旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究.docx
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旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究
太原理工大学
硕士学位论文
旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究
姓名：
杨志斌
申请学位级别：
硕士
专业：
机械制造及其自动化
指导教师：
轧刚
20080501
太原理jI．．大学硕士研究生学位论文
旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究
摘要
随着科学技术的发展，各种高性能的陶瓷材料不断涌现。
由于陶瓷材
料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，在机械、电子、航
空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。
但由于其硬度和脆性高，难以加
工，应用受到制造成本的限制。
超声加工己被证明是陶瓷、石英、金刚石、
半导体等硬脆性材料加工的有效方法。
传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大，加工精度和加工效率也不高，
因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。
研究表明，在
传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬
脆材料的一种有效方法，具有良好的发展前景。
超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成，其中的变
幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，它的主要作用是在其输出端：
睁换
能器输入的机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小
的面积上。
振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对加工过程中的材料去
除率有较大影响。
各种传统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。
指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低，降低了加工效率；阶梯形虽然有
比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数，但其直径突变引起过高的工
作应力，即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力，也要损失
较大的振幅放大比。
随着有限兀理沦的完善和相关应用软件的发展，通过
计算机育接进行变幅杆的设计成为可能。
本文以提高超声加T装置的效率为J斗J发点，设计并制造了旋转超声加
工振动装置；通过对变幅杆的研究，设计出具有大振幅比的新型超声变幅
杆。
主要研究内容有：
太原理I：
人学硕十研究生学位论文
1．选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加
工机床振动装置。
2．应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，求
出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。
3．基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析与优化设计模块对指数形、
圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，通过对比用两种方法分别设计出的变幅
杆，验证应用ANSYS有限元设计变幅杆的可靠性。
4．应用ANSYS，以三次样条曲线作为变幅杆轴向截面母线，通过对样
条曲线形状与变幅杆谐振长度的优化，设计出了一种与传统形状变幅杆相
比具有较大振幅放大比的新型变幅杆。
5．通过加工实验，检验振动系统运行的可靠性。
测量新型变幅杆的谐
振频率、节点位置、振幅放大比等参数，检验新型变幅杆的性能。
关键词：
旋转超声加工，变幅杆，ANSYS软件，有限元法，优化设计
太原理I：
人学硕十研究生学位论文
DESlGN0FROTARYULTRASONICMACHINING
EQUIPMENTAND
RESEARCHONNEW
TYPEOFUIJRASONICHORN
ABSTRACT
Withthe
development
ofscienceand
technology，various
ceramicmaterial
withadvanced
performances
occurcontinuously．Becauseithasa
great
dealof
eximiousperformancesuchasthehigh
rigidity，high
thermal
resistance，abrasion
resistanceandcorrosionresistance，ceramicmaterialshasbeenwidely
applied
in
machinery，electronics，aerospace
andautomotiveindustriesetc．Butthe
high
rigidity
and
high
brittleness
leadthatitisdifficulttObe
manufactured，the
application
ofceramicsisrestricted
by
theCOStofmanufacture．Ithasbeen
proved
thattheultrasonic
machining
istheavailable
approach
tO
machining
the
rigidandfragile
materialsuchasceramics，quartz，diamondandsemiconductor．
Thetoolsoftraditionalultrasonic
machining
are
frayedlargely
andits
precision
and
efficiency
are
low,SO
new
machining
methodsaresearchedand
new
types
of
equipments
are
produced
athomeandabroad．Itisindicatedthat
the
rotary
ultrasonic
machiningwhich
makesuseofdiamondtoolandhasbeen
developed
basedonthetraditionalultrasonic
machining
isaneffective
way
to
1II
太原理I：
人学硕十研究生学位论文
machining
the
rigid
and
fragile
material．The
rotary
ultrasonic
machining
has
nicer
development
forefront．
Ultrasonic
machiningequipment
consistsofultrasonic
generator，
transducerandhorn．TheUltrasonichorn
plays
an
important
roleinultrasonic
machiningprocess．Its
mainfunctionistoamplifythe
velocity
and
amplitude
of
mechanicalvibrationfromtransduceratits
output
endortofocusultrasonic
vibratoryenergy
onasmall
area．Amplitude
ratioisan
importantperformance
parameter
ofanultrasonic
horn，and
ithasnotableinfluenceonthematerial
removalrateofworkpieces．Differentkindsofhornshaveitsown
advantages，
butnoneofthemisthebest．The
amplitude
ratioofthe
exponential
andthe
conicalhornarelow,whichreducesthe
machiningefficiency．Theamplitude
ratioofthe
stepped
hornis
higherthan
thatoftheexponentialandconicalhorn，
butthe
abruptchange
atdiameterleadsto
higherworking
stress．Evenifthe
conicalorroundtransition
is
adopted
toreduce
workingstress，theamplitude
ratiowillbelost．Withthe
improvement
offiniteelementmethodandthe
development
ofcorrelated
application
software，it
is
possible
to
design
ultrasonichornthrough
computer．
