旋轉式超聲波加工邊幅桿的動態分析及機床設計

牟賦 邵天入 謝鋒

摘要：超聲波技術是從20世紀才逐步發展起來的一種特種加工方法，

超聲波加工是給工具施加超聲振動進行加工工具的特種加工方法。組成超聲波加工系統的有超聲波發生器、換能器、傳振桿、變幅桿、等器件。超聲波發生器功能是把電信號變成電振蕩信號來達到加工要求；換能器是把電振蕩信號變成成機械振動來加工工件；邊幅桿是把換能器的振動變大或者速度變大用于加工。

關鍵詞：旋轉式超聲波；變幅桿

人類能夠聽到的聲波頻率大致為1616000Hz范圍之間。我們把高于2000OHz的稱為超聲波。由于人類靠本生的聽覺聽不到超聲，所以對于超聲研究比較少。因為超聲波加工技術具有許多別的加工沒有的獨到的優勢，這樣便使的超聲波的應用得到了十分廣泛的推廣，并且在不久的將來會擁有更加廣闊的發展前景，所以超聲波這門學科值得我們去研究探討。

一、設計總體方案

（一）加工頭設計

超聲波換能器一直是超聲波加工的核心部件之一，他就是把點信號通過換能轉化為機械振動來加工工件的，換能器的研究一直是超聲波加工技術的研究難題，因為換能器的好壞直接決定了加工的效率，所以我們要特別關注。

換能器的研究與生產也是劃時代的，菜超聲波加工技術剛開始的研究階段我們設計的換能器是磁致伸縮換能器，磁致伸縮換能器使用的材料一般是一些是具有磁致伸縮性能的材料，隨著研究的深入科學家發現了一種更好的換能器，他就是壓電換能器，壓電式換能器使用的材料是非鐵型壓電晶體等材料。而我們的設計使用的是壓電換能器。通過閱讀資料我了解到邊幅桿的種類比較多，而我選擇了圓錐形邊幅桿來設計。

（二）工作臺的設計

超聲波加工技術和別的技術有不同也有相同，我們的工作臺就可以與銑床的類似，我們可以使用伺服電機驅動并使用滾珠絲杠將回轉運動轉為直線運動。

二、機械結構設計

（一）超聲波換能器設計

超聲波換能器的設計是超聲波加工機床的基礎設計，因為超聲波換能器的作用就是將電信號轉換為可以用于加工的機械振動，超聲波換能器在最早出現在美國，我國的超聲波換能器的制作并不是很先進，由于學校實驗室制作超聲波換能器的材料及設備不足，經過和老師的探討與實地考察我們選擇了柱形15KHZ的壓電式換能器。

（二）超聲波變幅桿的設計

超聲波變幅桿的作用：超聲波變幅桿的功能就是改變幅度，通過邊幅桿改變振幅來達到加工工件的要求，查閱圖書館資料我得知超聲換能器發出的振幅一般為4～10um，但往往需要達到10～100um來達到加工要求，我們可以通過在換能器下方安裝變幅桿來達到加工要求。我們選擇圓錐形變幅桿，雖然它的功效比較低，但由于它制造較簡單價格便宜，因此選圓錐形變幅桿。

（三）傳振桿的設計

傳振桿的作用就是連接換能器和變幅桿，超聲波的研究工作一直在進行可是科學家一直沒有對傳振桿有投入研究，知道21世紀，人們開始意識到傳振桿的出現可以節約換能器和邊幅桿的磨損，這才開始加大力度開始對它的研究，它的設計以及制作就是為了變幅桿方便的連接在換能器上面，防止多次安裝變幅桿對換能器的損耗，以達到保護環能器的作用。

我設計的傳振桿的直徑和換能器的直徑一樣，這樣做是為了方便安裝，長度為半波長，即：

（四）進給機構設計

由于工作頭和工作臺的進給分辨率都是0.005mm，并且他們都是靠滾珠絲桿來運動的，我們為了方便計算，因此把它們放在一起考慮。

通過所學知識我們知道將伺服電機的旋轉運動變為直線運動是滾珠絲杠的功能所在。滾珠絲桿的螺桿與螺母間的軌道間放置內有鋼球是滾珠絲杠傳動優點所在相比于其他傳動，這樣做就可以很大程度的減小了摩擦，防止了對滾珠絲桿的磨，并且很大的提高效率和精度。

（五）工作頭升降機構設計

為了擴大機床的加工范圍，以適應不同尺寸工件，并提高工作效率。

本設計利用的螺旋絲杠，是采用伺服電動機帶動螺旋絲杠從而帶動工作頭升降使工作頭

分別計算他們的轉動慣量如下：

變幅桿的轉動慣量J1

變幅桿的質量分兩部分：一個是圓柱形的，一個是圓錐形的。

三、結論

通過與我們所學課程的結合運用，以及對前輩學者研究的成果的研讀和實驗室成品的調研，確定了旋轉式超聲波加床的整體設計方案，并且根據設計要求，多方面考察與計算了機床所需要的器材，最后通過CAD繪制了出來。1）在了解了電動機原理的基礎上了，我結合實際情況，選擇了三相異步電機來帶動加工頭做旋轉運動。2）在了解了伺服電機的運動基礎上，我參考了銑床的工作臺并結合了機床需要的尺寸和實際情況，設計了機床的X.Y工作臺。3）在我們充分的了解了螺旋絲桿的運動原理，結合了升降的功能以后，我們設計了立柱。

參考文獻：

[1]戴向國.旋轉超聲加工的機床的研究.中國機械工程，2003，4.