超声振动辅助钻削钛合金的机理和工艺研究

超声振动辅助钻削钛合金的机理和工艺研究

摘要：随着时代的发展，经济的增长，社会的进步，我国的综合国力逐渐提高，科学技术不断的改良、创新、进步，而这些改变随之而来的是我国的工业发展越来越迅速，以往的封建的旧的思想以及旧的技术、产品已近满足不了这个时代的需求，人们的生活水平不断提高，对于新兴的产品以及技术的需求越来越高，超声振动辅助钻削钛合金技术的发展就是其中之一.

关键词：超声振动辅助钻削钛合金技术；机理；用途；工艺研究

1.超声振动辅助钻削钛合金的机理

随着科技的进步，社会的发展，超声振动辅助钻削钛合金的应用越来越普遍，其的原理基础还是应用了超声波的特点，超声波具有的特点有：

特点1：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

特点2：超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

特点3：超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗）

超声振动辅助钻削在材料上的选择是很讲究的，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金的原因是因为钛合金的机械Q值高，机械损耗小，并且钛合金的机械强度大。所以用钛合金是比较好的。但因为钛合金的成本比铝、钢的成本要高，所以一般情况下，大部分的材料厂用铝，用钢也是可以，总的来说，这主要是更具看场合的需要来决定的。不仅如此，钛合金的材料还具有质轻高弹，超声波衰减小的特点，更重要的是，因为钛合金具有低密度、高比强度、弹性模量低、抗阻尼性能强的特点，所以，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金是十分合适的，硬质合金钢和钛合金的区别一个是硬度，一个是质地。钛合钢质地细腻而硬质合金坚硬却不细腻所以说在焊接时应该选用硬质合金钢，总的来说，超声振动辅助钻削在材料上的选择是十分重要的，选择钛合钢是十分合适的。

2.超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究

如今，全球的发展十分迅速，尤其是中国，近几年，随着社会的进步，经济的增长，超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究有了很大的进步，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的技术近年来进入了一个全新的时期，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的发展前景是光明的是明朗的，但是据专家人士分析，虽然最近几年超声振动辅助钻削钛合金技术有了很大的提升，但其技术与外国相比还是存在着许多差距的，其的发展还是不够稳定，不够成熟，还是有许多的问题需要我们解决的，下面，就像大家具体的介绍一下超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究。

低频振动钻削振动装置

低频振动钻削振动装置 在钻削中按照刀具和工件是否振动可分为刀具振动钻削和工件振动钻削，若是工件振动则必有一个装置带动工件振动，该装置也可以称为振动钻削工作台。 1关于工作台的振动 采用工作台振动时，可以大大减少振动系统的复杂程度，降低了系统的改造难度，减少了工作量，最重要是减小了其他因素对所加振动的干扰。 利用振动工作台，司以把振动装置做成机床附件，不需要对机床进行大的改动，使得装置的适用性大大提高。 激振工作台时，工件和夹具成为惯性负载，其结构和质量的变化会对振幅输出造成影响，并改变振动台的动态性能。 曲柄连杆式轴向振动钻削工作台 将本装置安装于钻床工作台上，被加工零件安装于该装置工作台上。 首先由通用变频器(图1中没画出)驱动电机1按要求转速转动，由皮带带动偏心轴3转动，偏心轴3与偏心轴套4组成双偏心轴结构则按事先调好的偏心量带动轴承5转动，轴承5推动压在其上的振动轴9，使振动轴9连带工作台10一起作预定振幅和频率的正弦振动，弹簧8通过弹簧支承7使振动轴9始终和轴承5接触。使工件沿钻床轴线作预定振幅和频率的正弦振动。 钻床转速、进给也按要求调整好，则可实现振动钻削。当钻削小直径孔时，还可以采用手动进给来实现振动钻削。 关于钻头的振动钻头激振的优缺点 当激振钻头时，钻床主轴或传动系统的振动也会传到钻杆上，使得钻头的振动成为复合振动，不再只是所加的激励振动;同时钻头刚度低、加工时容易发生形变，是工艺系统的薄弱环节，这两方面使得传到钻头上的振动频率发生畸变、振幅损

