摘 要

本文根据国内外旋转超声以及基于旋转超声附件化的发展情况，借助机械设计手册，机械制造装备设计等参考书设计计算出气浮工作台主要零部件，以及工作台的结构设计，然后借助有限元分析软件ansys对最重要的零部件—气浮导轨进行应力应变分析以及动力学分析。

论文主要研究了旋转超声加工精密气浮工作台的结构及其应力分析。

研究结果表明了静压气浮导轨的动力学特征与其设计参数存在着关系。

本文的特色：简洁明了，图文并茂。

关键词；精密气浮工作台 气浮支承 有限元分析

Abstract

In this paper, according to the status of rotary ultrasonic machine tools at home and abroad, the size structure of the air-floating rails and the structural design of the workstations are calculated by means of mechanical design manuals, mechanical equipment design and other reference books. Then, by means of finite element analysis software ansys, The kinetic analysis was carried out and the stress of the air float guide was analyzed.

Key Words：Precision air float table Flotation support Finite element analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的背景与意义 1

1.1.1 国内外研究现状 1

1.1.2课题研究内容及其预期目标 4

第二章 气浮工作台的设计 5

2.1 方案的确定与论证 5

2.2 静压气浮导轨 5

2.2.1 气体润滑原理 6

2.2.2 气体静压导轨的类型与特点 6

2.2.3 气体静压导轨的结构总体设计 7

2.2.4 气浮轴承的节流原理与节流形式 8

2.2.5 气源的选定 13

2.2.5 气体静压导轨的设计计算 13

2.2.5 导轨的材料选用 17

2.2.6 导轨的设计说明 17

第三章 底座和工作台的设计选型 18

3.1 底座的设计 18

3.2. 工作台的设计与选型 18

3.2.1工作台的总体设计 18

3.2.1螺栓组的布置 20

第四章 基于ANSYS的有限元分析 22

4.1 有限元分析软件ANSYS介绍 22

4.2 有限元分析过程 23

4.2.1 应力应变分析 23

4.2.2 气浮导轨的动力学分析 25

第五章 课题结论与展望 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1课题的背景与意义

随着科技的不断发展，很多国家工业部门，如航空航天，国防科技对于产品的需求往高精度、高速、耐高温方面发展，传统的加工方式虽然大部分可以满足日常产品的需求，但是对于要求超高精度的产品则已经无法满足其需求，其次需要的材料也愈来愈难以加工，比如金刚石、硬质合金等高硬度、耐腐蚀材料，这些高性能材料难以用传统的切削加工来得到需要的高精度的产品。所以人们开始试图探索一些特殊的方式，不仅仅只借助机械能，而且利用光能、声波能、热能用于一些特种加工，而旋转超声加工则正是这些特种加工的一种，它可以应用于上述一些难加工的材料。

1.1.1 国内外研究现状

超声加工主要开始于上世纪20年代，以普通声学为基础，同时结合了测试技术、电子技术等科技领域的成就发展出来的一门技术。旋转超声加工主要用于工程陶瓷零件的切削和钻削，由于这些零件加工时对其表面精度要求非常高，普通的切削加工无法做到，而超声加工则不会改变其表面物理化学性质，所以应用较为广泛。

国外的科学家们对于这种工作台进行过大量的研制研究，并且提出过许多先进的理论与研究方法，对于促进气浮工作台的发展产生了重要的意义。现在当下的闭式静压导轨的研究多采用了J.W.Powell所提出的研究方法，主体思想就是把闭式导轨当成两个相对的开式导轨，然后再分开来对其进行分析。Elkamel Alit提出了使用神经网格的方法来预测气压分布，可以降低因为气浮轴承的模型被简化而产生的误差。K．Czolczynskit则研究了气膜的线性和非线性特性。Kassab等通过实验来研究气源压力和节流孔的直径大小对矩形截面静压空气轴承性能会造成怎么样的影响。Yoshimoto指出一个结论，那就是混合的节流式空气止推轴承很容易就获得较高的刚度，这样就从理论和实验这两个方面研究了具备混合式节流器双面止推轴承的刚度。

国外那些比较发达的国家早就开始了超精密气浮工作台的研究工作，并且在上个世纪取得了非常多的重要进展与技术的进步，目前已经研制成了许多高精密的气浮工作台用于制造业，极大的促进了精密加工制造业的发展与进步。

