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）进行地点诚毅学院毕业设计室三、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超声技术的应用，掌握结构设计的程序、步骤和方法，培养学
2、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）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
3、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II4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、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，200482林书玉著超声换能器的原理和设计M北京科学出
4、版社，20043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，200654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，200415林清安著PRO/ENGINEER野火30基础零件设计（上、下）M北京电子工业出版社，20076郭玲文主编AUTOCAD2006中文版基础教程M北京清华大学出版社，200617NAKAGAWA,T,SUZUKI,K,UEMATSU,TPROCEEDINGSOFWINTERANNUALMEETINGOFASME,VOL17198511,18NAKAGAWA,T,SUZUKI,K,UEMATSU,TANNALSOFCIRPVOL35/119868
5、,2059SUZUKI,K,UEMATSU,T,NAKAGAWA,TANNALSOFCIRPVOL36/119878,115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手持式超声振动切割机的机构设计IV小型超声切割机的结构设计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
6、统的切割机上嵌入一个超声振动系统，进行超声振动系统的结构设计，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；切割机手持式超声振动切割机的机构设计VDESIGNOFTHESMALLULTRASONICCUTTINGMACHINESSTRUCTUREABSTRACTINCERAMICAPPLICATIONS,USMPROVIDESANUMBEROFADVANTAGESCOMPAREDTOCONVENTIONALMACHININGTECHNIQUESBO
7、THCONDUCTIVEANDNONCONDUCTIVEMATERIALSCANBEMACHINED,ANDCOMPLEXTHREEDIMENSIONALCONTOURSCANBEMACHINEDASQUICKLYASSIMPLESHAPESADDITIONALLY,THEPROCESSDOESNOTPRODUCEAHEATAFFECTEDZONEORCAUSEANYCHEMICAL/ELECTRICALALTERATIONSONTHEWORKPIECESURFACE,ANDASHALLOW,COMPRESSIVERESIDUALSTRESSGENERATEDONTHEWORKPIECESUR
8、FACECANINCREASETHEHIGHCYCLEFATIGUESTRENGTHOFTHEMACHINEDPARTTHEPURPOSEOFTHISSUBJECTISTOTHEFRAGILEISSUEOFTHETILE,THINPARTSINTHETRADITIONALCUTTINGMACHINETOCUTUSINGULTRASONICMACHINGWHICHSUITABLEFORPROCESSINGAVARIETYOFBRITTLEMATERIALSWITHSMALLCUTTINGSTRESSANDCUTTINGHEAT,EMBEDDEDINACONVENTIONALCUTTINGMACH
9、INEULTRASONICVIBRATIONSYSTEM,CONDUCTASMALLPARTOFULTRASONICCUTTINGMACHINETRANSMISSIONSTRUCTUREDESIGN,MAKETHESTRUCTURALDESIGNOFTHESYSTEMWITHTHISANDOTHERADVANCESINRUM,ITISLIKELYTHATTHISMACHININGMETHODWILLCONTINUETOGAINPOPULARITYFORGLASSANDCERAMICAPPLICATIONSINTHENEARFUTUREKEYWORDULTRASONICMACHININGULTR