失严重。 当激振钻头时，需要对机床的主轴系统进行改造，难度大、技术水平要求高，容易对机床精度造成不良影响。 当激振钻头时，惯性负载基本不变。 两种振动方式的对比 关于工作台的振动 采用工作台振动时，可以大大减少振动系统的复杂程度，降低了系统的改造难度，减少了工作量，最重要是减小了其他因素对所加振动的干扰。 利用振动工作台，司以把振动装置做成机床附件，不需要对机床进行大的改动，使得装置的适用性大大提高。 关于钻头的振动 激振工作台时，工件和夹具成为惯性负载，其结构和质量的变化会对振幅输出造成影响，并改变振动台的动态性能.当激振钻头时，惯性负载基本不变。 低频振动钻削精密深孔实验分析及振动装置的研制 1实验研究分析 应用振动切削技术，能解决难加工材料或难加工工序的精密深孔加工问题[f11f21我们对低频振动钻削精密深孔进行了较深入的实验研究[“]。研究中发现振动参数的选择对于断屑、表面质量及切削力等的影响很大:①振幅越大，深孔钻削时的断屑效果、孔表面质量越好。但振幅太大会带来其它问题，一是大振幅会增加刀具的磨损，影响刀具的寿命;二是大振幅使系统的振动和噪声加剧。因此对振动装置要求是能根据工件材料、刀具耐磨性、机床抗振性等因素调节振幅的大小，同时在结构设计上应考虑尽量降低系统的附加振动和噪音。②振动方式对断屑效果、孔表面加工质量、工具寿命都有直接影响。振动方式一般有轴向振动、周向振动和二者合成振动3种，具体的选择与工件材料、硬度、可切削性有关。轴向振动方式容易形成分离型切屑，适用于较软不易断屑的纯铝、纯铜等材料。但轴向振动时刀具与切削面的分离易造成刀具损坏，故淬火钢等较硬材料不宜选用这种方式，以免崩刃;周向振动一般为非分离型切屑，其断屑效果虽比普通切削强得多，但比轴向振动要差一些。但这种振动方式对刀具保护好，寿命长，适用于较硬易断屑的淬火钢等材料;轴向与周向的合成振动断屑效果最好，但刀具磨损也最严重，可用于难加工材料，如不锈钢等。 如上所述，为满足不同的加工要求，需选用不同的振幅和振动方式。而振动切削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。目前这种装置一般只能做单向振动，适用面较窄。我们在低频振动钻削精密深孔时，研制了一套机械式低频复合振动装置，能很好地满足上述调整振幅和选用各种振动方式的要求。该装置主要由偏心轮摆杆机构和滚珠丝杠螺母机构组成。现介绍如下。 2偏心轮摆杆机构 偏心轮摆杆机构提供复合振动装置的振源。其机构运动简图如图1所示。电机1C2800r/min)经一级皮带传动，使偏心轴2产生6000r/ min的转速，偏心轴的旋转使摆杆3以及固联在摆杆上的滑块4产生100Hz的摆转振动。滑块的摆动振动将传递给与之相连的滚珠丝杠螺母机构5，从而带动枪钻头振动，这种机构结构紧凑，振动未经任何放大，较好地限制了系统的附加振动和噪音。

0721第一章 振动运动学(讲)

第一章振动运动学 §1-1 概述 一、机械振动的概念 机械振动——英文名称mechanical Vibration可解释：机械或结构物在静平衡位置附近的一种反复运动。 振动现象: (1)心脏的搏动;(2)耳膜和声带的振动等；(3)汽车、火车、飞机及机械设备的振动；（4)家用电器、钟表的振动；(5)地震以及声、电、磁、光的波动等等。 如： 振动的危害： （1）在许多情况下，机械振动是有害的。它影响机器设备的工 作性能和寿命，产生不利于工作的噪声和有损于机械或结构物 的动载荷，严重时会使零部件失效甚至破坏而造成事故。 危害分类： 轻则：影响乘坐的舒适性；降低机器及仪表的精度；

重则：危害人体健康；引起机械设备及土木结构的破坏； 因此，对于大多数机器、设备和结构物，应将其振动量控制在允许的范围内。 (2)（事物都是一分为二）对于利用振动原理工作的机器设备， 则又应使它能产生所希望的振动，选择其应有的效能。 振动的利用： 如：钻井液固控系统的振动筛、冲击凿岩机、顿钻等 如：琴弦振动；振动沉桩、振动拔桩以及振动捣固等；振动检 测；振动压路机、振动给料机和振动成型机等。 [工程实例]：地震灾害（如汶川地震、玉树地震等） （1）电教片 [机械振动视频] （2）电教片 [神舟上天视频] 实际的机器或结构物可以简化为一个力学模型。如图1.1所示，

一个不发生形变的物体放在一个忽略了质量的弹簧上，组成一个“弹簧-质量”系统。[提炼出力学模型] (说明)物体静止时，物体处于图1.1（a）所示的平衡位置O-O，此时物体的重力与弹簧支持它的弹性恢复力互相平衡，即它们的合力Q = 0，物体的速度v = 0，加速度a = 0；当物体受到向下的冲击作用后即向下运动，弹簧被进一步压缩，弹性恢复力逐渐加大，使物体作减速运动。当物体的速度减小到零后，物体即运动到如图1.1（b）所示的最低位置，此时v = 0，而弹簧的弹性恢复力大于物体的重力，故合力Q的方向向上，使物体产生向上的加速度a，物体即开始向上运动；当物体返回到如图1.1（c）所示的平衡位置时，其所受合力Q 又为零，但其速度v却不为零，由于惯性作用，物体继续向上运动；随着物体向上运动，弹簧逐渐伸长，弹性恢复力逐渐变小，物体重力大于弹性恢复力，合力Q方向向下，故物体又作减速运动。当物体向上的速度减少到零时，物体即运动到如图1.1（d）所示的最高位置。此后，物体即开始向下运动，返回平衡位置；当物体返回到如图1.1