Inthispaper，fromtheviewpointofenhancingtheefficiencyofultrasonic
machiningequipment，the
vibratingsystem
of
rotary
ultrasonic
machining
equipment
wasdesignedandmanufactured．Throughtheresearch
onultrasonic
horn，anewtypeof
ultrasonichornwith
largeamplitude
ratiowas
designed．The
maincontentsareasfollows：
IV
太原理I=人学硕十研究生学位论文
1．Theultrasonic
generator
with
largepower
and
piezoelectric
transducer
wereadopted，andultrasonicvibrationsystemwasdesignedandmanufactured．
2．Exponential，conical
and
stepped
hornsweredesigned
byusing
the
analytical
methodbasedonultrasonic
theory，and
theresonancelength，standing
nodeandamplitudeamplificationratioofthesehornswereobtained．
3．Basedonmodel
analysis，harmonicresponseanalysis
and
optimum
design
of
ANSYS，exponential，conical
and
stepped
hornswere
designed．
Comparing
theresults
using
thetwodifferent
ways
ofhorn
design，the
validity
ofANSYSis
proved．
4．Throughapplying
ANSYSand
taking
thethrice
spline
curveasthe
generatrix
ofaxialdirectionsectionofultrasonichorn，the
shape
andresonance
length
ofthehornare
optimizedsimultaneously，and
anew
type
ofultrasonic
hornwith
largeamplitude
ratiowas
designed．
5．The
reliability
ofvibrationsystemwasprovedby
experimental
research．
The
parameters
suchas
resonance
frequency，location
of
standing
nodeand
amplitudeamplification
ratioetcweretestedinordertoevaluate
the
performance
ofnewultrasonichorn．
KEYWORDS：
rotaryultrasonicmachining，ultrasonichorn，ANSYSsoftware，
finiteelementmethod，optimal
design
V
声，尸明
一
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，
独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文
不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究
做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的
法律责任由本人承担。
论文作者签名：
楹耋：
盛
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其
中包括：
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印
件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；
③学梭可允许学位论文被查阅或借阅；’④学校可以学术交流为目的，
复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内
容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
：
签名：
：
盘：
查趁日期：
竺鲨：
兰：
盟
导师签名：
p
m
日期：
08．g．弓口
太原理L人学硕士研究生学位论文
1．1选题的目的与意义
第一章绪论
超声加工是一种重要的特种加工方法，其加工分为磨料冲击超声加工、超声磨削、
超声车削、钻孔与镗孔、超声抛光、超声喷丸、超声清洗、超声焊接等111。
本文研究的
超声加工装置主要针对的是磨料冲击超声加工（以下简称超声加工）。
传统的磨料冲击超声加工是利用加工工具作超声振动，并通过磨料冲击被加工工件
表曲来砰除材料，加工材料一般为工程陶瓷与玻璃。
在传统超声加工的基础上发展的旋
转式超声加工是将旋转运动叠加在作超声振动的工具上，工具是由在钢表面电镀立方氮
化硼磨料（或余刚石）或由金属粉末和立方氮化硼磨料（或金刚石）高温烧结而成。
在加工
过程中，工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒去除，
不需要加入磨料悬浮液，只需用水来带走被加工材料的微粒并且对工具进行冷却。
实践
证明旋转超声加工与传统超声加工相比，具有加T精度高、加工效率高、可以加工深孔
等优点【2l。
各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加丁装置都主要L【j超声波发生器、换
能器和变幅杆组成。
超声波发生器的作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给工
具端面往复振动和去除工件材料的能量。
换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振
动，将电能转变为机械能。
变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，其丰要作用是在
其输出j南耳每换i邑器输入的机械振动的质点位移或速度放火，并且将超声能量集中在较小
的面积上。
振幅放大比是变幅杆的重要性能参数。
变幅杆的形状与材料对于振幅放大比
有较大影响，研究表明变幅杆输出端的振幅存一定范围内越大，工具对材料的去除率就
越大II_2】。
由此可见设计出具有大振幅比的变幅卡T对于提高材料的去除率，提高超声加
工装置的效率具有重大意义。
本文以提高超声加工装置效率为目的，设计行制造了旋转超声加工振动装置；通过
对变幅卡T的研究，基于ANSYS自限元软件完成了具自人振幅比的新型史幅卡『的设计。
太原理I：
人。
学硕十研究生学位论文
1．2课题的国内外研究动态
1．2．1超声振动系统及加工机床的研究进展
超声振动系统主要由换能器、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、设计计算、及其应用研究都取得了新的进展。
R本成功研制成一种新型“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【31。
该系统压电换能器采用半圆形压电陶瓷，上下各两片，组成上下两
个半圆形压电换能器（压电振子），产生“纵——弯”型复合振动，其特点是小型化，结
构简单，刚性增强。
同本会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
14】。
该设备将会刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，并能检测钻孔力的变
化以及钻孔精度,TD孑L的表面质量。
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。
我国东南大学研制了一种新型超声振动切削系统【5】。
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。
该装置的特点足：
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。
沈阳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，扭转变
幅杆作纵向振动时在扭转变幅杆的小端输出沿圆周方向的扭转振动16】。
镗刀与扭转变幅
卡T之问采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率500W，频率为16～23kHz，具有频率自动跟
踪件能。
西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置p】。
该
装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换
能嚣采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系
统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。
该磨削装置工具头旋转精度由内圆
磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适
2
太原理．I：
人!
