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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
前 言 1
1 緒論 3
1.1本課題來源及研究意義 3
1.2 課題目前研究現(xiàn)狀 4
2 超聲加工及旋風銑的基本介紹 7
2.1超聲波及其特性 7
2.2超聲加工基本原理 9
2.3 旋風銑加工的基本介紹 12
2.3.2旋風銑削加工螺紋的特點 14
2.3.3 旋風銑削裝置介紹 15
2.4 典型螺紋類工件的加工情況 17
3 超聲旋風銑加工工藝 22
3.1 普通蝸桿方法加工的工藝 22
3.1.1 零件工藝性分析 22
3.1.2 毛坯選擇 23
3.1.3 設計毛坯圖 25
3.1.4機械工藝路線確定 26
3.1.5 定位基準的選擇 28
3.1.6 設備及其工藝裝備確定 28
3.1.7 車切削用量、工時定額確定 29
3.2按旋風銑削加工方法進行的蝸桿加工 32
4 超聲加工裝置設計 34
4.1 超聲加工裝置的主要組成 34
4.1.1 超聲波發(fā)生器 34
4.1.2 超聲換能器 36
4.2 超聲振動系統(tǒng)設計 38
4.3 超聲變幅桿的設計 39
4.3.1 超聲變幅桿 39
4.3.2變幅桿材料的選擇 42
4.3.3 變幅桿參數(shù)的設計 43
4 4 1 變幅桿與換能器的連接與固定 52
4.4 2 變幅桿的固定 53
5 裝置的設計與選用 55
5.1 電動機的選擇 55
5.2 V帶傳動設計 56
5.3 花鍵軸的設計 58
5.5 各裝置設計 60
5.5.1刀體和刀頭設計 60
5.5.2 超聲加工主軸設計 61
5.5.3 旋風銑裝置整體設計 62
5.5.4安裝于機床后示意圖 63
致謝 64
參考文獻 65
65
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
前 言
畢業(yè)設計是學生學完大學教學計劃所規(guī)定的全部基礎課和專業(yè)課后，綜合運用所學的知識，與實踐相結合的重要實踐性教學環(huán)節(jié)。它是大學生活最后一個里程碑，是四年大學學習的一個總結，是我們結束學生時代，踏入社會，走上工作崗位的必由之路，是對我們工作能力的一次綜合性檢驗。
1)畢業(yè)設計的目的
通過本次畢業(yè)設計，使達到以下幾個效果：
(1)鞏固、擴大、深化學生以前所學的基礎和專業(yè)知識；
(2)培養(yǎng)學生綜合分析、理論聯(lián)系實際的能力；
(3)培養(yǎng)學生調(diào)查研究、正確熟練運用國家標準、規(guī)范、手冊等工具書的能力；
(4)鍛煉進行設計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術文件、繪圖等獨立工作能力。
總之，通過畢業(yè)設計使學生建立正確的設計思想，初步掌握解決本專業(yè)工程技術問題的方法和手段，從而使學生受到一次工程師的基本訓練。
2)畢業(yè)設計的主要內(nèi)容和要求
本次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容是超聲旋風銑削的設計。具體設計內(nèi)容和要求如下：
(1)調(diào)查螺紋蝸桿類零件對旋風銑削機床的具體要求，現(xiàn)在使用的加工方法；收集并分析國內(nèi)外同類型加工方法的先進技術、發(fā)展趨勢以及有關的科技動向；調(diào)查制造廠的設備、技術能力和生產(chǎn)經(jīng)驗等。
(2)設計裝置的總體結構選擇、傳動參數(shù)設計、超聲加工部件的選定與典型工件工藝的初步制定，確定各部分的相互關系；擬訂總體設計方案，根據(jù)總體設計方案，選擇通用部件，并繪制各零件的零件圖和裝配圖；
(3)進行電機及各傳動系統(tǒng)的運動計算和動力計算；
(4)超聲加工部分零部件的設計和選擇；
(5)編制設計技術說明書一份。
3)程序和時間安排
畢業(yè)設計是實踐性的教學環(huán)節(jié)，由于時間的限制，本次畢業(yè)設計不可能按工廠的設計程序來進行，具體的說，可以分以下幾個階段：
(1)實習階段，通過畢業(yè)實習實地調(diào)查、研究、收集有關資料，掌握超聲加工加工技術，了解機床的結構、工作原理和設計的基本要求，花兩周時間；
(2)制定方案、總體設計階段，花兩周時間；
(3)計算和技術設計階段，繪制圖紙，整理設計說明書，花四周時間；
(4)答辯階段，自述設計內(nèi)容，回答問題，花半周時間。
1 緒論
1.1本課題來源及研究意義
目前旋風銑螺紋存在的加工質(zhì)量不高，以及其在硬脆材料加工上的不足，我們提出將超聲加工與其復合，以在加工方式的根本問題上解決以上問題。目前國內(nèi)外在此方面的研究尚屬空白，具有一定的獨創(chuàng)性和設計的合理性。在已有的旋風銑技術和超聲加工技術的基礎上，我們進行了超聲旋風銑削的裝置及工藝方面的設計。
現(xiàn)今超聲加工的工藝效果十分顯著，國內(nèi)外不斷將超聲加工與普通加工方式相結合應用，超聲加工具有較好的表面質(zhì)量，不會產(chǎn)生表面燒傷和表面變質(zhì)層。在旋風銑的基礎上，我們提出將超聲加工與旋風銑削相結合來加工螺紋，在普通旋風銑削的裝置的基礎上進行結構的改進并加以超聲裝置，形成一套新的復合式的工藝裝備，并仍與普通機床配套使用，不失其安裝使用的靈活性?？梢钥闯?，改進后的超聲旋風銑削裝置可以彌補普通冷切削加工的不足，尤其適宜硬脆等難加工材料的加工，顯著提高螺紋的加工質(zhì)量。
從已發(fā)表的文獻資料來看，目前國內(nèi)外學者對于旋轉超聲設備及其加工的研究存在很多的不足。
1)在旋轉超聲加工的設備方面，僅有個別實力雄厚的科研單位購買、使用價格昂貴的進口機床。國內(nèi)沒有專業(yè)從事旋轉超聲加工設備制造的商家，因此市場上沒有出現(xiàn)完善機型。文獻中所提到的設備，基本上都是在自身認識的基礎上搭建簡單的實驗平臺，將普通超聲裝置和鉆銑床通過簡單裝配而成，或是探索性設計小功率超聲加工機，因而出現(xiàn)設備個體差異大、超聲功率低、超聲能耗大、系統(tǒng)發(fā)熱嚴重、加工性能差、超聲波電源功率元件壽命低、旋轉轉速低等一系列問題。