超声振动辅助磨削技术的现状与新进展

第31卷第11期2010年11月 兵工学报ACTA ARMAMENTARII Vol．31No．11Nov． 2010 超声振动辅助磨削技术的现状与新进展 梁志强1，2，王西彬1，吴勇波2，栗勇1，赵文祥1，庞思勤 1 （1.北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081； 2.秋田県立大学系统科学技术学部，秋田290014，日本） 摘要：如何实现硬脆性材料的高效率、高质量、高精度加工是现代精密制造领域的技术难题，为解决这一难题超声波振动磨削技术被引入到硬脆性材料的加工中。综述了超声振动磨削技术的现状，基于现有的一维振动磨削与二维振动磨削技术，着重分析了不同超声振动施加方式对磨削 力、 加工表面完整性、砂轮磨损等加工特性的影响。作为二维振动磨削技术的最新进展，对垂直型椭圆振动磨削技术的加工原理以及加工特性进行初步介绍。 关键词：机械制造工艺与设备；超声辅助磨削；椭圆振动；硬脆材料；磨削力；粗糙度 中图分类号：TG156文献标志码：A 文章编号：1000- 1093（2010）11-1530-06Status and Progress of Ultrasonic Assisted Grinding Technique LIANG Zhi-qiang 1，2 ，WANG Xi-bin 1，WU Yong-bo 2，LI Yong 1，ZHAO Wen-xiang 1，PANG Si-qin 1 （1．Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China ； 2．Faculty of Systems Science and Technology ，Akita Prefectural University ，Akita 290014，Japan ） Abstract ：In current precision machining field ，there is a critical problem to achieve high efficiency ，high-quality and high-precision machining for hard brittle material．Based on this background ，the ultra-sonic assisted grinding machining is widely introduced as a promising processing technology．In this pa-per ，the machining characteristics ，especially grinding forces ，ground surface integrality and wheel wear ，of both one-dimensional and two-dimensional ultrasonic assisted grinding techniques are analyzed．As a new progress ，the principle and fundamental characteristics of vertical elliptical ultrasonic assisted grind-ing method are introduced． Key words ：machinofacturing technique and equipment ；ultrasonic assisted grinding ；elliptical vibra-tion ；hard brittle material ；grinding force ；surface roughness 收稿日期：2009－11－13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50935001）；国防科研资助项目（62301090103）作者简介：梁志强（1984—），男，博士研究生。E-mail ：liangdjx@yahoo．com ；王西彬（1958—），男，教授，博士生导师。E- mail ：cutting0@bit．edu．cn 随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和 新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效 率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨 削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。 一维超声振动磨削技术较早应用到工业领域，近年在超精密加工领域，日本和中国的学者又

超声振动钻削机构设计

目次 1．绪论 (3) 1.1.引言 (3) 1.2.课题的来源及其研究的内容 (3) 1.3.超声振动钻削机构概述 (4) 1.4.超声波的产生及其特性 (5) 1.5.超声波的加工原理及特点 (6) 1.6.超声波加工发展概况 (7) 2．超声振动钻削系统的结构设计 (9) 2.1.引言 (9) 2.2.超声振动钻削系统的结构设计 (9) 3．超声振动钻削机构声学系统的设计 (13) 3.1.超声波发生器与换能器 (13) 3.2.超声变幅杆的设计 (14) 4．钻头夹具的设计与连接 (30) 4.1.钻头夹具的选取与设计 (30) 4.2.钻头夹具与变幅杆的连接 (31) 5．其他零部件的设计 (32) 5.1.其他零部件的设计 (32) 6．校核与计算 (34) 6.1.轴承的计算 (34) 6.2.内轴套的校核 (34) 设计总结 (36) 致谢 (39) 参考文献 (40)