学硕十研究生：
学位论文
合予在生产中应用。
清华大学已经开发了完全数控化的旋转超声加工机床，以工控PC为硬件基础，其数
控系统由Z轴进给控制、旋转电机控制、自动频率跟踪控制等功能模块组成。
近年来日本研制生产了多种超声加工机床，如：
UM一50VNR2型超声加工机床，是
微小孔的专用超声加工机床。
采用数控系统，自动化程度高，加工孔的最小直径为
矽0．1mm，位置精度可达到+3声tm，操作简单，变幅杆和工具采用可拆卸式，更换工具容
易。
生产的UM500DA自动型超声加工机床适合加工直径为矽O．5mm～砂0．6ram的孔，
当加工完成后能自动回到原来位置，X、Y车ffl的进给精度为5工册，且磨料供给系统好，
深孔加工效率高。
UM—150B型超声加工机床主要用于成型研磨加工、精密细孔加工，
加工尺寸范围为矽O．1mm～矽0．2mm。
UM一300DAP自动吸引式超声加工机床适用于深孔
加工和对超硬合会等高硬度材料的加工。
有吸引式磨料供给装置，工具振幅大，且采用
中空形式，可迫使磨料不断循环，使参与加工的磨粒更新更快，故加工效率高（为常规
加工的2．5～4倍）【引。
一f灞贬j。
．；警
鐾豁渣赛
爹～罄攀墨警
名，甄
一伊
确髓
‘’渤缓遁凌
量，黏
霉‘雾“
蠡簧
图1—1超声铣床与超声打孔机
l-ig．I—J
lheultrasonicmJllingmachineandultrasonicdrillingmachine
图卜1
fa）为美圈奥泰公司生产的超声铣床，图l—l（b）为我国科林公司研制的超声
打孑L机，该打孔机。
台柳相当于如台以卜-．币针打孔机的1f／|；效率。
太原理J]入学硕士研究生学位论文
警，量￡■≤
图1—2超声加工中心
Fig．1—2
Theultrasonic
machining
centre
图l一2为在第八届中国国际机床展览会上，德国DMG公司展出的DMS35Ultrasonic
超声振动加工中心，该机床主轴转速3000～40000r／min，特别适合加工陶瓷、玻璃、
硅等硬脆材利，与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度R，，≤O．2,um，
可加工痧0．3ram精密4,-孑L。
1．2．2超声变幅杆及换能器的研究进展
超声变幅市丁是超声振动系统中的一个重要组成部分，它在振动系统中的主要作用是
把换能器产生的机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上，
即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器f91。
在超声加工应用中，辐射面的振动幅度
一般需要儿f‘剑几白微米，只有在换能器的端面连接超声变幅杆，才能将机械振动幅度
放大到符合的要求。
另外，超声变幅卡T还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载
之问进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。
第一次世界大战期间法国科学家P．Langevin发明的钢——石英——钢结构的夹心压
电换能器在低频大功率超声设备的应用上取得了重大进展。
20世纪40年代WP．Mason发
明了变幅杆，它与压电换能器连接而获得了高强度超声，丌创了功率超声在固体媒质中
的应用【10l。
50年代原苏联学者提出了悬链线型变幅fl-币n多级组合变幅孝1：
1¨l。
60年代
Eisner．E提出了描述变幅杆形状因数的概念，并发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯
型变幅杆，获得了高位移振幅1他1。
森荣司提出了振动方向变换器，刀二辟了用变幅杆件功
率合成方泣获得特人J：
J]4"--（50KW以上：
）超声的途径。
上[t?
多680年代森荣司等又提出央心
弯曲换能器结构⋯。
90年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构【¨】；随后又
4
太原理工人学硕士研究生学位论文
出现了弯曲振动变幅韦I：
【15-161和扭转振动变幅杆f"】，扩大了工业应用范围。
除了以上杆
件形状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能
器【18．19】；在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅杆件120】。
随着有限元理论的完善和
相关软件的发展，在变幅杆的设计上，埃及学者S．GAmin、M．H．M．Ahmed、H．A．Youssef
等用有限元对双锥面变幅杆进行分析，采用面单元进行，得出了不同端面处的应力值与
振幅值，为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方浏21】。
K．H．W．Seah、Y．S．Wong和L．c．
Lee等人用有限元方法分析了变幅杆的固有频率，在此基础上设计变幅杆的形状，使其
更接近固有频率‘221。
B．Dubus等人用有限元方法分析了高效压电式换能器的机械局限性
[-'31。
Y．S．Wong、W．K．H．Seah研究了圆截面或在一定范围内近似为圆截面的指数彤变幅
卡T的CNCJJn工【241。
我国于20世纪50年代以研究超声加工、清洗、焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进
而研究磁致伸缩换能器、压电换能器。
20世纪60年代以后集中研究夹心式压电换能器，
用等效网络建立了一维理论。
首先给出有力、电负载损耗时换能器的共振频率和等效表
达式。
提出决定换能器
升级会员 