旋转式超声波加工边幅杆的动态分析及机床设计

牟赋 邵天入 谢锋

摘要：超声波技术是从20世纪才逐步发展起来的一种特种加工方法，

超声波加工是给工具施加超声振动进行加工工具的特种加工方法。组成超声波加工系统的有超声波发生器、换能器、传振杆、变幅杆、等器件。超声波发生器功能是把电信号变成电振荡信号来达到加工要求；换能器是把电振荡信号变成成机械振动来加工工件；边幅杆是把换能器的振动变大或者速度变大用于加工。

关键词：旋转式超声波；变幅杆

人类能够听到的声波频率大致为1616000Hz范圍之间。我们把高于2000OHz的称为超声波。由于人类靠本生的听觉听不到超声，所以对于超声研究比较少。因为超声波加工技术具有许多别的加工没有的独到的优势，这样便使的超声波的应用得到了十分广泛的推广，并且在不久的将来会拥有更加广阔的发展前景，所以超声波这门学科值得我们去研究探讨。

一、设计总体方案

（一）加工头设计

超声波换能器一直是超声波加工的核心部件之一，他就是把点信号通过换能转化为机械振动来加工工件的，换能器的研究一直是超声波加工技术的研究难题，因为换能器的好坏直接决定了加工的效率，所以我们要特别关注。

换能器的研究与生产也是划时代的，菜超声波加工技术刚开始的研究阶段我们设计的换能器是磁致伸缩换能器，磁致伸缩换能器使用的材料一般是一些是具有磁致伸缩性能的材料，随着研究的深入科学家发现了一种更好的换能器，他就是压电换能器，压电式换能器使用的材料是非铁型压电晶体等材料。而我们的设计使用的是压电换能器。通过阅读资料我了解到边幅杆的种类比较多，而我选择了圆锥形边幅杆来设计。

（二）工作台的设计

超声波加工技术和别的技术有不同也有相同，我们的工作台就可以与铣床的类似，我们可以使用伺服电机驱动并使用滚珠丝杠将回转运动转为直线运动。

二、机械结构设计

（一）超声波换能器设计

超声波换能器的设计是超声波加工机床的基础设计，因为超声波换能器的作用就是将电信号转换为可以用于加工的机械振动，超声波换能器在最早出现在美国，我国的超声波换能器的制作并不是很先进，由于学校实验室制作超声波换能器的材料及设备不足，经过和老师的探讨与实地考察我们选择了柱形15KHZ的压电式换能器。

（二）超声波变幅杆的设计

超声波变幅杆的作用：超声波变幅杆的功能就是改变幅度，通过边幅杆改变振幅来达到加工工件的要求，查阅图书馆资料我得知超声换能器发出的振幅一般为4～10um，但往往需要达到10～100um来达到加工要求，我们可以通过在换能器下方安装变幅杆来达到加工要求。我们选择圆锥形变幅杆，虽然它的功效比较低，但由于它制造较简单价格便宜，因此选圆锥形变幅杆。

（三）传振杆的设计

传振杆的作用就是连接换能器和变幅杆，超声波的研究工作一直在进行可是科学家一直没有对传振杆有投入研究，知道21世纪，人们开始意识到传振杆的出现可以节约换能器和边幅杆的磨损，这才开始加大力度开始对它的研究，它的设计以及制作就是为了变幅杆方便的连接在换能器上面，防止多次安装变幅杆对换能器的损耗，以达到保护环能器的作用。

我设计的传振杆的直径和换能器的直径一样，这样做是为了方便安装，长度为半波长，即：

（四）进给机构设计

由于工作头和工作台的进给分辨率都是0.005mm，并且他们都是靠滚珠丝杆来运动的，我们为了方便计算，因此把它们放在一起考虑。

通过所学知识我们知道将伺服电机的旋转运动变为直线运动是滚珠丝杠的功能所在。滚珠丝杆的螺杆与螺母间的轨道间放置内有钢球是滚珠丝杠传动优点所在相比于其他传动，这样做就可以很大程度的减小了摩擦，防止了对滚珠丝杆的磨，并且很大的提高效率和精度。

（五）工作头升降机构设计

为了扩大机床的加工范围，以适应不同尺寸工件，并提高工作效率。

本设计利用的螺旋丝杠，是采用伺服电动机带动螺旋丝杠从而带动工作头升降使工作头

分别计算他们的转动惯量如下：

变幅杆的转动惯量J1

变幅杆的质量分两部分：一个是圆柱形的，一个是圆锥形的。

三、结论

通过与我们所学课程的结合运用，以及对前辈学者研究的成果的研读和实验室成品的调研，确定了旋转式超声波加床的整體设计方案，并且根据设计要求，多方面考察与计算了机床所需要的器材，最后通过CAD绘制了出来。1）在了解了电动机原理的基础上了，我结合实际情况，选择了三相异步电机来带动加工头做旋转运动。2）在了解了伺服电机的运动基础上，我参考了铣床的工作台并结合了机床需要的尺寸和实际情况，设计了机床的X.Y工作台。3）在我们充分的了解了螺旋丝杆的运动原理，结合了升降的功能以后，我们设计了立柱。

参考文献：

[1]戴向国.旋转超声加工的机床的研究.中国机械工程，2003，4.