毕业设计说明书(论文)
作 者: 王昌健 学 号： 054908221015 教学点: 苏州市职业大学 专 业: 机电一体化
题 目:
小型超声波钻床设计
指导者：
陆春元 讲师 (姓 名) (专业技术职务)
评阅者：
许海 副教授 (姓 名) (专业技术职务)
2010年 11 月
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南 京 理 工 大 学
毕业设计（论文）评语
学生姓名： 王昌健 班级、学号： 054908221015 题 目： 小型超声波钻床设计 综合成绩： 指导者评语： 该生很好地完成了毕业设计任务书规定的工作，介绍了超声波的工作原理、河特点。重点分析超声波钻床的机械结构特点，对超声波钻床的变幅杆、换能器、床身结构尺寸进行分析研究，确定了超声波钻床的设计方案，绘制了超声波钻床主要部件的零件图和装配图。并通过试验验证了超声波钻床的加工特性和存在的设计缺陷。 毕业设计说明书、开题报告等文本内容写作规范，图纸表达基本符合工程图纸要求，整体来说符合毕业设计相关要求。 该生毕业设计整体来说完成的比较出色，但也有某些不足的地方，如在工程图纸表达上还存在尺寸标注不全、公差不合理等情况，这主要是因为平时缺乏相关工程项目开发的经验。 鉴于以上情况和该生毕业设计过程中良好表现，成绩评定为82分。允许提交答辩。 指导者(签字)： 年 月 日 2
毕业设计（论文）评语
评阅者评语： 对超声波加工的工作原理掌握透彻、超声波钻床的机械结构设计方案合理、结构尺寸分析计算准确，论文说明书、开题报告等文本内容写作规范，图纸表达基本符合工程图纸要求，整体来说符合毕业设计相关要求。 评阅者(签字)： 年 月 日 答辩委员会（小组）评语： 能准确介绍超声波加工的工作原理，对超声波钻床机械结构设计方案的介绍思路清晰，对超声波钻床的机械结构设计与强度分析计算原理运用准确，设计效果良好。对答辩组提出的问题回答准确，达到毕业设计要求。 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日 3
毕业设计说明书（论文）中文摘要
超声加工是利用超声振动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，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 几十年来，超声加工技术的发展迅 速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。 论文着重介绍了超声波加工系统基本组成和超声波加工的特点，如发生器、换能器、变幅杆和超声磨料加工等，并通过超声波加工中典型加工方式——超声波钻进行了实验、研究和分析，最终得出超声波加工的特点，对超声波加工的独特优点进行了很好论证。本文在上述目的基础上根据超声波钻的特点，构思并设计出超声钻床的钻台。本设计方案主要满足了结构简单、运动平稳、操作方便、能实现多个方向动作等要求，很好的满足了超声钻加工的进给与装夹。 展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。随着传统加工技术和高新技术的发展，超声波振切削加工技术应用日益广泛。人们越多把超声波加工与其他加工方式相结合，逐渐形成了多样的加工方法。超声波加工技术在现代工业、国防和高新技术等领域得到广泛应用。 关键词 超声加工 发生器 换能器 变幅杆 4
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title Ultrasonic Machining Technology Status and Development Trend Abstract Ultrasonic machining tool is the use of ultrasonic vibration in a liquid abrasive or dry abrasive media produced in the impact of abrasive, polishing, and the resulting hydraulic impact of cavitation effects to remove the materials, or to the tool or the workpiece along a certain direction applied processing of ultrasonic vibration to vibration, or the use of ultrasonic vibration to the workpiece combination of processing methods. For decades, the rapid development of technology, ultrasonic machining, the ultrasonic vibration system, deep hole processing, wire drawing die and cavity mold polishing, ultrasonic complex processing areas have a wider range of research and application, especially in areas of difficult materials many of the key technology to solve problems, and achieved good results. Paper focuses on the basic components of ultrasonic machining and ultrasonic machining system characteristics, such as the generator, transducer, horn and ultrasonic abrasive machining, etc., and the typical ultrasonic machining process by way of - ultrasonic drilling experiments were carried out research and analysis, and finally obtained the characteristics of ultrasonic machining, ultrasonic machining of the unique merits of a good argument. The purpose of this paper, based on the basis of the characteristics of ultrasonic drilling, conceived and 5
