超聲軸向振動(dòng)鉆削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

王陳向 孫麗華 馬玉平 韓興言 聶 丹

(①貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550003；①安徽建筑工業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，安徽合肥230022；③山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，山西長治 046000)

當(dāng)今，對孔的加工精度和表面質(zhì)量要求不斷提高，特別是在鈦合金、高溫合金、聚碳酸酯等難加工材料上加工小直徑深孔。實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的切削工藝存在著一系列難以解決的困難［1-3］：①切削溫度高，切削熱難以排除；①入鉆定心難，鉆頭易引偏，刀具細(xì)長，容易折斷；③斷屑困難，排屑不暢，容易造成堵塞；④出口毛刺多，加工質(zhì)量低等。因此，特種加工應(yīng)運(yùn)而生，其中超聲波加工適合加工各種硬脆材料，尤其是難加工的材料，而且加工質(zhì)量也滿足要求，所以得到了廣泛的應(yīng)用。但超聲波機(jī)床具有體積大、成本高的缺陷，并且受到加工尺寸的限制。

為此，本文設(shè)計(jì)和研究了一種新型的超聲軸向振動(dòng)鉆削機(jī)構(gòu)，作為精密機(jī)床的附件，是一種實(shí)用化的裝備，可提高小直徑深孔鉆削加工的精度和表面質(zhì)量，避免鉆頭折斷，提高鉆孔效率，獲得了普通孔加工方法無可比擬的工藝效果。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲振動(dòng)鉆削改變了傳統(tǒng)的切削機(jī)理，在切削過程中通過振動(dòng)裝置使鉆頭和工件之間產(chǎn)生可控的相對振動(dòng)；利用振動(dòng)周期內(nèi)極短的一瞬間進(jìn)行切削，屬脈沖式切削［1-3］。

1.1 機(jī)構(gòu)組成

超聲振動(dòng)鉆削又可分為刀具振動(dòng)和工件振動(dòng)兩種類型，本機(jī)構(gòu)采用的是刀具振動(dòng)鉆削。

如圖1所示，超聲軸向振動(dòng)鉆削機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)的零件、靜止的零件和動(dòng)靜之間連接的零件組成。其中，運(yùn)動(dòng)的零件有內(nèi)軸套2、壓電陶瓷換能器5、變幅桿6、彈簧夾頭7和刀具；靜止的零件由外固定套11、吊絲1和于吊絲配套的卡轂環(huán)等構(gòu)成；外固定套和內(nèi)軸套之間是通過軸承連接的，壓電陶瓷換能器與超聲波發(fā)生器之間是通過碳刷和滑環(huán)來連接的。

1.2 工作原理

超聲波發(fā)生器將220 V、20 kHz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，向機(jī)構(gòu)提供振動(dòng)能量。壓電陶瓷換能器將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)化成超聲頻機(jī)械振動(dòng)。軸向振動(dòng)的變幅桿將換能器輸出的小振幅有效地傳遞給刀具系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的超聲頻振動(dòng)［1-3］。在切削過程中，來自超聲波發(fā)生器4的勵(lì)磁電流，通過碳刷3傳送到滑環(huán)10上，再經(jīng)過釬焊在滑環(huán)上的導(dǎo)線與可以回轉(zhuǎn)的壓電陶瓷換能器5相接。換能器的輸出端通過螺釘與圓錐形變幅桿6的輸入端相連，而變幅桿的輸出端與帶有螺釘?shù)膹椈蓨A頭7相配。這樣只需要將高速鋼麻花鉆緊固在彈簧夾頭7中就可以進(jìn)行超聲軸向振動(dòng)鉆削了。

2 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選擇

2.1 超聲軸向振動(dòng)變幅桿的設(shè)計(jì)

在超聲振動(dòng)加工中，為了準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)車刀和工件的分離，滿足超聲加工形成的必要條件，要求刀尖的振幅至少要達(dá)到10～100 μm，而換能器直接能達(dá)到的振幅最大只有4～5 μm。這樣有必要在換能器和加工工具之間增加振幅放大部分，即超聲變幅桿。超聲變幅桿的主要作用有兩個(gè)：一是將機(jī)械振動(dòng)位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上，即聚能作用；另一個(gè)作用是作為機(jī)械阻抗的變換器，使超聲能量更有效地由超聲換能器向負(fù)載傳輸。超聲變幅桿的原因是聲能在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，通過任一截面的振動(dòng)能量是不變的，截面小的地方，能量密度大，可以得到較大的振幅。為了獲得較大的振幅，應(yīng)使變幅桿的共振頻率和外激振動(dòng)頻率相等，使之處于共振狀態(tài)。

(1)變幅桿類型的選擇

根據(jù)截面形狀的不同，變幅桿主要有指數(shù)型變幅桿、懸鏈線型變幅桿、圓錐型變幅桿和階梯型變幅桿4種類型。選擇變幅桿時(shí)一般可從三方面來考慮，一是根據(jù)振動(dòng)切削的具體要求，特別是放大倍數(shù)，工作穩(wěn)定性、切削用量等來選擇合適的變幅桿；二是設(shè)計(jì)簡單，可獲得較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；三是加工制造容易。此設(shè)計(jì)選擇了比較容易加工的圓錐型變幅桿(圖2)，材料為調(diào)質(zhì)45鋼，其聲學(xué)特性為：抗拉強(qiáng)度σb=615 MPa；疲勞強(qiáng)度σmax=0.4σb=250 MPa；材料密度 ρ=7.9 g/mm2；超聲波在該種材料中的傳播速度c=5.169×106mm/s；超聲波在該種材料中的波長λ=258.45 mm。此外，變幅桿的振動(dòng)方程為兩端自由、中間固定，其輸入端與壓電陶瓷換能器相接，輸出端與彈簧夾頭相接，零振幅位移節(jié)點(diǎn)設(shè)置為振動(dòng)節(jié)，超聲軸向振動(dòng)機(jī)構(gòu)通過此振動(dòng)節(jié)固定。

