济南大学泉城学院
毕 业 设 计
题 目 小型超声振动加工设备设计
专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设07Q3 学 生 孙启超 学 号 20073006092 指导教师 赵洪华
二〇一 一 年 四 月 十 日
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1前 言
1.1小型超声加工设备的选题背景及意义
随着科技的不断发展，硬脆材料，例如聚晶粒金刚石、工程陶瓷、硬质合金等由于具有良好的机械性能而在现代工业、国防科技等领域内得到了广泛的应用。但是，材料本身固有的硬脆特性使其加工性能变差，至今还没有形成一套较为成熟、实用的加工方法体系，这在一定程度上限制了硬脆材料在许多领域的应用[1]。
另外，随着科技的发展，虽然传统的加工制造技术自身得到了长足的发展并与其它技术不断的融合。众多研究人员对以往很难加工的硬脆，超硬脆材料的加工进行了大量的研究工作，并取得了一定的成就[2]。但是，在实际的加工中，超声加工、电火花加工等特种加工方法仍然是硬脆材料的主要加工方式。
经过半个多世纪的研究与发展，特种加工技术已经成为制造领域不可缺少的重要组成部分。其中，超声波加工和电火花加工方法已经比较成熟，也是目前应用最广泛的特种加工方法。据统计，目前电火花加工机床已经占机床市场的6%。近年来许多学者充分利用电火花加工、超声波加工等加工方法的优点，将两种或多种加工方法融合，在加工过程中使其互为有利条件来改善加工状态，提高材料去除率。同时，新工艺、新概念不断充实到特种加工技术中，为特种加工的发展注入了新的活力，促使特种加工向精密、高效、智能方向发展。
目前，现有的加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要，特别是加工成本过高，阻碍了新材料及复杂零件的推广。因此，超硬脆材料加工技术的研究与先进加工设备的开发，具有十分明显的经济意义和社会意义。于是，整合超声加工、放电加工和传统磨削加工优点的超声复合加工设备的研究应运而生。 1.2国内外超声加工技术发展概况和前景
超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的锤击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，在英语中称为（Ultrasonic machining）。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。
原苏联的超声加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表了很多有价值的论文。在超声切削、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。
我国的超声加工技术始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削研究，
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1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声波研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声仪器厂研制成功超声波拉管设备。20世纪末到本世纪初的几十年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模、型腔模具、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、玛瑙、玉石、花岗岩、大理石、淬火刚、模具钢、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。
将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原有加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。
罗马尼亚的学者对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究，建立了电极在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。该研究直接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能[3]。
法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度,并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的面积增大。
北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进行研究。于1987年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。
山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究，并对工程陶瓷进行了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特性。结果表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于普通电火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普通电火花加工。
南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究，它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件越薄对排屑就越有利，加工速度提高的越快。南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。
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目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景[5]。
随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。超声波加工技术发展及其取得的应用成果是可喜的，展望未来超声振动对改善硬脆材料的加工性问题有一定的指导意义。未来发展方向应重点解决超声波加工在微机械加工中的应用问题，尽量设计出加工精度高，可靠性高，生产成本低的超声加工设备。 1.3本课题的主要设计任务及参数
本课题的主要设计任务是设计本台小型超声振动加工设备的床身、主轴振动系统、进给系统等。具体是：完成超声振动加工设备的总体方案；确定各系统的功能；进行超声振动加工设备的主轴头振动系统、主轴的进给执行机构和旋转加工机构进行详细的设计和计算；绘制总装配图和重要零件的二维图；设备总体的三维造型。本课题的主要设计参数如下：
导轨的有效行程：300mm ； 工具头振幅：10?m；
工作台有效行程200?200mm。
2超声振动复合加工中的加工原理及特点
2.1超声振动加工的原理
超声加工的工作原理是：由超声发生器产生高频电振荡(一般为16～25千赫)，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地锤击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。总之，超声波加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。其中，磨粒的撞击作用是主要的。由此可见，脆硬的材料，越受冲击作用越容易被破坏，故尤其适于超声加工。所谓“空化”作用：是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体中形成很多微腔，当工具以很大加
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