小型超声振动加工设备设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计

济南大学泉城学院
毕 业 设 计

题 目 小型超声振动加工设备设计

专 业 机械设计制造及其自动化
班 级 机设07Q3
学 生 孙启超
学 号 20073006092
指导教师 赵洪华

二〇一 一 年 四 月 十 日
- 1 -

济南大学泉城学院毕业设计

- I -
1前 言
1.1小型超声加工设备的选题背景及意义
随着科技的不断发展，硬脆材料，例如聚晶粒金刚石、工程陶瓷、硬质合金等由于具有良好的机械性能而在现代工业、国防科技等领域内得到了广泛的应用。但是，材料本身固有的硬脆特性使其加工性能变差，至今还没有形成一套较为成熟、实用的加工方法体系，这在一定程度上限制了硬脆材料在许多领域的应用[1]。
另外，随着科技的发展，虽然传统的加工制造技术自身得到了长足的发展并与其它技术不断的融合。众多研究人员对以往很难加工的硬脆，超硬脆材料的加工进行了大量的研究工作，并取得了一定的成就[2]。但是，在实际的加工中，超声加工、电火花加工等特种加工方法仍然是硬脆材料的主要加工方式。
经过半个多世纪的研究与发展，特种加工技术已经成为制造领域不可缺少的重要组成部分。其中，超声波加工和电火花加工方法已经比较成熟，也是目前应用最广泛的特种加工方法。据统计，目前电火花加工机床已经占机床市场的6%。近年来许多学者充分利用电火花加工、超声波加工等加工方法的优点，将两种或多种加工方法融合，在加工过程中使其互为有利条件来改善加工状态，提高材料去除率。同时，新工艺、新概念不断充实到特种加工技术中，为特种加工的发展注入了新的活力，促使特种加工向精密、高效、智能方向发展。
目前，现有的加工技术难以满足许多硬脆材料的加工需要，特别是加工成本过高，阻碍了新材料及复杂零件的推广。因此，超硬脆材料加工技术的研究与先进加工设备的开发，具有十分明显的经济意义和社会意义。于是，整合超声加工、放电加工和传统磨削加工优点的超声复合加工设备的研究应运而生。
1.2国内外超声加工技术发展概况和前景
超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的锤击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，在英语中称为（Ultrasonic machining）。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。
原苏联的超声加工研究也比较早，20世纪50年代末60年代初已经发表了很多有价值的论文。在超声切削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。
我国的超声加工技术始于20世纪50年代末，60年代末开始了超声振动车削研究，1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声波研磨机。1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声仪器厂研制成功超声波拉管设备。20世纪末到本世纪初的几十年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模、型腔模具、研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、玛瑙、玉石、花岗岩、大理石、淬火刚、模具钢、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。
将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原有加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。
罗马尼亚的学者对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究，建立了电极在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。该研究直接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能[3]。
法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度,并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的面积增大。
北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进行研究。于1987年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。
山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究，并对工程陶瓷进行了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特性。结果表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于普通电火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普通电火花加工[4]。
南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究，它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件越薄对排屑就越有利，加工速度提高的越快。南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。
目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技术的研究较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景[5]。
随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。超声波加工技术发展及其取得的应用成果是可喜的，展望未来超声振动对改善硬脆材料的加工性问题有一定的指导意义。未来发展方向应重点解决超声波加工在微机械加工中的应用问题，尽量设计出加工精度高，可靠性高，生产成本低的超声加工设备。
1.3本课题的主要设计任务及参数
本课题的主要设计任务是设计本台小型超声振动加工设备的床身、主轴振动系统、进给系统等。具体是：完成超声振动加工设备的总体方案；确定各系统的功能；进行超声振动加工设备的主轴头振动系统、主轴的进给执行机构和旋转加工机构进行详细的设计和计算；绘制总装配图和重要零件的二维图；设备总体的三维造型。本课题的主要设计参数如下：
导轨的有效行程： ；
工具头振幅：；
工作台有效行程。
2超声振动复合加工中的加工原理及特点
2.1超声振动加工的原理
超声加工的工作原理是：由超声发生器产生高频电振荡(一般为16～25千赫)，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地锤击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。总之，超声波加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。其中，磨粒的撞击作用是主要的。由此可见，脆硬的材料，越受冲击作用越容易被破坏，故尤其适于超声加工。所谓“空化”作用：是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体中形成很多微腔，当工具以很大加速度接近工件时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程[7]。
超声加工的主要特点是：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；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用。图2.1所示是超声波加工原理图。