第一章绪论 1.1引言 自上世纪50年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的需要，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量和性能价格比。为此各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，这些都对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。因此，一些材料采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，特种加工便应运而生。超声波加工是特种加工的一种，它始于1927年，至今已有70多年的发展历史。它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料已达到加工目的的加工方法。提到超声波加工，不能不提到超声波加工设备——机床。多年来，人们不断改进超声波加工机床，通过不断努力，使其取得了很大的进展，超声波加工效率提高了数倍，但它还是有很多的缺陷需要改进，本文将对超声波加工机提出一种新概念。 1.2课题来源及其研究的内容 随着科学技术的迅速发展和激烈的市场竞争，加快了产品更新换代的步伐，为此，各种新材料、新结构、高要求的零部件大量涌现，这对机械制造业提出了新的要求。解决各种难切削材料尤其是硬脆材料及复合材料的加工问题成了一个急待解决的问题。传统加工方法难度大、质量差、特种加工也就应运而生。特种加工包括电火花加工、超声波加工以及激光加工等。其中，超声波加工适合于加工各种硬脆材料，尤其是加工难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、半导体等材料。因此在现在的加工中得到了广泛的应用。但是，超声波机床具有体积大、成本高的缺陷。还有加工的尺寸受到限制。为此，本文提出了一种新型的旋转超声复合钻削机构，它的具体结构将会在第二章中得到具体阐述。该新型结构可以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可技工大型工件的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。 课题研究的内容有以下六点：

第4章 振动运动学

第四章振动运动学 §4.1 概述 4.1.1机械振动的概念 机械振动可解释为机器或机构在静平衡位置附近的一种反复运动，在许多情况下，机械振动是有害的，它影响机器设备的工作性能和寿命，产生不利于工作的噪声和有损于机械或结构物的动载荷，严重时会使零部件失效甚至破坏而造成事故。因此对于大多数机器设备应将其振动量控制在允许的范围内。反之，对于利用振动原理工作的机器设备，则又应使它能产生所希望的振动，选择其应有的效能。 实际的机器或结构物可以简化为一个力学模型。如图4-1所示，一个不发生形变的物体放在一个忽略了质量的弹簧上，组成一个“弹簧－质量”系统。 m o o k )a)b)c)d)e 图4-1 弹簧－质量系统 物体静止时，物体处于图4-1(a)所示的平衡位置o-o，此时物体的重力与弹簧支持它的弹性恢复力互相平衡，即它们的合力Q=0，故物体的速度v=0，加速度a=0；当物体受到向下的冲击作用后即向下运动，弹簧被进一步压缩，弹性恢复力逐渐加大，使物体作减速运动。当物体的速度减小到零后，物体即运动到如图4-1(b)所示的最低位置，此时 v=0，而弹簧的弹性恢复力大于物体的重力，故合力Q的方向向上，使物体产生向上的加速度a，物体即开始向上运动；当物体返回到如图4-1(c)所示的平衡位置时，其所受合力Q为零，但其速度v却不为零，由于惯性作用，物体继续向上运动；随着物体向上运动，弹簧逐渐伸长，弹性恢复力逐渐变小，物体重力大于弹性恢复力，合力的方向向下，故物体又作减速运动；当物体向上的速度减到零时，物体即运动到如图4-1(d)所示的最高位置。此后物体即开始向下运动，返回平衡位置；当物体返回到如图4-1(e)所示的平衡位置时，其所受合力Q又为零，但其速度v仍不为零。由于惯性作用，物体继续向下运动。这体，物体即在平衡位置附近来回往复运动。 物体从平衡位置开始向下运动，然后向上运动，经过平衡位置再继续向上运动，然后又向下运动回到平衡位置(从图4-1a到图4-1e)，称为完成一次振动。 从运动学的观点来看，机械振动是指机械系统的某些物理量(位移、速度、加速度)，在某一数值附近随时间t的变化关系。 图4-2表示某物理量在相等的时间间隔内作往复运动，这种振动称为“周期振动”。往复一次所需的时间间隔T称为“周期”。每经过一个周期后，运动便重复前一周期的全部过程。

超声振动辅助钻削钛合金的机理和工艺研究

超声振动辅助钻削钛合金的机理和工艺研究 摘要：随着时代的发展，经济的增长，社会的进步，我国的综合国力逐渐提高，科学技术不断的改良、创新、进步，而这些改变随之而来的是我国的工业发展越来越迅速，以往的封建的旧的思想以及旧的技术、产品已近满足不了这个时代的需求，人们的生活水平不断提高，对于新兴的产品以及技术的需求越来越高，超声振动辅助钻削钛合金技术的发展就是其中之一. 关键词：超声振动辅助钻削钛合金技术；机理；用途；工艺研究 1.超声振动辅助钻削钛合金的机理 随着科技的进步，社会的发展，超声振动辅助钻削钛合金的应用越来越普遍，其的原理基础还是应用了超声波的特点，超声波具有的特点有： 特点1：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 特点2：超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 特点3：超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗） 超声振动辅助钻削在材料上的选择是很讲究的，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金的原因是因为钛合金的机械Q值高，机械损耗小，并且钛合金的机械强度大。所以用钛合金是比较好的。但因为钛合金的成本比铝、钢的成本要高，所以一般情况下，大部分的材料厂用铝，用钢也是可以，总的来说，这主要是更具看场合的需要来决定的。不仅如此，钛合金的材料还具有质轻高弹，超声波衰减小的特点，更重要的是，因为钛合金具有低密度、高比强度、弹性模量低、抗阻尼性能强的特点，所以，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金是十分合适的，硬质合金钢和钛合金的区别一个是硬度，一个是质地。钛合钢质地细腻而硬质合金坚硬却不细腻所以说在焊接时应该选用硬质合金钢，总的来说，超声振动辅助钻削在材料上的选择是十分重要的，选择钛合钢是十分合适的。 2.超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究 如今，全球的发展十分迅速，尤其是中国，近几年，随着社会的进步，经济的增长，超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究有了很大的进步，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的技术近年来进入了一个全新的时期，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的发展前景是光明的是明朗的，但是据专家人士分析，虽然最近几年超声振动辅助钻削钛合金技术有了很大的提升，但其技术与外国相比还是存在着许多差距的，其的发展还是不够稳定，不够成熟，还是有许多的问题需要我们解决的，下面，就像大家具体的介绍一下超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究。