designed ultrasonic drilling rig. Mainly to meet the design simple, smooth motion, easy operation, can achieve more than the direction of movement, etc., well positioned to meet the progress of the ultrasonic drilling process to give clamping. Looking ahead, prospects for ultrasonic machining technology is good. With the traditional processing techniques and high-tech development, ultrasonic vibration cutting technology is used widely. The more people the ultrasonic machining combined with other processing methods, and gradually formed a variety of processing methods. Ultrasonic machining technology in the modern industrial, defense and high-tech areas such as widely used Key words Ultrasonic machining Generator Transducer Horn 6
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目次
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1 绪论 ................................................................... 1 2 超声波加工原理与系统组成简介 ........................................... 5 2.1超声波加工原理 ........................................................ 5 2.2超声波加工系统组成 .................................................... 6 3 小型超声波钻床设计 .................................................... 14 3.1 超声波发生器的选用 .................................................. 14 3.2 超声波换能器的设计 .................................................. 14 3.3 变幅杆设计 .......................................................... 15 3.4 钻床的机架设计 ...................................................... 16 4 超声波钻实验论证 ...................................................... 28 4.1 磨料冲击超声波加工介绍 .............................................. 28 4.2磨料冲击超声加工实验 ................................................. 30 结论 ..................................................................... 36 致谢 ..................................................................... 37 参考文献 ................................................................. 38
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1 绪论
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超声波加工技术是高新加工技术之一，也是当今世界各国一个热门的话题。对于超声波技术的探究的人越来越多，更多的超声加工技术被应用于各种生产加工，已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用。 超声深孔加工的发展史
众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。
前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W，工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005 mm，圆柱度为0.02 mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。