10、ASONICVIBRATIONSYSTEMTRANSDUCERHORNCUTTINGMACHINE手持式超声振动切割机的机构设计VI目录1引言111课题背景及选题意义112目前国内外超声加工的发展情况213超声加工的优点414本课题的主要研究工作52小型超声切割机的整体设计方案621小型超声切割机的整体设计方案的拟定622传动系统结构的拟定623超声振动系统方案的拟定8231换能器的拟定8232变幅杆的拟定1024总体方案的确定103超声振动系统的结构设计1131超声振动系统1132换能器的设计1233变幅杆的设计15331变幅杆材料的选择16332四分之一波长变幅杆的设计164部分零件的强度
11、校核2041键的校核2042轴的校核205小型超声切割机的整体装配2251动力系统结构2252传动系统结构2453超声振动系统结构2754小型超声切割机的整体装配27手持式超声振动切割机的机构设计VII6结束语297致谢308参考文献31手持式超声振动切割机的机构设计11引言11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
12、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，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
13、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
14、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2VIBRATIONPULSECUTTING。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，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
15、。12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
16、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，FSAVRT曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了24万赫兹的超声波，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（RWWOOD）和卢米斯
17、（AELOOMIS）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。
18、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
19、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手持式超声振动切割机的机构设计4成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工填不
20、了空白。1983年10月，我国第一次“振动切削专题研讨会”召开，促进了超声加工技术在我国的深入研究和推广。1985年，广西大学，南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一套“QZC250A型”超声振动切削系统。同年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷等脆性材料的钻孔、端铣、螺纹加工等取得了良好的工艺效果。1987年，北京电加工研究所在国际首次提出超声加工等取得了良好的工艺效果。1987年，北京电加工研究所在国际首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术，并成功应用于聚晶金刚石拉丝模的研磨和抛光。1989年，我国研制成功超声研磨装置。1991年研制成
21、功变截面细长杆超声车削系统装置。20世纪末到本世纪初，我国的超声加工技术发展迅猛，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工领域解决了许多关键性的问题。取得了良好的效果。13超声加工的优点与传统加工相比，超声加工2有如下优点1适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。既可加工玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨、金刚石、大理石等不导电的非金属材料，又可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、铁合金等硬质或耐热导电的金属材料。2由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部