图2.1 超声波加工原理图
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, 经过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,超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的干磨料或液体介质产生磨料的冲击，超声振动系统由换能器、变幅杆，超声波发生器等部件组成。
2.2放电加工的原理
电火花加工起源于1943年，前苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化而被蚀除掉。研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，使金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。电火花加工是通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能的加工方法。
电火花成型加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。工具电极和工件均淹没于具有一定绝缘性能的工作液中。在自动进给调节装置的控制下，当工具电极与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，两极间最近处的工作液被击穿，工具电极不断地向工件进给，就可以将工具电极的形状复制到工件上，加工出所需要的和工具形状阴阳相反的零件。
电火花加工应具备的条件：1.必须是工具电极和工件被加工面之间经常保持一定的放电间隙。通常约为几微米到几百微米。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。间隙过小，容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。2.火花放电必须是瞬时的脉冲性放电。放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7～10-3 s。目的是使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内，否则，像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。3.电火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。 液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属切屑、碳黑等放电蚀除物，在放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。
2.3辅助磨削加工的机理
在磨削加工中，加工过程受磨粒形状、尺寸和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律复杂性等因素的影响，磨削加工过程非常复杂。硬脆材料在磨粒磨削作用下的受力情况很复杂，在磨削刃尖附近，材料受到很高的压力产生剪切移动或者剪切破坏形成密实核。远离磨粒刃尖的区域发生大块的张性崩碎[8]，即磨粒前端和磨粒下面材料破碎是在磨粒加工的表面圆周应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。传统的磨削加工机理研究中，一般采用“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来近似处理，其模型如图2.2所示。

