小型超声波钻床设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

小型超声波钻床设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

0kHz 到 40kHz，位移振幅在 10~100μ m 之间。 当频率一定时，增 大振幅可以提高加工速度，但振幅不能过大，否则会使振动系统超出疲劳强度范围而损坏。 同样，当位移振幅一定，而频率增高时，也可提高加工速度，但频率提高后，振动能量的损耗将增大。 因此，一般多采用比较低的超声频率。 超声波加工系统组成 超声波加工系统一般主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、以及一些辅助装置组成。 如下我将主要部分作进一步介绍。 超声波发生器 超声波发生器分模拟电路超声波发生器和数字电路超声波发生器，这里主要讲述模拟电路超声波发生器。 其模拟电路超声波发生器组成如下图 22所示。 图 22 震荡 放大型超声波发生器方框图 （ 1） 超声波震荡器 超声波震荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。 它可以是一个独立的震荡器，也可以是一个反馈网络。 习惯上，把前一种称为它激式超声波发生器，后一种则称为自激式超声波发生器。 其震荡器的类型有： RC 正弦波震荡器、 LC 正弦波震荡器、压控震荡器等。 电路图如下图 23 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页共 45 页 7 图 23 超声波震荡器的几种类型 （ 2）超声波放大器 超声波放大器的作用是将震荡信号放大至所需电平。 放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输 出功率的需要。 ①桥式功率放大器 桥式功率放大器可分成半桥式功率放大器和全桥式功率放大器两种形式。 其工作原理图如下图 2图 25所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页共 45 页 8 图 24 半桥式功率放大器 图 25 全桥式功率放大器 (3) 匹配电路 超声波发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。 一般放大器与负载 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页共 45 页 9 之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容 —— 调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。 只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后， 整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常地工作。 超声波换能器 超声换能器是超声振动系统的核心部件。 超声加工处理设备利用超声换能器的作用将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工处理。 目前，广泛采用的超声换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器两大类。 (1)磁致伸缩换能器 ①磁致伸缩换能器的工作原理 磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料制作的铁芯外面缠绕而成，如图 26 所示。 当线圈中通以一定直流电流 Io 产生最佳偏磁场 Ho 后，再通过以交变电流 I使其产生交变磁场 H~，使 H~重叠于 Ho之上，由此铁芯中的磁场将在 Ho 水平上变化。 在交变磁场 H~的作用下，由于材料的磁致伸缩效应，换能器两端面产生与交流电频率相同的交变伸缩，当交变电流的频率与换能器的共振频率一致时，换能器端部振动最强烈，由此从换能器两端面向介质辐射出超声波 图 26 磁致伸缩换能器 ②磁致伸缩换能器的结构和特点 A、窗式换能器 窗式换能器是由薄片磁致伸缩金属材料，经冲孔成型，氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成。 由于它是由许多薄片集成而成，叠片上有孔，所以被称为窗 式换能器。 其结构 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页共 45 页 10 形式如图 27 所示。 图 27窗式磁致伸缩换能器 这种换能器的特点是从两端面辐射超声波。 通常采用的叠片厚度为 ~。 因为金属材料的电阻率低，因此片与片之间需要氧化绝缘，以减少涡流损耗。 叠片上有孔，在叠片中形成闭合磁回路，漏磁少，并有利于散热。 随选用的叠片多少，可以获得不同的辐射面积。 通常，辐射面的形状采用正方形。 B、环形换能器 环形磁致伸缩换能器也是由薄片磁致伸缩金属材料，经冲孔成型、氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成其结构形式如图 28所示。 图 28 环形磁致 伸缩换能器 这种类型换能器的特点是：当线圈中同时通过偏磁电流和交变流后，圆环受到磁致伸缩应力的作用，沿圆周产生长度伸缩的变化，因而产生径向振动，可以自圆环内侧面 (图 28 a ) 或外侧面 (图 28 b )向周围介质辐射超声波。 (2)压电换能器 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页共 45 页 11 ① 压电换能器的工作原理 压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性，即压电晶体的逆压电效应而制成的，如图 29 所示，将压电材料做成片状，上下两面涂上银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两极间加上电场。 有两种情况出现： 相同。 外加电场起到了使压电片的极化强度增大的作用。 极化强度的增大，使压电片沿极化方向产生伸长的形变。 反向电场将削弱压电片的极化强度，使得压电片沿极化方向产生缩短的形变。 图 29压电换能器的工作原理 利用这两种现象，将外加电场换为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波。 当外加电场频率与压电片固有频率相同产生谐振时，压电片振动最大，声辐射也最强烈。 ② 压电换能器的结构形式 超声加工处理设备中常用的压电换能器结构形式有：薄长片形换能 器、圆环形换能器、薄圆片形换能器和夹心式换能器。 其结构图形如下图 210 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页共 45 页 12 图 210 压电换能器的结构 超声变幅杆 超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器，其外形通常为变截面杆，是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。 在超声振动系统工作过程中，由超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，所以必须借助变幅杆的作用将机械振动质点的位移量和运动速度进行放大，并将超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用。 超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间架起桥梁，进行阻抗匹配，使超 声能量更有效地从换能器向负载传输。 此外在超声加工处理设备的结构工艺上，通常在变幅杆或半波长等截面杆的波节平面处加带一个法兰盘，利用法兰盘将超声振动系统固装在超声设备上。 在向高温介质或腐蚀介质幅辐射超声能量时，还可以借助于变幅杆把换能器与恶劣环境隔离开，使换能器避免被腐蚀，减少受到热的影响。 变幅杆可分为纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆。 其中纵向振动变幅杆可分为简单形、复合形。 简单形又可分为指数形、圆锥形、悬链形、阶梯形。 而复合形是由各种简单形变幅杆根据实际需要组合而成的。 （ 1）单一变幅杆 超声变幅杆的性能主 要是由变幅杆的共振长度 L,放大系数 Mp，形状因数ψ，位移节点xo，输入力阻抗 Zi 和弯曲劲度参数加以描述。 其中 Mp 是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度的比值；形状因数ψ是衡量变幅杆所能达到最大振动速度 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页共 45 页 13 的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，通过变幅杆所能达到最大振动速度也越大。 输入阻抗 Zi 定义为输入端策动力与质点振动速度的复数。 在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化而变化的幅度要小，弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数，弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。 变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。 单一变截面杆如图 211 所示。 图 211 单一变幅杆 （ 2） 复合变幅杆 在高强度超声应用中，常常要求变幅杆末端具有很大的振动幅度，这就要求变幅杆的形状因数ψ及放大系数 Mp 值都尽可能的大，单一变幅杆的ψ值和 Mp 值常出现此优彼劣的现象，很难二者兼顾。 为了改变这一状况，就必须采用复合变幅杆的形式来弥补不足以提高其输出性能。 在 有些应用场合需要特别高的振动速度时，也常用到长度满足共振条件的复合形变幅杆。 图 212 为三段复合变幅杆。 其中Ⅰ和Ⅲ段为等截面杆，Ⅱ段为变截面杆，而变截面杆可以是指数形、圆锥形或悬链线形等不同形式。 如果两等截面杆的长度相等，则构成具有变截面过渡段的阶梯形变幅杆。 当Ⅰ或Ⅲ的任一段为零，则可构成两段复合变幅度杆。 图 212 三段复合变幅杆 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页共 45 页 14 3 小型超声波钻床设计 根据以上叙述的超声波加工原理，可以设计出一台简单的超声波钻床，并且通过与普通钻床其性能进行对比，探讨总结出超声波钻床的工性能。 一般超声波钻床 由超声波发生器、换能器、变幅杆和辅助机构等组成。 要设计超声钻床，也就从这几个方面入手，详细的设计步骤见下面。 超声波发生器的选用 由于超声波发生器内部电路等结构较复杂， 由于知识有限这里进行适当选用即可。 超声波换能器的设计 由于压电式换能器较易实现，这里设计选择压电陶瓷型换能器。 压电换能器有以下几个部分组成，如下图 31 所示： 图 31 超声波换能器结构示意图 如图，超声波换能器将接受到的超声波信号由压电陶瓷的“逆压电效应”转换成机械的振动。 其组成部件十分简单，除压电陶瓷、 电极需要买卖外，其余部件可通过车削 45钢的方式得到。 实物如下图 32所示： 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页共 45 页 15 图 32 超声波换能器 变幅杆设计 设计注意事项 （ 1）变幅杆的材料一般选用材质均匀、材料疲劳强度高、易加工的结构钢，一般性的选用45 优质碳素结构钢； （ 2）大圆锥体端部与超声换能器配合，度表面的粗糙度有较高的要求，一般性的选 （ 3）变幅杆的小端圆柱半径 R2 大小直接影响放大倍数，故 R2 不易取太大； （ 4）变幅杆的联接采用细牙螺纹，以免振动过程中松脱。 结构参数 根据变幅杆的基本知识及 实际的应用。 变幅杆的形式为圆锥平滑阶梯复合型效果最好，其结构图如下图 33 所示。 一般取 L1=λ /4，使界面位置位于圆锥体与圆柱体的交界处，这一位置的振幅最小。 图 33 变幅杆结构图 对于圆锥平滑弹性体： 频率方程如下： 1 1 2ta n 3 c o t 2 .22RRkl kl kl R 31 振幅放大系数为： 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页共 45 页 16 1 sin 2.2 cos 3R klM R kl 32 由上式可知：放大系数与 R R L L2 有关， L3 又由 L2 确定的，因此，只要知 道R R L2，那么整个变幅杆的尺寸就可以确定。 R1 与换能器的尺寸一致，对于一个特定的换能器十一个固定的值。 R2 是变幅杆端部的尺寸，视所需的振动幅度而定，往往是变化的；圆锥体部分的 L2 不宜设计过大否则振幅放大系数太小，一般的取 kl2 = π / 4 换能器的振动频率 f=20kh ， R1=22mm ,R2=5mm ①弹性材料的选择 弹性材料选用 45 钢，该材料的疲劳强度高，而且易加工。 加工后调质处理。 介质弹性模量：E= N/ m2。