1996年，日本东京大学在超声加工机床上，利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直径为φ5μm的微孔。湘潭大学进行了内圆表面的超声光整强化研究。该方法是在钻孔后对孔进行精加工处理，通过机械——超声强化处理，在普通机床上达到精铰、研磨的精度，可实现机械化。初步实验结果表明，该方法加工效果显著，表面粗糙度值可大大降低，内圆表面形成有益的残余压应力，有较高的显微硬度，提高了工件的耐用度，同时内圆表面呈网状纹络，特别适合像轴瓦等表面贮油工件的精加工，并可大大降低生产成本。
哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入
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到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出φ>0.2 mm、且深径比<15的深小孔。
兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超声振动磨削，进行了超声振动磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。
难加工材料的超加工
金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、 高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。 英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。 美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。
巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。
美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。
山东大学研究开发了工程陶瓷小孔的超声振动脉冲放电加工技术，工具电极的超声振动引起脉冲放电，从而代替了传统电火花加工的专用脉冲发生器。另外，工具电极的超声振动还可以起到清洗缝隙的作用，并采用该技术对Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、
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Al2O3/TiB2/SiCw3种Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔进行加工，研究了其加工机理和加工参数对不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，该复合加工技术有效地结合了超声加工和放电加工的特点，能高效、高质量地加工陶瓷材料。 山东大学还利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。结果表明，材料去除率与大理石的力学性能有关，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，其去除率越低，加工精度越高。
天津理工学院对大理石超声精密雕刻技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。该系统解决了大理石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水平跨上了新台阶。
同济大学对超声加工建筑玻璃小孔的实验进行了研究，探讨了工具振动的振幅、频率、工件材料、进给压力、工作介质等主要加工参数对材料去除率的影响规律。结果表明，超声加工建筑玻璃小孔的精度、表面质量均可满足建筑安装、装潢的要求。该研究对其他玻璃材料的加工具有一定参考价值。
北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。
淮海工学院对烧结永磁体材料超声振动加工过程中的材料去除机理进行了理论研究。该研究指出，磨料颗粒的尺寸与加工效率有密切的关系，对实际生产具有一定的指导作用。 沈阳工业学院研究了采用电镀金刚石工具头对玛瑙进行钻孔的可行性以及加工参数与材料去除率的关系。研究表明，该方法不仅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同时，借助于SEM分析了该方法加工玛瑙的材料去除机理。 超声加工技术的发展趋势和未来展望
随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。 (1) 研制和采用新的刀具材料
在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中
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(2) 研制和采用高效的振动切削系统
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天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。
现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。 (3) 对振动切削机理深入研究
当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方面：① 在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成屑的。 ② 振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。 ③ 振动切削机理的微观研究及数学描述。 (4) 超声椭圆振动切削的研究与推广
超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。
此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗。可以推断，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。