图2.2 磨削模型
硬脆性材料的去除方式一般有脆性断裂、塑性变形和粉末化去除，通常状况下塑性变形去除方式与金属磨削中的切削方式类似，包括划擦、耕犁和切屑成形，材料主要以剪切切削成形方式去除的。材料的脆性断裂去除形式有晶粒去除、材料剥落、脆性断裂、晶界微破碎等方式。晶粒去除是整个晶粒从工件表面上以脱落方式被去除，晶粒去除的同时一般伴有材料剥落去除方式，是由于横向裂纹和径向裂纹的扩展导致材料以局部剥落形式去除的方式，是陶瓷等硬脆性材料磨削加工中十分重要的材料去除方式，但裂纹扩展会降低工件的机械强度[9]。1995年、1996年Xu，H.H.K, Jahamir.S.等人指出，在陶瓷磨削过程中晶界微破碎和材料晶粒状位错在材料去除过程中也起了关键作用[10]。
当磨削深度为亚微米级时，材料的碎裂和破碎机理不会发生，此时材料无宏观断裂，硬脆性材料磨削产生粉末化的材料去除，磨粒引起的流体静压应力所包围的剪切应力场引起晶界和晶粒间微粒破碎的结果[11]。
根据压痕断裂力学模型知，只要压头上所受的力超过某一临界值，就会产生裂纹，材料以断裂方式去除，并产生裂纹损伤[l2]。由经验知产生中央/径向裂纹的临界载荷如下式所示。
（2.1）
式中 α—与压头形状相关的常数，对于普通的维氏压头；η，γ—常数，；Kc —硬脆性材料的断裂韧性；H--材料的硬度。
研究表明，任何脆性材料都可能以塑性流动的方式去除，当磨削力低于产生横向裂纹的临界载荷时，材料去除是以塑性变形去除为主。压痕断裂力学模型预测了产生横向裂纹的最小临界载荷为:
（2.2）
式中ξ--几何形状常数，--一个弱函数，对于陶瓷材料：
（2.3）
由公式(2.3)可以看出加工陶瓷等硬脆性材料时，产生横向裂纹的临界载荷临界值与陶瓷材料的硬度和断裂韧性相关。当载荷低于这一临界值时，磨粒与工件之间产生塑性流动，材料去除方式以塑性变形为主。
T.G.Bifano等人从能量的角度进行分析，得出了同样的结论[12]:
（2.4）
式中d--磨削深度。
当磨削深度小于临界值，材料的去除由脆性断裂向塑性变形转变，这就是脆塑转变理论。硬脆性材料磨削加工材料去除脆塑性转变的临界加工深度可以由式(2.5)表示:
（2.5）
式中H--材料的硬度, Kc--硬脆性材料的断裂韧性。
加工过程中，磨粒与工件材料保持三面接触产生较大的摩擦力。磨削力较大容易在材料表面产生微裂纹和破碎，增加了加工表面粗糙度;较大的摩擦力在磨削区产生大量的热，晶相组织在高温下产生不同的膨胀导致晶界处产生极大的应力集中，当应力超过材料的断裂强度时，产生穿晶现象或沿晶面断裂，引起加工表面破碎加剧;当温度达到材料相变数值时，还会引起材料内部微观相结构的改变。磨削区的高温也造成磨粒磨削性能下降，降低材料去除率。这也是普通磨削材料的去除率较低的主要原因。
2.4超声振动复合加工的工作机理
超声振动复合加工是在三种单独加工方法研究成果的基础上提出来的。悬浮磨料在超声振动的作用下对工件材料表面产生一定的捶击和冲击作用，也可以实现工件材料的微量去除。通过工具电极的轴向超声振动和高速旋转即可实现三种加工形式复合加工。在分析了超声波振动加工机理、电火花加工机理、磨削加工机理的前提下，着重分析了超声波振动在超声振动复合加工过程中所起的作用。
工具端面超声波振动在复合加工过程所起的加工状态改善作用主要表现为超声波振动可以避免放电短路，超声波产生空化、涡流作用对脉冲放电状态具有明显的改善作用。超声振动作用除了对电火花加工产生有效的辅助加工作用以外，超声振动通过改变磨削加工的磨粒运动路径有效的降低了磨削力的大小，实现砂轮自锐，超声振动产生的空化作用可以避免堵塞砂轮，提高材料去除率，改善了加工表面质量[13]。
对超声振动复合加工过程的研究表明超声振动不仅仅在复合加工过程中起到实际的蚀除作用，并且超声振动产生的交变压力，空化作用、泵吸作用和涡流作用改善了脉冲放电加工和磨削加工的稳定性，提高了材料去除率。超声振动还通过改变磨削加工中磨粒的运动路径的方式改变了磨粒的受力状态，并产生磨削锋利化效果。脉冲放电产生的表面微观裂纹及加工表面残余拉应力降低了工件表面的抗疲劳强度，可以有效降低磨粒与工件间的相对摩擦力和磨削力，改善磨削加工和超声波加工性能，提高材料去除率。对放电加工产生的变质层进行磨削加工和超声波加工，可以有效减小脉冲放电加工产生的变质层厚度，生成新鲜表面，为下次放电做好准备，提高了加工表面质量和工件强度，有助于提高零件的使用寿命。

3超声加工机床的总体设计
超声加工机床的结构组成主要有：主轴头振动系统、主轴的进给驱动系统、主轴头的旋转加工系统和机床主体等组成。如下图3.1所示。

图3.1 机床总体
3.1超声振动主轴头系统
超声振动加工的主轴头系统主要由超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，这三个基本部分组成。另外，还要有辅助的轴颈、轴套等构件。其结构组成如下图3.2所示。

图3.2 主轴的结构
3.1.1超声波发生器
超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。它的作用是将50Hz 的交流电转变为一定功率的超声频振荡, 用以提供工具头做超声频振动和切除工件材料所需的能量。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡-放大型和逆变型两种。常用的是第一种。目前常用的超声波发生器功率为20～ 4000W。在传统的超声波加工系统中, 变幅杆和工具是装配在一起的, 通过调整其尺寸以达到机械谐振的目的。但现在可用频率跟踪发生器自动调整输出频率, 使其与变幅杆和工具组合的谐振频率相匹配, 且能调整因装配误差、工具磨损、换能器生热等因素而造成的较小误差。在设计超声波发生器时, 还应考虑安全性能, 例如: 自动切断电源以防变幅杆破裂、变幅杆和工具连接失效等故障。
振荡-放大型超声发生器实际上就是一个带有振荡电路的放大器。但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载，所以在结构上又有自己的特点。框图如下图3.3所示。

