1、手持式超声振动切割机的机构设计 I 毕业设计（论文）任务书 诚毅 学院 机械工程及其自动化 专业 机械 0791 班 学生： 学号 毕业设计（论文）题目： 手持式超声振动切割机的机构设计 一、毕业设计（论文）工作规定进行日期： 2011 年 1 月 16 日起至 2011 年 6 月 02 日止 二、毕业设计（论文）进行地点： 三、任务书的内容： 1、课题研究的目的、意义 目前，硬脆材料在工业中的应用相当普 遍，但这类材料坚硬易碎，导致它们的孔加工是一大难题。本课题要求学生以普通手持式切割机结构的基础，设计添加一超声振动系统，以实现超声振动切割加工，提高工件加工的质量和效率。本课题可使学生了解
2、超声技术的应用，掌握结构设计的程序、步骤和方法，培养学生解决问题的能力，激发学生的创新精神。 2、课题研究任务 （ 1） 通过实地调研和查阅文献，了解超声波加工原理、特点和应用。 （ 2） 复习机械设计的知识，确定钻孔机的传动结构设计。 （ 3） 明确超声振动系统设计方法，确定设计方案。 （ 4） 选择换能器和变幅杆，确定超声振动系统各参数。 （ 5） 用 PRO/E 软件绘制小型超声钻孔机的 3D整体装配图。 （ 6） 用 PRO/E 导出 CAD 装配图及部分零件图，图纸总量折合 A0 图纸三张。 （ 7） 整理和编写说明书。 3、工作程序 （ 1）资料收集； （ 2）理论计算； （ 3）
3、结构设计； （ 4）结构建模、完成图纸、计算说明书。 4、日程安排 1月 20 日 2月 25 日 实习、调研、收集资料、翻译外文资料。 2月 26 日 3月 15 日 撰写开题报告、工作计划并确定总体方案。 3月 16 日 4月 15 日 进行并完成系统设计计算工作。 手持式超声振动切割机的机构设计 II 4月 16 日 5月 04 日 绘制并完成总装配图。 5月 05 日 5月 15 日 绘制并完成全部零件图。 5月 16 日 5月 31 日 完成毕业论文 撰写并进行修改和完善。 6月 01 日 6月 02日 整理修改图纸，打印并提交论文和图纸。编写毕业设计（论文）答辩提纲，准备答辩 5、
4、成果要求 毕业设计论文一篇（不少于一万字）； 毕业设计图纸一套（折合 A0 图纸三张）； 外文资料翻译一份（不少于 5000 英文单词）。 6、主要参考文献 1 曹国凤主编 .超声加工技术 M.北京：化学工业出版社， 2004.8 2 林书玉著 .超声换能器的原理和设计 M.北京：科学出版社 ， 2004 3 蒲良贵，纪名刚主编 .机械设计（第八版） M.北京：高等教育出版社，2006.5 4 成大先主编 .机械设计手册 .单行本 .机械传动 M.北 京：化学工业出版社， 2004.1 5林清安著 .Pro/ENGINEER 野火 3.0 基础零件设计（上、下） M.北京：电子工业出版社， 2
5、007 6郭玲文主编 .AutoCAD2006 中文版基础教程 M.北京：清华大学出版社，2006.1 7 NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Proceedings of Winter Annual Meeting of ASME, Vol. 17 (1985-11), 1 8 NAKAGAWA, T., SUZUKI, K., UEMATSU, T. Annals of CIRP Vol. 35/1 (1986-8), 205 9 SUZUKI, K., UEMATSU, T, NAKAGAWA, T. Annals of CIRP Vol. 36/
6、1 (1987-8), 115 指导教师签名： 手持式超声振动切割机的机构设计 III 年 月 日 教研室主任签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 小型超声切割机的结构设计 手持式超声振动切割机的机构设计 IV 摘要 在陶瓷的应用中，超声加工和普通机械加工相比有很多的优势。导体和绝缘体材料都可以被加工，同时加工复杂的三维立体外形可以像加工简单的外形一样快速。再者，这种工艺不会在工件的表面产生热变形和化学的反应，同时作用在工件表面的浅的压应力能增加被加工部分的受力强度。 本论文利用超声加工适合加工各种脆性材料且切削应力、切削热很小的有点 ，在传统的切割机上嵌入一个超声振动系统，进行超声振动
7、系统的结构设计，结合小型超声切割机的传动部分结构设计，设计小型超声切割机。 旋转超声加工的这个或者其他的优势，让这种加工方法在将来玻璃和陶瓷工业应用中持续增加欢迎度。 关键词 超声加工；超声振动系统；换能器；变幅杆；切割机 Design of the small ultrasonic cutting machines structure 手持式超声振动切割机的机构设计 V Abstract In ceramic applications, USM provides a number of advantages compared to conventional machining techniq
8、ues. Both conductive and nonconductive materials can be machined, and 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 a shallow,
