基于壓電振動(dòng)的鉆削加工裝置的設(shè)計(jì)*

劉天軍

(常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

1 引言

在對(duì)鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)材料進(jìn)行切削加工時(shí)，存在加工硬化、刀具磨損、熱變形等問題［1-2］。振動(dòng)加工技術(shù)是在刀具或工具上附加一個(gè)或多個(gè)不同方向的低頻或超聲振動(dòng)，使連續(xù)接觸加工變成間斷、瞬間、往復(fù)的斷續(xù)接觸加工［3］。振動(dòng)加工主要應(yīng)用于鈦合金、不銹鋼等高強(qiáng)度材料的振動(dòng)攻絲，脆性材料石英玻璃、陶瓷等的振動(dòng)打孔，廣泛應(yīng)用于超精加工、微細(xì)加工、新材料與難加工材料加工等領(lǐng)域［4-6］。

振動(dòng)加工中振動(dòng)源有機(jī)械、電磁、壓電振動(dòng)等，機(jī)械、電磁振動(dòng)存在的最大缺點(diǎn)是振幅較大，很難達(dá)到微米級(jí)的尺度，當(dāng)加工公差與振幅在同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，無法保證加工公差及加工精度。壓電振動(dòng)利用逆壓電效應(yīng)，對(duì)壓電晶體施加電場(chǎng)而出現(xiàn)的機(jī)械變形現(xiàn)象，當(dāng)施加電場(chǎng)為交變信號(hào)時(shí)，壓電晶體產(chǎn)生周期性機(jī)械振動(dòng)。壓電振動(dòng)具有振幅小、頻率高、變化快的特點(diǎn)，壓電振動(dòng)分為低頻振動(dòng)和超聲振動(dòng)，壓電超聲振動(dòng)是壓電陶瓷換能器發(fā)出超聲頻域段的機(jī)械振動(dòng)，壓電陶瓷換能器的振動(dòng)元件為壓電陶瓷片，振幅小、振動(dòng)頻率高，其振動(dòng)頻率頻率一般在1～3kHz，振幅在微米級(jí)，該振動(dòng)通過變幅桿將振幅放大后傳遞給刀具才能適用于輔助銑削。在振動(dòng)傳遞過程中，要求變幅桿及刀具整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率與壓電陶瓷換能器接近，使壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振動(dòng)及能量最大限度的傳遞到刀具上。目前國內(nèi)對(duì)于壓電超聲振動(dòng)的研究較多，該加工方法的局限性在于壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振動(dòng)能量的傳遞受到既變幅桿及刀具整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率的影響，又受連接剛度及加工時(shí)進(jìn)刀量變化產(chǎn)生約束條件的變化，加工過程中變幅桿與刀具整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率匹配時(shí)需精確的計(jì)算和試驗(yàn)［5］。

2 基于壓電振動(dòng)的鉆削裝置設(shè)計(jì)

振動(dòng)加工系統(tǒng)機(jī)床附件式及專用機(jī)床式二種形式。機(jī)床附件式在主軸和刀具間加入振動(dòng)發(fā)生裝置，振動(dòng)裝置與加工刀具剛性聯(lián)結(jié)，振動(dòng)裝置直接傳遞給刀具，其特點(diǎn)是制造成本低，受空間限制裝置不能很大，加工功率小，專用機(jī)床式機(jī)床本身設(shè)計(jì)有振動(dòng)源，直接激發(fā)機(jī)床主軸進(jìn)行軸向振動(dòng)，主軸上刀具夾持刀具進(jìn)行振動(dòng)加工，專用機(jī)床式穩(wěn)定可靠，加工功率大，制造成本高，在研發(fā)機(jī)床前須有大量的振動(dòng)加工工藝參數(shù)為基礎(chǔ)。

本鉆削裝置設(shè)計(jì)采用機(jī)床附件式結(jié)構(gòu)，采用疊層型壓電陶瓷作為振動(dòng)源，疊層型壓電陶瓷具有低頻段、輸出力大、頻率響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。過渡板1與加工機(jī)床的主軸連接，過渡板1與導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)環(huán)5過盈配合，由緊定螺釘7實(shí)現(xiàn)周向固定，導(dǎo)電滑環(huán)外環(huán)4有一定位孔，已固定到鉆床機(jī)體上的固定桿6插進(jìn)定位孔，使導(dǎo)電滑環(huán)的外環(huán)4固定不動(dòng)，保證外環(huán)導(dǎo)線與機(jī)床呈固定狀態(tài)。過渡板1通過螺栓2與壓電陶瓷10連接。刀具夾具16與壓電陶瓷10通過連接螺栓固定到過渡塊11上，過渡塊11與刀具夾具14固聯(lián)，鉆頭15安裝在刀具夾具14上。由陶瓷封裝體10的引線8連接到導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)環(huán)5上。

