求超聲波發(fā)生器必須滿足下列要求[14]：足夠的輸出功率；頻率穩(wěn)定，并能在所需求范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；發(fā)生器的輸出阻抗應(yīng)與換能器的阻抗相匹配；發(fā)生器能根據(jù)負(fù)載變化調(diào)整輸出功率，具有頻率自動(dòng)跟蹤能力；具備連續(xù)工作能力，且價(jià)格便宜。 3．4 超聲波換能器 換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換

48、的器件，是將一種形式能量轉(zhuǎn)換為另一種形式能量的裝置。超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。 換能器的作用是利用物體的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)，將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，目前主要有：磁致伸縮換能器、壓電陶瓷換能器以及電磁換能器。用于超聲加工中的換能器必須具備結(jié)構(gòu)尺寸小、電聲轉(zhuǎn)換效率高、阻抗易于匹配、發(fā)熱量小、能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。經(jīng)過(guò)對(duì)比，壓電陶瓷換能器能夠滿足上述要求。 3．5超聲波變幅桿 超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿。超聲變幅桿是振動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部

49、分，它在振動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度放大，并將超聲能量集中在較小的面積上即聚能，因此也稱超聲變速桿，超聲聚能器。在高聲強(qiáng)超聲如超聲加工，超聲焊接等應(yīng)用中，幅射面的振動(dòng)幅度一般需要幾十到幾百微米，只要在換能器的端面連接超聲變幅桿，才能將機(jī)械振動(dòng)放在到符合要求。另外，超聲變幅桿還可以作為機(jī)械阻抗變換器，在換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量更有效的從換能器到負(fù)載傳輸。 工具是變幅桿的負(fù)載, 其結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量大小以及與變幅桿連接的好壞, 對(duì)超聲振動(dòng)共振頻率和超聲波加工性能均有很大影響。工具可以通過(guò)焊接或螺釘固定在變幅桿上; 也可以和變幅桿設(shè)計(jì)成整體。采用可拆卸式, 雖然能快

50、速更換工具, 但可能出現(xiàn)工具松懈、超聲能量損失、疲勞破壞等問(wèn)題。 根據(jù)桿件尺寸的不同，常用的變幅桿有全波諧振型、半波諧振型和四分之一波諧振型；根據(jù)是否空心分為實(shí)心型變幅桿和空心型變幅桿；根據(jù)桿件振動(dòng)方式的不同，變幅桿也可分為縱向振動(dòng)變幅桿，彎曲振動(dòng)變幅桿，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變幅桿。其中縱向振動(dòng)變幅桿根據(jù)截而形狀的不同，主要分為圓柱形、階梯型、圓錐型、指數(shù)型和懸鏈型，如圖3-3所示的[2]。而復(fù)合形變幅桿，是由各種簡(jiǎn)單變幅桿根據(jù)實(shí)際需要組合而成的。 圖3-3常見(jiàn)的變幅桿形狀 各種傳統(tǒng)形狀變幅桿各具優(yōu)點(diǎn)，但都不是最理想的。圓柱形變幅桿，不能放大小端面的振動(dòng)幅值；圓錐、指數(shù)形和懸鏈形變幅桿，

51、雖然振幅放大倍數(shù)較低，但在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。然而指數(shù)形和懸鏈形變幅桿，由于外形的特殊性，不易加工，所以它的應(yīng)用受到了一定程度的限制。階梯形變幅桿，雖然具有比圓錐形和指數(shù)形的變幅桿都大的振幅放大倍數(shù)，但它的直徑突變引起極大的應(yīng)力集中，從而使得變幅桿的工作應(yīng)力大增，導(dǎo)致變幅桿疲勞斷裂，使得它不能被廣泛應(yīng)用。 第四章 超聲振動(dòng)切削道具夾持機(jī)構(gòu) 超聲振動(dòng)切削是給刀具(或工件)施加一定方向 頻率和振幅的振動(dòng)，以改善其切削功效的脈沖切削方法．該方法自50年代提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同的方面對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究 。由于該方法能改善機(jī)械加工表面質(zhì)量與精度，延長(zhǎng)刀具壽命，提高切削加工的應(yīng)