22、的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也很低，可达RA063008UM,尺寸精度可达003MM，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。3工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般的，超声加工机床的结构比较简单，操作、维修也比较方便。手持式超声振动切割机的机构设计54可以与其他多种加工方法结合应用，如超声电火花加工和超声电解加工等。5利用超声焊接技术可以实现同种或异种材料的焊接，不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊接处理要求不高。14本课题的主要研究工
23、作针对瓷砖、超薄零件在传统切割机切割易碎现象，本论文利用超声加工适合加工各种脆性材料且切削应力、切削热很小的优点，在传统切割机上嵌入一个超声震动系统，进行超声震动系统的结构设计，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。使用小型超声切割机，切割瓷砖、超薄零件更加平稳，成品率更高。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。手持式超声振动切割机的机构设计62小型超声切割机的整体设计方案21小型超声切割机整体设计方案的拟定小型超声切割机是在传统切割机的基础上，利用超声加工适合加工各种脆性材料、切削应力和切削热
24、更小的特点，嵌入一个超声振动系统，使之实现超声加工，加工脆性材料、超薄零件。这设计包括基本传动系统结构设计和超声振动系统两部分，以这样的组合方式进行结构设计。22传动系统结构的拟定方案一没有任何传动，采用电机直接输出动力，整个系统就一根轴，动力直接输出提供到锯片，实现切割。如图21所示。图21电机轴方案二电机轴输出动力经过一对直齿轮或者斜齿轮传动，进行降速升扭作用，然后通过输出轴将动力提供给锯片，实现切割。如图22、23所示。手持式超声振动切割机的机构设计7图22直齿轮传动图23斜齿轮传动方案三电机轴输出动力经过联轴器传递动力，然后通过输出轴输出动力给锯片实现切割。如图24所示。图24刚性联轴
25、器方案的分析方案一结构最简单，符合传动链尽量短的原则，但是没有经过任何传动副，手持式超声振动切割机的机构设计8这样会导致超声系统装置无法安装到切割机上面，所以不合理，不予采纳。方案二经过了直齿轮或者斜齿轮传动，得到了一定的降速升扭的作用，结构也比较简单，但是由于小型超声切割机是采用嵌入超声振动系统来实现超声加工，而对于超声振动来说，超声振动只能振动小件的，轻的刀具，所以这对传动系统结构部分有一定的要求，也就是说要使切割机的外形尽可能的小型化，而对于直齿轮或者斜齿轮传动来说，切割机的锯片是装在电机轴的同个轴向位置，而在这个位置上，壳体的径向尺寸至少等于两传动齿轮的直径和再加上两倍的壳厚，这样会导
26、致切割机的尺寸很大，不适于小型化，所以不合理，不予采纳。方案三电机输出的动力经过联轴器，再连接到输出轴，最后到刀片，结构简单，符合传动链尽量短的原则，又可以很好的把超声振动系统安装到切割机上面，实现超声切割。综上，选择方案三作为传动系统的结构设计。23超声振动系统方案的拟定超声振动系统大体分为两个部分换能器和变幅杆。所以要确定超声振动系统，就是要确定换能器和变幅杆。231换能器的拟定换能器9可分为压电换能器（如图25）和磁致伸缩换能器（如图26）两大类。图25压电换能器手持式超声振动切割机的机构设计9图26磁致伸缩换能器其中对于压电换能器，压电换能器的特点（1）结构尺寸小，瞬时输出功率达354
27、0瓦每平方厘米，但连续振动时只能达到它的1/5左右，即78瓦每平方厘米（无冷却散热条件）；（2）电声转换效率高达90；（3）抗拉强度低，设计、装配和工作时易损坏；（4）超声振动系统的设计、制造和调整的精度要求较高；（5）频率范围窄；（6）价格便宜；（7）冷却方式简单；（8）换能器与变幅杆一般采用螺纹连接。换能器与变幅杆之间的结合面以及其他结合面的加工质量、连接螺纹的加工质量对振动参数都有影响。而对于磁致伸缩换能器，磁致伸缩换能器的特点（1）在工作条件变化很大的情况下使用时，切削力的变化以及振动系统自身的一些变化对工件振动形态的影响小；（2）机械强度高，振动系统使用安全可靠，换能器的寿命长；（3