2)在旋轉超聲加工實驗研究方面，受限于超聲加工設備的上述局限，目前基本上都集中在陶瓷等硬脆性材料的小孔加工方面，很少有關大平面磨拋加工的報到。為了拓寬硬脆性材料的應用，亟待解決此類材料的高效平面加工的技術“瓶頸”。
3)這些關于旋轉超聲孔加工實驗研究多是集中在加工參數(shù)對材料去除率的影響、旋轉超聲加工機理及材料去除機理上。而在金剛石工具基體材料的選擇、優(yōu)化設計、金剛石工具的制作工藝對加工性能的影響、工具的壽命、加工過程中力的監(jiān)控和控制等方面涉及較少，還沒有形成統(tǒng)一的認識。這些問題的解決，將會更好解釋旋轉超聲加工在硬脆性材料加工方面所具有的優(yōu)越性，從而在推動旋轉超聲加工的研究及應用，解決目前非金屬高性能材料在加工與使用的矛盾，促進其在工業(yè)應用上的發(fā)展。
1.2 課題目前研究現(xiàn)狀
超聲波加工技術的研究可追溯到1927年R．w．Wood和AIfred L LoomiS的奠基性工作，并于1954年由L．Balamuth研制出第一臺超聲波加工機床。半個多世紀以來，經(jīng)過各國學者的不懈努力，這一技術已有了長足的進步。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
1)實驗出加工參數(shù)(振幅、頻率、靜壓力、磨料材料及顆度、懸浮工作液的濃度和工作液循環(huán)方式等)對加工效率的影響規(guī)律；
2)總結出靜壓力、工件材料硬度加工具材料硬度是影響工具損耗的主要因素；
3)總結出磨料粒度及懸浮工作液的均勻性對工件表面質(zhì)量具有影響規(guī)律；
4)利用有限元的方法，使變幅桿的設計更合理；
5)機械增益Q值高的材料用于制作變幅桿，性能優(yōu)良的PCD用于制做工具頭，使加工效率大大提高；
6)工具頭回轉的超聲波加工使加工效率提高3至4倍；
7)采用性能優(yōu)良的壓電陶瓷換能器使加工機床的體積大大減小，能量利用率大大提高。
90年代Suzuki，K．研制的工程陶瓷無旋轉超聲波磨削新技術明顯提高家工效率，也可以用來成型加工較復雜的型面。
1996年，德國亞琛工大研制了一種新的超聲研磨技術，用它不僅可以進行超聲仿形，而且可以根據(jù)工具的軌跡運動產(chǎn)生各種不同的曲面。
Z．J．Pei研制出旋轉超聲波面銑削加工新技術，并進行了實驗研究。利用工具共振頻率和工具長度的關系，通過檢測超聲波加工過程中工具的共振頻率來監(jiān)測工具的損耗。
隨著超聲波加工技術的研究進展和新技術的不斷出現(xiàn)，超聲波加工的應用范圍在不斷擴大。產(chǎn)生于60年代，在近40年中逐步發(fā)展起來的超聲波旋轉加工方法把金剛石工具的優(yōu)良切削性能與工具的超聲頻振動結合在一起，可很好地提高加工效率，減小工具磨損，同樣條件下，旋轉超聲加工RUM加工速度是傳統(tǒng)USM的10倍，是傳統(tǒng)磨削的6～10倍。
由于超聲旋轉加工只能加工圓形孔和型腔，z.j.Pei將其拓展到超聲波面銑削方法加工陶瓷，并通過實驗研究了陶瓷材料塑性去除及脆性去除機理。配以適當?shù)臄?shù)控系統(tǒng)，借鑒數(shù)控銑削的方法，國外許多學者正在開展數(shù)控超聲旋轉加工技術的研究。最近，德國已有成型的DMS系列超聲加工機床上市，有3軸聯(lián)動控制和5軸聯(lián)動控制兩種類型，主軸轉速20～6000r／min，還可選配刀庫和自動換刀裝置，從而成為既具有超聲波加工功能，又能進行鈷、銑、磨等多工序復合加工的機床。近幾年，國內(nèi)清華大學、太原理工大學和大連理工大學對旋轉超聲波加工技術進行了初步研究。
1.3 超聲復合加工
在切削加工過程中，可以通過切削工具把超聲振動引到加工區(qū)中，由于超聲振動能太太降低切削刀具與工件之問的摩擦，并能提高技加工金屬的塑性，因而能使車、鉆、鉸、攻絲、插等加工過程得以強化。在車削時，特別是車削韌性或脆性材料(耐熱合金、鈦合金、難熔合金)時，將超聲振動引入工具——工件系統(tǒng)。能降低切削區(qū)的摩擦力，大大減小切屑排除阻力并易于形成切屑，改善了熱狀態(tài)，切削速度快，加工面質(zhì)量好。在鉆、锪、絞加工中?？v向的超聲振動加入到鉆頭、餃刀、锪刀上，在旋轉和進給主運動的基礎上。把軸向超聲振動位移迭加上去，從而能降低總轉矩和軸向應力，提高加工精度和速度，減少工具損耗。在絲錐上加上超聲振動，基本消除絲錐被夾住的情況。明顯減小轉矩和軸向力。比如采用了A=3—5μm，f=18—44KZ。在耐熱合壘和鈦合金上攻制中小直徑的螺紋工效高2—3倍，改善螺紋質(zhì)量降低消耗。
1.4 本章小結
本章介紹了超聲復合加工的主要優(yōu)點，并介紹了超聲加工的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明晰了課題來源和研究意義。
2 超聲加工及旋風銑的基本介紹
2.1超聲波及其特性
聲波是人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16～16000Hz。當聲波的頻率高于16000Hz則稱為超聲波。
超聲波具有如下特性：
（1）超聲波可在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播，其傳播速度與頻率、波長、介質(zhì)密度等有關，可用公式表示：
（2-1）
式中 c ——超聲波傳播速度(m／s)；
· ——波長(m)；
——頻率(Hz)；
（2）超聲波在各種介質(zhì)中傳播，其運動軌跡都按余弦函數(shù)規(guī)律變化，其位移為：
（2-2）
式中 X ——質(zhì)點運動的位移(m)；
A ——振幅(m)；
· ——圓頻率(rad／S)；
t ——時間（s）
· ——振動的相位角(rad)。
（3）超聲波可傳遞很強的能量，其能量強度可用垂直于波的傳播方向單位面積的能量來表示，超聲加工中的能量強度高達幾百瓦／厘米2，且90％作用于工件表面。