图3.3振荡-放大型超声波发生器框图
振荡-放大型超声波发生器主要包括：超声波振荡器、超声波放大器、匹配电路和频率自动跟踪。超声波振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振荡器，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，它激时产生的超声波频率比较稳定并且可以在较宽的频率内调节。自激式超声波发生器的结构比较简单，且有利于实现频率的自动跟踪。超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。超声波发生器与一般放大器的一个重要区别就在于它的匹配电路部分。超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗之外，还有一样很重要的指标就是调谐，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，整个系统才算匹配，换能器才能正常地工作。超声波发生器与超声换能器的匹配方法是：首先应准确测量换能器的动态阻抗及其变化范围，然后合理选择发生器的输出阻抗和匹配回路的单元值，用逐步逼近的方法，通过反复测试，即可实现发生器与换能器之间的匹配。
3.1.2超声换能器
超声波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。实现这种转变主要采用以下两种方法。（1） 磁致伸缩法（2） 压电效应法。
3.1.3超声变幅杆
由于超声换能器的伸缩变形量很小，最大振幅一般在范围内，需要通过变幅杆对超声振幅加以放大才能用于实际加工。另外，变幅杆作为机械阻抗变换器，使超声能量由超声换能器有效地向负载传输。
为获得较大的振幅，变幅杆的材料要求声阻抗小，疲劳强度高，易于机械加工，抗腐蚀性好，为提高变幅杆的抗疲劳性及声学性能，还要求材料的纤维方向应与传播方向一致，因此变幅杆的材料一般进行锻造。本系统设计的变幅杆的材料选用疲劳强度高，加工性能好的45#钢，加工后进行调质处理[15]。
超声变幅杆其主要作用是改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。为了获得使变幅杆获得理想的轴向振动，当超声振动部分的长度一般为超声振动半波长的整数倍时，使振动体上任一点反射波刚好比入射波多半波长的整数倍。在本设计方案中最终定为设计一个半波长的具有圆锥形过渡段的变幅杆。
3.2主轴头的进给系统
主轴头伺服进给机构设计主轴伺服性能的好坏直接影响复合加工过程控制效果。交流伺服系统具有先进的控制系统，并且成本低、免维护，因而近年来得到了广泛的应用，其控制模式也由原来的全硬件控制模式发展为软硬件相结合控制模式或软件控制模式[17]。伺服驱动器内部高速处理器的应用推动了先进运动控制算法的应用，使交流伺服系统显示出数字化、集成化、智能化和模块化的发展趋势。开放式控制软件和数字式AC伺服电机的结合在保证了数控系统的开放性和柔性的同时也保证了控制系统的可靠性。另外，步进电机的低速性能的改善和调速范围的提高，以及不同编码器的并行配置，可以实现最高达，移动速度可以达到的运动性能。随着滚动元件技术的不断发展、元件标准化和性价比的日趋合理，滚珠丝杠在机床设计中成为主轴传动的固定配置[18]。综上考虑，主轴驱动机构采用了滚动导轨、滚珠丝杠、交流伺服步进电机组成的高性能的直接拖动机构，大大简化了结构设计的同时提高了主轴的伺服性能。
机床主轴的设计，由步进电机、齿轮副、深沟球轴承、推力球轴承、滚珠丝杠副、主轴头和高精度集流环组成。伺服电机通过齿轮与滚珠丝杠连接，丝杠带动螺母及主轴头进行上下移动，两个直线导轨实现导向机构的支撑。由于滚珠丝杠副和直线导轨在加工制作时施加了消除间隙预紧力，同时数控系统实现丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿，定位精度可以达到任意为，重复定位精度为，可以实现高的定位精度和重复定位精度。交流伺服电机由控制系统进行控制，滚珠丝杠的螺距为, 控制器配合交流伺服电机的位置编码器每转一周可以输出若干个位置分辨脉冲，由此可以得到垂直方向上的最小进给量。
3.3主轴头的旋转机构设计
主轴作为复合加工的关键部件，在实现伺服进给的同时还需要有高速旋转。主轴的转速是磨削加工工艺效果的主要影响因素;另外在进行圆孔加工时，适当的工具电极旋转速度不仅能够改善加工排屑情况，还可以提高加工形状精度。通过简单形状的工具，采用不同的工具加工，还可以实现异型孔加工，如果与其它轴联动还可以实现圆孔或型腔加工。由控制系统输出控制信号实现电机控制，经连轴器套筒带动主轴实现旋转，满足工具电极在一定范围内无级可调，实现主轴的高速旋转。
工具电极在进行超声振动的同时还需要进行高精度的旋转。因此，超声信号的输入问题是必须要首先解决。本系统是采用在主轴上端附加高精度的旋转集流环与碳刷来解决工具电极的旋转与工具超声波信号的输入干涉问题;由于压电换能器的电压高，当碳刷和集流环接触不良时，二者极易发生放电现象，因此，碳刷由弹簧支撑，主轴旋转过程中，在弹簧作用下，碳刷始终和集流环保持良好接触，顺利地实现主轴的超声振动和高速旋转同时进行。
3.4机床主体和数控工作台
在超声复合加工机床中，机床本体主要用于支撑、固定工件和电极，提供加工过程的各种运动，所以机床应具备一定的刚度、精度和抗振性。为了保证机床和立柱具有良好的刚性和抗振性，床身材料选择灰铸铁，经过两次时效处理消除内应力，最大程度的减少可能产生的变形，保证机床具有良好的稳定性和尺寸精度。
工作台是用来完成工件的支撑、安装夹紧和定位的，需要实现工件(即工作台)的X方向和Y方向移动。x轴和Y轴方向采用两套完全相同的运动机构作为伺服执行单元，由交流伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副及拖板组成。工作台移动机构有较大的负载，因此选择台湾鼎银公司科技股份公司的AMT系列的L25-2020型数控型双坐标工作台。 工作台上的滚珠丝杠螺母副采用消间隙措施处理。 另外，在脉冲电火花加工过程中要求工作台与地面之间保持良好的绝缘状态，本机床中采用了具有良好绝缘性、稳定性和微小变形的花岗岩材料作为工作台与机床本体之间的绝缘体，工作台采用有T形槽的标准工作台，便于加工工件时用来固定工作液循环箱。