但是，这样一门高新技术在我国的发展却十分迟缓。因为西方的国家早在上世纪初就已经开始了有关的试验研究，美国的科学家科恩更是在1951研制成功了第一台实用的超声加工机，到了20世纪50年代，日本的相关学者开始对有振动的切削加工进行了相关的研究与实验，之后这项技术更是得到了极大的发展与进步，在1966年，英国的P.leggy第一次使用了金刚石的钻头作为旋转超声加工的加工头，从而攻克了一个难题，那就是在超声加工钻孔时，加工速度低并且精度不够。再以后到了八十年代，前苏联举办了一次全国性的研究会议，在这次回忆上图，前苏联的科学家与有关学者们充分肯定了旋转超声加工的价值，1977年，日本更是直接将超声振动磨削用于了生产制造。到了90年代，1993 年，美国D. Prabhakar、Z.J. Pei 和 P.M. Ferreira 等人通过运用压痕断裂力学的理论原理，成功地建立了旋转超声加工中陶瓷的材料去除率的模型，与此同时他们也研究发现了一些因素可以影响材料的去除率比如刀具的振幅还有主轴的转速。进入21世纪后，日本美国等制造业强国相继研制成功了各种超声振动技术并且投入了大规模的生产制造环节。

而对于国内而言，这项技术在上世纪50年代才开始被重视与研究。到1965 年，全国性的超声加工专业会议得到成功召开，功率到三千瓦以上的超声加工机床已经被成功研制，并且在大会上进行了相关的汇报。1977年，中科院召开了超声加工交流座谈会。1986年，国家电子部第11研究所的范国良等人与国家经营的建昌机械厂进行了合作，结果成功研制出了旋转超声波加工的样机，在玻璃硬脆材料的钻孔、端面铣削、内圆外圆的磨削加工以及对于螺纹的加工中取得了非常优秀的加工工艺效果。到了八十年代的中后期，来自天津大学的李天基教授等人对进行高速磨削的磨头施加上了超声振动，用以提高复合超声磨削的加工效率，结果研究表明了，加上了超声振动的磨削加工效率会比传统的超声加工的加工效率提高了很多，加工面的表面质量也得到了极大的提高。到了九十年代初，中国建材院成功开发出了压电式的旋转超声加工机床，其功率为300瓦，加工玻璃的效率非常高。1992 年，任教于北京理工大学陈传梁教授在加工中心(MC)上研制成功了超声磨削，他首先提出了并进行开发一种辅助超声加工用的工作头，它可以与数控机床结合在一起从而实现数控旋转超声加工。在1994年，来自哈尔滨工业大学的张其馨教授等人等对含有碳纤维的复合材料进行了旋转超声加工钻孔的实验，结果表明用这种方法加工的孔的表面无劈雳现象，内部无分层现象，也没有掉渣现象。通过研究可以从某种程度上证明旋转超声波加工技术是加工碳纤维复合材料行之有效的方法。到了2001年，天津大学的于思远教授及其团队探索了以工程陶瓷为原材料的小孔超声磨削加工的原理，首先分析然后实验研究了各种各样不同的加工参数会对加工效率产生怎么样的影响。在同一年，也就是2002年里，于思远等人成功的研制开发了装配有气浮工作台的旋转超声加工机床，并且与此同时成功申请了专利。2004，来自大连理工大学的肖德贤教授研究分析了对于工程陶瓷的旋转超声波加工中进行延性去除模式的条件及材料的去除机理，并且通过试验分析了各种加工参数是如何影响材料的去除率的。2005 年，天津大学的林彬教授研究小组成功研制了可以用在很多种普通机床上

旋转超声加工的工作头，从而实现了旋转超声机床的附件话。在同年，来自重庆大学的周忆和梁德沛教授从理论上分析了脆性材料的各种因素是如何在超声加工的过程中影响加工的表面质量，并且对此进行了实验。到了2008年，天津大学的林彬教授所带领的研发小组成功研制基于旋转超声波加工用的的气浮工作台，实现了大约60克力负载控制。2009年，来自天津大学的房丰洲教授所带领研究小组也成功研制出了基于无线电能传输的旋转超声加工头。通过对比旋转超声的磨削加工与普通的磨削加工，发现了旋转超声加工所需要的切削力跟普通的磨削加工比要小很多，同时精度会提高不少。