圖1-1 彈性桿內(nèi)質(zhì)點振動狀況
（4）在固體彈性桿中傳播時，超聲波會產(chǎn)生反射、干涉和共振現(xiàn)象，出現(xiàn)波的疊加作用，使彈性桿中某處質(zhì)點始終不動，而某處質(zhì)點的振幅則大大增加，從而獲得更大的超聲加工能量。這是因為，超聲波在同一彈性桿的一端向另一端傳播時，在不同介質(zhì)的介面上會產(chǎn)生一次或多次波的反射，結果在有限長彈性桿，將存在若干個周期相同、振幅相等、傳播方向相同或相反的波。于是在彈性桿中傳播的波會出現(xiàn)波的疊加，致使某處振動始終加強或某處振動始終減弱，產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。如圖2一l中，t=T／4或3T／4的情況是當彈性桿的長度恰為半波長的整數(shù)倍，且相位相同時便會出現(xiàn)波的干涉而產(chǎn)生振幅增加的駐波，即波共振現(xiàn)象。而t=0、T／2和T的情況，則是相位相反時出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象，使疊加后的振幅為零，不產(chǎn)生振動。由上述分析可知，為了提高超聲加工的生產(chǎn)效率，必須使彈性桿處于最大振幅的共振狀態(tài)，其設計長度為半波長或四分之一波長的整數(shù)倍，桿的支點選在振動過程中的不動點，即波節(jié)點上，而桿的工作端部應選在最大振幅的波腹處。
（5）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象，強化加工過程的進行。因為超聲波通過懸浮磨粒的液體介質(zhì)時，會使液體介質(zhì)連續(xù)地產(chǎn)生壓縮和稀疏區(qū)域，出于壓力差而形成氣體的空腔，并隨著稀疏區(qū)的擴展而增大，內(nèi)部壓力下降；與此同時受周圍液體壓力及磨粒傳遞的沖擊力作用又使氣體空腔壓縮而提高壓力，于是在轉入壓縮區(qū)狀態(tài)時，迫使其破裂產(chǎn)生沖擊波。由于進行的時問極短，因此會產(chǎn)生更大的沖擊力作用于工件表面，從而加速磨粒的切蝕過程。
2.2超聲加工基本原理
超聲旋轉加工原理如圖2-1所示， 固結式金剛石工具以一定的靜壓力壓在工件上，除以一定振幅作軸向超聲頻振動外，還作相對于工件的高速旋轉運動，冷卻液不斷被輸送到工具和加工工件表面之間。
圖2-1 旋轉超聲加工示意圖
眾多學者對于旋轉超聲加工機理展開了實驗研究，得到如下的加工機理：
2.2.1超聲振動的捶擊作用
超聲波在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構成了介質(zhì)間壓力的變化，這種壓力的變化將引起物質(zhì)間機械效應。超聲引起的介質(zhì)質(zhì)點運動，雖然位移和速度不大，但與超聲頻率的平方成正比的質(zhì)點加速度卻很大。金剛石工具頭超聲振動下瞬時加速度為a=4Aπ2f2取工具頭的振動頻率 f 為 20KHz，工具頭的振幅 A為 15μm，則瞬時加速度a≈2.4×105m/s 2，假設此時加工的靜壓力F 為 15N，所以錘擊沖擊力相當于為 3.6×105N，該力通過固結在工具頭中的金剛石顆粒的刃部作用到工件上，將引起工件的局部應力遠遠超過材料的斷裂極限，導致材料表面的微細裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展，以致材料的局部破碎去除。而且研究發(fā)現(xiàn)，旋轉超聲加工硬脆性材料斷裂所需的靜壓力較常規(guī)方法要小。
2.2.2金剛石工具的磨拋作用
在超聲振動引起加工工件表面產(chǎn)生大量裂紋的基礎上， 由于金剛石工具的高速旋轉，使得嵌入工件表面的磨粒在工件一定接觸表面上劃擦、磨拋、撕扯工件材料，從而加速微觀裂紋的發(fā)展，造成材料的宏觀破碎去除。
2.2.3 超聲空化作用
通過流體動力學，我們知道，當超聲波傳播到液體介質(zhì)的時候，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動， 當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學過程稱為聲空化。在超聲加工過程中，工作液受工具端面超聲振動作用而產(chǎn)生高頻、交變的正負液壓沖擊波和空化作用，促使工作液進入被加工材料的微裂縫處，加劇了機械破壞作用，強化了加工過程。同時，空化爆破作用也促進了碎屑的排出，從而促進加工的進行。
2.2.4液壓沖擊和旋轉運動促進了碎屑的排出
工具往復沖擊形成的液壓沖擊和旋轉運動使碎屑始終處于運動狀態(tài)， 阻止了碎屑的沉積過程，促進了碎屑在工作液中流動[，當工具接近工件時，舊的工作液帶著碎屑離開加工區(qū)，工具離開工件時，新的磨削液進入加工區(qū)，這樣就達到加工區(qū)磨削液的動態(tài)平衡，保證了加工的進行。
試驗結果表明，在加工過程中，單純的工具旋轉或超聲振動對材料的去除效果都比較差，而將二者組合之后，情況有很大改觀，因此可以認為旋轉超聲加工是上述各機理相互促進、綜合作用的結果，如圖2-2所示。
圖 2-2旋轉超聲加工機理
2.3 旋風銑加工的基本介紹
旋風銑削是一種從工件上銑削出螺紋的加工方法，采用裝有高速銑削裝置的工藝裝備與普通車床配套使用。旋風銑可以實現(xiàn)干切削、重載切削、難加工材料和超高速切削，消耗動力小，加工效率高。表面粗糙度可達Ra0.8微米，加工精度提高2級。車床主軸轉速慢，所以機床運動精度高、動態(tài)穩(wěn)定性好，不改動車床結構，螺旋升角可調(diào)，安裝方便，是現(xiàn)代制造領域中的一種先進的螺紋加工方法。
2.3.1旋風銑削的工作原理
旋風銑削螺紋，是指用安裝在高速回轉刀盤上的刀具高速銑削螺紋的方法。 銑刀安裝在動力裝置上作旋轉運動，同時工件沿軸向直線進給；主軸帶工件作旋轉運動，三種相對運動復合形成了螺旋軌跡。加工時要求工件作低速運動，銑刀作高速旋轉運動，工件每轉一轉，旋風銑頭縱向進給一個待加工螺紋的螺距，從而切出所需螺紋。因刀具和工件可同時旋轉，因而具有更高的生產(chǎn)效率。