4 主要结构的选择及设计计算
4.1滚珠丝杠副的选择计算
4.1.1滚珠丝杠副的导程
(I:传动比,电机直连丝杠时；齿轮传动或同步带传动时按具体值计算。)
(4.1)
Ph:公称导程。
V:机械的最高运行速度；N:初定的电机最高转速。
4.1.2当量转速与当量载荷
各种方式下丝杠转速代号为N,单位:r/mm。
取 计算丝杠的轴向载荷(单位:N):
(4.2)
取值；；。
当量转速Nm = (4.3)
=
(4.4)

4.1.3预期额定载荷
设计时选用滚珠丝杠螺母副的。
按预期工作时间算（Lh）：
(4.5)
fa为精度系数，根据预定精度按下表4.1选：
表4.1 丝杠精度等级
精度等级
１.２.３.４.５.
７
１０
fa
１
０.９
０.７
fw 为载荷系数，按下表4.2选取：
表4.2 载荷系数
负荷性质
平稳
冲击
振动
fw

Lh ：用预期运行时间表示h，通常推荐Lh按下表4.3选取：
表4.3 运行时间
机床
20000小时
生产机械
10000小时
自动化设备
15000小时
测试仪器
15000小时
另外，预选精度等级为三级，则可选出：
2~1.5n 。
因此可得：

4.1.4丝杠的安装方式
滚珠丝杠采用一端固定，一端自由的安装方式。
滚珠丝杠的长度
(4.6)
Lx:机械最大行程，取值为315mm；
b1:丝杠螺纹到轴承的距离，取值为9mm；
La:安全行程，取值为；
Le:余程，按下表选取：
表4.4 丝杠的余程
公称导程
4
5
6
8
10
12
16
20
余程
16
20
24
32
40
45
50
60
。
由公式4.7可计算：
(4.7)
E:弹性模量，取值为2.1105 N.mm2。

