学士学位论文--小型超声波钻床设计.doc

南 京 理 工 大 学
毕业设计说明书(论文)

作 者:

学 号：

教学点:
苏州市职业大学
专 业:
机电一体化
题 目:
小型超声波钻床设计

南 京 理 工 大 学
毕业设计（论文）评语

学生姓名： 王昌健 班级、学号： 054908221015
题 目： 小型超声波钻床设计
综合成绩：
指导者评语：

该生很好地完成了毕业设计任务书规定的工作，介绍了超声波的工作原理、河特点。重点分析超声波钻床的机械结构特点，对超声波钻床的变幅杆、换能器、床身结构尺寸进行分析研究，确定了超声波钻床的设计方案，绘制了超声波钻床主要部件的零件图和装配图。并通过试验验证了超声波钻床的加工特性和存在的设计缺陷。
毕业设计说明书、开题报告等文本内容写作规范，图纸表达基本符合工程图纸要求，整体来说符合毕业设计相关要求。
该生毕业设计整体来说完成的比较出色，但也有某些不足的地方，如在工程图纸表达上还存在尺寸标注不全、公差不合理等情况，这主要是因为平时缺乏相关工程项目开发的经验。
鉴于以上情况和该生毕业设计过程中良好表现，成绩评定为82分。允许提交答辩。

指导者(签字)：
年 月 日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：

对超声波加工的工作原理掌握透彻、超声波钻床的机械结构设计方案合理、结构尺寸分析计算准确，论文说明书、开题报告等文本内容写作规范，图纸表达基本符合工程图纸要求，整体来说符合毕业设计相关要求。

评阅者(签字)：
年 月 日
答辩委员会（小组）评语：

能准确介绍超声波加工的工作原理，对超声波钻床机械结构设计方案的介绍思路清晰，对超声波钻床的机械结构设计与强度分析计算原理运用准确，设计效果良好。对答辩组提出的问题回答准确，达到毕业设计要求。

答辩委员会（小组）负责人(签字)：
年 月 日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

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。
    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。
论文着重介绍了超声波加工系统基本组成和超声波加工的特点，如发生器、换能器、变幅杆和超声磨料加工等，并通过超声波加工中典型加工方式——超声波钻进行了实验、研究和分析，最终得出超声波加工的特点，对超声波加工的独特优点进行了很好论证。本文在上述目的基础上根据超声波钻的特点，构思并设计出超声钻床的钻台。本设计方案主要满足了结构简单、运动平稳、操作方便、能实现多个方向动作等要求，很好的满足了超声钻加工的进给与装夹。
展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。随着传统加工技术和高新技术的发展，超声波振切削加工技术应用日益广泛。人们越多把超声波加工与其他加工方式相结合，逐渐形成了多样的加工方法。超声波加工技术在现代工业、国防和高新技术等领域得到广泛应用。

关键词 超声加工 发生器 换能器 变幅杆

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Ultrasonic Machining Technology Status and Development Trend

Abstract
Ultrasonic machining tool is the use of ultrasonic vibration in a liquid abrasive or dry abrasive media produced in the impact of abrasive, polishing, and the resulting hydraulic impact of cavitation effects to remove the materials, or to the tool or the workpiece along a certain direction applied processing of ultrasonic vibration to vibration, or the use of ultrasonic vibration to the workpiece combination of processing methods.
For decades, the rapid development of technology, ultrasonic machining, the ultrasonic vibration system, deep hole processing, wire drawing die and cavity mold polishing, ultrasonic complex processing areas have a wider range of research and application, especially in areas of difficult materials many of the key technology to solve problems, and achieved good results.
Paper focuses on the basic components of ultrasonic machining and ultrasonic machining system characteristics, such as the generator, transducer, horn and ultrasonic abrasive machining, etc., and the typical ultrasonic machining process by way of - ultrasonic drilling experiments were carried out research and analysis, and finally obtained the characteristics of ultrasonic machining, ultrasonic machining of the unique merits of a good argument. The purpose of this paper, based on the basis of the characteristics of ultrasonic drilling, conceived and designed ultrasonic drilling rig. Mainly to meet the design simple, smooth motion, easy operation, can achieve more than the direction of movement, etc., well positioned to meet the progress of the ultrasonic drilling process to give clamping.
Looking ahead, prospects for ultrasonic machining technology is good. With the traditional processing techniques and high-tech development, ultrasonic vibration cutting technology is used widely. The more people the ultrasonic machining combined with other processing methods, and gradually formed a variety of processing methods. Ultrasonic machining technology in the modern industrial, defense and high-tech areas such as widely used