超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。
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2 超声波加工原理与系统组成简介
2.1超声波加工原理
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1、超声波发生器 2、换能器 3、变幅杆 4、工具头 5、磨料 6、工件 7、容器 8、泵 9、磨料供给管头 10、工作台 11、接触压力F
12、 工具头震动方向 13、震动位移振幅分布
图2-1 超声加工的基本加工装置
超声波加工技术中应用最广泛、最基本的加工方式是磨料冲击加工，因此下面以磨料冲击加工为例阐述超声加工的基本原理。
超声波加工的基本装置如图2-1所示。主要由超声波发生器、换能振动系统、磨料供给系统、加压系统和工作台等部分组成。换能器产生的超声振动由变幅杆将位移振幅放大后传输给工具头，工具头作纵向振动，其振动方向如图 2-1 b 中的箭头所示。这样，当工具头作纵向振动时，就冲击磨料颗粒，磨料颗粒又冲击加工表面，超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用。由于超声振动的加速度是非常大的，所以磨料颗粒的加速度（或冲击力）也是非常大的。无数磨料颗粒连续不断的冲击，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振动着的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，那只能使工件表面产生损伤，实际上材料并没有被去除。只有依靠切变应力才能将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起重要作用。
另外，磨料悬浮中的超声空化效应对加工也有很大的作用。超声加工常用的频率是从
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20kHz到40kHz，位移振幅在10~100μm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。
2.2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。 2.2.1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2-2所示。
图 2-2 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2-3所示。
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图2-3 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2-4、图2-5所示。
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图2-4半桥式功率放大器
图2-5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
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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。 2.2.2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2-6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2-6 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
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形式如图2-7 所示 。
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图2-7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0.1~0.3mm。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2-8所示。
图2-8 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 2-8 a ) 或外侧面 (图 2-8 b )向周围介质辐射超声波。 (2)压电换能器
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①压电换能器的工作原理
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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2-9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：
a.外电场与压电片极化方向相同。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。
b.外加电场与极化方向相反。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2-9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2-10所示。
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图2-10 压电换能器的结构
2.2.3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
