硬質材料超聲波微孔加工裝置研究

潘杰　高飛　劉鑫

摘要：在機械加工領域中，孔尤其是微孔一直被公認為是較難加工的對象之一。設計了一種硬質材料超聲波微孔加工裝置，該裝置可完成深徑比為10的微孔加工。

關鍵詞：硬質材料;超聲波加工;工具頭;變幅桿

以往的超聲波加工是利用工具頭，通過磨料懸浮液在被加工工件表面作超聲高頻振動的一種加工方法。當工具頭以高速沖擊工件表面時，將引起極強的液壓沖擊波，從而使脆性材料產生局部疲勞，引起顯微裂紋。隨著加工的不斷進行，被加工部位的材料逐步被粉碎破壞，最終工具頭的形狀就慢慢復制在工件上，從而完成超聲波加工。

本加工裝置，結合傳統超聲波加工機理，利用數控銑床，在高頻振動的工具頭上施加扭矩，使其可以邊縱向振動，邊高速旋轉，從而提高加工效率。

2加工裝置組成

加工裝置由超聲波發生器、數控銑床、改裝后的銑削刀柄、工具頭、工件擋圈、工件所組成。1.超聲波發生器? 2.數控銑床? 3.改裝后的銑削刀柄

4.工具頭? 5.工件擋圈? 6.工件

超聲波發生器，又稱超聲波控制器，是大功率超聲系統的重要組成部分。其作用是把市電轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅動超聲波換能器工作;為刀頭能在工件表面作超聲高頻振動提供能量。本裝置的超聲波發生器功率500 W，工作電壓220 V，發射頻率20 kHz。

2.2數控銑床

加工裝置選用北京第一機床廠的XKA714型號數控銑床，該銑床剛性好，加工精度高，能夠勝任具有一定精度的孔系加工。

2.3改裝后的銑削刀柄

對銑床常用的BT40刀柄進行技術改進，保留7∶24錐度的尾柄與帶有ER彈簧夾套的頭部結構。將原刀柄中間的夾持部分改制成一個超聲波換能器。首先選擇兩片外徑50 mm的環形壓電陶瓷片，并在每個壓電陶瓷片的外圓柱面上接出一個電極。然后再定制兩片等外徑的金屬壓板，將壓板置于壓電陶瓷片的兩端。最后通過尾柄的鎖緊拉釘使其與壓電陶瓷片緊密接觸。這樣即在刀柄的中部改制出一個超聲波換能器。換能器的下端連接變幅桿。變幅桿為一根圓錐形金屬圓棒，其輸入端與壓電陶瓷片的下壓板連接，輸出端采用原刀柄頭部的ER彈簧夾頭結構，用來夾緊工具頭。這樣就完成了BT40刀桿的技術改進。當超聲波換能器的壓電陶瓷接收到超聲波發生器發出的高頻交流信號時，會將收到的電功率轉換成機械功率（即高頻超聲振動），再由變幅桿將振幅放大并傳遞給被ER夾頭緊固的工具頭，從而實現工具頭的高頻縱向振動。改裝后的銑削刀柄如圖2所示。

本裝置的工具頭為直徑04～06 mm的鎢鋼棒。由于直徑較細，ER夾頭無法直接夾緊，使用時要將細小的鎢鋼棒放入定做的開口變徑套內，再由ER夾頭夾持在改裝的BT40刀柄上對工件進行加工，使用開口變徑套的夾緊方式如圖3所示。

1.ER夾頭? ?2.開口變徑套? 3.工具頭

工件擋圈一般固定在工件表面上，作用是防止工具頭與工件之間的磨料懸浮液流失，確保超聲波加工的正常進行。

2.6工件

本加工裝置的工件是厚度為4～6 mm不等的高純石英玻璃板，其SiO2含量在99999%以上，具有很高的機械強度。實物組裝效果圖如圖4所示。

（1）本文研發了一種超聲波微孔加工裝置，結合振動鉆削理論，使用數控銑床在高頻振動的工具頭上施加扭矩，完成硬質材料表面的超聲波微孔加工。

（2）工件擋圈的大小取決于被加工孔以及工件的大小。盡可能使用較大的擋圈，以盛放更多的磨料懸浮液。

（3）初始加工時，選用較小的振幅、頻率以及進給速度，以防止被加工孔的旋入端出現較大的微裂紋;當工具頭旋入工件表面一定深度（約0.8～1.2 mm）時，可將振幅、頻率以及進給速度適當加大，以提高加工效率;當工具頭距離工件底面的加工余量較小（約0.5～1 mm）時，被加工材料抵抗變形的能力下降，極易在孔的出口處發生較大崩塌，應將振幅、頻率以及進給速度降低，確保微孔加工的順利完成。

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