4.1.5滚珠丝杠产品的选用
选用济宁博特丝杠有限公司的丝杠产品。
选用G系列内循环固定反向器单螺母滚珠丝杠副，型号为2504-3型。
。
4.1.6验算
初步估计丝杠的平均工作载荷,螺杆的工作长度，工作时平均转速.要求使用寿命左右，螺杆材料为CrWMn钢，滚道的硬度为.
KF：载荷系数；KH：硬度系数。
KL：短行程系数；Fm：平均工作载荷。
计算载荷：
根据寿命条件计算必须的额定动载荷，。
(4.8)
根据必须的额定动载荷Ca选择螺旋尺寸，选择G系列2504-3型滚珠丝杠副。公称直径,滚珠直径,基本导程,循环列数=3，,滚道半径丝杠内径。
稳定性计算，求临界载荷。
(4.9)
式中，E:丝杠材料的弹性模量，对于钢来说E=206GPa。Ia:螺杆危险截面的轴惯性矩。
(4.10)
长度系数取 ，。

，故使用安全。
另外，精度等级在1-5级时：
， (4.11)
计算后得出：， 满足要求。
4.1.7轴承型号的选定
丝杠上端的托架内有两个轴承来固定,推力球轴承51104和深沟球轴承6004来配合使用。而且,在这两个滚动轴承之间有一个隔离套，它的作用只是隔开两个滚动轴承,为了使装卸方便，需要用间隙配合，且工差等级也可降低。因此,采用混合配合。
4.1.8绘制工作图

图4.1丝杠工作图
4.1.9计算转矩
4.1.9.1理论动态转矩Tp0
由公式4.12：
(4.12)
Fp-轴向预加载荷（N）； Ph-导程（mm）； ŋ:传动效率。
精度：1、2级取ŋ =0.95；3、4 级取；5、7、10级取。
计算：
(4.13)
4.1.9.2最大动态摩擦力矩
查GB/T17587.3-1998验收标准E12得：
P3级 ，。
由公式得：
(4.14)
4.1.9.3驱动最大负载所耗的转矩：
(4.15)
4.1.9.4支撑轴承所需启动扭矩：
轴承51104；；
轴承6004:；因此可得：

4.1.9.5驱动滚珠丝杠副所耗的扭矩
（4.16）
=0.046+0.354+0.37=0.77(N·m)
电机的额定扭矩：

4.2超声变幅杆的设计
4.2.1变幅杆类型的选择
变幅杆类型是根据实际应用条件来选择的，在超声加工中，变幅杆主要起振幅放大和聚能的作用。在应用中，要求变幅杆的放大系数Mp尽可能大,然后再根据应用的不同需要选择其他参数。
1.当面积系数N相同时，阶梯型变幅杆的振幅（位移和速度）和放大系数最大。
2.在设计变幅杆时，除要求尽可能大的放大系数外，还需要根据超声应用的不同工作场合选择变幅杆的输入阻抗特性。
3.变幅杆的最大振动速度除了受到材料的疲劳强度限制外，还和变幅杆的形状有关，因此在设计变幅杆时，不但要有满足需要的放大系数Mp，而且要选择形状因数φ大的变幅杆。取值如下表4.5所示。
表4.5 面积系数N相同时，几种变幅杆的形状因数φ 的关系
变幅杆的类型
面积系数N
形状因数φ
指数形变幅杆
3.25
1.57
圆锥形变幅杆
3.25
1.65
悬链形变幅杆
3.25
1.44
阶梯形变幅杆
3.25
1
4.2.2变幅杆材料的选择
选择变幅杆材料的一般原则是：
在工作频率范围内材料损耗小；材料的疲劳强度高，声阻率小，可承受较大的振动速度和位移振幅；所用材料易于机械加工。
4.2.3变幅杆的设计方法
超声变幅杆的设计方法主要有两种：其一是根据变幅杆的实际需要的特定性能来设计变幅杆，使其满足波动方程的外形函数；其二是根据一些随坐标有规律变化的外形函数，来得出波动方程的解，并由此计算出变幅杆的各种性能参量。
一般步骤如下 ：
1.确定工作频率f及变幅杆输出端的最大位移振幅ε2。
2.选择制作变幅杆的材料。
3.根据所选材料的声速及疲劳强度来估计所需要的形状因数φ。
4.根据换能器辐射面所能得到的位移振幅ε1来估算总的放大系数MT。
5.根据所需要的放大系数MT，形状因数φ，工作稳定程度，阻抗特性以及振动形式来选择变幅杆的类型，并确定变幅杆输入端和输出端的直径或面积之比。
6.如果单节变幅杆不能满足总放大系数MT，而需要用两节变幅杆串联使用时，还应满足下列关系： 。
综上所述，此处选用半波长圆锥形变幅杆；变幅杆的材料为45号钢；查阅相关资料和部分生产厂家的产品说明，取大端直径，取小端直径；查得材料45号钢的声速为，工作频率，振幅为10m；由前页表4.5可知。
(4.17)
；
取值代入公式4.8可得：
， (4.18)
得。
(4.19)
由可知：
(4.20)