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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2-11所示。
图2-11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2-12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2-12 三段复合变幅杆
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3 小型超声波钻床设计
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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。
3.1 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。
3.2 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3-1所示：
图3-1 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3-2所示：
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图 3-2 超声波换能器
3.3 变幅杆设计
3.3.1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Ra1.6 （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。 3.3.2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3-3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3-3变幅杆结构图
对于圆锥平滑弹性体： 频率方程如下：
tankl3cotkl21R1R2. <3-1> kl2R2振幅放大系数为：
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R1sinkl2. <3-2> R2coskl3由上式可知：放大系数与R1、R2、L1、L2有关，L3又由L2确定的，因此，只要知道R1、R2、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=2.08x1011 N/ m2 ，ρ=7.9kg /cm3。 ②申博在变幅杆中传播的速度及波长
速度 V=(E/ρ)1/2= (2.08x1011/790)1/2=5.13X103(m/s) <3-3> 波长 λ= v/f= 5.13X103/20000=256.5 （mm） <3-4> ③尾柱长度及圆柱体部分的长度
尾柱长度L1 L1=λ/4= 256.5/4=64.1mm 取整L1=64（mm） 圆柱体部分的长度L2 L2= /4K= 取整L2=32（mm） ④小截面部分长度 因为tankl3cotkl2则kl3=1.385 所以L3=1.385x⑤振幅放大系数 振幅放大系数M M=
R1sinkl222sin/4.=. =20 R2coskl35cos1.3855130=35.52（mm） 取整L3= 35(mm) 200004X5130=32.06 （mm）
2X20X10004221R1R2.=cot +x（ — 1）=5.331
45kl2R2即根据设计参数加工出如图示的变幅杆。
3.4 钻床的机架设计
超声波钻床机架的设计包括了床身、工作台、进给机构、压紧机构等，其功能应考虑能上下、左右、前后的进给运动，并且能有效的压紧工件，同时也应考虑其加工的方便等。
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3.4.1钻床床身设计
床身包括了底盘与支撑，下面是其床身设计步骤： ① 构思并绘制床身结构草图 ② 初定设计结构参数及尺寸
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在初定床身参数尺寸前，首先应考虑其标准件的选择，再去制定其余的尺寸。 在构思床身中发现其运用到标准件有轴承，所以我们应先选择适当的轴承。因深沟球轴承运用广泛，运动良好，这里我选用此轴承，参考机械设计手册，示意图如下：3-4
图3-4
根据d=20mm,可查得D取42mm,B=12mm.据此初设计出其余结构参数图样，示意图如下：
图3-5 底盘
图3-6 支承杆
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定床身的最终结构尺寸。
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④材料的选择
考虑其加工性良好，这里底盘与支撑都选择45钢。 ⑤选择加工方式及热处理
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由设计图知底盘可用加工中心铣削的方法得到，而支撑杆可以通过数控车削的方式得到，因支撑杆有起滑轨的作用，所以加工表面要求高，并需要进行淬火处理，以防磨损。 ⑥绘制加工零件图 ⑦床身设计组合图简要说明
钻床床身设计组合示意图如下3-7所示，底盘上开有两轴承孔，作用是支承丝杠以便转动，做成台阶形式是为装轴承后保持其强度，另外减少材料；支撑杆上尾部带有螺纹与底盘螺纹孔配合，固定效果良好，杆上部分做成台阶是以便后面设计摆杆，螺纹孔将再后续设计一锁紧螺钉，以便摆杆的定位。综合上设计两件，加工方便，简单美观，实现效果良好。
图3-7 组合示意
3.4.2 摆动伸缩杆的设计
设计摆杆伸缩杆是为方便钻床左右的摆动，与前后的伸缩，在工件装夹后可以方便钻
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与工件的对位。
①构思并绘制摆杆结构草图 ②初定设计结构参数及尺寸
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此设计需根据常用紧固螺母，设计轴的径向尺寸大小，其余根据实际形体比例设计其尺寸。结构示意图如下：