Key words Ultrasonic machining Generator Transducer Horn

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本科毕业设计说明书（论文） 第38页共45页

目次

1 绪论 0
2 超声波加工原理与系统组成简介 4
2.1超声波加工原理 4
2.2超声波加工系统组成 5
3 小型超声波钻床设计 13
3.1 超声波发生器的选用 13
3.2 超声波换能器的设计 13
3.3 变幅杆设计 14
3.4 钻床的机架设计 15
4 超声波钻实验论证 27
4.1 磨料冲击超声波加工介绍 27
4.2磨料冲击超声加工实验 29
结论 35
致谢 36
参考文献 37

1 绪论
超声波加工技术是高新加工技术之一，也是当今世界各国一个热门的话题。对于超声波技术的探究的人越来越多，更多的超声加工技术被应用于各种生产加工，已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用。
超声深孔加工的发展史
众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。
     前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国，利用工具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W，工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005 mm，圆柱度为0.02 mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。
     1996年，日本东京大学在超声加工机床上，利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直径为φ5μm的微孔。湘潭大学进行了内圆表面的超声光整强化研究。该方法是在钻孔后对孔进行精加工处理，通过机械——超声强化处理，在普通机床上达到精铰、研磨的精度，可实现机械化。初步实验结果表明，该方法加工效果显著，表面粗糙度值可大大降低，内圆表面形成有益的残余压应力，有较高的显微硬度，提高了工件的耐用度，同时内圆表面呈网状纹络，特别适合像轴瓦等表面贮油工件的精加工，并可大大降低生产成本。
     哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出φ>0.2 mm、且深径比<15的深小孔。
     兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超声振动磨削，进行了超声振动磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。
难加工材料的超加工
金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、
高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。
英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。
   美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。
   巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。
美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。
   山东大学研究开发了工程陶瓷小孔的超声振动脉冲放电加工技术，工具电极的超声振动引起脉冲放电，从而代替了传统电火花加工的专用脉冲发生器。另外，工具电极的超声振动还可以起到清洗缝隙的作用，并采用该技术对Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、Al2O3/TiB2/SiCw3种Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔进行加工，研究了其加工机理和加工参数对不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，该复合加工技术有效地结合了超声加工和放电加工的特点，能高效、高质量地加工陶瓷材料。
山东大学还利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。结果表明，材料去除率与大理石的力学性能有关，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，其去除率越低，加工精度越高。
    天津理工学院对大理石超声精密雕刻技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。该系统解决了大理石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水平跨上了新台阶。
    同济大学对超声加工建筑玻璃小孔的实验进行了研究，探讨了工具振动的振幅、频率、工件材料、进给压力、工作介质等主要加工参数对材料去除率的影响规律。结果表明，超声加工建筑玻璃小孔的精度、表面质量均可满足建筑安装、装潢的要求。该研究对其他玻璃材料的加工具有一定参考价值。
    北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。
    淮海工学院对烧结永磁体材料超声振动加工过程中的材料去除机理进行了理论研究。该研究指出，磨料颗粒的尺寸与加工效率有密切的关系，对实际生产具有一定的指导作用。
沈阳工业学院研究了采用电镀金刚石工具头对玛瑙进行钻孔的可行性以及加工参数与材料去除率的关系。研究表明，该方法不仅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同时，借助于SEM分析了该方法加工玛瑙的材料去除机理。
超声加工技术的发展趋势和未来展望
随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。
(1) 研制和采用新的刀具材料
在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。
(2) 研制和采用高效的振动切削系统
现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。
(3) 对振动切削机理深入研究
当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方面：① 在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成屑的。 ② 振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。 ③ 振动切削机理的微观研究及数学描述。
(4) 超声椭圆振动切削的研究与推广
超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。

