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河南理工大学本科毕业设计论文21
图2-5常用变幅杆图形
不同类型的变幅杆的优缺点详见表2-1。
表2-1 几种常用变幅杆优缺点的比较
变幅杆种类 优 点 1.计算简单，制造容易 阶梯型 数M最大 3.半波共振长度最短 1.制造容易 圆锥型 2.机械强度大 1.共振频率范围较宽 指数型 2.能传递较大功率 3.受负载后放大倍数变化较小 放大倍数大，允许M=20～40 悬链线型 2.半波共振长度最大 1.制造困难 2.截面变化不能过大，否则振动无法传播 1.制造困难 2.当放大倍数过大时，常因应力过大而损坏 可以看出不同形状的变幅杆性能也大不相同，以下因素也需充分考虑：
（1)当面积系数N相同时，对单一变幅杆而言，阶梯型变幅杆的放大系数最大，其
3.截面变化处应力较大，故不适宜传递较大功率 1.当N相同时，放大倍数较小 缺 点 1.共振频率范围较小 2.当面积系数N一定时，振幅放大倍2.受负载后放大倍数小 21
河南理工大学本科毕业设计论文22 次是悬链线型、指数型，最小是圆锥型。圆锥型变幅杆的放大系数最大可达到5～10倍；指数型变幅杆的放大系数最大可达到10～20倍，使用中性能稳定；阶梯型变幅杆的放大系数最大可达到20倍以上，但它受到负载时，振幅减小的现象比较严重，工作不够稳定，而且在粗细过渡的地方易产生应力集中而造成疲劳断裂。为此，在设计阶梯型变幅杆时，其截面剧变处，必须有过渡圆弧。
（2）指数型和圆锥型变幅杆的共振长度l随N的增大而增大。在N＝1.01～1.81范围内悬链线型变幅杆的l随N的增大而变短，以后随N的增大而增大。
（3)在高声强超声加工中〔如超声拉管〕，在变幅杆的输出端需要有很大的振动振幅。变幅杆的最大振动速度除了受杆材料的疲劳强度限制以外也和变幅杆的形状有关。所以在满足所需要的放大系数之外，还应选择形状因数大的变幅杆。阶梯型变幅杆虽然放大系数大，但其形状因数?也最小。在面积系数N相同时，有：?圆锥>?指数>?悬链线>?阶梯。
综合考虑工作特性和应用场合，我在设计中采用加工较容易、频率稳定性好的圆锥型变幅杆。
2.4 各组成部分的连接与固定
由于振动影响产生的力较大，变幅杆与振动圆盘和换能器的连接均采用螺纹连接，且接合面需研磨，换能器与定位套筒连接时，中间可加一橡胶垫圈以消振。
2.4.1变幅杆和换能器的连接
变幅杆大端面和换能器前盖板用双头螺钉紧固连接，为了使振动能量有效地从换能器传到变幅杆，变幅杆的大端面与其中心线的垂直度误差应小于0.015mm，且表面粗糙度不高于Ra0.4mm。
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河南理工大学本科毕业设计论文23 2.4.2变幅杆的固定
在超声加上中，不仅要求变幅杆的位移节点位置要清晰准确，而且要允许将振动系统固定到相对静止的支架上，而使声能耗散最小、振动频率保持不变，不会影响振动系统的声阻抗。一般变幅杆通过振动波节上的法兰盘固定在工装上。固定时，一方面要求振动波节处的法兰盘的刚性要好，另一方面又要求能量传到法兰盘上导致能量的损失。在兼顾刚性与能量损失的情况下，振动波节厚度取（3～6）mm比较合适。
2.4.3超声波发生器与超声振动系统的连接
超声振动系统在工作时随主轴高速旋转，如何将超声波发生器输出的高频电振荡信号可靠地传递到高速旋转的换能器中是非常重要的，可通过引电装置组件来实现其间传递，且引电装置并不随机床主轴一起旋转。它一般分为接触式和非接触式两种，其中接触式引电器分为刷环式，刷束式以及水银式三种，非接触式引电器分为感应式和电容式两种。本文采用集流环、碳刷式引电装置组件。该引电装装置组件中的导电环材料为银铜合金，碳刷材料为银石墨，弹簧为铍青铜，冷却方式为空冷，绝缘体是经机械加工而成。其结构，如图2-5所示
图2-5 碳刷式引电装置
2.5旋转超声振动系统的设计
各种超声加工方法的加工机理虽然不同，但其加工装置结构都具有共性，以下就通
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河南理工大学本科毕业设计论文24 过对已有的超声钻削、磨削等几种加工装置进行研究，完成本课题装置的设计开发。
2.5.1对已有的超声加工装置进行分析 1）旋转超声加工磨削装置
图2-6旋转超声加工磨削装置
图2-6所示为超声旋转磨削加工装置。它由碳刷铜环、碳刷、超声波发生器、装置
外壳、压电陶瓷换能器、主轴、工具磨头、变幅杆、轴承、底座等零部件组成，工具磨头右端部位的阴影部分为在其上镀制的金刚石磨粒。主轴与电机是通过联轴器连接的，而变幅杆上的联接法兰用于连接变幅杆与主轴，设计时将联接法兰设计在零节面位置。在主轴端面的橡皮垫圈用于减少法兰固定后对变幅杆振动振幅的影响。工具磨头通过变幅杆小端部的内螺纹固定在变幅杆上。整个超声旋转加工磨头利用磨头体底座安装在平面磨床磨头上，借助平面磨床原有3个方向的进给运动，实现对工件的超声旋转磨削加工。
工作时由电机通过联轴器驱动主轴以及与之连接在一起的变幅杆和工具磨头旋转：同时在外部超声波发生器的激励下，压电陶瓷换能器产生高频振动，其振幅在经过变幅杆进行放大后，作用在工具磨头上。从而使刀具既具有旋转运动，也具有轴向超声振动。与专用磨床的主轴结构相比，该磨头具有结构简单、成本低等优点。
2）摇臂钻床辅助超声加工装置
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