图3-8 摆动伸缩杆设计 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定床身的最终结构尺寸。 ④材料的选择
考虑其加工性良好，这里底盘与支撑都选择45钢。 ⑤选择加工方式及热处理
此零件可通过数控车削的方式得到，但套管的内壁与推杆的表面接触部分要求比较高，加工后需表面淬火处理，以防磨损。 ⑥绘制加工零件图
摆动杆包括了套管与推杆两部分，加工零件图需分开绘制。 ⑦摆动伸缩杆设计组合图简要说明
摆动摆动伸缩杆与床身的组合图如下，摆动伸缩杆其优点方便了前后的自由伸缩，左右的自由摆动，且可以有效锁紧，个自由度可有效实现，同时它的加工方式简单方便。
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图3-9 组合示意
3.4.3 传动丝杠及工作台设计
因所设计钻床为小型化的，传动机构的设计应追求简单化、轻型化与可靠化，这里传动方式我选择了螺旋传动的方式，设计步骤如下： ①构思并绘制摆杆结构草图 ②初定设计结构参数及尺寸
这里无标准件，只是在设计丝杠是螺纹选择常见的M20，以方便加工。其余设计时注意足够的强度即可。
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图3-10 传动丝杠及工作台 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定传动丝杠及工作台最终结构尺寸。 ④材料的选择
考虑其加工性良好，这里传动丝杠及工作台都选择45钢。 ⑤选择加工方式及热处理
工作台可通过数控加工中心铣削或线切割的方式得到，丝杠可通过数控车削的方式得到。最后对导向孔进行淬火处理以增加其强度，以防磨损。 ⑥绘制加工零件图
传动丝杠与工作台各一张。 ⑦摆动伸缩杆设计组合图简要说明
设计组合图如下，丝杆可带动工作台上下移动，运动实行方式。另外丝杠与工作台的加工都十分简单，丝杠还加装了转盘，工作台上开有排屑孔。丝杠与床身用滚动轴承联接，转动效果好，不易磨损。
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图3-11 组合示意
3.4.4 工件夹紧机构设计
夹紧机构的设计，要追求夹紧方便、可靠，另外加工实现方便。其设计步骤如下： ① 构思并绘制工件夹紧机构草图 ② 初定设计结构参数及尺寸
参考已设计好的工作台大小，设定工件夹紧机构的尺寸参数，压紧方式选择螺纹压紧。采用一端固定，一端移动的形式。
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图3-11 工件夹紧装置 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定工件夹紧装置最终结构尺寸。 ④材料的选择
考虑其加工性良好与夹紧装置的质的轻巧，这里工件夹紧机构选择铝合金。 ⑤选择加工方式及热处理
工件夹紧机构可用数控加工中心铣削得到，加工好后进行淬火处理增加其耐磨性。
⑥绘制加工零件图
⑦工件夹紧机构设计组合图简要说明
如下是加装工件夹紧机构设计组合图，工件可得到有效的夹紧，夹紧方便，架构轻巧。可夹紧一定宽度和厚度的工件。
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图3-12 组合示意
3.4.5超声钻固定套的设计
超声钻固定套用于固定超声钻，并与导杆相连接，设计简单、可靠、轻巧即可。①构思并绘制超声钻固定套草图 ②初定设计结构参数及尺寸
根据前面设计好的超声钻的结构参数，设计此结构尺寸。
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图3-13 超声钻固定套 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定超声钻固定套最终结构尺寸。 ④材料的选择
考虑其加工性良好与质的轻巧，这里选择铝合金。 ⑤选择加工方式及热处理
超声钻固定套可用数控车车削得到，加工好后无须热处理。 ⑥绘制加工零件图
⑦超声钻固定套设计组合图简要说明
超声钻固定套与摆动伸缩杆采用螺纹连接，中间掏空可将超声钻放入其中，并用螺纹固定好。
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图3-14 组合示意
3.4.6 超声钻床组装图说明
超声钻床组装示意图如下，分别由底盘、支承杆、摆动伸缩杆、挡圈、传动丝杠、轴承、工作台、工件夹紧装置、超声钻（换能器、变幅杆等）、超声钻固定套、手动转盘、止动手把等组成。
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图3-15 超声钻床结构 示意
①绘制超声钻床装配图 ②工作原理说明
A、工件装夹：将工件置于夹紧装置移动块与固定块之间，通过推动移动块以及拧动上下运动的螺母使其夹紧。
B、运动方式：此钻床工作台可实现上下的移动，钻臂可实现左右的摆动，方便与工件的定位。
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4 超声波钻实验论证
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超声波钻的加工原理实际上就是利用超声振动加磨料，从而去除多余材料的一种简单的加工方法。下面我们在进行实验之前就先讲下，磨料冲击加工的的基本原理。
4.1 磨料冲击超声波加工介绍
磨料冲击超声加工是一种应用非常广泛的超声加工方式，它是磨粒在超声振动作用下的机械撞击、抛磨作用与超声空化作用的综合结果。由于磨料冲击超声加工是基于磨粒冲击的作用，因此越是硬脆的材料遭受的破坏越大，加工效果也越明显。相反，硬度和脆性不是很大的韧性材料，因其具有缓冲作用而难于进行磨料冲击超声加工，因此在选择工具材料时，既要考虑能撞击磨粒，又能保证工具自身不受到很大破坏，在超声加工中常用45钢作为工具材料，以减少工具的相对损耗，并且价格低廉。磨料冲击超声加工示意图如图4-1所示。
图4-1 磨料冲击超声加工示意图来衡量
4.1.1影响磨料冲击超声加工的效率、精度和表面质量因素