圖1 壓電振動(dòng)的機(jī)床附件式實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)給壓電陶瓷施加電荷時(shí)，陶瓷伸長(zhǎng)，當(dāng)撤除電荷后，陶瓷伸長(zhǎng)消失而回縮，壓電陶瓷的振動(dòng)過程是通過給壓電陶瓷周期性的施加和撤除電荷產(chǎn)生的，壓電振動(dòng)的銑削裝置中，陶瓷伸長(zhǎng)，刀具向工件進(jìn)給，工件對(duì)刀具的反作用使陶瓷受壓，當(dāng)撤除電荷后陶瓷帶著夾具及刀具瞬間回縮時(shí)，由于加速度極大，產(chǎn)生的反向慣性力使陶瓷受到非常大的拉力。

壓電陶瓷具有伸力大、抗壓不抗拉的特性，因此壓電陶瓷很有可能在反復(fù)伸長(zhǎng)時(shí)損壞，對(duì)調(diào)節(jié)螺母12下裝有碟形彈簧11，先略旋緊螺母12使螺栓桿9受到輕微預(yù)拉伸，保證過渡板1、壓電陶瓷板10、過渡塊13之間相互壓緊。當(dāng)給壓電陶瓷施加電荷伸長(zhǎng)時(shí)，螺栓桿9受到拉力被拉伸產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)陶瓷回縮時(shí)，螺栓桿9恢復(fù)變形對(duì)陶瓷產(chǎn)生回拉作用。保證壓電陶瓷不損壞。由于疊層型壓電陶瓷抗拉不抗壓，利用彈簧施加預(yù)拉力，抵抗伸長(zhǎng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)，出力大、換能效率高。

壓電驅(qū)動(dòng)采用模塊化閉環(huán)控制器，該控制器是實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制儀器，不僅能完成對(duì)疊堆壓電陶瓷PZT驅(qū)動(dòng)，還可以處理各類傳感器的信號(hào)完成對(duì)PZT的伺服(閉環(huán))控制。輸出電壓范圍:0～150V;控制器信號(hào)輸入:0～10V。頻率變化范圍0～1000Hz，壓電陶瓷采用封裝類型的機(jī)械接口(移動(dòng)端)螺紋式;多種類型的外引電連接器可供選擇 ，可擴(kuò)展位置傳感器功能;可擴(kuò)展低溫修正、熱穩(wěn)定性修正;兼容超高真空;具有工作電壓低、分辨率高、響應(yīng)快、滯后小、回零再現(xiàn)性好，無老化現(xiàn)象等優(yōu)勢(shì)。采用HG2578-4P導(dǎo)電滑環(huán)，過孔直徑為27.5mm;額定電流為10A;最大工作電壓240VDC/380VDC。

3 鉆削實(shí)驗(yàn)研究

在燃油系統(tǒng)中大量的噴油孔、冷卻孔、節(jié)流孔，微機(jī)械產(chǎn)品中許多零件上需加工微孔，微小孔的加工一直存在效率低、精度差、加工成本高的問題［6］。采用Cr-Ni系列之30(0Cr18Ni9Ti)不銹鋼，該鋼廣泛用于制造各類機(jī)械零件，加工小孔直徑為2mm，試驗(yàn)使用的鉆頭為整體硬質(zhì)合金鉆頭。通過不加振動(dòng)和施加振動(dòng)對(duì)比加工評(píng)價(jià)振動(dòng)加工效果。

初步實(shí)驗(yàn)選擇鉆孔時(shí)的基本加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min;進(jìn)給量為0.05mm/r;以向下鉆削力固定重量琺碼50N的方法加以定量控制;定量鉆削時(shí)間為30s，控制器輸出電壓為20V，改變頻率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，鉆孔深度具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)頻率與鉆削效率的影響

在中低頻段，同一時(shí)間內(nèi)可鉆孔深度隨控制器輸出頻率即壓電陶瓷振動(dòng)頻率的增加而增加，在50Hz以下段最為明顯，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率在60Hz以上增加時(shí)，測(cè)量鉆孔深度增加緩慢，初步表明在100Hz以下的低頻振動(dòng)可以達(dá)到加工中排屑順利、降低切削熱、提高加工效率的效果。

主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、向下鉆削力、鉆削時(shí)間不變，為30s，驅(qū)動(dòng)頻率30Hz，改變控制器輸出電壓進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，鉆孔深度具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電壓與鉆削 效率的影響

輸出電壓大則壓電陶瓷伸縮量大，振幅增大，在空載狀態(tài)下，當(dāng)控制器輸出電壓為30V時(shí)，測(cè)量壓電陶瓷伸縮量大約8um，從圖3中得知當(dāng)控制器輸出電壓增加時(shí)，鉆孔深度即提高加工效率，在中低頻段，增加驅(qū)動(dòng)電壓效果明顯。

4 總結(jié)

不銹鋼加工硬度高致使刀具磨損較快，又很難排屑。普通鉆削方法會(huì)導(dǎo)致低熱傳導(dǎo)性引起切銷刃的塑性變形和刀具磨損較快，加工效率低。通過采用機(jī)床附件式結(jié)構(gòu)，以用疊層型壓電陶瓷作為振動(dòng)源設(shè)計(jì)的基于壓電振動(dòng)的鉆削加工裝置，通過合理的匹配控制器輸出電壓和驅(qū)動(dòng)頻率，可有效提高加工效率，該鉆削加工裝置對(duì)于加工過程中的精度影響及鉸孔的加工效果實(shí)驗(yàn)分析有待深入研究。

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