此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高的小孔窄缝零件的清洗。可以推断，超声加工技术在世界汽车工业中将发挥越来越重要的作用。
     超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。

2 超声波加工原理与系统组成简介
2.1超声波加工原理

1、超声波发生器 2、换能器 3、变幅杆 4、工具头 5、磨料 6、工件
7、容器 8、泵 9、磨料供给管头 10、工作台 11、接触压力F
12、 工具头震动方向 13、震动位移振幅分布
图2-1 超声加工的基本加工装置
超声波加工技术中应用最广泛、最基本的加工方式是磨料冲击加工，因此下面以磨料冲击加工为例阐述超声加工的基本原理。
超声波加工的基本装置如图2-1所示。主要由超声波发生器、换能振动系统、磨料供给系统、加压系统和工作台等部分组成。换能器产生的超声振动由变幅杆将位移振幅放大后传输给工具头，工具头作纵向振动，其振动方向如图 2-1 b 中的箭头所示。这样，当工具头作纵向振动时，就冲击磨料颗粒，磨料颗粒又冲击加工表面，超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用。由于超声振动的加速度是非常大的，所以磨料颗粒的加速度（或冲击力）也是非常大的。无数磨料颗粒连续不断的冲击，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振动着的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，那只能使工件表面产生损伤，实际上材料并没有被去除。只有依靠切变应力才能将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起重要作用。
另外，磨料悬浮中的超声空化效应对加工也有很大的作用。超声加工常用的频率是从20kHz到40kHz，位移振幅在10~100μm之间。当频率一定时，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能过大，否则会使振动系统超出疲劳强度范围而损坏。同样，当位移振幅一定，而频率增高时，也可提高加工速度，但频率提高后，振动能量的损耗将增大。因此，一般多采用比较低的超声频率。
2.2超声波加工系统组成
超声波加工系统一般主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、以及一些辅助装置组成。如下我将主要部分作进一步介绍。
2.2.1超声波发生器
超声波发生器分模拟电路超声波发生器和数字电路超声波发生器，这里主要讲述模拟电路超声波发生器。其模拟电路超声波发生器组成如下图2-2所示。

图 2-2 震荡-放大型超声波发生器方框图

（1） 超声波震荡器
超声波震荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。它可以是一个独立的震荡器，也可以是一个反馈网络。习惯上，把前一种称为它激式超声波发生器，后一种则称为自激式超声波发生器。其震荡器的类型有：RC正弦波震荡器、LC正弦波震荡器、压控震荡器等。电路图如下图2-3所示。

图2-3 超声波震荡器的几种类型
（2）超声波放大器
超声波放大器的作用是将震荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。
①桥式功率放大器
桥式功率放大器可分成半桥式功率放大器和全桥式功率放大器两种形式。其工作原理图如下图2-4、图2-5所示。

图2-4半桥式功率放大器

图2-5全桥式功率放大器
(3) 匹配电路
超声波发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容——调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常地工作。
2.2.2超声波换能器
超声换能器是超声振动系统的核心部件。超声加工处理设备利用超声换能器的作用将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对工件的超声加工处理。目前，广泛采用的超声换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器两大类。
(1)磁致伸缩换能器
①磁致伸缩换能器的工作原理
磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料制作的铁芯外面缠绕而成，如图2-6所示。当线圈中通以一定直流电流Io产生最佳偏磁场Ho后，再通过以交变电流I使其产生交变磁场H~，使H~重叠于Ho之上，由此铁芯中的磁场将在Ho水平上变化。在交变磁场H~的作用下，由于材料的磁致伸缩效应，换能器两端面产生与交流电频率相同的交变伸缩，当交变电流的频率与换能器的共振频率一致时，换能器端部振动最强烈，由此从换能器两端面向介质辐射出超声波