磨料冲击超声加工的效率一般用单位时间去除工件材料的质量或体积来衡量。在实际加工中，常用单位时间内工具头的进给量来表示相对加工速度，该方法比较直观、方便。影响磨料冲击超声加工效率的因素较多，主要的有以下几种。 ⑴传递到工具头的超声频率和振幅对加工效率的影响
当频率一定时增加振幅，或当振幅一定时增加频率都可以提高加工速度，但过大的振
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幅和过高的超声频率都会使工具或变幅杆承受很大的内应力，如果超过其疲劳强度时，使用寿命将会大大降低，甚至遭到破坏。因此磨料冲击超声加工的频率应用范围是20~40Hz；位移振幅一般在10~100μm范围。 ⑵工件压力对加工效率的影响
超声加工时，工具不是刚性进给的，而是通过弹簧、磁斥力或重锤压力来实现进给的。 ⑶工件材料的性质及磨料悬浮工作液对加工效率的影响
被加工材料越脆，则承受冲击载荷的能力越低，也就越容易被去除，相反，如果是韧性好的材料则不易被加工。如下表4-a列出了几种不同性质的材料的相对加工速度。（以玻璃的加工速度为基准）
表4-a 不同材料超声加工的相对加工速度 材料 相对加工速度 玻璃 100% 锗 57% 石英 52% 红宝石 18% 硬质合金 5% 金刚石 0.5%~1.5%
⑷工具材料对加工效率的影响
作为超声加工工具的材料不可太硬，否则会促使磨料很快边钝，工具本身也容易被过量损耗，对提高加工效率很不利。一般常用45号钢作为超声工具，不必淬火。此外，如果工具外形复杂则不利于磨料悬浮工作液的流动，也会影响生产率的提高。所以在设计超声工具时一定要考虑尽可能有利于工作液的循环。
影响加工质量的因素很多，最主要的是磨料的粗细，该因素不但对加工效率有较大影响，对加工精度与表面质量的影响也十分明显。一般磨料越细，加工精度越高，表面质量也越好。因此要想达到某种等级的加工精度和表面粗糙度，并且还要保持较高的加工速度，选择磨料粒度的粗细是至关重要的。
一般磨料冲击超声加工可分为粗、中、细三档模式，对于磨料粒度的选择也是由粗到细依次排列。粗档加工以对工件材料去除为主，中档加工是承上启下的过度阶段，而精档加工则是对工件被加工表面进行抛光精加工。三者并没有严格的界限，应根据加工的实际状况而定。
4.1.2金刚石、碳化硼等材料的磨料冲击超声加工
众所周知，金刚石是世界上已知的物体中硬度最高的，天然钻石、人造聚晶金刚石、大颗粒人造单晶金刚石组成了金刚石家族，除了这个家族外立方蛋化硼、碳化硼等硬度较高的物质也属于超硬材料的范畴。它们的共同特点是高硬度、高脆性，都适于用磨料冲击超声进行加工。（本次实验所用磨料主要是碳化硼和金刚砂）
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4.2磨料冲击超声加工实验
4.2.1实验工具和材料
在实验之前，我们首先现罗列以下此实验所需要用的材料和工具，见下表4-a所示。
表3-a 超声钻实验工具和材料 实验工具和材料 超声波发生器 示波器 超声钻（包括超声电机和变幅杆等） 磨料（碳化硼和金刚砂） 计时器 水 碗和勺 钻 削 材 料 玻璃 大理石 瓷砖 花岗岩 青砖 鹅卵石 岩石 数量 1台 1台 1台 各1袋 1只 1瓶 各1只 1块 1块 1块 1块 1块 1块 1块
4.2.2实验准备 （1）磨料准备
将买回来的磨料，倒入碗中加入适当的水进行搅拌，加水的目的是为了钻孔时，降温。（当然能加一些其它的冷却液是更好不过了）搅拌均匀后留备用。 （2）加工材料准备
将找到的不规则的加工材料清洗，并用切割机切成规则形状便于实验的装夹。切好后，辨别材质并标号。
如：①青砖 ②玻璃 ③大理石 ④鹅卵石 ⑤花岗岩 ⑥岩石 ⑦瓷砖（材料见下图3-2）
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图4-2 超声钻加工实验材料
（3）超声波波形调试
将超声波发生器与示波器正确连接后（采用一通道即可），再将示波器打开，校零后，将超声波发生器电源开关打开，10s后，启动超声波发生器。调整超声波振动频率等参数，此时示波器上将显示一波形，并听到轻微的变幅杆振动声，但看不出，现在我们需要观察水的雾化现象，水雾化后说明波形正确是我们所需要得到的波形。判断水雾化的方法就是用勺把水浇到变幅杆的末端，看水的是否四溅，若没有则还需要调整波形，直到最后产生雾化现象为止。我们可以发现此波形为一带毛刺的尖峰波，这正是加工的所要得到的波形。 （4）超声钻加工计时
在磨料冲击加工时，我们会让两名同学一组进行，一位负责添加带水磨料，另一名同学用秒表计时器计时，计时要求准确误差小。（加工卡死时不计时） （5）清理现场
加工完备后，切断超声波发生器电源开关以及示波器电源开关。由于磨料的价格昂贵，将碗里磨料的水倒掉，可留下次实验继续使用。取出工件并用抹布将加工过程中溅出来的水擦掉，清洗工件，观察加工孔的情况，可以把它们进行比较。下图3-3为加工后的孔效果图。
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图4-3超声钻加工孔效果图
4.2.3实验数据分析 （1）实验数据
第一次试验数据 （金刚沙磨料）
编号 名称 时间（min） 深度(mm) 1 青砖 3.20 12.78 2 玻璃 2.52 5 3 大理石 18.45 11.2 4 鹅卵石 3.2 2.8 5 花岗岩 12.20 8.2 6 岩石 13.30 8.1 7 瓷砖 15.00 9
第二次试验数据（碳化硼磨料）
编号 名称 时间(min) 深度(mm) 1 青砖 3.30 12.78 2 玻璃 1.51 5 3 大理石 18.00 11.2 4 鹅卵石 3.15 2.1 5 花岗岩 8.10 6 6 岩石 13.30 7 7 瓷砖 6.5 9 （2）数据分析
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数据分析2520151050时间(min)深度(mm)时间青砖玻璃岩石6大理石鹅卵石1234名称花岗岩5瓷砖7
图4-4 两种磨料加工数据折线图
