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手持式超声振动切割机的机构设计I小型超声切割机的结构设计[摘要]在陶瓷的应用中，超声加工和普通机械加工相比有很多的优势。导体和绝缘体材料都可以被加工，同时加工复杂的三维立体外形可以像加工简单的外形一样快速。再者，这种工艺不会在工件的表面产生热变形和化学的反应，同时作用在工件表面的浅的压应力能增加被加工部分的受力强度。本论文利用超声加工适合加工各种脆性材料且切削应力、切削热很小的有点，在传统的切割机上嵌入一个超声振动系统，进行超声振动系统的结构设计，结合小型超声切割机的传动部分结构设计，设计小型超声切割机。旋转超声加工的这个或者其他的优势，让这种加工方法在将来玻璃和陶瓷工业应用中持续增加欢迎度。[关键词]超声加工；超声振动系统；换能器；变幅杆；切割机手持式超声振动切割机的机构设计IIDesignofthesmallultrasoniccuttingmachine’sstructure[Abstract]Inceramicapplications,USMprovidesanumberofadvantagescomparedtoconventionalmachiningtechniques.Bothconductiveandnonconductivematerialscanbemachined,andcomplexthree-dimensionalcontourscanbemachinedasquicklyassimpleshapes.Additionally,theprocessdoesnotproduceaheat-affectedzoneorcauseanychemical/electricalalterationsontheworkpiecesurface,andashallow,compressiveresidualstressgeneratedontheworkpiecesurfacecanincreasethehigh-cyclefatiguestrengthofthemachinedpart.Thepurposeofthissubjectistothefragileissueofthetile,thinpartsinthetraditionalcuttingmachinetocut.Usingultrasonicmachingwhichsuitableforprocessingavarietyofbrittlematerialswithsmallcuttingstressandcuttingheat,embeddedinaconventionalcuttingmachineultrasonicvibrationsystem,conductasmallpartofultrasoniccuttingmachinetransmissionstructuredesign,makethestructuraldesignofthesystem.WiththisandotheradvancesinRUM,itislikelythatthismachiningmethodwillcontinuetogainpopularityforglassandceramicapplicationsinthenearfuture.[Keyword]:UltrasonicMachining;Ultrasonicvibrationsystem;Transducer;Horn;Cuttingmachine手持式超声振动切割机的机构设计III目录1引言--------------------------------------------------------------11.1课题背景及选题意义--------------------------------------------11.2目前国内外超声加工的发展情况----------------------------------21.3超声加工的优点------------------------------------------------41.4本课题的主要研究工作------------------------------------------52小型超声切割机的整体设计方案--------------------------------------62.1小型超声切割机的整体设计方案的拟定----------------------------62.2传动系统结构的拟定--------------------------------------------62.3超声振动系统方案的拟定----------------------------------------82.3.1换能器的拟定----------------------------------------------82.3.2变幅杆的拟定---------------------------------------------102.4总体方案的确定-----------------------------------------------103超声振动系统的结构设计-------------------------------------------113.1超声振动系统--------------------------------------------------113.2换能器的设计-------------------------------------------------123.3变幅杆的设计-------------------------------------------------153.3.1变幅杆材料的选择-----------------------------------------163.3.2四分之一波长变幅杆的设计---------------------------------164部分零件的强度校核-----------------------------------------------204.1键的校核-----------------------------------------------------204.2轴的校核-----------------------------------------------------205小型超声切割机的整体装配-----------------------------------------225.1动力系统结构-------------------------------------------------225.2传动系统结构-------------------------------------------------245.3超声振动系统结构---------------------------------------------275.4小型超声切割机的整体装配-------------------------------------27手持式超声振动切割机的机构设计IV6结束语-----------------------------------------------------------297致谢-------------------------------------------------------------308参考文献---------------------------------------------------------31手持式超声振动切割机的机构设计11引言1.1课题背景及选题意义小型切割机是日常生活乃至工程建设中非常便捷的切割加工工具，传统的小型切割机在切割瓷砖，超薄零件时，由于瓷砖是脆性材料，当传统切割机在切割的时候，经常出现瓷砖会碎掉，这样一来会造成了成品率不高，同时也造成了浪费，甚至出现大量的固体污染，特殊垃圾；对超薄零件而言，和脆性材料一样，由于薄这个特殊原因，导致了加工的时候也容易碎掉，另外，超薄零件对于切削应力，切削热是非常敏感的，容易产生热变形，特别是对于精度要求高的零件，考虑热变形是重中之重，而如果在加上低刚度的条件的话，那么传统切割机在加工的时候，成品率就更加低了，浪费和造成的垃圾就更加严重了[8]。现在这个高速发展的社会，和谐可持续发展是一个重要的理念，低碳节能是去昂乃至世界现在提倡的一种理念，所以这样的浪费是不予提倡的，也会是未来需要改进的方向。针对这一问题，就必须要求有新型的切割工具来切割瓷砖，超薄零件，是在加工这些零件的时候，保证交给你的质量和精度，提高成品率，减少浪费和污染，实现节约和低碳经济。在新型加工方面，前沿的超声加工[2]引人注目，也令人可喜，试想如果将小型切割机和超声加工结合在一起，利用超声加工的特点和切割机的切割特性，就能诞生新型的切割机，即小型超声切割机。而这样的切割机便能解决切割瓷砖易碎、切割超薄零件易碎易热变形的问题。同时超声加工又是良好的环保的能源，这样的环保的新型的工具在这方面的利用将是新的一个里程碑，也将促进我国的超声加工业的发展，为我国在新兴工业增长点奠定又一个良好的基础。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。日本隈部淳一郎先生在20世纪60年代对超声振动切削技术完成了大量开创性工作,他的实验表明,在刀具施加一定频率和振幅的超声波振动,可以改变传统金属切削的切削性质,改善切削效果,他把该技术称之为振动切削手持式超声振动切割机的机构设计2(vibrationpulsecutting)。到目前为止,英、美、苏、德、日、中等国家己对超声振动加工设备的研制以及工艺方法作了一些研究，但是大规模的将超声振动技术投入到实际加工中还存在这不少需要攻克的技术难题：1.切削效率的问题2.超声波发生系统的问题3.超声切削刀具装置本课题要求学生以普通手持式切割机结构的基础，设计添加一超声振动系统，以实现超声振动切割加工，提高工件加工的质量和效率，体积不大，成本不高，符合市场需求，同时力求新颖的结构设计能够让工人操作起来方便，安全。1.2目前国内外超声加工的发展情况超声加工是利用超声振动的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，或给工具或工件沿着一定方向施加超声频振动进行振动加工，或者利用超生振动使工件相互结合的加工方法。超声加工系统由超声波发生器，换能器，变幅杆，振动传递系统，工具，工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将220V或者380V的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器[13]的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量和工件作用，进行加工。超声加工技术是超声学的一个重要分支。超声加工技术是伴随着超声学的发展而逐渐发展的。早在1830年，为探讨人耳究竟能听到多高的频率，F.Savrt曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.4万赫兹的超声波，1876年加尔顿的气哨实验产生的超声波的频率达到了3万赫兹，后改用氢气时，其频率达到了8万赫兹。这些实验使人们开始对超声波的性质有了一定的认识。对超声学的诞生起重大推进作用的是1912年豪华客轮泰坦尼克号在首航中碰撞冰山后沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测冰手持式超声振动切割机的机构设计3山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦查德国潜艇的紧张研究1927年，美国物理学家伍德（R.W.Wood）和卢米斯（A.E.Loomis）最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。1951年，美国的科恩制成了第一台实用的超声加工机，并引起广泛关注，为超声加工技术的发展奠定了基