图2-6 磁致伸缩换能器
②磁致伸缩换能器的结构和特点
A、窗式换能器
窗式换能器是由薄片磁致伸缩金属材料，经冲孔成型，氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成。由于它是由许多薄片集成而成，叠片上有孔，所以被称为窗式换能器。其结构形式如图2-7 所示 。

图2-7窗式磁致伸缩换能器

这种换能器的特点是从两端面辐射超声波。通常采用的叠片厚度为0.1~0.3mm。因为金属材料的电阻率低，因此片与片之间需要氧化绝缘，以减少涡流损耗。叠片上有孔，在叠片中形成闭合磁回路，漏磁少，并有利于散热。随选用的叠片多少，可以获得不同的辐射面积。通常，辐射面的形状采用正方形。
B、环形换能器
环形磁致伸缩换能器也是由薄片磁致伸缩金属材料，经冲孔成型、氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成其结构形式如图2-8所示。

图2-8 环形磁致伸缩换能器
这种类型换能器的特点是：当线圈中同时通过偏磁电流和交变流后，圆环受到磁致伸缩应力的作用，沿圆周产生长度伸缩的变化，因而产生径向振动，可以自圆环内侧面 (图 2-8 a ) 或外侧面 (图 2-8 b )向周围介质辐射超声波。
(2)压电换能器
①压电换能器的工作原理
压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性，即压电晶体的逆压电效应而制成的，如图2-9所示，将压电材料做成片状，上下两面涂上银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两极间加上电场。有两种情况出现：
a.外电场与压电片极化方向相同。外加电场起到了使压电片的极化强度增大的作用。极化强度的增大，使压电片沿极化方向产生伸长的形变。
b.外加电场与极化方向相反。反向电场将削弱压电片的极化强度，使得压电片沿极化方向产生缩短的形变。

图2-9压电换能器的工作原理
利用这两种现象，将外加电场换为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波。当外加电场频率与压电片固有频率相同产生谐振时，压电片振动最大，声辐射也最强烈。
②压电换能器的结构形式
超声加工处理设备中常用的压电换能器结构形式有：薄长片形换能器、圆环形换能器、薄圆片形换能器和夹心式换能器。其结构图形如下图2-10所示。

图2-10 压电换能器的结构
2.2.3超声变幅杆
超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器，其外形通常为变截面杆，是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。在超声振动系统工作过程中，由超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，所以必须借助变幅杆的作用将机械振动质点的位移量和运动速度进行放大，并将超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用。超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间架起桥梁，进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。此外在超声加工处理设备的结构工艺上，通常在变幅杆或半波长等截面杆的波节平面处加带一个法兰盘，利用法兰盘将超声振动系统固装在超声设备上。在向高温介质或腐蚀介质幅辐射超声能量时，还可以借助于变幅杆把换能器与恶劣环境隔离开，使换能器避免被腐蚀，减少受到热的影响。
变幅杆可分为纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆。其中纵向振动变幅杆可分为简单形、复合形。简单形又可分为指数形、圆锥形、悬链形、阶梯形。而复合形是由各种简单形变幅杆根据实际需要组合而成的。
（1）单一变幅杆
超声变幅杆的性能主要是由变幅杆的共振长度L,放大系数Mp，形状因数ψ，位移节点xo，输入力阻抗Zi和弯曲劲度参数加以描述。其中Mp是指变幅杆工作在共振频率时，输出端与输入端的质点位移或速度的比值；形状因数ψ是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，通过变幅杆所能达到最大振动速度也越大。输入阻抗Zi定义为输入端策动力与质点振动速度的复数。
在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化而变化的幅度要小，弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数，弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。单一变截面杆如图2-11所示。

