摘 要

随着产品对加工质量的要求越来越高，对于难以加工的材料的加工研究就愈发深入。而对于难加工材料，各种性质的脆硬材料和复合材料等，旋转超声加工机床可以达到较高的加工精度，并且还很适用于难加工材料的深小孔加工。其加工原理是利用工具端面的金刚石的超声振动以及超声空化的实现对材料的切除，主要依靠振动时的冲击，因此材料的去除效率较高，结合了超声加工和金刚石切削的优点。而旋转超声加工机床主要由超声发生器和超声振动系统组成。其中超声振动系统主要负责电声能量转换以及振动放大以及加工，旋转超声加工机床的性能主要取决于超声振动系统。超声振动系统则主要分为三个部分，超声换能器，超声变幅杆以及工具杆。超声换能器的作用是电能与声能的转换，将超声频的电能转化为超声频的振动，而这个振动幅度很小，需要超声变幅杆进行放大，传递到工具杆才能进行真正的加工。本文中超声变幅杆的设计主要依靠频率方程求解，而超声换能器则需要用到等效电路的思路来求解设计，最后通过有限元方法分别对超声换能器以及超声变幅杆进行分析工作。

关键词：超声振动系统、超声变幅杆、超声换能器、等效电路、频率方程、有限元

Abstract

As the requirements for the processing quality of products become higher and higher, the research on the processing of materials that are difficult to process becomes more and more in-depth. For difficult-to-machine materials, brittle and hard materials and composite materials of various properties, rotary ultrasonic machining machines can achieve high processing accuracy, and are also suitable for deep-hole processing of difficult-to-machine materials. The machining principle is to use the ultrasonic vibration of the diamond on the end face of the tool and the ultrasonic cavitation to remove the material, mainly relying on the impact of the vibration, so the removal efficiency of the material is high, combining the advantages of ultrasonic machining and diamond cutting. The rotary ultrasonic machining machine is mainly composed of an ultrasonic generator and an ultrasonic vibration system. The ultrasonic vibration system is mainly responsible for conversion of electric and acoustic energy, vibration amplification and processing, and the performance of the rotary ultrasonic processing machine tool mainly depends on the ultrasonic vibration system. Ultrasonic vibration system is mainly divided into three parts, ultrasonic transducer, ultrasonic horn and tool rod. The function of the ultrasonic transducer is the conversion of electrical energy and acoustic energy, which converts the electrical energy of ultrasonic frequency into the vibration of ultrasonic frequency, and this vibration amplitude is very small, which needs to be amplified by the ultrasonic horn and transmitted to the tool rod for real processing. In this paper, the design of the ultrasonic horn mainly depends on the frequency equation, and the ultrasonic transducer needs to use the equivalent circuit to solve the design. Finally, the finite element method is used to analyze the ultrasonic transducer and the ultrasonic horn respectively.

Keywords: ultrasonic vibration system、ultrasonic horn、ultrasonic transducer、equivalent circuit、frequency equation、Finite element

目录

第1章 绪论 1

1.1 超声振动系统简介 1

1.2 旋转超声加工的优点 1

1.3 旋转超声加工机床国内外发展 1

第2章 超声波加工特性及原理 3

2.1超声波的特性 3

2.2 超声波加工原理 4

第3章 超声变幅杆的设计 5

3.1 超声变幅杆的工作原理 5

3.2 超声变幅杆的参数计算 5

3.2.1 位移节点 8

3.2.2放大系数 8

3.2.3输入力阻抗Zi 8

3.2.4频率方程和谐振长度 9

3.2.5形状因数 10

3.3超声变幅杆尺寸设计 10

第4章 超声换能器的设计 12

4.1超声换能器的工作原理 12

4.2超声换能器的结构设计 12

4.2.1超声换能器的简化模型 12

4.2.2节面左侧 13

4.2.3节面右侧 16

4.2.4超声换能器振速比 17

4.2.5尺寸设计 17

4.3超声换能器的四段网络设计 18

4.3.1四段网络法 18

4.3.2压电陶瓷堆的等效网络 18

4.3.3后金属盖板的等效网络 19

4.3.4前金属盖板的等效网络 20

4.3.5超声换能器等效网络 20

第5章 有限元分析 23

5.1有限元分析介绍 23

5.2超声变幅杆的有限元分析 24

5.2.1超声变幅杆的模态分析 24

5.2.2超声变幅杆的谐响应分析 26

5.3超声换能器的有限元分析 27

5.3.1超声换能器的模态分析 27

5.3.2超声换能器的谐响应分析 28

第6章 总结与优化 30

6.1本文总结 30

6.2优化设计 30

参考文献 32

第1章 绪论

超声振动系统简介

超声振动系统作为旋转超声机加工机床的重要组成部分，由三部分组成：超声换能器、超声变幅杆和工具杆。

超声换能器是与超声发生器相连接的，接收到超声发生器的超声频率的电信号，由超声换能器实现电信号到声信号的转换，而转换中一定会有能量的损耗，超声换能器要通过结构参数的设计以及材料的选择，使能量转换率能达到较高的水平，并且保证转换的声信号与电信号的频率的一致性，准确性。

超声变幅杆与超声换能器相连接，超声换能器已经得到了超声频率的振动，但由于振幅太小，不能用于加工，因此需要使用超声变幅杆来进行对振动幅度的放大。超声变幅杆有许多参数，需要综合考虑来选择超声变幅杆的材料形状，从而达到较好的能量传递效率以及较大的放大倍数。

旋转超声加工的优点

1.旋转超声加工能对脆硬材料、各种复合材料进行有效加工。