52、用范圍，故被廣泛應(yīng)用于車、銑、刨、磨、鉆、螺紋加工、齒輪加工和拋光等方面．目前的超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)仍然停留在5O年代末期日本教授隈部淳一郎提出的傳統(tǒng)形式上，由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造都很復(fù)雜，機(jī)構(gòu)體積太，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低(一般只有20％～60％)，使得該技術(shù)在機(jī)械加工中難以推廣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地提高機(jī)械精密加工表面質(zhì)量和精度． 超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)包括兩部分：切削機(jī)床和超聲振動(dòng)發(fā)生裝置。超聲車削是給刀具(或工件)在某一方向上施加一定頻率和振幅的振動(dòng)，以改善車削效能的車削方法。 振動(dòng)車削有兩種：一種是以斷屑為主要目的，這時(shí)多采用低頻(最高幾百赫茲)、大振幅(最大可達(dá)幾毫米)的進(jìn)刀方向振刀；另一

53、種是以改善加工精度和表而粗糙度、提高車削效率、擴(kuò)大車削加工適應(yīng)范圍為主要目的，則要用高頻、小振幅（最大約30 )振刀。 超聲車削裝置的作用是使車刀獲得一定振幅的超聲頻機(jī)械振動(dòng)，將超聲振動(dòng)系統(tǒng)和車刀固定在刀架上實(shí)現(xiàn)超聲車削加工。超聲車削裝置有縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種形式。在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)研究中使用的是縱向振動(dòng)超聲車削裝置，并選取小質(zhì)量刀片(如硬質(zhì)合金刀片)，這樣不必測(cè)量和確定超聲車刀的位移及節(jié)點(diǎn)，因而使用方便。但是這種裝置需采用剛性固定變幅桿的方法，而且變幅桿應(yīng)具有足夠的剛度。隨著超聲車削技術(shù)研究的不斷深入，而且這種裝置使用方便，車刀成本低，因而它的應(yīng)用越來(lái)越多。 4.1 超聲車削

54、系統(tǒng)受力分析 4.1.1 超聲振動(dòng)切削刀具的振動(dòng)規(guī)律 設(shè)刀具在切削速度方向的振動(dòng)是正弦振動(dòng)，其位移為 （4-1） 式中， 為刀具振動(dòng)的角頻率，， 為刀具振動(dòng)頻率;a為刀具的振幅；t為時(shí)間．由式(1)得刀具的振動(dòng)速度、加速度 （4-2） (4-3) 設(shè)切削速度為 ，則刀具相對(duì)工件的速度為 (4-4) 圖4-1所示為在振動(dòng)切削時(shí)刀具相對(duì)工件的振動(dòng)規(guī)律，從圖中可知，在 時(shí)刻，刀具的前刀面開始與切屑分離，直到時(shí)刻，它們又重新接觸進(jìn)入切削狀態(tài)．切削過(guò)程中每一周期只有時(shí)間刀具在切削，其余大部分時(shí)間刀具與切屑處于分離狀態(tài)，很顯然刀具與切屑的分離作用是振動(dòng)

55、切削的最根本特點(diǎn)，正是這一特點(diǎn)才使得刀尖每次 能以極大的加速度沖擊工件進(jìn)行切削．如以振動(dòng)頻率 f=20kHz．a(chǎn)=l0um 進(jìn)行振動(dòng)切 削時(shí)．刀尖振動(dòng)的加速度可達(dá)l6000g(g為重力加速度)，刀尖振動(dòng)的加速度為重力速 度的16000倍，因此，振動(dòng)切削與普通切削相比有著本質(zhì)的不同。 圖4-1振動(dòng)切削過(guò)程示意圖 4.1.2 刀屑接觸長(zhǎng)度分析 圖4-2振動(dòng)切刀具的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖4-2所示為振動(dòng)切削過(guò)程中刀具的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。切削中刀尖以頻率,振幅作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。從切削開始到刀尖離開切屑的時(shí)間設(shè)為，則刀屑脫離瞬時(shí)是切削速度v與刀尖振動(dòng)速度剛好相等的時(shí)刻，即有： （4-5）

56、或 （4-6） 振動(dòng)切削過(guò)程中，刀尖經(jīng)一定時(shí)間后將再次與工作接觸，設(shè)這個(gè)時(shí)刻為則有： （4-7） 式中，分別為時(shí)刻刀尖的位移值，有， 代入式（4-7）可得 （4-8） 由此可進(jìn)一步求出有效切削時(shí)間為： （4-9） 刀尖與切屑的接觸長(zhǎng)度為 （4-10） 振動(dòng)切削參數(shù)為f=20kHZ,a=10um,v/aw=1/3, 利用式（4-6）（4-8）（4-9）和（4-10）式可求出 =15.2us , =47.25us , =17.95us , =6.97um 4.1.3 切削力分析 振動(dòng)切削過(guò)程中，刀具以沖擊載荷作用于被切材料，動(dòng)態(tài)

