1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1、目的及意义

由于各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工,对这些材料用传统加工方法十分困难因而往往采用非传统的工艺方法进行加工 , 这对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的问题。这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量 ,如超声波加工和激光加工等。超声波加工适合于加工各种硬脆性材料 ,如玻璃、陶瓷、石英、金刚石等。三轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，因此，三轴机床在国防工业和精密设备制造上有着广阔的发展空间。

超声波相对于传统加工具有以下优势特点不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件。三轴加工对流线异型化零件和精密化要求较高的零件加工有着独特的优势。三轴加工凭借着其特有的三个直线轴能够进行复杂多面体和高次曲面的形态的加工。因此，将超声波加工和三轴加工有机的结合可解决具有复杂多面体或髙次曲面特点的脆性材料加工难的问题，能够为高精密特种加工打下良好的基础。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容、目标

设计题目为超声波三轴机床主轴箱设计，即课题要求完成主轴具有超声波加工功能的三轴机床主轴箱的设计，要求能够通过超声波使三轴机床的主轴产生振动，从而使得机床能够高效率加工具有复杂多面特点的脆性材料。课题研究分为四个方面：1、三轴联动数控加工平台总体方案设计。2、主轴超声波振动装置。3、主轴运动的驱动装置。4、主传动的类型及方案选择。

2.1拟采用的技术方案及措施

2.1.1、三轴联动数控加工平台总体方案设计

三轴联动数控加工平台通常是由三个直线轴组成。其结构有很多种类型，立式、卧式等。其中已知的X、Y、Z三个轴互相垂直安装，通过直线导轨滑块和滚珠丝杠副实现加工平台的线性运动；

2.2.2、主轴超声波振动装置

超声波加工系统一般由超声波发生器、超声波振荡系统（由超声波换能器和变幅杆及其工具组成）组成。加工时在工件和工具间加入磨料悬浮液 ,由超声波发生器产生超声振荡波 ,经换能器转换成超声机械振动 ,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局 部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。

2.2.3、主轴运动的驱动装置

根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床主轴进入了交流主轴伺服系统的时代。交流伺服电动机分为永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式。在三轴机床上我打算采用交流笼型异步电动机为主轴提供动力。原因有以下三点：1、当电动机容量做的较大时，采用永磁同步电动机成本会升高。2、采用笼型异步电动机进行矢量闭环控制完全可以满足主轴转动要求。3、与直流伺服电机相比，交流伺服电机具有散热快、启动和制动快、节能、噪声小等特点。基于以上三点我选择以交流笼型异步电机为动力的交流主轴驱动系统。

2.2.4、主传动的类型及方案选择

在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级凋速系统。为扩大调速。为了适应不同的加工要求，目前主传动系统主要有三种变速方式

（1）具有变速齿轮的主传动

这是大、中型数控机床采用较多的一种变速方式。通过几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求，如图所示。一部分小型数控机床也采用此种传动方式以获得强力切削时所需要的扭矩。

（2）通过带传动的主传动

通常选用同步齿形带或多楔带传动，这种传动方式多见于数控车床，它可避免齿轮传动时引起的振动和噪声。

（3）由调速电机直接驱动的主传动

这种主传动是由电动机直接驱动主轴，即电动机的转子直接装在主轴上，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。

本次设计采用变速齿轮主传动系统。使主轴获得较高的转速和较大的转矩。二级以上齿轮变速系统虽然结构复杂，制造和维修费用高，但和以上两种驱动方式比，变速装置多采用齿轮变速结构，可以使用可调的交流无级变速电动机，经齿轮变速后，实现分段无级变速，调速范围增加，且能满足各种切削运动的转矩输出，因此选用二级以上齿轮变速系统作为主传动的变速方式。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]程学艳，郭文娟，彬彬，于思远.超声波加工机床及其发展[j]. 新技术新工艺，2004.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）[m].北京：高等教育出版社，2001.

[3]董颖怀，张晓峰，房丰州. 硬脆材料超声辅助复合加工机床及其工艺研究[j]. 华中科技大学学报，2012.