论文总字数：23652字

摘 要

众所周知，从最近几年来看，制造业技术水平在我国呈现上升阶段，因此数控机床便获得了很大范围的应用。数控机床在企业中的占比渐渐提高，已广泛应用于大中型企业，甚至中小企业和个体企业。尽管数控机床行业在我国已经拥有很强的实力，但是数控机床行业的发展在我国也面临不小的问题，其中最大问题的就是“缺大少精”，国内那些大型且高精度的数控机床还不能达到加工精度要求。想要增加机床的加工速度以及精度，就要使机床的加工部件具备一定的好的性能。

超声滚压强化技术用于零件的精密加工，它是一种复合加工的特殊技术，既将传统的滚压和超声去除材料技术相结合，并且具有改善残余应力的能力，提高表面完整性、抗疲劳性、耐腐蚀性和耐磨性等优点。超声滚压强化技术从开始发展到现在，有很多科研人员都对其做了许多的研究，可以把它应用在各种的重要零件中。超声滚压强化产生的高频外部振动会冲击材料表面，使其表面和亚表面出现塑性变形现象。滚压强化将残余压应力引入适当的深度，零件的疲劳强度将会增加。

本文主要着眼于单侧超声滚压强化机床结构设计，针对复杂零部件的超声滚压强化问题进行分析，并且依据机床设计原则及要求自主设计一台单侧超声滚压强化机床，最后设计它的具体结构，并对其关键零部件进行分析。由最后试验结果表明，此次所设计的单侧超声滚压强化机床可以满足加工零件的强度和精密度要求，它具有结构简单、表面光洁、生产效率高、滚压出的部件表面精度高等特点，它的各个方面的性能都可以达到预定的要求。

关键词：超声滚压 机床机构设计 超声机床

Abstract

As we all know, in recent years, the level of manufacturing technology is on the rise in China, so CNC machine tools have been widely used. The proportion of CNC machine tools in enterprises is gradually increasing, which has been widely used in large and medium-sized enterprises, even small and medium-sized enterprises and individual enterprises. Although the CNC machine tool industry has a strong strength in our country, the development of CNC machine tool industry also faces many problems in our country, the biggest problem is "lack of large and less precision", the domestic large and high-precision CNC machine tools can not meet the processing accuracy requirements. In order to increase the machining speed and accuracy of machine tools, it is necessary to make the machining parts of machine tools have certain good performance.

Ultrasonic rolling strengthening technology is used in precision machining of parts. It is a special compound machining technology. It combines traditional rolling and ultrasonic material removal technology, and has the ability to improve residual stress, improve surface integrity, fatigue resistance, corrosion resistance and wear resistance. From the beginning of the development of ultrasonic rolling strengthening technology to now, many researchers have done a lot of research on it, which can be applied to a variety of important parts. The high frequency external vibration produced by ultrasonic rolling will impact the surface of the material, making its surface and sub surface appear plastic deformation phenomenon. The residual compressive stress is introduced into the proper depth by rolling strengthening, and the fatigue strength of the parts will increase.

This paper mainly focuses on the structural design of one-sided ultrasonic rolling strengthening machine tool, analyzes the problem of ultrasonic rolling strengthening of complex parts, and designs a one-sided ultrasonic rolling strengthening machine tool according to the design principles and requirements of the machine tool, and finally designs its specific structure, and analyzes its key parts. The final test results show that the designed one-sided ultrasonic rolling strengthening machine can meet the requirements of the strength and precision of the machined parts. It has the characteristics of simple structure, smooth surface, high production efficiency and high surface precision of the rolled parts. Its performance in all aspects can meet the predetermined requirements.