其原理如圖2-3。
圖2-3 旋風銑削螺紋原理圖
旋風銑削時，刀盤旋轉中心與工件中心存有偏心量e，以完成漸進式的高速銑削。刀具的旋轉軸線相對于工件回轉軸線傾斜一個螺紋升角的角度β，這個角度即加工絲杠的螺旋升角β。
加工時，工件以n1低速旋轉，刀盤以n2高速旋轉，工件每旋轉360°，刀盤縱向進給一個導程，從而銑出螺紋。工件轉速與刀盤的移動速度有下列關系：
（2-3）
——刀盤的移動速度
——工件轉速
——工件螺紋中徑
——螺旋升角
刀盤上一般有6把成形刀，工作時依次參與銑削。當銑削速度達到一定值后，銑削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力將大幅度減小，這有利于細長桿件的加工。銑屑形成非常穩(wěn)定，形狀呈逗號狀，其金屬切削率也比較高。其背吃刀量的改變是通過調(diào)整旋風銑刀盤與工件軸心線的偏心量e 來實現(xiàn)的，使切削平面跟工件中徑處的螺旋線相切，刀具回轉中心與工件回轉中心的偏心量即為e，一般取為螺紋高度H與2—6mm退刀間隙的距離和，也可根據(jù)工件直徑大小來調(diào)整，由于偏心量e使刀具有較長一段空程，有利于改善刀具的散熱條件，延長刀具的使用壽命，保證加工件的表面質(zhì)量。
動力頭又稱銑頭，對銑頭有以下要求：
（１）動力頭帶動銑刀運動，要求運動平穩(wěn)可靠，必須采用滾動軸承，結構上較為復雜；
（２）螺紋加工時要保證銑刀與工件成一定角度，而且角度要求非常精確，并在加工過程中能夠保持結構的穩(wěn)定。
（３）通過皮帶傳動與電機連接，由于空間限制，電機與銑頭的結構布置必須緊湊。
2.3.2旋風銑削加工螺紋的特點
（1）旋風銑削加工螺紋時，采用高速切削，進給次數(shù)少，多刀切削比車削螺紋、絲錐加丁螺紋生產(chǎn)效率高。
（2）旋風銑加工能使產(chǎn)品一次成形，加工效率高，適用于批量生產(chǎn)，它特別適合于銑削梯形螺紋和蝸桿螺紋，生產(chǎn)率比車削高的多，同時由于數(shù)控技術的大量采用大大提高了工作效率。
（3）通過改變傳動機構的傳動比或更換絲杠，可以加工不同螺距的螺紋。
（4）通過調(diào)整偏心座的偏心量，可以在一定范圍內(nèi)加工不同直徑的螺紋。
（5）軸向進給運動很慢，退刀方便，操作簡易。
（6）因是斷續(xù)切削，切屑不連續(xù)，清屑容易；刀具有較長的空行程，冷卻條件好。
（7）旋風銑削加工的加工精度較好，螺紋精度一般可達7～8級，表面粗糙度可達Ral.6—0.8 mm，適用于半精加工。
（8）動力消耗比高速切削螺紋少。
2.3.3 旋風銑削裝置介紹
對普通車床進行改裝并裝以旋風銑削裝置，拆除了車床刀架，將旋風銑箱體及電機滑軌安裝在中拖板上，調(diào)整與車床主軸的等高度和平行度，使旋銑頭傾斜角與工件螺紋螺旋角相等且方向相同。
如圖2-4。
1旋風銑頭 2心軸 3箱體 4調(diào)節(jié)螺母 5楔塊
圖2-4 旋風銑削裝置示例圖
旋風銑削裝置主要由旋風銑頭、刀桿、箱體、調(diào)節(jié)螺母、楔塊、電機、傳動系統(tǒng)等幾個部分組成。主電動機經(jīng)帶輪傳動帶動刀桿旋轉，形成主切削運動，棒料工件裝夾在機床卡盤上作慢速轉動，形成切削過程中的圓周進給運動，同時，旋銑裝置隨同車床中拖板作縱向進給運動，二件每旋轉一圈，旋銑裝置前進一個螺距，以完成所要求的螺紋加工，其傳動比由機床傳動機構來保證。
旋風銑削具有以上諸多優(yōu)點，但也存在一些不足。
旋風銑削是帶沖擊性的斷續(xù)切削，如何針對不同工件的材質(zhì)、不同刀具的承載能力，使刀具對工件的沖擊最小，工件發(fā)熱最少，比如硬脆材料等難加工材料的螺紋加工如何實現(xiàn)。如何選擇合適的旋風圓速度，對產(chǎn)品加工質(zhì)量的提高有很大影響?？偟膩碚f，要使機床達到較高的加工精度和效率，需進一步提高設備的運動精度、系統(tǒng)控制精度、刀具的成形精度、刀具的壽命、機床的動靜剛度以及機床動態(tài)穩(wěn)定性等，也需要考慮引進新的加工手段來在根本上克服傳統(tǒng)加工方式在旋風銑削加工上帶來的加工材料范圍小，加工精度不高等缺點。
提高旋風銑床加工精度的措施與影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素：
（1）機床綜合性能的因素 機床的綜合性能，一是指機床的幾何精度、機床的傳動鏈誤差、動態(tài)運動精度以及卡盤的定位精度等，其中以機床傳動鏈中母絲杠螺距誤差的大小對產(chǎn)品質(zhì)量的影響為最大。二是指機床的動靜剛度、承載動載荷能力、高的阻尼性能等，其中以機床的動靜剛度、承載動載荷能力的優(yōu)劣對產(chǎn)品加工精度影響最為明顯。三是刀盤運動的平穩(wěn)性、刀盤的剛度、刀具的成形精度以及多刀頭的位置精度，這些都對工件的齒形精度產(chǎn)生比較大的影響。四是機床的熱態(tài)穩(wěn)定性，機床的摩擦發(fā)熱、銑削發(fā)熱以及傳導熱，都很容易造成機床關鍵部件的熱變形以及長時間的加工等待。
（2）機床夾持定位機構的因素 因旋風銑呈間斷、帶沖擊性的銑削特性，旋風銑夾持定位機構對產(chǎn)品加工的輔助作用非常重要。適當?shù)膴A持力和精確的定位功能能夠有效減少工件振動、彎曲變形，同時能夠提高機床的整體剛性，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。夾持機構除本身具備足夠的靜剛度外，夾持機構與工件間、夾持機構與機床間，還必須具有高的動態(tài)接觸剛度，只有這樣才能有效地克服銑削抗力，吸附振動與沖擊，減少不安全因素。
（3）有無冷卻設施的因素 旋風銑床在加工過程中，單位時間內(nèi)切削區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱，如果不能將這些熱量迅速從切削區(qū)域傳出，不但妨礙切削工作的正常進行，而且會造成機床床身、工作臺、旋風銑頭及工件等的熱變形，嚴重影響加工精度和機床的動剛度。除此之外，機床母絲杠的發(fā)熱不可避免，過量的發(fā)熱使得機床傳動鏈誤差加大，產(chǎn)品的螺距誤差加大。機床導軌、旋風銑頭的摩擦發(fā)熱也不可忽視，過量的發(fā)熱直接導致絲杠齒形精度的變化。采用何種冷卻方式，增加什么樣的冷卻設備，機床的綜合性能、刀具的使用壽命