国内常见振动钻孔装置整理归类

一、振动钻孔装置 １．主轴振动． <1>（1）《新型微小孔振动钻床》杨兆军王立江 （2）原理：压电陶瓷振动元件直接振动主轴电机 压电陶瓷安装在精密中频主轴电机和套筒之间，在低频放大器的驱动下带动主轴电机作轴向振动。电机主轴轴承经调隙预紧，使主轴随电机一起振动。进给机构用步进电机做动力元件，驱动谐波减速器。齿轮与套筒上的齿条啮合，实现主轴的进给运动。在减速器输出轴和齿轮之间设置手动进给装置——机动进给装置转换。优点：钻床主体的其他部分与普通台钻相同。模拟切削力在0—8N变化时，钻头振幅小于8%，频率在100—400Hz范围变化时，振幅变化小于15%。由此说明钻床的承载能力较强，频率范围较宽。振动和切削参数采用单片微型计算机控制，操作方便。 (3)实验：采用直径0.28mm的高速钢麻花钻对18Cr2Ni4WA工件（属难加工材料）进行振动钻孔，振幅A=3μm，主轴转速15000r/min，进给速度60mm/min，振动频率250Hz；同时普通钻削（A=无穷大）钻孔。 对比指标：孔位置偏移量。 对比结果：振动钻床钻孔降低了孔的偏移量和孔径的分散程度，提高了加工精度。（4）结论：与各种振动工作台的振动钻削装置相比，振幅不受工件结构尺寸和重量的影响，具有良好的通用性。 <2>《微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计》黄文 摘要:超声振动钻削属于脉冲式的断续切削,在深孔加工方面具有普通孔加工技术无法比拟的工艺效果。文章介绍了作者基于高频振动切削原理设计的一台超声

轴向振动钻削装置的结构,并将该装置用于立式加工中心上对铝、 铜等材料进行了切削加工实验。实验结果表明, 超声振动加工可提高微细深孔的加工精度和表面质量, 这种方法特别适合于软质材料的微细深孔的精密和超精密加工。 （1）原理：超声波发生器将 220 V 、 50 Hz 的交流电转换成超声频电振荡信号,以向系统提供振动能量。压电陶瓷换能器将超声频电振荡信号转换成超声频机械振动。轴向振动变幅杆将换能器输出的小振幅放大后有效地传递给工具系统,从而实现钻头的超声频振动。 （2）结构： 工作时,来自超声波发生器1 的励振和励磁电流,通过碳刷2 传送到集流环3 上, 再经过钎焊在集流环上的导线,与可以回转的压电陶瓷换能器( 由5、 6、 8、 9、 10 组成) 相接。换能器的输出端通过螺钉5 与锥型变幅杆11 的输入端相连,而变幅杆的输出端做成莫式锥柄状, 并与莫式短锥孔钻夹头14 相配。这样只要将直柄高速钢麻花钻15 紧固在钻夹头中就可以进行超声轴向振动钻削了。 本设计采用了数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器, 其最大输出功率为 500W, 输出频率为16 ~ 25 kHz 。超声轴向振动钻削装置振动频率为20 ±1 kHz 、 振幅为25m μ。压电陶瓷换能器的伸缩变形小,一般情况下,其振幅为4~ 10 m μ,而超声振动钻削对振幅的要求往往需要达到10~ 100 m μ,故超声波振动装置需要变幅杆放大振幅。 （3）实验：利用高速钢麻花钻对并分别对孔径 φ0. 2 mm 、0. 5 mm 、0. 8 mm 、

CSiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究

C/SiC复合材料旋转超声振动辅助铣削实验研究通过碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种耐高温、耐磨损、抗氧化和力学性能出色的航空级复合材料,采用传统的机械加工工艺对其进行加工,因加工性差,精度不高且加工成本高导致无法满足当今航空航天等领域的需求。利用旋转超声振动辅助加工技术,将旋转超声振动引入到C/SiC复合材料的铣削加工中,可有效地降低铣削力、切削热,减小刀具的损耗,提高加工质量。 本文主要完成了以下工作内容:利用压电陶瓷的逆压电效应,根据夹心式压电换能器的设计理论,设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子;采用PZFlex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真分析,结果表明:超声振子的谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小,随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大;依据仿真结果加工了纵振型超声振子,并对其进行阻抗分析,测得纵振型超声振子在有无刀具及夹头螺母两种状态下的谐振频率分别为17.41 kHz、18.71kHz,与仿真结果中模型的谐振频率18.4762 kHz和19.312 kHz,误差率分别为5.7636%和3.1428%;基于超声振子的谐振频率,对有夹头螺母及刀具状态下的超声振子振幅输出进行测量,结果表明:在100 V、140 V和200 V电压激励下振子输出的振幅与电压成正比,且在200 V电压激励时纵向振幅为2.016 um,可以满足旋转超声振动辅助铣削加工的要求,证实了纵振型超声振子设计的可行性,为纵振型超声振子模型的优化设计提供参考。设计纵振型超声振子的夹持装置、桥接盘和机床主轴连接装置,实现超声振子与机床主轴的连接;设计电能传输装置对纵振型超声振子进行供电;设计保护外壳、安装插销等装置,建立起旋转超声振动辅助铣削加工系统;依据该系统采用单因素实验法和正交试验法,研究了传统铣削下不同切削参数对C/SiC复合材料铣槽和铣

超声振动钻削声学系统的设计研究

超声振动钻削声学系统的设计研究 刘传绍 郑建新 赵 波 焦 锋 高国富 （焦作工学院机械工程系，河南焦作!"!### ）摘要：通过对超声振动钻削系统的理论分析，给出了不同的纵向振动圆锥形变幅杆设计公式，分析了面积系数与谐振长度、位移节点、极大值点、放大系数和形状因素之间的关系。用实例分析了几种变幅杆的不同点，并指出设计超声振动钻削声学系统时推荐采用复合变幅杆。 关键词：超声振动钻削；圆锥形变幅杆；参数设计在探索加工复合材料和超硬材料等难加工材料时，超声振动钻削由于其特殊的切削机理引起诸多 专家学者的重视。研究表明［$］，选择合适的振动参 数（振动频率和振幅）、进给量和主轴转速等参数，能明显提高钻削定位精度、尺寸精度和圆度，减少出口毛刺、降低孔的表面粗糙度值、切削力及切削温度，延长钻头的使用寿命等。 振动钻削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。振动系统一般需要满足的条件是：刀 收稿日期：%##%&$$&#’ 具装到变幅杆上以后，必须能和换能器的振动频率产生共振；刀具和变幅杆之间拆卸方便；振动系统的振动节点位置清晰准确，能在这个位置上把振动系统固定在刀架上，且该系统的振动频率在加工过程中保持不变。典型的振动钻削装置的声学系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和刀具等。设计的关键是使超声发生器、换能器、变幅杆和刀具能组成一个机械谐振系统，从而使刀具能产生最大的振幅。由于发生器和换能器一般都由专业生产厂家设计制造，故一般只需考虑变幅杆的设计以及变幅杆与刀 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 具的连接问题。 行度不低于#(#"))，平面度不低于#(#%))。考虑到一套模芯需一套垫板，故要制造多套垫板。 !("压板夹紧机构 压板利用不等臂杠杆的扩力作用，扩大了对垫板的压紧力。 （$ ）压板的销轴考虑到销轴表面须耐磨，而芯部需具韧性，故选用!#*+进行渗碳淬火。销轴与压板之间采用,-／.’间隙配合， 间隙小，但能容纳一定的润滑油。销轴直径选择在保证强度的前提下，尽可能小。 （% ）压板压板的设计既要满足强度、刚度要求，又力求外型美观。其形状如图!所示。 图!压板外形 对压杆设计的关键是!面与水平面的夹角，它既与凸轮的尺寸有关，也与夹压面"所处的位置有关。当"面与垫板接触时，!面对凸轮的作用应使凸轮产生逆时针方向回转力，从而保证凸轮自锁。 （/ ）凸轮按照阿基米德螺线凸轮的作法设计凸轮。（! ）凸轮轴凸轮轴在工作中受弯扭矩组合作用，选用!#0+材料，调质处理。 （" ）伸缩式定位销为了确保活动定位销伸缩可靠自如，并能长期使用，应选用齿轮齿条机构。制造装配时保证活动定位销、齿轮轴均与模座成,-／.’间隙配合。由于该齿轮齿条机构只在更换模芯时工作，故齿轮的轴向无须精确定位，只须靠其端面粗略限位。参考文献： ［$］龚定安(机床夹具设计(西安：西安交通大学出版社，$11% ［%］许发樾(模具标准应用手册(北京：机械工业出版社，$11!［/］成大先(械设计手册(北京：化学工业出版社，$11/ — !!—《电加工与模具》%##/年第%期 设计? 研究 万方数据