28、）频率范围宽，因而工具在磨损范围较大的情况下仍能找到谐振频率点；（4）每单位面积的输出功率可达3040瓦每平方厘米；（5）换能效率低，一般为30406镍片价格昂贵；（7）镍片换能器与变幅杆之间一般采用钎焊连接；（8）一般采用循环水冷却方式，因而需附加冷却水冷却系统。从以上特点可以看出，两种换能器各有利弊。因此在选择换能器的种类时，要根据加工的具体条件加以分析。虽然磁致伸缩换能器频率范围宽，工具在磨损范围较大的情况下仍能找到谐振频率点，然而其换能效率低，损耗的能量转化成热量，因此需要冷却系统，这样一来会使输出端结构复杂。而压电换能器正好能克服上述缺点，它的体积小，机械谐振频率低，输出振幅大，阻抗
29、易于控制和匹配，效率高，不需要冷却设备，为旋转加工提供方便。因此，本设计采用压电换手持式超声振动切割机的机构设计10能器。232变幅杆的拟定对于变幅杆15的拟定，如表21不同类型变幅杆优缺点对比，不同形状的变幅杆都有各自的优缺点，在此选择圆锥形。表21不同类型变幅杆优缺点对比变幅杆类型优点缺点指数型共振频率范围较宽，传递功率大制造较困难，放大系数不大，当采用半波长时，大系数MP不宜超过16圆锥形制造容易，机械强度大放大系数小，一般放大系数MP335，共振长度最长双曲函数型放大系数大，允许MP2030制造困难，当采用大的MP时，常因应力过大而破裂阶梯型制造容易，面积系数N一定时，放大系数最大，共
30、振长度最短不适于传递大功率，共振频率范围较小24总体方案的确定综上，传动部分系统结构选用联轴器传动，然后输出端再连接由压电换能器和圆锥行变幅杆组成的超声振动系统，这样组成小型超声切割机结构系统。手持式超声振动切割机的机构设计113超声振动系统的结构设计31超声振动系统超声波声学系统也称为声学部件或超声振动系统，它是实现超声加工必不可少的部分。超声振动系统由换能器和变幅杆组成，装在变幅杆端部的工具作为变幅杆的负载，也作为超声振动系统的一部分。图31所示为超声系统结构图。1锁紧螺栓2垫圈3后盖板4电极片5压电陶瓷片6前盖板和变幅杆图31超声振动系统结构手持式超声振动切割机的机构设计1232换能器的
31、设计超声换能器9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。本设计采用的纵向夹心式压电换能器，这种换能器能沿着纵向产生较大的振幅且输出功率较大。它的基本结构是压电陶瓷片、电极片、连接螺杆、前后盖板以及绝缘管组成。由于此基本结构尺寸比较大，本设计采用的是四分之一波长纵向夹心压电换能器，如图31所示。可以近似地只考虑轴向应力和应变间的关系。由胡克定律XYXSFT式中T应力；F弹性力；XS任意位置处的截面积；Y杨氏弹性模量；X应变；则节圆的一元段应用牛
32、顿第二定律22TDXXSXXSXYDF因为2CY式中材料的密度；材料的声速；得变截面杆纵振振动的波动方程手持式超声振动切割机的机构设计1322222XXSXXXSXXSC（31）01222KXXSX式中波数，CW；W角频率；对换能器振子，振子各节面是均匀等节面，即XS常数，波动方程为0222KX由于振速WJV，振子各部分振速方程为0222NNNNVKXV通解NNNNNNNNXKBXKAXVCOSSIN（32）NNNNNNXVJWXSYXXSYXF1NNNNNNNNXKBXKASCJSINCOSNNNNNNNXKBXKAZJSINCOS（33）式中NZ振子各部分的特性声阻抗NNNSCZ；N1,2
33、,3振子位移；X振子各部分长度；手持式超声振动切割机的机构设计14V振子各部分的速度；考虑到图31中换能器振子部分（即节面左侧部分）在谐振频率处，在他们的结合面上，前部分输出阻抗等于后部分的输入阻抗，即边界条件为BVV03（34）0233VLV（35）0122VLV（36）011LV（37）003F（38）0233FLF（39）0122FLF（310）式中BV振子尾端振速；L振子各部分长度；代边界条件（34）（35）（36）（37）（38）（39）代入（32）（33）可分别得1ACOSCOSSINSINCOS223333231111LKLKLKZZVLKLKB1BCOSSIN223323LKL
34、KZZVB2A3323SINLKVZZB手持式超声振动切割机的机构设计152B33COSLKVB3A03BBV将式（310）代入式（33）的换能器的振动频率方程1TANTANTANTANTANTAN33222322111233113LKLKZZLKLKZZLKLKZZ（311）为了提高振动系统的振速比，后盖板选取特性声阻3Z大的软钢，前盖板与变幅杆做成一体，选取特阻抗7Z小的钛合金或者硬铝，具体情况要根据变幅杆的材料选取。压电陶瓷片取PZT8，外径46毫米，内径10毫米，厚7毫米，共1片。33变幅杆的设计超声变幅杆15，又称超声聚能器，其外形通常为变截面杆，是超声加工处理中超声振动系统的重要组