2.4 典型螺紋類工件的加工情況
在工件上加工出內(nèi)﹑外螺紋的方法﹐主要有切削加工和滾壓加工兩類。
（1）螺紋切削
一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺紋的方法﹐主要有車削﹑銑削﹑攻絲﹑套絲﹑磨削﹑研磨和旋風切削等。車削﹑銑削和磨削螺紋時﹐工件每轉一轉﹐機床的傳動鏈保證車刀﹑銑刀或砂輪沿工件軸向準確而均勻地移動一個導程。在攻絲或套絲時﹐刀具與工件作相對旋轉動﹐并由先形成的螺紋溝槽引導著刀具(或工件)作軸向移動。
? 螺紋車削參考圖如下：
圖2-5 螺紋車削
在車床上車削螺紋可采用成形車刀或螺紋梳刀。用成形車刀車削螺紋﹐由于刀具結構簡單﹐是單件和小批生產(chǎn)螺紋工件的常用方法﹔用螺紋梳刀車削螺紋﹐生產(chǎn)效率高﹐但刀具結構復雜﹐只適于中﹑大批量生產(chǎn)中車削細牙的短螺紋工件。普通車床車削梯形螺紋的螺距精度一般只能達到8～9級(JB2886-81﹐下同)﹔在專門化的螺紋車床上加工螺紋﹐生產(chǎn)率或精度可顯著提高。
（2）螺紋銑削（如下圖）
圖2-6 螺紋銑削
在螺紋銑床上用盤形銑刀或梳形銑刀進行銑削。盤形銑刀主要用于銑削絲桿﹑蝸桿等工件上的梯形外螺紋。梳形銑刀用于銑削內(nèi)﹑外普通螺紋和錐螺紋﹐由于是用多刃銑刀銑削﹑其工作部分的長度又大于被加工螺紋的長度﹐故工件只需要旋轉1.25～1.5轉就可加工完成﹐生產(chǎn)率很高。螺紋銑削的螺距精度一般能達 8～9級﹐表面粗糙度為R 5～0.63微米。這種方法適用于成批生產(chǎn)一般精度的螺紋工件或磨削前的粗加工。
（3）螺紋磨削
主要用于在螺紋磨床上加工淬硬工件的精密螺紋，參考圖如下：
圖2-7 螺紋磨削
按砂輪截面形狀不同分單線砂輪和多線砂輪磨削兩種。單線砂輪磨削能達到的螺距精度為5～6級﹐表面粗糙度為R 1.25～0.08微米﹐砂輪修整較方便。這種方法適于磨削精密絲杠﹑螺紋量規(guī)﹑蝸桿﹑小批量的螺紋工件和鏟磨精密滾刀。多線砂輪磨削又分縱磨法和切入磨法兩種?？v磨法的砂輪寬度小于被磨螺紋長度﹐砂輪縱向移動一次或數(shù)次行程即可把螺紋磨到最后尺寸。切入磨法的砂輪寬度大于被磨螺紋長度﹐砂輪徑向切入工件表面﹐工件約轉1.25轉就可磨好﹐生產(chǎn)率較高﹐但精度稍低﹐砂輪修整比較復雜。切入磨法適于鏟磨批量較大的絲錐和磨削某些緊固用的螺紋。
（4）螺紋研磨
用鑄鐵等較軟材料制成螺母型或螺桿型的螺紋研具﹐對工件上已加工的螺紋存在螺距誤差的部位進行正反向旋轉研磨﹐以提高螺距精度。淬硬的內(nèi)螺紋通常也用研磨的方法消除變形﹐提高精度。? ?
（5）攻絲和套絲
絲錐攻絲如下圖示：
圖2-8 用絲錐攻絲
圖2-9 用板牙套絲
是用一定的扭距將絲錐旋入工件上預鉆的底孔中加工出內(nèi)螺紋。套絲(圖 5用板牙套絲)是用板牙在棒料(或管料)工件上切出外螺紋。攻絲或套絲的加工精度取決于絲錐或板牙的精度。加工內(nèi)﹑外螺紋的方法雖然很多﹐但小直徑的內(nèi)螺紋只能依靠絲錐加工。攻絲和套絲可用手工操作﹐也可用車床﹑鉆床﹑攻絲機和套絲機。
此外還有螺紋滾壓等各種加工方法，在這些加工方法中，尤以旋風銑削加攻螺紋的方法靈活調(diào)整方便，且加工效率高，一般來說，用硬質(zhì)合金螺紋銑刀加工高硬度材料沒有太大問題。螺紋銑削可以對刀具的進給率進行更好的控制。螺紋銑削通常是在硬質(zhì)材料上加工螺紋孔最安全的方法，尤其是，一旦螺紋銑刀折斷在螺孔中，比較容易采取挽救措施。而一旦切削絲錐折斷在螺孔中，從孔中取出折斷的絲錐并挽救通常價值不菲的工件就要困難得多，有時甚至完全不能。因此，在模具制造業(yè)和航空工業(yè)，螺紋銑削通常是在硬質(zhì)材料上加工螺紋孔的首選方式。此外，在螺紋銑削時，制造商可以更容易地控制螺紋尺寸。旋風銑削可以實現(xiàn)干切削、重載切削、難加工材料切削和超高速切削（速度可達到400m／min），加工效率高，表面粗糙度能達到Ra0.4微米，加工方法很先進，但刀具材料很關鍵。旋風銑削機床有四個加工運動，還有一角度調(diào)整自由度，結構較復雜。但旋風銑削也存在一些不足之處，要達到一定的加工精度和效率，機床的運動精度、動態(tài)穩(wěn)定性、控制精度、刀具的成型精度和耐用度都要達到很高的要求。而且旋風銑削加工材料范圍的不廣，對于應用日益廣泛的工程陶瓷等硬脆材料的螺紋加工存在明顯不足，這正是本文所提出的新型復合加工方式的出發(fā)點。
2.5 本章總結
本章對超聲加工的基本原理進行了分析，并對旋風銑進行了詳細的闡述，最后對常見的螺紋加工方法做了簡單的介紹。這對后面進行超聲旋風銑機床的設計奠定了理論基礎。
3 超聲旋風銑加工工藝
3.1 普通蝸桿方法加工的工藝
3.1.1 零件工藝性分析
對零件結構功用分析知，蝸桿主要是起傳遞垂直方向上的動力作用，制造工藝簡單，技術要求比較高，它的應用范圍很廣，此處所選取零件左端是用來傳遞轉距和動力的離合器，技術要求一般。
對零件圖紙進行分析知，該零件形狀簡單、剛性一般，為直齒廓蝸桿。主要面為蝸桿的工作面、內(nèi)孔和凸爪，加工工藝性較好。
主要技術條件如下：
1)尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度分析：
蝸桿大徑： φ77h8 尺寸精度IT8表面粗糙度Ra0.8；
螺 牙： 55.33 尺寸精度IT5表面粗糙度Ra0.4 ；
內(nèi) 孔： φ45H6 尺寸精度IT6表面粗糙度Ra1.6；
其它表面的尺寸精度為自由公差，表面粗糙度為Ra6.3。
上述蝸桿、外圓和孔的表面加工難度不是很大，工藝性良好,其余零件表面的粗糙度為Ra6.3。
2)位置精度分析：
φ77h8與基準A（中心軸線）在零件水平方向上有同軸度要求，其偏差大小為0.012mm。
左端孔φ77的臺階面和有端面與基準A在工件的垂直方向上有垂直度要求，其偏差大小分別為0.03mm和0.02mm。
零件內(nèi)孔的倒角為1x45°。
