超聲軸向振動鉆削機構的設計與研究

王陳向 孫麗華 馬玉平 韓興言 聶 丹

(①貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550003；①安徽建筑工業學院機電學院，安徽合肥230022；③山西機電職業技術學院機械工程系，山西長治 046000)

當今，對孔的加工精度和表面質量要求不斷提高，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。實踐表明，傳統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，加工質量低等。因此，特種加工應運而生，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，而且加工質量也滿足要求，所以得到了廣泛的應用。但超聲波機床具有體積大、成本高的缺陷，并且受到加工尺寸的限制。

為此，本文設計和研究了一種新型的超聲軸向振動鉆削機構，作為精密機床的附件，是一種實用化的裝備，可提高小直徑深孔鉆削加工的精度和表面質量，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 總體結構設計

超聲振動鉆削改變了傳統的切削機理，在切削過程中通過振動裝置使鉆頭和工件之間產生可控的相對振動；利用振動周期內極短的一瞬間進行切削，屬脈沖式切削［1-3］。

1.1 機構組成

超聲振動鉆削又可分為刀具振動和工件振動兩種類型，本機構采用的是刀具振動鉆削。

如圖1所示，超聲軸向振動鉆削機構由運動的零件、靜止的零件和動靜之間連接的零件組成。其中，運動的零件有內軸套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等構成；外固定套和內軸套之間是通過軸承連接的，壓電陶瓷換能器與超聲波發生器之間是通過碳刷和滑環來連接的。

1.2 工作原理

超聲波發生器將220 V、20 kHz的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號，向機構提供振動能量。壓電陶瓷換能器將超聲頻電振蕩信號轉化成超聲頻機械振動。軸向振動的變幅桿將換能器輸出的小振幅有效地傳遞給刀具系統，從而實現鉆頭的超聲頻振動［1-3］。在切削過程中，來自超聲波發生器4的勵磁電流，通過碳刷3傳送到滑環10上，再經過釬焊在滑環上的導線與可以回轉的壓電陶瓷換能器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的彈簧夾頭7相配。這樣只需要將高速鋼麻花鉆緊固在彈簧夾頭7中就可以進行超聲軸向振動鉆削了。

2 關鍵零部件結構設計及選擇

2.1 超聲軸向振動變幅桿的設計

在超聲振動加工中，為了準確地實現車刀和工件的分離，滿足超聲加工形成的必要條件，要求刀尖的振幅至少要達到10～100 μm，而換能器直接能達到的振幅最大只有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：一是將機械振動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；另一個作用是作為機械阻抗的變換器，使超聲能量更有效地由超聲換能器向負載傳輸。超聲變幅桿的原因是聲能在均勻介質中傳播時，通過任一截面的振動能量是不變的，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，應使變幅桿的共振頻率和外激振動頻率相等，使之處于共振狀態。

(1)變幅桿類型的選擇

根據截面形狀的不同，變幅桿主要有指數型變幅桿、懸鏈線型變幅桿、圓錐型變幅桿和階梯型變幅桿4種類型。選擇變幅桿時一般可從三方面來考慮，一是根據振動切削的具體要求，特別是放大倍數，工作穩定性、切削用量等來選擇合適的變幅桿；二是設計簡單，可獲得較準確的設計數據；三是加工制造容易。此設計選擇了比較容易加工的圓錐型變幅桿(圖2)，材料為調質45鋼，其聲學特性為：抗拉強度σb=615 MPa；疲勞強度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，零振幅位移節點設置為振動節，超聲軸向振動機構通過此振動節固定。

(2)變幅桿設計的關鍵步驟

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

式中：ξ為質點的位移函數；S為變幅桿的橫截面積函數；k為圓波數，k=ω/c2；

如圖4所示，坐標原點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處有函數關系為

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

從而求出動力學方程的解為

①確定頻率方程和諧振長度

當把切削刀具看作等效圓柱體時，與刀具對應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確定位移節點X0

當 x=x0時，ξ=0，得位移節點 x0為

③根據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MP

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

式中：θ=arctan(α/k)。

2.2 超聲波發生器

超聲波發生器是一種能夠產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的交流電轉換為超聲頻電振蕩信號。超聲波發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。本設計采用的是可控硅逆變型超聲波發生器。

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、可控硅調壓器、檢測電路組成的一個閉環系統。工作時，掃頻信號發生器產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的電信號，這個電信號經前置放大后驅動由VMOS管組成的功率放大器，經功率放大后，由輸出變壓器耦合到換能器，從而產生超聲波。

2.3 超聲換能器

超聲換能器的作用是將超聲波產生的超聲頻電振蕩信號轉換成超聲頻機械振動，是超聲振動系統的核心部件。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生的磁致伸縮效應而制成的。這種換能器的機械強度高、輸出功率大、體積大、發熱嚴重，隨著壓電材料的發展其在超聲加工中的應用越來越少了。電致伸縮換能器是利用壓電晶體材料的壓電效應的逆效應制成的。超聲波發生器輸出交變電場加在壓電晶體上，從而獲得機械振動，產生超聲波振動。壓電式換能器結構尺寸小，電聲轉換率高，發熱較小，與超聲加工系統易于匹配，同時價格適中，因此本設計采用壓電式換能器。換能器輸出端尺寸直徑為52 mm，輸入電壓220 V，連續工作時間30～60 min。

3 切削加工試驗

(1)實驗工件材料：0Cr17Ni4Cu4Nb。

(2)實驗所用設備及刀具：VMC0650h型立式高速加工中心；直徑為3mm的普通麻花鉆。

(3)實驗參數：孔深徑比L/D=20；鉆削參數是進給速度f=0.005 mm/r，轉速n=6000 r/min；換能器振動頻率f=20 kHZ，連續工作時間30～60 min。

(4)實驗結果：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 結語

經切削加工實驗表明，本超聲軸向振動鉆削機構作為立式加工中心的附件裝置，不會和加工中心發生干涉，并且充分考慮了其對中性和運動平衡性，可有效地防止擺動，有足夠的穩定性和承載能力，能夠抵制干擾，實現穩定加工。在振動參數和切削參數合理的情況下，本機構能顯著地提高小直徑深孔的加工精度和表面質量，并使鉆孔效率得以提高，實現了在難加工材料上進行小直徑深孔的鉆削加工，具有廣泛的應用前景。

［1］王立平，等.振動鉆削的國內外研究狀況和發展趨勢［J］.機械設計與制造工程，1999(3).

［2］隈部淳一郎，薛萬夫，譯.精密加工振動切削(基礎與應用)［M］.北京：機械工業出版社，1985.

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