位移节点：
(4.21)
已知：，；
则放大系数：
(4.22)

图4.2 变幅杆
4.3主轴及换能器的设计
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，广泛采用的有磁致伸缩换能器和压电换能器。本题目中的设备选用的是压电换能器。
把超声变化的电压加在压电陶瓷的两极上，其厚度将随电压的变化而变化，于是产生了纵向超声波振动，该纵向振动波将向前后两个方向传播，当传播波的介质改变时，在界面上将发生波的折射和反射。反射量的比率取决于两种介质的密度比。密度比越大，反射量越多。由于空气和钢材的密度比非常大，可以认为传播到主轴两端的波全部被反射回来，反射波因为半波损失入射波晚了半个周期，它与从压电陶瓷直接发出的波相叠加，在有的界面上振幅增大，在有的界面上振幅减小，某些界面上振幅恒为零，形成驻波传导。若换能器、变幅杆等组成的系统恰好是声波半波长的整数倍，则此系统处于谐振状态，谐振条件是 ,此公式中l为系统的总长度，λ为振动波的波长（与材料的性质有关），n为正整数。
结构尺寸的确定：
主轴的横向尺寸主要受主轴套筒内孔尺寸的限制，为了获得较大的振动功率和振动幅值，应尽可能利用套筒内孔空间，选用直径较大的压电陶瓷片，换能器前后匹配快的直径可以与压电陶瓷片的直径相同。为了连接电线方便，电极直径也可比压电陶瓷片直径大。主轴各部分的长度亦应根据各自的波长来确定。
传动轴和变幅杆均为用相同材料制成的弹性杆，其波长可按下式计算：。式中C1为纵波波速，与材料的性质有关，为常数。f为超声波发生器发出的超声频变化电流的频率，可在发生器范围内自行选定。一般可选。为了保证主轴有足够的轴向进给范围，传动轴小端长度可取，大端长度可取。
因为在换能器中有钢材这样的弹性材料，也有压电陶瓷等非弹性材料，换能器各部分长度的确定较为复杂，可以分三步骤进行（1）根据主轴套筒内孔空间和压电陶瓷生产厂家的产品目录选定压电陶瓷片的尺寸（包括厚度）。（2）确定电极厚度l3：电极一般采用导电性能较好的铝片或铜片。为了满足连接导线的需要，其厚度可取3-5毫米。（3）确定前后匹配块的长度l2和l1。为设计方便前后匹配块可取同一值，既，后匹配块的长度可按下式计算：
(4.23)
该式中，； ；；；。技术条件：谐振频率为,压电陶瓷片选用Fc，直径为，中心孔直径为，厚度为6mm,另外,,. 前后盖板的材料选用铝合金LY12，直径也是，，,电极的厚度的铝合金，直径为。考虑用非对称结构，后盖板与压电陶瓷片及电极片构成四分之一波长段，前盖板构成四分之三波长段。计算后盖板的长度l:
(4.24)
(4.25)
；；
前盖板为圆柱