摘 要

超声振动主轴系统是由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。论文首先研究了解了超声加工技术，在目前常用的超声振动主轴系统基础上，设计一种超声振动主轴系统，用来进行超声振动钻削加工。

首先分析超声振动主轴的基本工作原理，明确了对换能器和变幅杆等主轴关键部件的结构选择和设计方案，并尝试优化改进主轴关键部件的连接。

完成设计以后，学习使用Ansys 16.0软件，并配合Ansys Workbench软件完成超声振动主轴的动力学分析，主要包括模态分析和谐响应分析，得到不同频率下的振型图，从而验证方案的可行性。

关键词：结构设计；连接；动力学分析；声振部件

Abstract

Ultrasonic processing system consists of ultrasonic generator, transducer, horn, vibration transmission system, tools, process equipment and other components. This paper mainly studies the ultrasonic machining technology, and designs an ultrasonic vibration spindle system for ultrasonic vibration drilling.

In this paper, a set of key components for axial machining of axial ultrasonic drilling is proposed. Firstly, the basic working principle of the ultrasonic vibration spindle is analyzed, the structure selection and design scheme of the key components of the spindle are clarified, and the connection of the key components is optimized.

After the design is completed, the dynamic model is established, and the kinetic analysis is carried out by using Ansys Workbench software. The modal harmonic response characteristics of the key components are obtained. The dynamic analysis verifies the feasibility of the scheme.

Key Words：Structural design; connection; dynamic analysis; sound vibration components

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 超声振动钻孔概述 2

1.3 超声振动加工国内外研究现状 2

1.4 本文研究的主要内容 4

第2章 超声振动主轴工作原理分析 5

2.1 超声波发生器 7

2.2 超声换能器 7

2.3 超声变幅杆 8

2.3.1 超声变幅杆的发展 9

2.3.2 超声变幅杆的主要参数 10

第3章 主轴关键部件的设计及连接 11

3.1 主轴关键部件的设计 11

3.1.1 超声换能器的设计 11

3.1.2 超声变幅杆的设计 12

3.2 主轴连接部分的设计 14

3.3 轴承、连接的选择 15

第4章 主轴关键部件的动力学分析 16

4.1 模态分析 16

4.1.1 建模 16

4.1.2 模态分析 21

4.1.3 谐响应分析 25

第5章 总结 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。而超声技术从上世纪60年代在日本学者隈部淳一郎首次提出应用于钻孔加工中。超声钻孔装置主要分为纵向振动和扭转振动两种装置，因为具有切削力小、加工精度高、表面质量好、刀具寿命长等优点，现在已经被广泛的应用研究。

1.1 研究目的及意义

伴随着科技的发展，无论是对航天航空的探索渴望更多，或是精密机械的精度要求越来越高，或是电脑手机等设备的更新换代对微电路要求更为严格，又或是军工方面如同我国航母的新一代下水，这一切都是建立在机械加工的发展基础上。机械加工中，精度要求是很重要的一环。而现在的一些孔加工方法：机械钻孔、激光加工、电火花交加工等很难达到对孔加工的精度要求，尤其难加工材料的深孔加工。而超声振动加工技术从上世纪60年代应用于孔加工之后，超声振动钻孔技术能够较好的解决孔加工的各种要求，因此超声振动钻孔技术正在逐渐作为孔加工技术的主要技术。

通常来说，孔加工工具容易变形的主要原因是，孔加工刀具的直径大于所要加工孔的直径，因此在切削力的作用下，刀具很容易就发生变形，甚至折断，影响加工质量和效率。这一点在加工本来就难以加工的材料深孔时会经常发生。因此当面临精度提高的孔加工需求时，传统的一些孔加工方法很难达到加工要求，或者加工效率极低，废品率很高。目前常用的孔加工的加工方法可以分为以下四类:

（1）激光加工：加工的精度很差，会导致孔被加工表面粗糙度很高，孔的圆度也较低；

（2）电火花加工：首先它限制了被加工材料只能是导电材料，其次加工的电极难以制作，导致加工效率低；同样用于孔被加工表面粗糙度高，精度差的问题；

（3）高速机械钻孔：优点是比电火花和激光加工的孔加工表面粗糙度低，但是在加工过程中会有毛刺的产生，影响加工质量；

（4）高压水射流：同样难以控制孔被加工表面精度，同时孔的深度也难以控制；而且高压设备昂贵，加工成本很高，难以广泛应用研究。

之所以会导致以上传统加工方法在孔加工过程中产生各种问题，主要是因为孔加工具有以下的主要问题：

1. 切削冷却液很难进入到孔加工的切削区，导致加工温度过高，影响加工；
2. 刀具磨损过快，刀具的使用寿命时间短，导致加工成本提高；
3. 加工过程中产生大量积屑瘤，排屑困难，影响加工精度；
4. 切削力增大，影响加工精度。

使用超声振动钻削技术可以较好的解决上述问题，所以现在超声振动钻削技术在逐渐被应用于孔加工，并且被更进一步的研究，不断的提出新的超声振动机床和超声振动主轴关键部件的设计方案。超声振动钻削主要是利用在加工过程中刀具和被加工工件之间存在一个相对的振动运动，在一个很短的时间内完成切削，采用了新的加工机理，避免了传统加工中存在的问题，可以加工出来精度相对较高的微细孔。因此，本次设计也将对超声振动主轴关键部件进行研究和设计，设计出一种新的超声振动钻削主轴系统。

1.2 超声振动钻孔概述