● 摘要
摘要
超声振动切削技术属于特种加工领域范畴，可以在难加工材料和高精密加工中获得很高的加工精度和加工效率，应用前景十分广泛。然而，作为超声振动装置核心的超声切削换能器，由于影响因素复杂，存在设计偏差大、大批量制造一致性差等诸多问题，使得专用超声振动切削装置的推广应用受到很大的限制。
本文以实际科研项目为背景，从传统的换能器设计理论入手，结合实践经验，提出了一种适合工程应用的换能器设计方法——驻波法。指出对于超声切削中最常用的单向纵振阶梯形变幅杆夹心式换能器，可以将各部分等效为变幅杆材料而方便的计算其谐振频率。在此基础上，逐一分析了换能器各组成部分参数对整体谐振性能的影响规律，得出最优设计参数和标准化依据。对换能器的重要影响因素装配预紧力作了进一步研究，发现预紧力存在一个最优区间的结论，这对指导换能器的生产装配具有重要的现实意义。对换能器的法兰固定方式和螺栓径向固定方式进行了研究，得出不同固定方式对换能器性能的影响规律。
以等效电路法为基础，研究了换能器的匹配调谐，并推导出换能器在谐振频率附近的阻抗圆。对阻抗圆反映的物理意义作了进一步阐释，指出换能器的电抗代表了换能器所能承载的能量大小，而阻抗圆直径则可以反映换能器的带负载能力和损耗大小。在此基础上对换能器的载能特性进行了机理分析，指出换能器工作时的振动能是储存在等效电抗和匹配电路间的能量，各种内部损耗则反映在换能器等效电阻消耗的功率上。研究了换能器的力负载特性和温度负载特性，以模拟换能器实际工作时的谐振特性。针对钻削加工分析了钻削刀具对换能器性能的影响，提出谐振刀具的设计标准。
以工程实际为导向，在上述理论指导下设计了超声振动手钻。对比三种不同手钻振动主轴形式的优劣，设计出新型小型化手钻主轴。分析了主轴的回转特性和带刀特性。运用统计学方法对38把手钻主轴的静态特性和回转特性进行了分析，符合正态分布规律，验证了前面设计理论的有效性和合理性。
本文以较大的实验样本为基础，系统的阐述了超声切削换能器的参数设计方法和载能特性，对推进超声振动切削装置的实用化具有一定的积极意义。
关键词：超声切削换能器，参数设计，载能特性，主轴特性
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