(2)變幅桿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟

變幅桿是根據(jù)聲振理論而設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)把變幅桿前端相接的彈簧夾頭和切削刀具等效為圓柱體，其關(guān)鍵步驟如下：如圖3所示，圓錐變幅桿的對稱軸為坐標(biāo)軸，作用在小體積元(x，x+dx)的張力為(?σ/?x)dx，據(jù)牛頓第二定律，在簡諧振動(dòng)的情況下列出的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：ξ為質(zhì)點(diǎn)的位移函數(shù)；S為變幅桿的橫截面積函數(shù)；k為圓波數(shù)，k=ω/c2；

如圖4所示，坐標(biāo)原點(diǎn)x=0處的直徑為D1，橫截面積為S=πD12/4，x=L處的直徑為D2，在任意x處有函數(shù)關(guān)系為

式中：α=(D1-D2)/(D1L)=(N-1)/(NL)，面積系數(shù)N=D1/D2。

從而求出動(dòng)力學(xué)方程的解為

①確定頻率方程和諧振長度

當(dāng)把切削刀具看作等效圓柱體時(shí)，與刀具對應(yīng)的變幅桿頻率方程由下式確定：

式中：k'、L'、E'、D2、S2分別為刀具材料的圓頻率、等效長度、彈性模量、等效直徑和等效橫截面積。

①確定位移節(jié)點(diǎn)X0

當(dāng) x=x0時(shí)，ξ=0，得位移節(jié)點(diǎn) x0為

③根據(jù)壓電陶瓷換能器輻射面所能得到的位移振幅來估算放大系數(shù)MP

④根據(jù)變幅桿材料的聲速c以及疲勞強(qiáng)度來估算極大值XM與形狀因素ψ，即令a2ξ/(ax2)=0有：

式中：θ=arctan(α/k)。

2.2 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生超聲頻電振蕩信號并向換能器提供能量的裝置，其作用是將220 V、50 HZ的交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻電振蕩信號。超聲波發(fā)生器按照末級所采用的器件類型又可分為電子管型、可控硅逆變型、晶體管型和功率模塊型。本設(shè)計(jì)采用的是可控硅逆變型超聲波發(fā)生器。

該裝置組成如圖5所示由前置放大器、功率放大器、整流濾波器、可控硅調(diào)壓器、檢測電路組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。工作時(shí)，掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生一以換能器諧振頻率為中心頻率，并在此中心頻率左右擺動(dòng)的電信號，這個(gè)電信號經(jīng)前置放大后驅(qū)動(dòng)由VMOS管組成的功率放大器，經(jīng)功率放大后，由輸出變壓器耦合到換能器，從而產(chǎn)生超聲波。

2.3 超聲換能器

超聲換能器的作用是將超聲波產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動(dòng)，是超聲振動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。換能器主要有磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器兩種。磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體在變化磁場中所產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)而制成的。這種換能器的機(jī)械強(qiáng)度高、輸出功率大、體積大、發(fā)熱嚴(yán)重，隨著壓電材料的發(fā)展其在超聲加工中的應(yīng)用越來越少了。電致伸縮換能器是利用壓電晶體材料的壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)制成的。超聲波發(fā)生器輸出交變電場加在壓電晶體上，從而獲得機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。壓電式換能器結(jié)構(gòu)尺寸小，電聲轉(zhuǎn)換率高，發(fā)熱較小，與超聲加工系統(tǒng)易于匹配，同時(shí)價(jià)格適中，因此本設(shè)計(jì)采用壓電式換能器。換能器輸出端尺寸直徑為52 mm，輸入電壓220 V，連續(xù)工作時(shí)間30～60 min。

3 切削加工試驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)工件材料：0Cr17Ni4Cu4Nb。

(2)實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及刀具：VMC0650h型立式高速加工中心；直徑為3mm的普通麻花鉆。

(3)實(shí)驗(yàn)參數(shù)：孔深徑比L/D=20；鉆削參數(shù)是進(jìn)給速度f=0.005 mm/r，轉(zhuǎn)速n=6000 r/min；換能器振動(dòng)頻率f=20 kHZ，連續(xù)工作時(shí)間30～60 min。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圓柱度為0.005 mm；出口毛刺不大于普通切削的1/4；表面粗糙度值Ra＜1 μm；

4 結(jié)語

經(jīng)切削加工實(shí)驗(yàn)表明，本超聲軸向振動(dòng)鉆削機(jī)構(gòu)作為立式加工中心的附件裝置，不會和加工中心發(fā)生干涉，并且充分考慮了其對中性和運(yùn)動(dòng)平衡性，可有效地防止擺動(dòng)，有足夠的穩(wěn)定性和承載能力，能夠抵制干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。在振動(dòng)參數(shù)和切削參數(shù)合理的情況下，本機(jī)構(gòu)能顯著地提高小直徑深孔的加工精度和表面質(zhì)量，并使鉆孔效率得以提高，實(shí)現(xiàn)了在難加工材料上進(jìn)行小直徑深孔的鉆削加工，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］王立平，等.振動(dòng)鉆削的國內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，1999(3).

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