图2-11单一变幅杆
（2）复合变幅杆
在高强度超声应用中，常常要求变幅杆末端具有很大的振动幅度，这就要求变幅杆的形状因数ψ及放大系数Mp值都尽可能的大，单一变幅杆的ψ值和Mp值常出现此优彼劣的现象，很难二者兼顾。为了改变这一状况，就必须采用复合变幅杆的形式来弥补不足以提高其输出性能。在有些应用场合需要特别高的振动速度时，也常用到长度满足共振条件的复合形变幅杆。
图2-12为三段复合变幅杆。其中Ⅰ和Ⅲ段为等截面杆，Ⅱ段为变截面杆，而变截面杆可以是指数形、圆锥形或悬链线形等不同形式。如果两等截面杆的长度相等，则构成具有变截面过渡段的阶梯形变幅杆。当Ⅰ或Ⅲ的任一段为零，则可构成两段复合变幅度杆。

图2-12 三段复合变幅杆
3 小型超声波钻床设计
根据以上叙述的超声波加工原理，可以设计出一台简单的超声波钻床，并且通过与普通钻床其性能进行对比，探讨总结出超声波钻床的工性能。
一般超声波钻床由超声波发生器、换能器、变幅杆和辅助机构等组成。要设计超声钻床，也就从这几个方面入手，详细的设计步骤见下面。

3.1 超声波发生器的选用
由于超声波发生器内部电路等结构较复杂， 由于知识有限这里进行适当选用即可。

3.2 超声波换能器的设计
由于压电式换能器较易实现，这里设计选择压电陶瓷型换能器。
压电换能器有以下几个部分组成，如下图3-1所示：

图3-1 超声波换能器结构示意图
如图，超声波换能器将接受到的超声波信号由压电陶瓷的“逆压电效应”转换成机械的振动。其组成部件十分简单，除压电陶瓷、电极需要买卖外，其余部件可通过车削45钢的方式得到。实物如下图3-2所示：

图 3-2 超声波换能器
3.3 变幅杆设计
3.3.1设计注意事项
（1）变幅杆的材料一般选用材质均匀、材料疲劳强度高、易加工的结构钢，一般性的选用45优质碳素结构钢；
（2）大圆锥体端部与超声换能器配合，度表面的粗糙度有较高的要求，一般性的选Ra1.6
（3）变幅杆的小端圆柱半径R2大小直接影响放大倍数，故R2不易取太大；
（4）变幅杆的联接采用细牙螺纹，以免振动过程中松脱。
3.3.2结构参数
根据变幅杆的基本知识及实际的应用。变幅杆的形式为圆锥平滑阶梯复合型效果最好，其结构图如下图3-3所示。一般取L1=λ/4，使界面位置位于圆锥体与圆柱体的交界处，这一位置的振幅最小。

图3-3变幅杆结构图
对于圆锥平滑弹性体：
频率方程如下：
<3-1>
振幅放大系数为：
<3-2>
由上式可知：放大系数与R1、R2、L1、L2有关，L3又由L2确定的，因此，只要知道R1、R2、L2，那么整个变幅杆的尺寸就可以确定。R1与换能器的尺寸一致，对于一个特定的换能器十一个固定的值。R2是变幅杆端部的尺寸，视所需的振动幅度而定，往往是变化的；圆锥体部分的L2不宜设计过大否则振幅放大系数太小，一般的取 kl2 = π/ 4
换能器的振动频率f=20kh ，R1=22mm ,R2=5mm
①弹性材料的选择
弹性材料选用45钢，该材料的疲劳强度高，而且易加工。加工后调质处理。介质弹性模量：E=2.08x1011 N/ m2 ，ρ=7.9kg /cm3。
②申博在变幅杆中传播的速度及波长
速度 V=(E/ρ)1/2= (2.08x1011/790)1/2=5.13X103(m/s) <3-3>
波长 λ= v/f= 5.13X103/20000=256.5 （mm） <3-4>
③尾柱长度及圆柱体部分的长度
尾柱长度L1 L1=λ/4= 256.5/4=64.1mm 取整L1=64（mm）
圆柱体部分的长度L2 L2= /4K==32.06 （mm）
取整L2=32（mm）
④小截面部分长度
因为=cot +x（ — 1）=5.331
则kl3=1.385
所以L3=1.385x=35.52（mm） 取整L3= 35(mm)
⑤振幅放大系数
振幅放大系数M M== =20
即根据设计参数加工出如图示的变幅杆。