35、成部分之一。超声波加工过程中，工具前端只有达到一定的振幅才能提高加工效率，振幅的增大可以有两种方式获得一种是加大输入电功率，在压电材料的工作范围内，提高换能器的激励电压，从而增大工具头的振幅，这种方法不能改变换能器前后的振速比，效率低，此外持续的工作会引起换能器的发热，是换能器的工作效率及功率容量严重下降另一种是在换能器与工具头之间增加变幅杆又称为超声聚能器，它主要作用是放大机械振动质点的振动位移和振动速度，或将超声能量聚集在较小的面积上，此外，变幅杆还可以作为机械阻抗黄能起，在超声换能器与声负载之间进行阻抗匹配，使能量有效的传输。手持式超声振动切割机的机构设计16331变幅杆材料的选择众所周
36、之，超声波加工中变幅杆是必不可少的零部件，起着至关重要的作用因此它对材料有较高的要求，具体要求如下1在工作频率范围内材料的损耗小；2材料的疲劳强度高，而声阻抗小，以获得较大的振动速度和位移振幅；3易于机械加工；4做液体处理应用时，还要求变幅杆的辐射面所用的材料耐腐蚀；5变幅杆材料应锻造，纤维伸长方向应与声传输线一致，以提高变幅杆的抗疲劳性能及声学性能。一般来说，钦合金的性能最好，但价格昂贵，且机械加工较困难；铝合金价格便宜，易于机械加工，但抗超声空化腐蚀性能很差；钢价格便宜，较易加工，但损耗较大；黄铜损耗很大；45号钢性能好，价格便宜，又容易加工，所以一般情况下采用45号钢。变幅杆材料应进行探
37、伤检查，以测试材料内有无裂纹和缺陷，否则声能就不能沿着声传输线传递，而且材料易断裂和引起令人讨厌的噪声。因此，有裂纹和缺陷的材料必须报废。332四分之一波长变幅杆的设计考虑到尺寸结构紧凑问题，本设计采用四分之一波长变幅杆。超声变幅杆的作用是把机械振动的质点位移或速度放大，将超声能量集中在较小的面积上，变幅杆之所以能扩大振速或者位移振幅，正是由于通过它的每一界面的振动能量不变（忽略传播中的损耗），截面积小的地方密度大，而能量密度J正比于振幅A的平方221AKJ式中K系数，2WCK；J能量密度；A振幅；手持式超声振动切割机的机构设计17由上式可知，截面积越小，能量密度越大，振动幅度越大。从减轻机械
38、加工难度以及减小疲劳破换两点出发，本文采用复合圆锥变幅杆。圆锥部分任意位置的截面的截面积表达式为241XYSXS（312）式中系数，4454LRRR；4R圆锥变幅杆的大端面半径；5R圆锥变幅杆的大端面半径；4L变幅杆圆锥部分长度；4S变幅杆输入端面积；5S变幅杆输出端面积；将式（312）代入式（31），得0122424VKXVXVXVXKBXKAXXV44444COSSIN11（313）XKXKXKVXAXSCJXF42444SIN11COS11XKXKXKXB4244COS11SIN11（314）基于谐振频率处结合面阻抗匹配的原理，得节圆右侧部分的边界条件为004V（315）0544VLV（
39、316）手持式超声振动切割机的机构设计180655VLV（317）066FVLV（318）04FLFLL（319）0544FLF（320）0655FLF（321）FWVZLF66（322）式中FV工具段部振速；WZ工具端部输入阻抗；因为加工中工具端部输入阻抗WZ不确定，故假设0WZ。将式（315）（316）（317）（318）（321）（322）代入式（32）（33）（313）（314）得445545444SIN0LKBRRRLAB7766555656655565COSSINSINSINCOSLKLKLKZZVBLKLKZZVAFF666666COSSINLKVBLKVAFF将式（312）代入
40、（23）（214）得复合圆锥前后谐振比BAVVBF式中LLLKLKRRLKLKLKLKZZASINSINCOSCOSSINSIN4454332233222355665556COSSINSINLKLKLKZZB手持式超声振动切割机的机构设计19将式（319）代入（33）（314）的频率方程5445444555655544544466COTTAN1TANCOTTANRLKRRLKLKZZLKRLKRRLKLK（321）取设计频率KHZF60，则振动系统各部分结构尺寸如下图所示图32超声振动系统各部分的尺寸手持式超声振动切割机的机构设计204部分零件的强度校核41键的校核在小型超声切割机工作过程中，
41、半圆键受到最大的扭矩为05NM，许用应力MPAP30其所受剪应力为3095514621050210233KLDTP符合要求。42轴的校核进行轴的强度计算3时，应该根据具体的受载情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力，忽略对轴的刚度及其振动稳定性进行校核。轴的最小轴为12MM,轴的强度校验公式为RTTDNPWT3209550000式中T，扭转切应力，MPA；NMT50，轴所受的扭矩NM；NM；TW，轴的抗扭截面系数，3MM1000N，轴的转速，R/MIN；WP350，轴传递的功率，KW；MMD12，计算截面处轴的直径，MMR，许用扭转切应力，MPA手持式超声振动切割机的机构设计21代入
