超声振动微小铣床结构设计.docVIP

哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕业设计（论文）选集 PAGE 184 - 超声振动微小铣床结构设计 哈尔滨工业大学：钟延涛 指导教师：卢泽生 摘 要：本文主要是对超声振动微小铣床的各部分进行结构设计和选型，并实现机床的五轴联动和铣床工作台的超声振动，通过对超声振动系统（主要是变幅杆和换能器）的选型设计，得到超声振动加工与传统的切削加工的区别及对不同振动形式的分析。最终完成了超声振动系统和机床总体结构的设计。 关键词： 超声振动；微小型铣床；五轴联动；结构设计；选型 Abstract: In this paper, the mainly work is structural design and type selection for various parts of ultrasonic vibration micro-milling machine, so as to achieve five-axis machine tools linkage and milling machine table ultrasonic vibration. Through type selection design of ultrasonic vibration system (mainly the horn and transducer device), the distinction between ultrasonic vibration cutting process and the traditional cutting process are obtained and the analysis on different forms of vibration are performed. Finally, the ultrasonic vibration system and the overall structure of machine tool design are completed. Keywords: Ultrasonic vibration miniature milling machine five-axis linkage structural design selection 引 言 超声振动加工是在切削加工过程中加入了振动元素，综合应用了超声波理论和切削加工理论。加工中所用的振动频率范围是17.5～48kHz。最早进行超声振动研究的是日本，这种加工方法与传统的切削模式相比具有降低切削力、切削温度、表面粗糙度值以及提高加工精度、工具寿命等优点[1]。随着科学技术和工业生产的发展,对各种精密机械零件的加工精度和表面质量的要求越来越高，同时，对于机械制造中日益广泛采用的高硬度金属和脆性难加工材料，传统加工方法很难获得理想的精度。因此对超声振动机床的研究就十分的必要，目前国内外对超声振动车床、钻床和磨床的研究较多，本文主要对研究较少的超声振动铣床进行研究。 机床总体结构及振动系统构成 根据本设计的设计要求，确定本铣床最大加工工件的尺寸为40mm×40mm×40mm，进给运动分辨率为0.1μm。铣床实现五轴联动，通过对不同结构布局形式的分析，并参考相关同类机床，本设计选择机床的形式是五坐标联动双转台——龙门式数控铣床，就是刀具实现X、Z向移动。工作台实现Y向移动和Y、Z向转动[2]。其中三个直线平移运动由交流伺服电机驱动滚珠丝杠实现，两个旋转运动由转台实现。结构形式如图2-1所示。本铣床在实际加工时属于高速切削，最高转速要大于48000r/min，采用电主轴形式，最终选择GRH700型电主轴， 超声振动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。其中变幅杆和换能器又统称为超声振子。超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电源转化成超声频电振荡信号；换能器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进行放大[3]。 图2-1 铣床的总体布局形式 超声振动系统的设计与分析 超声微铣削时，由超声振动系统产生f=2×104Hz左右的超声频微幅振动，通过振动传递系统传递到微铣削刀具或工件上，产生脉冲切削效应，才能达到改善微铣削加工质量的目的。超声振动系统主要由超声波发生器、换能器、变幅杆等组成。 微铣削加工中超声振动系统在满足声学性能和功率的前提下，超声振子的质量、体积、尺寸、转动惯量等都应尽量减小，满足加工设备的小型化需求。本文采用的是半波长超声振子。换能器采用夹心式结构，同时采用四分之一波长变幅杆。 换能器的设计 换能器的工作原理是根据逆压电效应将电能转化为机械能。其具体的结构形式有以下几类：1.薄长片形换能器；2.圆环形换