3.4 钻床的机架设计
超声波钻床机架的设计包括了床身、工作台、进给机构、压紧机构等，其功能应考虑能上下、左右、前后的进给运动，并且能有效的压紧工件，同时也应考虑其加工的方便等。
3.4.1钻床床身设计
床身包括了底盘与支撑，下面是其床身设计步骤：
① 构思并绘制床身结构草图
② 初定设计结构参数及尺寸
在初定床身参数尺寸前，首先应考虑其标准件的选择，再去制定其余的尺寸。
在构思床身中发现其运用到标准件有轴承，所以我们应先选择适当的轴承。因深沟球轴承运用广泛，运动良好，这里我选用此轴承，参考机械设计手册，示意图如下：3-4

图3-4
根据d=20mm,可查得D取42mm,B=12mm.据此初设计出其余结构参数图样，示意图如下：

图3-5 底盘

图3-6 支承杆
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定床身的最终结构尺寸。
④材料的选择
考虑其加工性良好，这里底盘与支撑都选择45钢。
⑤选择加工方式及热处理
由设计图知底盘可用加工中心铣削的方法得到，而支撑杆可以通过数控车削的方式得到，因支撑杆有起滑轨的作用，所以加工表面要求高，并需要进行淬火处理，以防磨损。
⑥绘制加工零件图
⑦床身设计组合图简要说明
钻床床身设计组合示意图如下3-7所示，底盘上开有两轴承孔，作用是支承丝杠以便转动，做成台阶形式是为装轴承后保持其强度，另外减少材料；支撑杆上尾部带有螺纹与底盘螺纹孔配合，固定效果良好，杆上部分做成台阶是以便后面设计摆杆，螺纹孔将再后续设计一锁紧螺钉，以便摆杆的定位。综合上设计两件，加工方便，简单美观，实现效果良好。

图3-7 组合示意
3.4.2 摆动伸缩杆的设计
设计摆杆伸缩杆是为方便钻床左右的摆动，与前后的伸缩，在工件装夹后可以方便钻与工件的对位。
①构思并绘制摆杆结构草图
②初定设计结构参数及尺寸
此设计需根据常用紧固螺母，设计轴的径向尺寸大小，其余根据实际形体比例设计其尺寸。结构示意图如下：

图3-8 摆动伸缩杆设计 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定床身的最终结构尺寸。
④材料的选择
考虑其加工性良好，这里底盘与支撑都选择45钢。
⑤选择加工方式及热处理
此零件可通过数控车削的方式得到，但套管的内壁与推杆的表面接触部分要求比较高，加工后需表面淬火处理，以防磨损。
⑥绘制加工零件图
摆动杆包括了套管与推杆两部分，加工零件图需分开绘制。
⑦摆动伸缩杆设计组合图简要说明
摆动摆动伸缩杆与床身的组合图如下，摆动伸缩杆其优点方便了前后的自由伸缩，左右的自由摆动，且可以有效锁紧，个自由度可有效实现，同时它的加工方式简单方便。

图3-9 组合示意
3.4.3 传动丝杠及工作台设计
因所设计钻床为小型化的，传动机构的设计应追求简单化、轻型化与可靠化，这里传动方式我选择了螺旋传动的方式，设计步骤如下：
①构思并绘制摆杆结构草图
②初定设计结构参数及尺寸
这里无标准件，只是在设计丝杠是螺纹选择常见的M20，以方便加工。其余设计时注意足够的强度即可。

图3-10 传动丝杠及工作台 示意
③在草稿上进行简单的强度校核
校核通过，确定传动丝杠及工作台最终结构尺寸。
④材料的选择
考虑其加工性良好，这里传动丝杠及工作台都选择45钢。
⑤选择加工方式及热处理
工作台可通过数控加工中心铣削或线切割的方式得到，丝杠可通过数控车削的方式得到。最后对导向孔进行淬火处理以增加其强度，以防磨损。
⑥绘制加工零件图
传动丝杠与工作台各一张。
⑦摆动伸缩杆设计组合图简要说明
设计组合图如下，丝杆可带动工作台上下移动，运