57、應(yīng)力波作用將大大改善切削效果。同時(shí)，材料是沖擊破壞，切削能量減少，切削力也會(huì)相應(yīng)減小。特別重要的是，振動(dòng)切削中前刀面與剪切面之間的內(nèi)摩擦將向外摩擦轉(zhuǎn)換，從而使摩擦力降低，總切削力幅值也將大大減小。因此，振動(dòng)切削中不僅僅是平均切削力降低，脈沖力幅值也會(huì)減小。有關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，約為普通切削時(shí)主切削力的70％左右[6]。功率估算時(shí)，可?。?.70，精確計(jì)算可通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)量的大小。 振動(dòng)切削多用于精密切削場(chǎng)合。以精密車削為例，設(shè)切削深度＝1mm，進(jìn)給量＝0.1mm/r,則由金屬切削手冊(cè)可查得切削力大小為： ＝250N， 4.1.4 完成振動(dòng)切削過(guò)程所需功率 圖4-1中清楚地表述出，切削過(guò)程中

58、每一周期只有作用瞬間內(nèi)，刀具相對(duì)工件接觸，并做功，此時(shí)切削力的大小為。設(shè)該做功段長(zhǎng)度為，則完成振動(dòng)切削過(guò)程所需的功率表達(dá)式為： （11） 式中為刀具振動(dòng)頻率。P1是振動(dòng)切削刀具作切削速度方向的振動(dòng)所需的功率，應(yīng)該與機(jī)床主運(yùn)動(dòng)功率區(qū)別開。 將前面所設(shè)刀尖振動(dòng)頻率值和求得代入（11）式可得 ＝0.70＝24.4（W） 由此可見(jiàn)，振動(dòng)切削過(guò)程所需的驅(qū)動(dòng)率不大。 超聲車削裝置的作用是使車刀獲得一定振幅的超聲頻機(jī)械振動(dòng)，將超聲振動(dòng)系統(tǒng)和車刀固定在刀架上實(shí)現(xiàn)超聲車削加工。 本文實(shí)驗(yàn)所需要的超聲車削裝置系統(tǒng)取用的是縱向振動(dòng)形式的超聲車削裝置?？v向振動(dòng)的超聲車削裝置一般使用小質(zhì)量車刀（例

59、如,一振型車刀，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片），不必測(cè)量和確定超聲車刀的位移節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槭褂梅奖恪５强v向振動(dòng)車削裝置需要采用剛性固定變幅桿的方法，而且變幅桿應(yīng)具有足夠的剛度。隨著超聲車削技術(shù)研究的不斷深入，縱向超聲振動(dòng)車削裝置以其使用方便，車刀成本低，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。 4.2 超聲振動(dòng)車削裝置總體要求 4.2.1車削裝置技術(shù)要求 針對(duì)目前超聲波專用機(jī)床具有成本高、體積大等一系列缺陷，本章主要探討了一種可安裝在普通機(jī)床或數(shù)控機(jī)床上便可進(jìn)行超聲車削加工的超聲振動(dòng)車削裝置設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低等特點(diǎn)。而且安裝方便，能直接安裝在普通的車床刀架上使用。 該裝置主要用于加工黑色金

60、屬或鋼材的零件，要求有較好的加工精度和表面粗糙度，而且耗能小，輸出功率穩(wěn)定適中，振動(dòng)頻率穩(wěn)定變化范圍小，系統(tǒng)具備較長(zhǎng)的持續(xù)工作時(shí)間和工作能力，運(yùn)轉(zhuǎn)中聯(lián)接部位溫升小。 4.2.2裝置的總體特征 設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)車削裝置必須具備以下條件： 1．當(dāng)切削刀具裝到變幅桿上，能和換能器產(chǎn)生共振； 2．切削刀具與換能器或變幅桿之間要拆裝方便，刀尖高度要可調(diào)； 3．當(dāng)切削刀具安裝到變幅桿上后，該系統(tǒng)的振動(dòng)頻率應(yīng)保持不便。 根據(jù)上述要求，超聲振動(dòng)車削裝置一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、切削刀具、支撐機(jī)構(gòu)、刀尖高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（設(shè)立在機(jī)床的刀具架的夾持處）等組成，其主要部件的裝配如圖4-3所示。

61、 圖4-3超聲切削裝置的主要部件的裝配體 其工作過(guò)程為：超聲波發(fā)生器15將220V、50Hz的交流電變成有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，以提供振動(dòng)切削加工中的振動(dòng)能量。壓電陶瓷換能器是用來(lái)把高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，振幅為4～5，經(jīng)變幅桿將振幅放大，超聲波機(jī)械振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后，將能量傳遞給刀具，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)車削。整個(gè)裝置通過(guò)固定支架為Z字架，安裝在刀架上，刀尖高度的調(diào)節(jié)通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4.2.3校核工作時(shí)超聲振動(dòng)車削裝置Z字架的強(qiáng)度。 超聲振動(dòng)切削刀具的振動(dòng)規(guī)律為刀具在切削速度方向的振動(dòng)是正弦振動(dòng)。 Z字架受到交變應(yīng)力 （4-12） 應(yīng)力循環(huán)中，