Key words: ultrasonic rolling ; machine mechanism design ; ultrasonic machine tool

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的主要内容 2

第二章 超声滚压装置的设计与研究 4

2.1 超声滚压设备的组成 4

2.2 超声滚压装置的工作原理 4

2.3超声波发生器 4

2.4 换能器的选择和设计 5

2.5 变幅杆的设计与研究 7

2.6 超声工具头的设计与研究 9

2.6.1滚珠的选择 9

2.6.2超声工具头结构 10

2.7 本章小结 10

第三章 超声滚压强化机床结构设计 12

3.1超声机床的总体方案设计 12

3.2 机床部件结构设计 12

3.2.1 机床柜 13

3.2.2 底座 13

3.2.3 立柱 14

3.2.4 横梁 14

3.2.5电控柜 15

3.3 进给机构设计 15

3.3.1 X/Y轴进给机构 15

3.3.2 Z轴进给机构 16

3.3.3 旋转进给机构 17

3.4机械系统设计 17

3.4.1机床外形尺寸及重量估算 17

3.4.2 导轨参数确定 17

3.4.3 计算滚珠丝杠的有关数值 19

3.4.4轴承的选择 22

3.4.5 步进电机的选型与计算 23

3.5 超声主轴的设计 26

3.6 本章小结 27

第四章 经济性和环保性分析 28

4.1 经济性分析 28

4.1.1成本概算 28

4.2 费税 29

4.3 利润 29

4.2 环保性分析 29

结语 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

从最近几年的发展趋势来看，中国的发展很快，同时也带动了机械行业的发展。在“十三五”期间，高端数控机床被重点列入发展的八大高端装备制造业中去。机械制造产业在我国国民经济中起到举足轻重的作用，它同时也是我们国家整体制造实力的综合体现^[1]。世界很多国家都在为制造业的发展积极做规划，美国提出的规划是大力发展先进制造业，德国提出发展本国的工业4.0作为规划，在这样的环境下，中国提出了“中国制造2035”的这一宏伟规划。在制造业中，机床技术水平无论对企业还是国家都是很重要的，高端数控机床的机构设计和制造水平的低下严重制约了我国制造业的发展水平，因此掌握高端数控机床的结构设计和制造技术是实现我国制造强国战略目标的重要一步。机床的机械零件是基本组成元件，其精确度与使用寿命直接影响着机床是否可以长时间的正常运行，机械零件的过早失效会直接造成生产效率的下降，情况严重的还会发生安全事故，导致机床的破坏和人员伤亡，对国家的经济造成巨大亏损，一般来说，引起这些部件的损坏一般最开始出现在这些部件的表面^[2]。为了使零件表面耐磨、抗腐蚀，1929年德国最先将滚压强化技术用在汽车轴的表面并进行强化处理，渐渐地滚压强化技术的应用也在机床上得到了不错的效果，使机床加工出来的零件更加精密，随着广泛的应用，滚压强化技术也在慢慢地朝着超声滚压强化技术发展，它与超声波结合形成一种动态滚压技术，我们把它叫做超声滚压强化技术，它是由两部分组成：传统滚压技术与超声加工技术，它们在零件表面强化方面得到很大应用^[3]。超声滚压技术能够让零件表面尤其是金属材料得到很好的性能，本文主要研究将超声滚压技术应用在机床上，让其加工出来的零件更加的精密和耐用。

1.2 国内外研究现状

美国物理学家在1927年使用高频超声振动实现了有关超声的实验一直到1951年发明了世界上第一台超声机器，此次事件表明了超声技术在制造行业中有着很大的潜力。超声技术在日本已经获得了一致认可并且普遍使用，普通机床会率先应用该项技术，并且取得了不错的成果，然后慢慢地将该项技术也应用在精密车床和数控车床上。然后在1955年，Blaha等人使用超声波发出较高的频率激励振动作用在金属材料表面进行有关弹塑性变形实验的研究方面。慢慢地有人将超声技术应用到拉深和挤压的实验中并进行了深入研究。在1996年，法国的SONATS公司开始研究超声波喷丸装置及其有关实验，它在在很多领域都得到了广阔的应用^[4]，其强化原理就是利用超声波在金属材料表面进行激励，使金属表层发生压缩和拉伸的载荷，在变形区出现应力和硬化层，可以提高金属表层的性能。由于有许多的优点，超声喷丸技术在外国的很多国家都受到了应用，尤其是在航空领域，如用于飞机机翼上、机舱及发动机重要部件，对其部件进行特殊表层强化处理。后来，许多学者采取了一种新的方法，使用先进的计算机仿真技术，对超声技术进行了深入研究并取得了很大的成果^[5]。

