超声加工机床关键零部件的设计及三维造型
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- 超声加工的介绍
旋转超声加工的基本原理
旋转超声振动加工装置的主要组成
变幅杆设计
变幅杆的有限元分析
参考文献
一 超声加工的介绍
超声加工是一种重要的特种加工方法，其加工分为磨料冲击超声加工、超声磨削、超声车削、钻孔与镗孔、超声抛光、超声喷丸、超声清洗、超声焊接等。
传统的磨料冲击超声加工是利用加工工具作超声振动，并通过磨料冲击被加工工件表曲来碎除材料，加工材料一般为工程陶瓷与玻璃。在传统超声加工的基础上发展的旋转式超声加工是将旋转运动叠加在作超声振动的工具上，工具是由在钢表面电镀立方氮化硼磨料(或余刚石)或由金属粉末和立方氮化硼磨料(或金刚石)高温烧结而成。在加工过程中，工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒去除，不需要加入磨料悬浮液，只需用水来带走被加工材料的微粒并且对工具进行冷却。
1旋转超声加工的特点及优势
1)超声加工可以加工导电性和非导电性等各种硬脆性材料，如陶瓷、宝石、硅、金刚石、大理石等非金属材料，也适用于加工低塑性和硬度高于40HRC 的金属材料，如淬火钢、硬质合金、钛合金等。
2) 由于工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削热少，不会产生变形及烧伤而改变工件表面的化学/电性质，故加工精度和加工表面质量都比较好。与其它材料去除过程相比，超声加工能达到更高精度和表面光洁度。在大多数超声加工中，可以获得的平均工件表面粗糙度是 0.50μm。使用合适的办法，可以获得 0.25μm的表面粗糙度。
3) 超声加工中，可用较软的材料制作较复杂形状的工具，且不需要工具与工件复杂的相对运动， 就可加工出各种复杂型腔和型面。 故机床结构简单， 操作维修方便。
4)旋转超声加工，采用固结磨粒的工具对加工工件进行高频、断续加工，是超声加工和切、磨削加工的复合加工方式，比单纯的超声加工和切磨削加工更具有突出的优势。
5) 更好地提高加工精度和工具寿命。在普通超声加工中，需要持续将磨料浆注入到工具与工件之间的间隙，并且需要不断地将工具与工件的间隙处的磨料浆排出，结果导致材料去除率低，当加工深度较大时，甚至导致加工停止。而且磨料浆流经加工表面时，对已加工表面进行磨抛，大大影响了加工精度。另外，磨料对工具也具有磨损作用，导致工具磨损加剧，进而难以保证加工精密。而旋转超声加工采用固结磨料工具进行加工，不再需要游离磨料悬浮液作为加工介质，同时工作液更容易在加工工具及加工表面之间流动，容易促进超声空化效果的产生，而且能更好地对工具及加工表面冷却，及时的带走磨屑，因而较普通超声加工大大提高型面加工的精度。
6)更好地提高了已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性。如超声绗磨汽缸套内孔表面加工中，刀具以高频、断续加工的方式在加工表面上形成数以万计的微型储油凹坑，在缸套和活塞工作的时候起到润滑和降低摩擦系数的作用，防止粘着和咬合的出现，有效延长缸套使用寿命。
7)大大地提高了生产效率。旋转超声加工的复合加工机理，更适宜于硬脆性材料的加工，其去除率可以达到普通切磨削的 6 到 10 倍，是普通超声加工材料去除率的 10倍。
8)特别适用于难加工材料的深小孔加工，采用麻花钻钻削难加工材料深孔时，会出现很多问题，如切削液不易进入切削区、切削温度高、刀刃迅速磨钝、切削力大，钻头易折断、排屑困难，需要经常退刀等，加工孔精度差，表明粗糙度大，刀具寿命短。 采用超声旋转钻削加工， 超声振动的作用使切屑与刀具、 工件间的摩擦阻力减弱，使切屑的排出流畅，不需要退刀排屑，易实现自动化；若振幅选择合适，超声旋转加工的轴向力比普通切削力下降 30%左右，从而提高钻头寿命。可见，超声旋转加工是难加工材料深小孔加工的有效方法。
各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加工装置都主要有超声波发生器、换能器和变幅杆组成。超声波发生器的作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给工具端面往复振动和去除工件材料的能量。换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，将电能转变为机械能。变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，其主要作用是在其输出端将换能器输入的机械振动的质点位移或速度放大，并且将超声能量集中在较小的面积上。振幅放大比是变幅杆的重要性能参数。变幅杆的形状与材料对于振幅放大比有较大影响，研究表明变幅杆输出端的振幅在一定范围内越大，工具对材料的去除率就越大。由此可见设计出具有大振幅比的变幅杆对于提高材料的去除率，提高超声加工装置的效率具有重大意义。由此可见设计出具有大振幅比的变幅杆对于提高材料的去除率，提高超声加工装置的效率具有重大意义。...
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