3)其他技術要點分析：
由于該零件的凸爪部分在工作時受到交變載荷力較大對零件表面磨損較大，故零件要進行淬火熱處理，提高零件表面的耐用品耐磨性和使用壽命，同樣零件有端面也應進行淬火熱處理，才能達到零件的使用要求。由于蝸桿與蝸輪的初始嚙合比較困難，所以要修整蝸桿螺旋線尾端。
3.1.2 毛坯選擇
1)毛坯類型確定
考慮到零件蝸桿的外型和在使用時所受載荷的大小，且為中批量生產(chǎn)，故選用鍛件毛坯，材料為45鋼，為了提高零件加工效率將φ45H6孔直接鍛造出來。
蝸桿的主要特點是螺旋線的尺寸精度高，表面粗糙度Ra值高，難于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機械化和自動化。由于該工件是中批量生產(chǎn)，工件尺寸不大，為了鍛造方便所以采用壁厚較合適的管材進行鍛造。由于該工件左端的凸爪不易鍛造，可以將其直接鍛造成實體，通過機械加工獲得。
2)確定機械加工余量
鋼質(zhì)鍛件的機械加工余量按JB3835-85確定，確定時根據(jù)估算鍛件的質(zhì)量、加工精度及鍛件的形狀復雜系數(shù)，由《機械制造工藝設計簡明手冊》表2.2-25可查得除孔以外各內(nèi)外表面的加工余量，孔的加工余量由表2.2-24查得，表中余量值為單邊余量。
（1）鍛件質(zhì)量 根據(jù)零件成品的質(zhì)量2.89kg估算為3kg。
（2）加工精度 零件除蝸桿和右端面以外各表面為一般加工精度。
（3）鍛件復雜系數(shù)S
（3-1）
假設鍛件的最大直徑為φ83mm，長為135mm，內(nèi)孔的最小直徑為φ39mm。
（3-2）
（3-3）
按表2.2-10可定形狀復雜系數(shù)為,屬于一般級別。
（4）機械加工余量 根據(jù)鍛件重量、、查表2.2-25。由于表中的復雜系數(shù)只列有和，則參考定，參考定。由此查得直徑方向為2.2-2.5mm，水平方向為2.0-2.5mm，即鍛件各經(jīng)向的單邊余量為2.5mm,各軸向余量為2.5mm.鍛件中心孔的單邊余量按表2.2-24查得為3.0mm.
上面查得的加工余量適用于機械加工表面粗糙度為≥1.6um，≤1.6um的表面余量要適當加大。分析零件，除φ77h8和右端面以外，其余各表面的粗糙度均大于1.6um，因此這些表面的毛坯尺寸只需將零件尺寸加上所查得的加工余量值即可，φ77h8的單邊余量增加到3.0mm，右端面2.5mm,其表面粗糙度均為=0.8um，所以在精車之后還必須進行磨削加工。
3.1.3 設計毛坯圖
（1）確定毛坯尺寸公差
表3-1毛坯尺寸
零件尺寸
單邊加工余量
鍛件尺寸
φ77h8
3.0
φ83
φ45H6
3.0
φ39
130
2.5
135
（2）確定毛坯的熱處理方式
鋼質(zhì)蝸桿毛坯經(jīng)鍛造后應安排正火處理，以消除殘留的鍛造應力，并使均勻的金相組織通過重新結晶而得到細化、均勻的組織，從而改善切削加工性能。
（3）本零件的毛坯圖如下：
圖3-1 零件毛坯圖
3.1.4機械工藝路線確定
加工階段劃分如下：
由于零件的蝸桿螺旋線和內(nèi)孔精度要求較高，故應劃分階段加工，各外圓、端面、孔粗車和凸爪的粗銑為粗加工階段，其半精車、半精銑和半精鏜為半精加工階段，外圓、端面、蝸桿和孔的磨削和精鏜為精加工階段。
確定加工順序如下：
表3-2
外圓φ77h8
粗車IT12 Ra12.5----半精車IT9 Ra3.2----磨削 IT7 Ra0.8
端面Ra0.8
粗車IT12 Ra12.5----半精車IT9 Ra3.2----磨削 IT7 Ra0.8
內(nèi)孔φ45H6 Ra1.6
粗車IT12 Ra12.5----半精車IT9 Ra3.2----精車IT7 Ra1.6 -----磨削IT6 Ra1.6
φ56的臺階Ra1.6
粗車IT12 Ra12.5----半精車 IT9 Ra3.2----精車IT7 Ra1.6
30°的錐面Ra3.2：
粗車IT12 Ra12.5----半精車 IT9 Ra3.2
凸爪面Ra0.8：
銑IT8 Ra0.8
蝸桿Ra0.4
粗車IT12 Ra12.5----精車IT8 Ra1.6----磨削 IT7 Ra1.6 ----拋光 IT7 Ra0.4；
φ5孔和m6螺紋Ra12.5、Ra3.2
鉆孔IT12 Ra12.5----攻絲IT8 Ra3.2
表3-3
序號
工序名
工序內(nèi)容
機床型號
01
備料
CA6140
05
鍛造
CA6140
10
熱處理
調(diào)質(zhì)200-220HBS（熱處理車間）
15
車
CA6140
20
車
CA6140
25
車
CA6140
30
車
CA6140
35
鉆
Z535
40
銑
X62W
45
車
CA6140
50
車
CA6140
55
鉗
攻螺紋2-M6
60
熱處理
高頻淬火左端凸爪、蝸桿螺旋線、右端面
65
磨
M114W
70
磨
M114W
75
磨
M114W
80
磨
磨蝸桿
M1432A
85
磨
M2110
95
鉗
修整螺旋線尾端
100
終檢
105
入庫
3.1.5 定位基準的選擇
粗基準的選擇：以外圓作為粗基準加工內(nèi)孔和部分外圓。
精基準的選擇：選擇右（左）端面和內(nèi)孔作為精基準，因為外圓和右（左）端面與基準A(中心軸線)有同軸度和垂直度要求，這樣可以用加工好的平面定位再次進行加工φ77H7和右（左）端面，這樣既能保證φ77H7和右端面的位置度要求。
根據(jù)該工件生產(chǎn)批量是中批生產(chǎn)，工件結構比較簡單，技術要求較高等特點，該工件的工序應適當集中，使工件的裝夾次數(shù)減少，縮短了生產(chǎn)周期。
3.1.6 設備及其工藝裝備確定
所用的設備有：CA6140 、X632、Z535、M114W、M2110、拋光機、檢驗臺、鉗工臺。
夾具有：三爪卡盤、鉆φ5專用夾具、磨削端面和外圓的專用夾具、銑凸爪的專用夾具、磨床通用夾具。
刀具有：45°的外圓車刀、90°的外圓車刀、90°和75°通孔鏜刀、成型銑刀、φ5鉆頭、M6的絲錐、平板銼、普通和成型砂輪。
量具有：游標卡尺、專用塞規(guī)、專用卡規(guī)、角度板。
3.1.7 車切削用量、工時定額確定
切削用量確定：