42、数据得163DWT813122010005095500003T选用轴的材料为45，45的许用应力为1525MPA,因此轴的最大应力符合设计要求。手持式超声振动切割机的机构设计225小型超声切割机的整机装配小型超声切割机的整体装配5包括动力系统、传动系统以及超声振动系统这三个部分，大部分连接采用六角螺栓连接，使得结构更加牢靠、紧凑，壳体与壳体之间的配合部分都有引导的卡位定位，使得安装更加方便，同时保证精度，同时整个装置也留有空间用以线路布置，以使得整机达到可行。51动力系统结构小型切割机的动力结构系统由电机轴（转子，如图51）、定子（如图52）、电机壳（如图53）、螺钉、轴承（如图54）散热片（
43、如图55）组成，其结构图，如图56所示，动力系统的装配过程是先用螺钉将定子装在电机壳，把轴承装进电机轴上，再将这两个整体配合起来，最后装上散热片，完成组装。图51电机轴图52定子手持式超声振动切割机的机构设计23图53电机壳图54深沟球轴承图55散热片手持式超声振动切割机的机构设计241散热片2螺钉3电机轴4电机壳5轴承图56动力系统结构图52传动系统结构小型超声切割机的传动系统结构由碳刷壳（如图57）、联轴器（如图58）、圆柱滚子轴承（如图59）、输出轴（如图510）、定位弹簧片（如图511），其结构图，如图513所示，该结构是由一对联轴器连接，再辅以定位和配合而完成的。图57碳刷壳手持式超
44、声振动切割机的机构设计25图58联轴器图59圆柱滚子轴承图510输出轴手持式超声振动切割机的机构设计26图511弹簧定位片1碳刷壳2圆柱滚子轴承3弹簧定位片4联轴器5输出轴图512传动系统结构图手持式超声振动切割机的机构设计2753超声振动系统结构超声振动系统是小型超声切割机的核心部分，它由后盖板、电极片、压电陶瓷片、螺杆、前盖板、变幅杆和垫圈组成，如图513所示1锁紧螺栓2垫圈3后盖板4电极片5压电陶瓷片6前盖板和变幅杆图513超声振动系统结构54小型超声切割机的整机装配由上可知，小型超声切割机由动力系统、传动系统、超声振动系统三大部分组成，它是由这三个部分通过螺栓和各零件的精确卡位组装而成
45、的，其PROE3D整机外观，如图514所示，其CAD完整装配图，如图515所示。图514小型超声切割机的PROE3D整机外观图手持式超声振动切割机的机构设计281锁紧螺母2锯片3前盖板和变幅杆4螺钉5压电陶瓷片6后盖板7螺钉8圆柱滚子轴承9螺栓10联轴器11联轴器12螺母13散热片14电机定子15电机轴16轴承17螺钉18电机前端盖19轴承20键21键22挡销弹簧片23碳刷壳24输出轴25法兰盘26开口垫片27螺钉28碳刷铜环图515小型切割机的整机装配图手持式超声振动切割机的机构设计296结束语超声加工是新型的加工技术，是未来发展的趋势。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
46、碎，导致它们的孔加工是一大难题。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。本文针对这一现象，进行小
47、型超声切割机的结构设计，得到一下结论1小型超声切割机的设计首先必须考虑切割机的尺寸，尽量要让它小型化。2小型超声切割机小型化的关键在传动系统和超声振动系统的设计，采用联轴器传动，结构简单，符合传动链尽量短的原则，又可以很好的把超声振动系统安装到切割机上面，实现超声切割，采用四分之一波长压电式换能器和四分之一波长变幅杆组成的超声振动系统，对小型超声切割机的小型化有重大的意义。3部分可以可以采用塑料，可以降低成本，减轻重量，优化结构。4必要时采用非标零件，可以减少尺寸，使得结构更加紧凑，更加小型化。手持式超声振动切割机的机构设计307致谢毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的
48、一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还很多，通过这次设计，我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。在此，感谢曾老师的的细心指导，在曾老师的悉心指导下让我懂得了不少的东西，比如独立思考解决问题，要学会去寻找资料，发现问题，解决问题等，让我受益匪浅，。在此论文完成之际，向他表示由衷的感谢，同时也感谢所有教育过我的专业老师。手持式超声振动切割机的机构设计318参考文献1隈部淳一郎精密加工振动切削基础与应用机械工业出版社,19852曹凤国超声加工技术化学工业出版社,20053濮良贵纪名刚机械设计第八版高等教育出版社,19964胡敏强超声波电机原理与设计科学出版社,20055王三民机械设计计算手册化学工业出版社,20096理论力学第六版高等教育出版社,20077材料力学第四版高等教育出版社,20078叶邦彦,周泽华超声振动切削改善硬脆材料加工性的研究华南理工大学学报自然科学版,19949林书玉超