我们可以看到，在国外的旋转超声加工飞速发展的背景下，虽然国内的相关研究也取得了不错的进展，但是完整的旋转超声加工机床至今没有商业化产品面世，只有少数几所高校研制出了实验性产品样机，其大批量、大规模生产的难关仍然没有被攻克，据有关报道，国内的超声加工机床也仅限于加工一些简单的零部件加工，鲜有国内的超声加工机床可以加工出完整的三维脆性产品。其次，旋转超声加工过程中，最重要也是最最关键的是保持工件与刀具之间的静载荷恒定，而且要能较好的的克服加工中间的切削阻力，这对于国内现今的技术仍旧是一个难题。故综上所述，此次课题研究对于国内旋转超声机床发展有积极作用。

1.1.2课题研究内容及其预期目标

由于旋转超声加工中最关键也是最重要的一点是保持刀具与工件间的静载荷稳定，故本课题主要目的在于设计出一款新颖、实用的气浮工作台用于旋转超声加工用，由于它采用了静压气浮导轨、气浮润滑技术和气动驱动系统，故它可以满足旋转超声加工中对于恒定静载荷的要求，并且可以灵敏的反应力的变化。

第二章 气浮工作台的设计

2.1 方案的确定与论证

首先，通过查阅各种文献以及参考书可知，气浮工作台设计的关键在于确定其主要部件的尺寸设计与选型，其中最重要的就是静压气浮导轨的设计选型，其总体的设计方案如图所示：

图 2.1 工作台的总体设计

2.2 静压气浮导轨

静压气浮导轨是气浮工作台的核心部件之一，它是运用气体润滑技术的一种导轨结构，可以极大的提升导轨的精度和灵敏度，并且不会对环境造成污染，不会发热，寿命比一般导轨长，所以非常的适合运用于高精密机床和精密仪器。

2.2.1 气体润滑原理

气体润滑技术是一种研究气浮支承和气膜形成原理及其结构设计的一门先进技术，气体润滑原理如下图所示

图 2-2 气浮润滑原理

气浮支承是一种在支撑件和被支承件中间的微小缝隙中充入气体而构成的支承形式。在支承件和被支撑件之间，一般取气膜间隙ｈ＝１０～５０μｍ。而根据支承原理可知，只有当气体浮力P与总负载相平衡时，气浮支承才能正常工作。而由于气体具有可压缩性，所以若总载荷W变大时，气膜间隙会变小，而反之当载荷W变小时，气膜厚度会变大。其次气膜刚度是指气膜厚度随载荷变化的程度，原则上要求气膜刚度尽可能的比较小，用以维持工作台的平稳，此外对于工作台的载荷W也有一定的要求。

2.2.2 气体静压导轨的类型与特点

气体静压导轨主要分为整体支承型导轨和离散支承型导轨。整体支承式是指气膜在全导轨内连续分布，这种形式的导轨多用于机床中。离散支承型是气膜沿导轨面的分布式离散而不连续的，所以它会形成若干“气垫足”，所以也称“足式”支承。而对于本次课题而言，由于该气浮工作台是用于旋转超声加工机床，所以拟选用整体支承型导轨。

这种气浮导轨具备很多优点，第一可以使导轨的运动精度高，而且使其具有较高的直线度和平行度，其次导轨的发热量会比较小，不会跟那些液体导轨因为导轨里面的液压油而引起过量的发热，所以就因为发热产生过大的形变。第三点则是，由于气体静压导轨之间充满着外部供给的气体，导轨面与气浮面之间不会直接相互接触，而且由于气体分子之间的黏度很低，故摩擦力会比较小，不会像滑动导轨一样可能出现爬行现象，同时使用的年限会比较长，最后，这种导轨由于使用了纯净的经过了过滤的气体作为中间介质，故不会造成污染。综上，气体静压导轨由于具备以上出色的特点，所以其在精度非常高的仪器部件包括超精密机床中得到非常广的青睐。

但同时，这种气体静压导轨也或多或少存在着不少缺点，比如它可以承受的负载比较低，气膜的刚度也一般比较小，承载不平稳。再者，这种导轨对供气的气源要求比较高，而且需要定期定时检查维修，造成成本较高，而且对是使用的环境要求比较严苛。

2.2.3 气体静压导轨的结构总体设计

气体静压导轨的结构一般有如下图abcd四种结构形式