超声波加工论文

超声波加工 摘要：超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；

4第四章 机械振动

- 81 - 第二篇振动与波 振动和波动是物质的基本运动形式。 在力学中有机械振动和机械波 在电学中有电磁振荡和电磁波 声是一种机械波 光则是电磁波 量子力学又叫波动力学。 第四章 机械振动 教学时数：6学时 本章教学目标 了解简谐振动的动力学特征，掌握描述简谐振动的重要参量，理解简谐振动的运动学方程，知道弹簧振子的动能和势能随时间变化的规律；了解简谐振动的合成，掌握同方向、同频率谐振动的合成方法，能够求相关问题的合振动方程，了解同方向不同频率简谐振动的合成，了解阻尼振动、受迫振动、共振的含义。 教学方法：讲授法、讨论法等 教学重点：掌握同方向、同频率谐振动的合成方法，能够求相关问题的合振动方程 机械振动：物体在某固定位置附近的往复运动叫做机械振动，它是物体一种普遍的运动形式。例如活塞的往复运动、树叶在空气中的抖动、琴弦的振动、心脏的跳动等都是振动。 广义地说，任何一个物理量在某一量值附近随时间作周期性变化都可以叫做振动。例如交流电路中的电流、电压，振荡电路中的电场强度和磁场强度等均随时间

- 82 - 作周期性的变化，因此都可以称为振动。 §4—1 简谐振动的动力学特征 简谐振动是振动中最基本最简单的振动形式，任何一个复杂的振动都可以看成是若干个或是无限多个谐振动的合成。 定义：一个作往复运动的物体，如果其偏离平衡位置的位移z(或角位移口)随时间f 按余弦(或正弦)规律变化，即 x = A cos(ωt + φ0) 则这种振动称之为简谐振动。 研究表明，作简谐振动的物体(或系统)，尽管描述它们偏离平衡位置位移的物理量可以千差万别，但描述它们动力学特征的运动微分方程则完全相同。 一、弹簧振子模型 将轻弹簧(质量可忽略不计)一端固定，另一端与质量为m 的物体相连，若该系统在振动过程中，弹簧的形变较小(即形变弹簧作用于物体的力总是满足胡克定律)，那么，这样的弹簧——物体系统称为弹簧振子。 如图所示，将弹簧振子水平放置，使振子在水平光滑支撑面上振动。以弹簧处于自然状态(弹簧既未伸长也未压缩的状态)的稳定平衡位置为坐标原点，当振子偏离平衡位置的位移为x 时，其受到的弹力作用为 F= - kx 式中k 为弹簧的劲度系数，负号表示弹力的方向与振子的位移方向相反。即振子在运动过程中受到的力总是指向平衡位置，且力的大小与振子 偏离平衡位置的位移成正比，这种力就称之为线性回复力。 如果不计阻力(如振子与支撑面的摩擦力，在空气中运动时受到的介质阻力及其 2=-x d m kx

超声振动切削加工

超声振动切削加工的研究现状及进展 摘要：简述了超声振动切削技术的发展、优点及应用领域。通过将超声振动切削与普通切削比较以及对振动切削过程特点的描述，探讨了超声振动切削的切削机理。文章还分析了振动切削技术的最新发展, 认为超声振动切削是一项有发展前途的新型技术。 关键词：超声振动切削；难加工材料：切削机理 Research of vibration assisted turning cutting technology and

Its development Abstract：Introduces the history, advantages and application field of the ultrasonic cutting technology(UCT). By compared with ordinary cutting and the characteristics description of the ultrasonic vibration cutting process, explored Ultrasonic vibration cutting of the cutting mechanism. The paper also analyzes an up- to- date vibrating cutting technology and summarizes that the ultrasonic vibration cutting is a promising new technology. Key Words: Ultrasonically vibrating cutting; Difficult - to - machine materials; Cutting Mechanism 0 前言 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。在20 世纪60 年代，日本隈部淳一郎先生就对该项技术做了大量的研究工作。

超声波振动切削原理

超声波振动切削原理 一、超声波振动切削原理 超声振动切削，是使刀具以20-40KHz的频率，沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削，在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，一个振动周期内绝大部分时间里刀具与工件切屑完全分离，刀具与工件切屑断续接触，切削热量大大减少，并且没有普通切削时的“让刀”现象。?利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。与高速硬切削相比，不需要过高的机床刚性，并且不破坏工件表面组织，在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。 超声波振动切削用于各种难以磨削而对表面质量及精度要求较高的零件的精加工，具有很大的优越性。超声波振动切削装置由超声波发生器、换能器、变幅杆及刀具等四部分组成，由超声波发生器发出的高频电讯号经换能器转化为高频机械振动，再由变幅杆将振动的振幅放大并施加到道具上，一般将换能器与变幅杆组成的部件称为声学头。 二、超声振动切削的优势特点 1.切削力小，约为普通刀具切削力的1/3—1/10； 2.加工精度高； 3.切削温度低，工件保持室温状态； 4.不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺； 5.粗糙度低，可接近理论粗糙度值； 6.被加工零件的“刚性化”，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高；