9、compressive residual stress generated on the workpiece surface can increase the high-cycle fatigue strength of the machined part. The purpose of this subject is to the fragile issue of the tile , thin parts in the traditional cutting machine to cut . Using ultrasonic maching which suitable for proce
10、ssing a variety of brittle materials with small cutting stress and cutting heat , embedded in a conventional cutting machine ultrasonic vibration system, conduct a small part of ultrasonic cutting machine transmission structure design,make the structural design of the system. With this and other adv
11、ances in RUM, it is likely that this machining method will continue to gain popularity for glass and ceramic applications in the near future. Keyword:Ultrasonic Machining;Ultrasonic vibration system;Transducer;Horn; Cutting machine 目录 手持式超声振动切割机的机构设计 VI 1 引言 -1 1.1 课题背景及选题意义 -1 1.2 目前国内外超声加工的发展情况 -2
12、 1.3 超声加工的优点 -4 1.4 本课题的主要研究工作 -5 2 小型 超声切割机的整体设计方案 -6 2.1 小型超声切割机的整体设计方案的拟定 -6 2.2 传动系统结构的拟定 -6 2.3 超声振动系统方案的拟定 -8 2.3.1 换能器的拟定 -8 2.3.2 变幅杆的拟定 -10 2.4 总体方案的确定 -10 3 超声振动系统的结构设计 -11 3.1 超声振动系统 -11 3.2 换能器的设计 -12 3.3 变幅杆的设计 -15 3.3.1 变幅杆材料的选择 -16 3.3.2 四分之一波长变幅杆的设计 -16 4 部分零件的强度校核 -20 4.1 键的校核 -20 4
13、.2 轴的校核 -20 5 小型超声切割机的整体装配 -22 5.1 动力系统结构 -22 5.2 传动系统结构 -24 5.3 超声振动系统结构 -27 5.4 小型超声切割机的整体装配 -27 6 结束语 -29 7 致谢 -30 手持式超声振动切割机的机构设计 VII 8 参考文献 -31 手持式超声振动切割机的机构设计 1 1 引言 1.1 课题背景及选题意义 小型切割机是日常生活乃至工程建设中非常便捷的切割加工工具，传统的小型切割机在切割瓷砖，超薄零件时，由 于瓷砖是脆性材料，当传统切割机在切割的时候，经常出现瓷砖会碎掉，这样一来会造成了成品率不高，同时也造成了浪费，甚至出现大量的固
14、体污染，特殊垃圾；对超薄零件而言，和脆性材料一样，由于薄这个特殊原因，导致了加工的时候也容易碎掉，另外，超薄零件对于切削应力，切削热是非常敏感的，容易产生热变形，特别是对于精度要求高的零件，考虑热变形是重中之重，而如果在加上低刚度的条件的话，那么传统切割机在加工的时候，成品率就更加低了，浪费和造成的垃圾就更加严重了 8。 现在这个高速发展的社会，和谐可持续发展是一个重要的理念，低碳 节能是去昂乃至世界现在提倡的一种理念，所以这样的浪费是不予提倡的，也会是未来需要改进的方向。针对这一问题，就必须要求有新型的切割工具来切割瓷砖，超薄零件，是在加工这些零件的时候，保证交给你的质量和精度，提高成品率，
15、减少浪费和污染，实现节约和低碳经济。 在新型加工方面，前沿的超声加工 2引人注目，也令人可喜，试想如果将小型切割机和超声加工结合在一起，利用超声加工的特点和切割机的切割特性，就能诞生新型的切割机，即小型超声切割机。而这样的切割机便能解决切割瓷砖易碎、切割超薄零件易碎易热变形的问题。同时超声加工又 是良好的环保的能源，这样的环保的新型的工具在这方面的利用将是新的一个里程碑，也将促进我国的超声加工业的发展，为我国在新兴工业增长点奠定又一个良好的基础。 超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术 , 是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。日
16、本隈部淳一郎先生在 20世纪 60 年代对超声振动切削技术完成了大量开创性工作 , 他的实验表明 , 在刀具施加一定频率和振幅的超声波振动 ,可以改变传统金属切削的切削性质 , 改善切削效果 , 他把该技术称之为振动切削手持式超声振动切割机的机构设计 2 ( vibration pulse cutting)。 到目前为止 , 英、美、苏、德、日、中等国家己对超声振动加工设备的研制以及工艺方法作了一些研究，但是大规模的将超声振动技术投入到实际加工中还存在这不少需要攻克的技术难题： 1. 切削效率的问题 2. 超声波发生系统的问题 3. 超声切削刀具装置 本课题要求学生以普通手持式切割机结构的基础
