旋轉(zhuǎn)式超聲波加工邊幅桿的動(dòng)態(tài)分析及機(jī)床設(shè)計(jì)

牟賦 邵天入 謝鋒

摘要：超聲波技術(shù)是從20世紀(jì)才逐步發(fā)展起來的一種特種加工方法，

超聲波加工是給工具施加超聲振動(dòng)進(jìn)行加工工具的特種加工方法。組成超聲波加工系統(tǒng)的有超聲波發(fā)生器、換能器、傳振桿、變幅桿、等器件。超聲波發(fā)生器功能是把電信號(hào)變成電振蕩信號(hào)來達(dá)到加工要求；換能器是把電振蕩信號(hào)變成成機(jī)械振動(dòng)來加工工件；邊幅桿是把換能器的振動(dòng)變大或者速度變大用于加工。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)式超聲波；變幅桿

人類能夠聽到的聲波頻率大致為1616000Hz范圍之間。我們把高于2000OHz的稱為超聲波。由于人類靠本生的聽覺聽不到超聲，所以對(duì)于超聲研究比較少。因?yàn)槌暡庸ぜ夹g(shù)具有許多別的加工沒有的獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，這樣便使的超聲波的應(yīng)用得到了十分廣泛的推廣，并且在不久的將來會(huì)擁有更加廣闊的發(fā)展前景，所以超聲波這門學(xué)科值得我們?nèi)パ芯刻接憽?/p>

一、設(shè)計(jì)總體方案

（一）加工頭設(shè)計(jì)

超聲波換能器一直是超聲波加工的核心部件之一，他就是把點(diǎn)信號(hào)通過換能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)來加工工件的，換能器的研究一直是超聲波加工技術(shù)的研究難題，因?yàn)閾Q能器的好壞直接決定了加工的效率，所以我們要特別關(guān)注。

換能器的研究與生產(chǎn)也是劃時(shí)代的，菜超聲波加工技術(shù)剛開始的研究階段我們?cè)O(shè)計(jì)的換能器是磁致伸縮換能器，磁致伸縮換能器使用的材料一般是一些是具有磁致伸縮性能的材料，隨著研究的深入科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種更好的換能器，他就是壓電換能器，壓電式換能器使用的材料是非鐵型壓電晶體等材料。而我們的設(shè)計(jì)使用的是壓電換能器。通過閱讀資料我了解到邊幅桿的種類比較多，而我選擇了圓錐形邊幅桿來設(shè)計(jì)。

（二）工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

超聲波加工技術(shù)和別的技術(shù)有不同也有相同，我們的工作臺(tái)就可以與銑床的類似，我們可以使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并使用滾珠絲杠將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）超聲波換能器設(shè)計(jì)

超聲波換能器的設(shè)計(jì)是超聲波加工機(jī)床的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，因?yàn)槌暡〒Q能器的作用就是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以用于加工的機(jī)械振動(dòng)，超聲波換能器在最早出現(xiàn)在美國，我國的超聲波換能器的制作并不是很先進(jìn)，由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室制作超聲波換能器的材料及設(shè)備不足，經(jīng)過和老師的探討與實(shí)地考察我們選擇了柱形15KHZ的壓電式換能器。

（二）超聲波變幅桿的設(shè)計(jì)

超聲波變幅桿的作用：超聲波變幅桿的功能就是改變幅度，通過邊幅桿改變振幅來達(dá)到加工工件的要求，查閱圖書館資料我得知超聲換能器發(fā)出的振幅一般為4～10um，但往往需要達(dá)到10～100um來達(dá)到加工要求，我們可以通過在換能器下方安裝變幅桿來達(dá)到加工要求。我們選擇圓錐形變幅桿，雖然它的功效比較低，但由于它制造較簡單價(jià)格便宜，因此選圓錐形變幅桿。

（三）傳振桿的設(shè)計(jì)

傳振桿的作用就是連接換能器和變幅桿，超聲波的研究工作一直在進(jìn)行可是科學(xué)家一直沒有對(duì)傳振桿有投入研究，知道21世紀(jì)，人們開始意識(shí)到傳振桿的出現(xiàn)可以節(jié)約換能器和邊幅桿的磨損，這才開始加大力度開始對(duì)它的研究，它的設(shè)計(jì)以及制作就是為了變幅桿方便的連接在換能器上面，防止多次安裝變幅桿對(duì)換能器的損耗，以達(dá)到保護(hù)環(huán)能器的作用。

我設(shè)計(jì)的傳振桿的直徑和換能器的直徑一樣，這樣做是為了方便安裝，長度為半波長，即：

（四）進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于工作頭和工作臺(tái)的進(jìn)給分辨率都是0.005mm，并且他們都是靠滾珠絲桿來運(yùn)動(dòng)的，我們?yōu)榱朔奖阌?jì)算，因此把它們放在一起考慮。

通過所學(xué)知識(shí)我們知道將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)是滾珠絲杠的功能所在。滾珠絲桿的螺桿與螺母間的軌道間放置內(nèi)有鋼球是滾珠絲杠傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)所在相比于其他傳動(dòng)，這樣做就可以很大程度的減小了摩擦，防止了對(duì)滾珠絲桿的磨，并且很大的提高效率和精度。

（五）工作頭升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍，以適應(yīng)不同尺寸工件，并提高工作效率。

本設(shè)計(jì)利用的螺旋絲杠，是采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋絲杠從而帶動(dòng)工作頭升降使工作頭

分別計(jì)算他們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：

變幅桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1

變幅桿的質(zhì)量分兩部分：一個(gè)是圓柱形的，一個(gè)是圓錐形的。

三、結(jié)論

通過與我們所學(xué)課程的結(jié)合運(yùn)用，以及對(duì)前輩學(xué)者研究的成果的研讀和實(shí)驗(yàn)室成品的調(diào)研，確定了旋轉(zhuǎn)式超聲波加床的整體設(shè)計(jì)方案，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求，多方面考察與計(jì)算了機(jī)床所需要的器材，最后通過CAD繪制了出來。1）在了解了電動(dòng)機(jī)原理的基礎(chǔ)上了，我結(jié)合實(shí)際情況，選擇了三相異步電機(jī)來帶動(dòng)加工頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2）在了解了伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，我參考了銑床的工作臺(tái)并結(jié)合了機(jī)床需要的尺寸和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了機(jī)床的X.Y工作臺(tái)。3）在我們充分的了解了螺旋絲桿的運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合了升降的功能以后，我們?cè)O(shè)計(jì)了立柱。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴向國.旋轉(zhuǎn)超聲加工的機(jī)床的研究.中國機(jī)械工程，2003，4.