7.加工过程稳定，有效消除颤振； 8.切削液的冷却，润滑作用提高； 9.刀具耐用度呈几倍到几十倍提高； 10.工件表面呈压应力状态，耐磨性、耐腐蚀性提高； 11.切削后的工件表面呈彩虹效果。 三、超声振动切削的应用范围 (一)难切削材料的加工 不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料，由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振动切削则可化难为易。 （二）难加工零件的切削加工 如易弯曲变形的细长轴类零件、小径深孔、薄壁零件、薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件。 (三)高精度、高表面质量工件的切削加工 (四)排屑、断屑比较困难的切削加工 四、超声振动切屑的应用领域 广泛应用于航空、航天、军工等领域。

超声振动钻床的设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告题目：超声振动钻床的设计 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造与自动化 学生： XXX 学号： 0

开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。 2．开题报告容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。 4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告 1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。 文献综述 引言 1 超声振动系统的研究进展及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电瓷片产生“纵-弯”型复合振动。 日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。 东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。 航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声波

简谐振动的运动学

简谐振动的运动学 本节主要讲解：根据简谐振动的动力学方程求其运动学方程，并讨论简谐运动的运动学特征。 一 . 简谐振动的运动学方程 方程的解为：⑴ ⑴式就是简谐振动的运动学方程，该式又是周期函数，故简谐振动是围绕平衡位置的周期运动。 二 . 描述简谐振动的物理量 1 . 周期（T ） 完成一次全振动所用的时间： 对弹簧振子： 2. 频率（） 单位时间内完成的全振动的次数： 的含义：个单位时间内完成的全振动的次数，即圆频率。 3. 振幅

物体离开平衡位置的最大位移。 振幅可以由初始条件决定。如：t=0 时刻，， 由⑴式可得：, ∴⑵ 4. 位相和初位相 振动系统的状态指：任意瞬时的位移和速度。但仅知振幅频率还不够，还须知道 才能完全决定系统的运动状态。 叫简谐振动的相位。 当时，叫初相位。 由：⑶ 若：已知初始条件：，则⑶式有： ⑷ ⑸ ⑷，⑸式中的任意二个即可确定初位相。 相位差：两振动相位之差。 讨论：

⑴若 是 的整数倍，则振动同相位； ⑵若 是 奇数倍，则振动相位相反； ⑶若 ，则称 超前 ； ⑷若 ，则称 落后 。 相位差的不同，表明二振动有不同程度的参差错落，振动步调不同。 例 1 ：一弹簧振子， 时， 求振动的初位相 。 解 ： ∴ 在第一象限， 例 2 ：讨论振动的位移，速度和加速度之间的关系。 解 ： 设： ， 则：

所以：速度的位相比位移的位相超前 加速度的位相比速度的位相超前； 加速度的位相比位移的位相超前。 理解：加速度对时间的积累才获得速度，速度对时间的积累获得位移。 总结： ⑴简谐振动是周期性运动； ⑵简谐振动各瞬时的运动状态由振幅 A 频率及初相位决定，或者说，由振幅和相位决定。 ⑶简谐振动的频率是由振动系统本身固有性质决定的，而振幅和初相位不仅决定于系统本身性质，而且取决于初始条件。 三 . 简谐振动的图象：图线 描述：质点在各个时刻的偏离平衡位置的位移。 中学里经常做正弦、余弦函数的图象，故不再多讲，请看书。 四 . 简谐振动的矢量表示法： 用旋转矢量的投影表示简谐振动。 如图示：

超声加工技术的研究现状及其发展趋势

超声加工技术的概况及其未来发展趋势分析 摘要：结合了近年来超声加工技术的发展情况，综述了超声振动系统的研究发展和超声加工技术在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。 关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切 Abstract:Based on the up to date of the development of ultrasonic machining technology, review the research and development of ultrasonic vibration system and ultrasonic machining deep hole processing technology, drawing mold and cavity mold polishing, machining difficult materials, the ultrasonic vibration cutting, ultrasonic compound in processing and other aspects of the latest applications, and describes the ultrasonic machining technology trends. Key words:ultrasonic machining; ultrasonic vibration system; ultrasonic composite processing; micro ultrasonic machining; ultrasonic vibration cutting 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。 超声加工原理图 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。 1 超声振动系统的研究概况及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。