17、，设计添加一超声振动系统，以实现超声振动切割加工，提高工件加工的质量和效率，体积不大，成本不高，符合市场需求，同时力求新颖的结构设计能够让工人操作起来方便，安全。 1.2 目前国内外超声加工的 发展情况 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击，抛磨，液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿着一定方向施加超声频振动进行振动加工，或者利用超生振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器，换能器，变幅杆，振动传递系统，工具，工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将 220V 或者 380V 的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器 13的作用
18、是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传 给工具，使工具以一定的能量和工件作用，进行加工。 超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。 早在 1830 年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率， F.Savrt 曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了 2.4 万赫兹的超声波， 1876 年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频率达到了 3万赫兹，后改用氢气时，其频率达到了 8万赫兹。这些实验使人们开始对超声波的性质有了一定的认识。 对超声学的诞生起重大推进作用的是 1912 年豪华客轮泰坦尼克号在首
19、航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学 家提出用声学方法来探测冰手持式超声振动切割机的机构设计 3 山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦查德国潜艇的紧张研究 1927 年，美国物理学家伍德（ R.W.Wood）和卢米斯（ A.E.Loomis）最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。 1951 年，美国的科恩制成了第一台实用的超声加工机，并引起广泛关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。 日本是较早研究超声加工技术的国家， 20 世纪 50 年代，日本已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超
20、声加工的主要代表人 物有两位：一位是中央大学的岛川教授，超声波工学 理论和实际是他的代表作 ;另一位是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，精密加工、振动切削基础和应用是他的代表作。日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统。 1977 年日本将超声振动切削与磨削用于生产，可对直径为 600 毫米大型船用柴油机缸套进行镗孔。 原苏联的超声加工研究也比较早， 20 世纪 50 年代末 60 年代初已经发表过很有价值的论文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果 。为了推动超声加工的应用， 1973 年原苏联召开了一
21、次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。到 80 年代末期，当时苏联已经生产系列超声振动钻削装置。 20 世纪 70 年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面已处于生产应用阶段，超声车削、钻孔、镗孔已处于试验性生产设备原型阶段。 1979 年通用超声振动切削系统已经供应工业界应用。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了额大量的研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的 应用。例如，英国于 1964 年提出使用烧结或者电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果。 我国超声加工技术的研究始于 20 世纪 50 年代末， 60 年代末开始了超声振动车削的研究， 1973 年上海超声波电子仪器厂研制成功型超声研磨机。 1982 年上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波电子仪器厂研制