切削用量按照首先，再f ，最后v的次序進行確定。確定時，對于普通切削加工，各工序的余量盡量一個行程切除。如果余量太大，也可分為兩個行程切除，第一次切去；第二次切去剩下的。對于磨削加工，則應查表確定每一行程的。確定f時，應核算是否能夠保證表面粗糙度要求。然后查表確定刀具耐用度，最后利用公式求得v的大小。
以下為確定粗車處外圓的切削用量的方法和步驟：
（1）刀具有關數(shù)據(jù)：
刀桿：截面尺寸：HB =2525;材料：鋼45
刀頭材料：YT15 ；=;=;=;= ;= ；
車刀耐用度取60min。
（2）背吃刀量確定：
計算得知，粗車直徑最大余量約為6mm ,故單邊最大余量約為3mm。令
（3）進給量確定：
考慮到表面粗糙度要求為 ??；進給量f不能大于0.75mm ，令f=0.73mm
（4）切削速度計算：
； （3-4）
查表得；；； （刀具材料采用T15） 代入
機床主軸轉速 （3-5）
根據(jù)車床的說明書可選擇 ：n=250(r/min)
計算實際的切削速度: （3-6）
（5）機床主電機功率校核：
粗加工階段要切除的余量大，加工時需要較大的切削功率。所以，還要求對機床的功率進行核算。
； （3-7）
查表得：
修正系數(shù)；查表得：加工材料機械性能改變的修正系數(shù)；刀具幾何參數(shù)改變的修正系數(shù)車削條件改變的修正系數(shù)
代入：
（3-8）
（3-9）
故切削功率 （3-10）
已知，CA6140機床主電機功率為7.5kw ，可以肯定，完全可以滿足加工需求。
（6）計算基本工時
（3-11）
式中 L=l+y+△，l = 130mm，根據(jù)表1.26，車削時的切入量及超切量y+△ =4.3mm
L=130+4.3=134.3mm,
故 （3-12）
工時定額確定：
圖4-6為工作循環(huán)示意圖。各輔助動作所消耗的時間已查表求得，并列于圖中。
故： （3-13）
以下計算基本時間。
由圖中可以看出，切入過程有3次；切出過程有2次。切入、切出長度均取為3 mm ，則總長度為15 mm
由上可知：
基本時間： （3-14）
故作業(yè)時間： （3-15）
取布置工作地時間：（3-16）
取休息及生理需要時間： （3-17）
取準備、終結時間： （3-18）
故單件時間定額：
（3-19）
3.2按旋風銑削加工方法進行的蝸桿加工
超聲旋風銑削加工方法與上述普通蝸桿加工工藝過程的區(qū)別如下：
加工內(nèi)螺紋時，旋風銑刀換成刀桿，螺紋時要采用跟刀架,防止工件變形，要盡量采用順銑，但應設法消除傳動間隙。
用對刀規(guī)安裝刀頭，要求刀盤或刀桿上個刀頭切削刃部的徑向圓跳動≦0.02mm，軸向圓跳動≦0.005mm，各刀頭的刃形要嚴格一致，否則螺紋齒面會產(chǎn)生波紋度。
查《實用機械加工工藝手冊》表11-57，
可得旋風銑削螺紋的刀具材料和幾何角度，對于梯形外螺紋的碳鋼工件的螺紋旋風銑削選用材料為YT15，后角為6°，前角為3°，刀尖角為59°。
查《實用機械加工工藝手冊》表11-58，
可知旋風銑削螺紋的切削用量對于碳鋼工件YT15刀具的梯形螺紋加工轉速應為：
1200r／min，需進給兩次。
查表知，圓盤銑刀銑頭，在表面粗糙度要求為Ra1.6微米時的半精銑，每轉進給量為0.23~0.5mm／r。
加工完成后蝸桿的梯形螺紋的檢查可用梯形螺環(huán)規(guī)進行檢查。
超聲旋風銑削裝置通過一次成型加工即可達到普通車削的效果，而普通車削需要粗車和精車等工序，如果精車同一蝸桿，假定切削速度一定，那么走刀次數(shù)可用來衡量不同粗車切削方式的生產(chǎn)率。走到次數(shù)少，生產(chǎn)率就高，而一根蝸桿上需要切除的金屬層面積是一定的，超聲旋風銑削裝置的銑刀裝有多把銑刀頭，可以分層快速銑削，用較少的走刀次數(shù)完成金屬層的去除，即一刀成型，而且不需要退刀槽，其加工效率比傳統(tǒng)加工方式提高了10-30倍，降低了生產(chǎn)成本。
普通旋風銑削的精度可達Ra0.8微米，加工精度比傳統(tǒng)加工方式提高兩個等級，而超聲旋風銑削裝置在普通旋風銑削的基礎上加以超聲振動，其材料去除方式更為精細，加工精度將得以更大提高。
3.3 本章總結
本章主要對蝸桿加工過程進行了介紹，制作了詳細的工藝流程，并設計了旋風銑銑刀頭的基本參數(shù)。綜合分析，超聲旋風銑多把刀頭，可以分層快速銑削，一刀成型，其加工效率比傳統(tǒng)加工方式大大提高，降低了生產(chǎn)成
4 超聲加工裝置設計
4.1 超聲加工裝置的主要組成
4.1.1 超聲波發(fā)生器
圖4-1超聲波發(fā)生器框圖
超聲波發(fā)生器的作用是將220V或380V的交流電轉換成超聲頻的電振蕩信號，它的電路主要由振蕩器、激勵器、功率放大器及電源組成(參見圖2—2)。其中，振蕩器用于產(chǎn)生高頻振蕩信號，一般系統(tǒng)保護電路也處于振蕩器，以防在振蕩系統(tǒng)未接好丌機而造成電路空載工作。激勵器用于將振蕩信號傳輸至功率放大器，其中一般沒有隔離電路。功率放大器用于放大振蕩信號以使之能驅(qū)動負載。振蕩器是超聲波發(fā)生器的核心，其可以是他激式，也可以是自動跟蹤式。后者是一種自激振蕩推動多級放大的功率發(fā)生器。自激頻率取決于超聲波振動系統(tǒng)的共振頻率。當出于某種原因，如更換工具或工具頭磨損、部件受熱或壓力變化等，會引起超聲波振動系統(tǒng)共振頻率的變化，可通過“聲反饋”或“電反饋”使超聲波發(fā)生器的工作頻率能自動跟蹤變化，保證超聲波振動系統(tǒng)始終處于良好的諧振狀態(tài)。為此，一般要求超聲波發(fā)生器滿足如下條件：
（1）輸出阻抗與相應的超聲波振動系統(tǒng)輸入阻抗匹配；
（2）頻率調(diào)節(jié)范圍應與超聲波振動系統(tǒng)頻率變化范圍相適應，并連續(xù)可調(diào)；
（3）輸出功率盡可能具有較大的連續(xù)可調(diào)范圍，以適應不同工件的加工；
（4）結構簡單、工作可靠、效率高，便于操作和維修。
根據(jù)超聲加工的需要，超聲波發(fā)生器的輸出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波，但以正弦波最為多見。本課題選用的超聲波發(fā)生器，主要技術指標如下：