上图3-4为该实验的折线图，通过图折线、数据和表面质量的比较可以清楚的看出磨料的粗细对加工工件的表面的表面质量有很大的影响，磨料的力度越细其表面的质量就越高但同时加工的时间也就越长。反只表面的加工质量很低。电流的大小对加工速同样有影响，电流越大加工的速度越快反之则速度很慢。我们同时也发现但钻磨损较大时起状态和加工表面得质量多会发生较大的变化。磨损出现后负载就加不上去波形业随之改变，如能加工则加工电流则过大会引起钻的发热若时间过长则会将钻烧毁。状态的改变也给试验的准确性带来了误差。应尽量的避免此类情况的发生。加工效率碎着孔的深度增加而降低。加工效率与材料也有关脆性越大加工效率越高。 4.2.4提出加工中存在的问题及改进措施 （1）加工中存在的问题和改进措施 ①崩边现象
在超声钻孔中，一个很难避免的问题就是工具入口和出口端会出现蹦边的现象。工件材料的断残韧性越低，加工孔径越小蹦边就越明显。入口和出口处崩边受进给力和工具振幅两个因素影响。随着他们的增大而严重。入口崩边是由于工具的进给力和超声振动材料长产生环状裂纹，工具的震动使整个裂纹上端脱落造成的。出口崩边的原因是由于玻璃、陶瓷等硬翠材料抗拉强度低，在孔的加工后期，孔周边出的压力最大，进给力和超声冲击力使其沿环状裂纹方向发生断裂。 改善措施：
钻孔中为了避免入口和出口处严总的崩边现象发生，可采取分进给速度分阶段选择的
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方法。在开始和将要结束时，适当减小进给速度，以超声波自由磨粒冲击为主进行加工。加工中工具的进给速度的大小应根据不同工件材料、部通加工阶段选取。
由超声加工孔后期陶瓷材料的受力情况，在工件的底下施加一个均不力，使其作用方向与工件所受到总均不载荷方向相反，则可以减小超声加工在陶瓷空底面上的应力，通过施加与压力的方法，可以有效的避免超声波加工陶瓷空出口边缘崩碎现象，提高加工质量，但是避免出口边缘崩碎所施加的与压力难以确定。 ② 工具磨损现象
超声波加工中，工作夜中的悬浮磨料在工具的超声振动下，以很大的速度不断的冲击琢磨工件的表面而进行加工。同时，悬浮工作液受端面的超声振动作用而产生液压冲击和空化现象，在工件表面形成液体空腔，在闭合式引起的极强的液压冲击破坏工件表面。同时液破坏工具。 改进措施：
工具磨损的大小取决于工具的材料、结构及各项的加工参数。为了减小工具的磨损，应合理的选择工具的材料，一般的加工硬脆材料多选用45钢或碳素工具钢的材料，应为这些材料具有抗疲劳强度高、比较耐磨，加工容易。如果要求加工精度较高时，采用硬质合金或淬火钢角好，必要时可采用金刚石面镀覆工具。此外，还要针对加工材料，优化轴向载荷、工具参数和工具振幅等参数。 ③钻的加工率慢
应为在钻孔只控制工件的向上进给速度，而速度的控制只能近似的保证加工顺利进行为条件，由于试验的条有限，无法保证加工中位最佳静压力，而超声波加工中加工压力对材料去除率即加工效率的影响是非常重要的。通常加工效率随静压力的增大而增大，在最佳静压力下加工效率最高，随后随加工静压力的增大而加工效率下降。 改进措施：
可检测加工静压力的大小，以最佳加工静压力控制进给速度的大小，则能大大提高钻孔的效率。
（2）简单故障的排除及注意事项 ①换能器不工作
开机后打开工装开关，这时可反复多次开、关工资开关，调整调谐钮。若还不见效，则可能是：工具头老化、钢针开焊、加焊。此时将钢针重新焊或者更换工具头。 ②电流表指示大于200毫安
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解决方法同上，也可能是工具未上紧，钢针振裂。 ③换能器发烫
由于电流过大解决方法同上。 ④断针
功率过大，钢针太长所故。建议工作调整在正常功率以内。 ⑤打孔速度低
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这是磨料的粗细有关或磨料的刚度太低。及水沙比例不合适，一般水沙的比例为，能流动即可、不可太干。
⑥换工具头是应关掉工作开关，不可无工具头运转。 ⑦功率不要条整过大一部的不要大于100毫安
⑧打孔进行时，应该掌握一个最佳静压力，不可以太用力或用力太轻度会影响加工的速度。
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结论
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实验总的来说，超声波加工确实加工平稳、无噪声，加工时间要比普通钻床加工时间短（一般指脆硬性材料）且加工不易产生断裂的现象，加工效果要比普通钻床好的多。加工的设备也是及其简单，只有发生器外加超声波电机，无其它复杂机械结构。
此次实验可以很好的说明超声加工它与传统的加工方式比较确实有它的独特之处，毫无疑问我们应该发现并表明，超声波加工在加工脆硬性材料方面有特出的优点，值得我们进一步探究，需要我们注意的是一些加工细节问题。
在此希望人们早日发现超声波加工的更多优点，并把其应用在实际生活中去，为人类造福„
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致谢
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本文是在指导老师的细心指导下完成的。老师在我的设计过程中提供了很多的重要参考意见，当我设计遇到困难时，他们必定会及时地给予指导，帮助我解决设计中存在的问题，另外以及关心我的同学，是他们的帮助，我的毕业设计才能够顺利进行。在此我对他们热忱的帮助表示衷心的感谢！
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参考文献
[1] 曹凤国;《超声波加工技术》;化工工业出版社
[2] 胡敏强, 金龙, 顾菊平;《超声波电机原理与设计》 [3] 赵淳生;《超声电机技术与应用》
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[5]成大龙 ;《机械设计手册 单行本 机械振动/机架设计》;北京化学工业出版社 ;2004年 [6]成大龙;《机械设计手册 单行本 机构设计》;北京化学工业出版社 ;2004年 [7 ]宁伟，许明翔，王耀俊 ;《固体间不同厚度界面层超声反射声学技术》;1995年 [8] 王亚非, 袁敬闳, 曾宏亮 ;《分层媒质中声波传输规律的研究压电与声光》;2000年
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