62、最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的平均值稱為平均應(yīng)力，即 它相當(dāng)于梁在靜平衡位置時(shí)該點(diǎn)處的應(yīng)力，它是交變應(yīng)力中的靜應(yīng)力部分（不變部分）。 最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差的一半，稱為應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力幅度，并用表示，即 它相當(dāng)于梁從平衡位置變到最大或最小位置時(shí)，該點(diǎn)的正應(yīng)力改變量，它是交變應(yīng)力部分。 一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比值r，稱為交變應(yīng)力的循環(huán)特征，即 式中的和均取代數(shù)值，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。應(yīng)力循環(huán)特征r是交變應(yīng)力的一個(gè)重要參數(shù)，是應(yīng)力循環(huán)分類的依據(jù)。 在工程中，除循環(huán)特征r=-1的

63、交變應(yīng)力稱為對(duì)稱循環(huán)的交變應(yīng)力外，其他的統(tǒng)稱為不對(duì)稱交變應(yīng)力。 Z字架受到交變應(yīng)力的類型為對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力。其應(yīng)力循環(huán)圖如圖4-4所示 圖4-4 Z字架受到交變應(yīng)力循環(huán)圖 此時(shí)，雙Z字架可以看作懸臂梁，其受力圖如圖4-5（A）所示： 圖4-5 Z字架的受力分析 過(guò)危險(xiǎn)截面A－A，根據(jù)平衡條件，截面A－A上的受力情況如圖4-5（C）所示： 所受內(nèi)力大小為， 軸向力： N＝F＝ （4-13） 彎距： （4-14） 最大拉應(yīng)力拉發(fā)生在機(jī)架外側(cè)，最大壓應(yīng)力壓發(fā)生在機(jī)架內(nèi)側(cè)。大小分別為： （4-15） 計(jì)算危險(xiǎn)截面積A， 慣性矩I， 和抗彎截面

64、模量 A＝bh (4-16) 對(duì)于高為h,寬為b，的矩形截面， 慣性矩 ： （4-17） 抗彎截面模量： （4-18） 把以上各式代入（4-15）式可得 由此可得， (4-19) 由此可得， (4-20) 由（4-19），（4-20）二式可確定a的取值范圍為 （4-21） 本實(shí)驗(yàn)中＝175N ，b=20mm，h= 30mm , Z字架材料為A3鋼 許用應(yīng)力＝ 160Mp ，許用擠壓應(yīng)力＝320Mp 把數(shù)據(jù)代入（4-21）式可以算出 55mm274mm ( * )

65、 懸臂梁在力矩作用下的變形如圖4-6所示， 圖4-6懸臂梁在力矩作用下的變形 其撓曲線方程為 （4-22） 其端截面轉(zhuǎn)角為 （4-23） 最大撓度為 （4-24） 其中負(fù)號(hào)表示方向。E為材料彈性模量。 現(xiàn)將力F平移到B點(diǎn)分析，如圖4-7所示 圖4-7 Z字架的受力圖 則有， P＝F ，m＝Fa 此時(shí)，Z字架的受力情況和圖4-6提到的懸臂梁相似。 根據(jù)剛度條件，可用其撓曲線方程（4-22）先求出鉛垂梁AB的位移 方向向左 由此可得

66、 （4-25） 可用端截面轉(zhuǎn)角方程（4-23）計(jì)算鉛垂梁AB的轉(zhuǎn)角 逆時(shí)針?lè)较? 由此可得 （4-26） 式中[y]為許可撓度，為許可轉(zhuǎn)角。在各類工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)梁的工作條件，在設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)[y]和一般都有具體的規(guī)定值[20]。 機(jī)床類，取 [y]＝（0.0001～0.0005）l mm (其中l(wèi)為跨度) =0.001～0.005 rad 本例中取[y]=0.0003a =0.004rad A3鋼的材料彈性模量E＝200GPa 把數(shù)據(jù)代入（4-25）式得 351mm 代入（4-26）式得 901mm 兩式可確定L的取值范圍為 351mm ( * * ) 4.3 超聲振動(dòng)車削裝置零部件分析 4.3.1發(fā)生器與換能器的選用 超聲波發(fā)生器將220V、50Hz的交流電變成有