在国内，来自大连理工大学的王义教授最早提出了超声振动挤压加工的概念，并对其进行了深入的研究，对其工艺技术机理和实验原理进行了研究。经有关实验表明，超声振动挤压工艺参数尤其是挤压力对强化方面起到关键作用。然后，根据不同的工作情况，李华等人对超声波振动挤压工艺参数的选择和机理进行了实验研究。2006年，H.Suzuki等人提出了超声振动辅助抛光的理念^[6]，与此同时，王东坡等人在天津大学提出了超声波表层滚压强化技术，即在45号钢、合金钢、高刚度螺栓和汽车传动轴强化中有较多的使用。它的机理是：把不变的静压力和较高频率的输出振幅相结合，然后使用设备将其加载在被加工零件的表面上，使其在表面附近发生塑性流动。郑新建等人采用不同的超声挤压工艺参数对45钢进行试验。Akbari.Mosavi等人最早利用有限元对超声振动挤压过程进行数值仿真，实验可得：与传统挤压作对比，超声振动挤压可以在不大的静态挤压力下使材料产生屈服应变。依据超声滚压强化机理，Lin等人通过对材料表面加工过程用并且用有限元进行模拟分析，得到了纳米金属表面的加工条件。2007年，Chang-MinS等人提出了超声波表面滚压强化技术与超声波表面冷锻工艺差不多^[7]。2013年，Ismail等人在滚压过程中建立了很多次的三维有限元模型，并进一步分析所存在的问题，为以后的建模提出更加有用的意见。2015年，任学冲等人用超声滚压强化技术对车轴钢进行了实验。由试验发现，车轴钢在加工之后，它的表面光滑度和精度明显变好。

1.3 本文研究的主要内容

本文的研究对象是单侧超声滚压机床，着重研究超声装置的设计和使用性能，并对机床整体结构进行设计和分析，以提高机床对零件的加工性能。在了解了机床结构组成的基础上，自主通过计算设计机床结构的尺寸，最后利用建模软件对其进行建模，并对其关键零件进行分析，使其加工出来的零部件更加精密与耐磨。

第二章 超声滚压装置的设计与研究

2.1 超声滚压设备的组成

超声滚压设备主要由四部分组成，分别是超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头。超声滚压机床最关键的部分就是超声装置，我们都知道目前机床已经很成熟了，如果能把超声装置做好，那么将会对超声滚压机床的发展有很大的帮助。

2.2 超声滚压装置的工作原理

超声滚压技术是将超声振动与传统滚压加工相结合的一种方法，从实质上来讲，它是一种冷塑性加工技术。超声装置中的零件是按一定顺序连接在一起的，超声波发生器连接换能器，换能器连接变幅杆，变幅杆连接工具头。超声波发生器给换能器供电，换能器将得来的电流转变为振动传给变幅杆，变幅杆将得到的振动放大传给工具头^[9]，工具头会再把振动传给被加工零件的表面，零件的表面会发生微小的变化，我们都知道如果从微观的角度去看某样东西的话，那你会观察到更加意想不到的东西，零件的外表面是凹凸不平的，工具将力和振动施加在凸峰上使其被压平，然后凹峰慢慢鼓起使零件表面达到平整的效果，其实整个过程就是将凸峰多余的材料填充在凹峰中去，这就是超声滚压的加工原理。这种加工方法可以有效减小材料表层的凸峰程度，可以降低其粗糙度值，从而大大优化了表面洁净度和表面质量，这有利于改善金属材料表面的性能和增加零部件的使用寿命^[10]。

2.3超声波发生器

超声波发生器又叫做超声波电源，它的作用是为整个设备供能。超声波发生器经过转换可以进行超声波频率振荡，并传递能量给加工零件。在超声滚压装置的工作中，需要工具头输出稳定的振幅，还要响应迅速且准确，所以对超声发生器有一定的要求。所选用的超声波发生器要能够很好的调节它的功率和频率，且可以提高振动频率的稳定性，还要使其具有简单的结构、运行的可靠、价格的低廉、体积小等优点。本次设计选用的超声波发生器的型号是YP-ZJS-2000，这个超声波发生器具有一定的功能，比如电路可以很好的得到一些保护和能够自动调节频率等。此超声波换能器可以用两个表来表示工作电流的示数，能够提高它的工作稳定性，使得超声换能器可以可靠的工作^[11]。超声发生器如图2-1所示，其主要参数见表2-1。

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