最大輸出功牢(kW)： 2.2
超聲頻率(kHz)： 20
輸入電壓(V)AC： 220310
負載阻抗()： 15
電容(pF)： 1300
CSH一2200超聲波發(fā)生器具有自動頻率跟蹤功能，采用連續(xù)工作方式。
在超聲波加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工效率，工作過程中應調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率相等。但在實際工作中，由于負載、溫度等諸多因素的影響，引起了系統(tǒng)參數(shù)的變化，這時，若超聲波發(fā)生器的頻率不變，則換能器的振幅下降。若要在新參數(shù)下獲得最大振幅，就應及時調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率。
4.1.2 超聲換能器
超聲換能器的作用是將高頻電振蕩轉變?yōu)闄C械振動，將電能轉換為機械能。目前所使用的換能器主要有兩種：一種是磁致伸縮換能器，一種是壓電換能器。
（1）磁致伸縮換能器
磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁材料及鐵氧體陶瓷材料的磁致伸縮效應制成的。磁致伸縮效應是指鐵、鉆、鎳及其合金，或鐵氧體等材料的長度可隨所處磁場強度變化而伸縮的現(xiàn)緣。磁致伸縮換能器可分為會屬和鐵氧體磁致伸縮換能器兩類。
金屬磁致伸縮換能器的特點是：機械強度高、振動系統(tǒng)使用安全可靠、換能器壽命長、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。單位面積輻射功率大，電聲轉換效率一般為30％--40％。會屬磁致伸縮換能器中，由于鎳磁致伸縮效應較好，且用純鎳片疊成封閉磁路的鎳換能器，若事先經(jīng)處理的鎳片有氧化絕緣膜，可減少高頻渦流損耗，鎳片焊接性好，故通常用于大中功率換能器。鐵氧體換能器電聲轉換效率高，但其機械強度不高，單位面積輻射功率小，通常用于小功率的換能器。
在功率超聲領域，磁致伸縮換能器是應用較多的一種換能器，但是與壓電換能器相比，由傳統(tǒng)的磁致伸縮材料制成的磁致伸縮換能器的應用范圍已經(jīng)很小。造成這種情況的原因在于磁致伸縮換能器的機電轉換效率較低，而且其激勵電路較復雜，然而由于磁斂伸縮換能器具有結構簡單、耐機械沖擊能力強，因此在一些環(huán)境比較惡劣的情況下，其仍有一定的應用空間。磁致伸縮換能器工作時會大量生熱，產(chǎn)生較大的電能損失，且使電聲轉換效率降低。
（2）壓電換能器
壓電換能器是利用壓電材料的壓電效應制成的。所謂壓電效應是指石英晶體、鈦酸鋇以及鋯鈦酸鉛等物質(zhì)由于內(nèi)部不存在對稱中心，所以在受到機械壓縮或拉伸變形時，會在兩個表面上產(chǎn)生正、負電荷而形成一定的電勢，這種現(xiàn)象稱為證壓電效應：反之，改變兩表面上的電壓，也會產(chǎn)生一定的伸縮變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。利用壓電效應可使機械能和電能互相轉化。
圖4-2 夾心式壓電換能器
石英晶體的伸縮量小，300V電壓才能產(chǎn)生0.01μm以下的變形。而鈦酸鋇的逆壓電效應(伸縮量)為石英晶體的20-30倍，但其效率及機械強度較差。鋯鈦酸鉛具有二者的優(yōu)點，故應用較多。
在眾多的超聲換能器類型中，壓電換能器是應用最廣的一種。與磁致伸縮換能器相比，壓電換能器具有一下優(yōu)點：
①機電轉換效率高，一般可達到80％左右；
②結構簡單，易于激勵：
③易于成型和加工，因而可用于許多不同的場合；
④壓電材料來源廣、價格低。
在實際應用中，壓電換能器的結構及形式是多種多樣的。不同的應用目的，對換能器有不同的要求：用丁-超聲加工、超聲焊接、超聲清沈、超盧處理及長距離超聲測距的換能器，要求能產(chǎn)生大的聲功率，有高的電聲效率：用于超聲無損檢測、超聲珍斷、超聲成像的換能器，則需要有高靈敏度、寬頻帶、窄脈沖特性。本裝詈所使用的是柱形15kHz壓電式換能器，型號為DH．7060F．1 5S，各項技術指標如下：
最大輸入功率(kW)：2
中心頻率(kHz)： 20
電阻()： 5
電容(pF)： l3320
4.2 超聲振動系統(tǒng)設計
圖4-3 超聲加工裝置
聲學振動系統(tǒng)用于產(chǎn)生一定振幅和頻率的縱向振動，并將該振動振幅放大后施加到工具頭上，從而實現(xiàn)超聲加工。如圖2-7所示，本裝置聲學振動系統(tǒng)由壓電陶瓷換能器、傳振桿、變幅桿組成。工具頭通過螺紋聯(lián)結到變幅桿末端。由于工具頭較小，設計時可以忽略其對振動的影響。傳振桿實際上是一種振幅放大比為l的特殊變幅桿。在換能器與變幅桿之間加裝傳振桿的目的是為了便于各種形狀的變幅桿的拆裝，減少對換能器的磨損。換能器劇于將外部電信號轉換為高頻機械振動，而變幅桿用于將超聲換能器輸出的振幅進行放大以達到加工的需求。
當整個系統(tǒng)處在共振狀念時，按照波動合成原理，在駐波節(jié)點平面內(nèi)，從單方向入射波和反方向反射波引起的質(zhì)點位移恰好大小相等方向相反，其合成位移始終為零。本裝置傳振桿采用圓柱形，傳振桿長度l／2處的中問圓截面上的任何點，即為靜止不動的波節(jié)點，以后向兩端處振幅逐漸增大，到傳振桿與變幅桿交界面上振幅達到最大，為波腹點。以后振幅又逐漸減小，在變幅桿中再次出現(xiàn)波節(jié)點(不同形狀的變幅桿，其波節(jié)點位置不同)，到工具與變幅桿交界面上再次出現(xiàn)波腹點，振幅經(jīng)傳振桿傳遞、變幅桿放大最后傳遞到工具頭。整個振動系統(tǒng)應選擇波節(jié)點支承固緊在機床上，傳振桿波節(jié)點處的圓形凸緣就是為了將整個振動系統(tǒng)固定在裝置上而設計的。
4.3 超聲變幅桿的設計
4.3.1 超聲變幅桿
變幅桿是將換能器的超聲振幅由0．005~0．01 mm放大至0．01~0．1