深小孔超聲軸向振動鉆削裝置設計與研究

張學忱　林　丹　史堯臣②

(①長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；②長春大學機械工程學院，吉林 長春 130022)

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深小孔超聲軸向振動鉆削裝置設計與研究

張學忱①林丹①史堯臣①②

(①長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；②長春大學機械工程學院，吉林 長春 130022)

基于振動鉆削機理，針對深小孔振動鉆削設計了一套超聲軸向振動鉆削裝置，利用有限元方法對變幅桿動力學特性進行了仿真分析，并在設計研制的超聲軸向振動裝置上進行了深小孔振動鉆削與普通鉆削對比試驗。試驗結果表明設計的試驗裝置滿足深小孔軸向振動鉆削加工要求，且振動鉆削加工深小孔具有較小上下孔徑差和表面粗糙度值，與普通鉆削相比能夠獲得更好的加工質量和工藝效果。

振動鉆削；超聲振動；深小孔；變幅桿

隨著科學技術的不斷發展，深小孔加工技術在醫療、航空、軍事等領域的應用越來越廣泛，對深小孔的加工精度和表面質量的要求也越來越高。深小孔一般指直徑小于1 mm深徑比大于5的小孔，由于傳統的孔加工方法存在入鉆精度差、出口毛刺大、孔表面粗糙度值大、排屑困難、鉆頭壽命短等問題，已很難滿足目前對微小深孔鉆削的加工要求[1]。因此，提出了振動鉆削這一特殊的孔加工工藝方法。

振動鉆削在斷屑排屑能力、出口毛刺、表面粗糙度、入鉆定位精度和刀具的使用壽命等指標上均優于普通鉆削，具有優良的工藝效果。自上個世紀50年代日本宇都宮大學的隈部純一郎教授首次提出振動鉆削理論后，各國學者也開始對振動鉆削裝置進行設計與研究。1998年張明進行了超聲波振動鉆床的主軸設計，以超聲波振動主軸替換鉆床原有主軸從而完成對機床的改造實現振動鉆削[2]。2003年黃文設計了一臺超聲軸向振動鉆削裝置，并將該裝置用于立式加工中心上,對鋁、銅等材料進行了切削加工實驗[3]。2009年高正博、張德遠采用以軸承直接支承換能器主軸，并以支承位置作為節面設計位置的方法對聲振系統的主軸進行了結構設計和尺寸設計[4]。

目前，已經研究出了多種實現振動鉆削的方法和裝置，其中軸向振動鉆削方法結構簡單，工藝效果好，易于實現；刀具振動方式的振動鉆削適應性強，不受工件體積和質量的影響；超聲振動方式的高頻振動鉆削，有改善加工精度，提高加工效率和質量等優點[5-6]。因此，本文設計和研究了一套用于深小孔加工的刀具振動的超聲軸向振動鉆削裝置。

1　超聲軸向振動鉆削裝置

超聲軸向振動鉆削裝置是指在鉆削過程中能夠實現給鉆頭施加一個可控制振幅和頻率的高頻軸向振動的裝置。超聲振動鉆削裝置主要由超聲波發生器、導電滑環、換能器、變幅桿和工具系統等部分組成,如圖1所示。

超聲軸向振動裝置通過夾具和連接板實現與數控臺鉆主軸的固定鏈接。在工作時，超聲波發生器將交流電轉換成高頻電振蕩信號通過導電滑環傳遞給換能器，換能器將高頻電振蕩信號轉換成軸向高頻振動。但該振動振幅較小，不能滿足振動鉆削所需的振幅要求。因此，換能器的末端需要與變幅桿緊密連接，從而實現振幅的放大。最后，將經過放大的振幅傳遞給工具系統，使刀具產生能夠滿足加工要求的軸向振動。

2　振動鉆削裝置關鍵部件的設計

2.1超聲波換能器

換能器是聲振系統的核心部件之一，其作用是將超聲波發生器產生的超聲頻電振蕩信號轉換成高頻軸向機械振動。目前，廣泛采用的超聲波換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。其中壓電換能器是利用壓電材料的逆壓電效應實現能量轉換的，具有尺寸小、電聲轉換效率高、冷卻簡單、輸出振幅大、發熱與輻射功率小等優點[7]。而壓電陶瓷由于其硬度高，可承受應力范圍大，制造方法簡單等優點，成為目前壓電換能器應用最廣泛的壓電材料。因此，本裝置采用夾心式壓電陶瓷換能器，即郎之萬換能器。

2.2變幅桿的設計

換能器產生的機械振動其振幅通常只有4～5 μm，而要達到振動鉆削的使用要求，刀具的振幅至少要達到10～100 μm，因此需要在換能器和工具系統之間添加一個振幅放大裝置，即超聲變幅桿[8]。

根據母線形狀來劃分，變幅桿一般可分為指數形、懸鏈形、圓錐形、階梯形四種類型。其中階梯形變幅桿的放大倍數最大，但存在截面突變處應力集中問題，易導致其在工作過程中的疲勞斷裂。為了滿足既有高的振幅放大系數，又能獲得較大許用應力的要求，本裝置采用在截面突變處添加過渡圓弧的階梯型變幅桿。其理論諧振頻率為40 kHz，大端半徑為30 mm，小端半徑為10 mm。變幅桿材料為45號鋼，密度ρ=7 850 kg/m3,彈性模量E=207.1 GPa,泊松比μ=0.28，聲音在45號鋼中傳播速度c=5 136 m/s。

假定桿是均勻的不計機械損耗，而且聲波沿著軸線方向傳播，忽略因縱向振動引起的橫向變形。則由牛頓第二定律得出在簡諧振動情況下，變截面桿的縱振波動方程為：

(1)

式中：ξ為質點的縱振位移；k=ω/c為圓波數；ω為圓頻率，c為聲速。

(2)

(3)

當變幅桿處于兩端自由狀態時，將邊界條件分別帶入式(2)、(3)可得出階梯型變幅桿的頻率方程、放大倍數Mp、位移節點x0分別為：

S1tan(kL1)+S2tan(kL2)=0

(4)

(5)

x0=L2-λ/4

(6)

式中：λ=c/f為縱波波長。由式(5)、(6)求解可得，當變幅桿大小段桿長均為1/4波長時放大倍數最大，此時節點位于變幅桿中間位置。

設計得到變幅桿的總長為73.6 mm，過渡圓弧半徑為18 mm，在圓弧與大端交界處向大段一側設置寬為4 mm高為2 mm的法蘭盤。

用CATIA對上述變幅桿設計尺寸建立三維模型，再用ANSYS Workbench軟件進行模態分析和諧響應分析。設置模態分析的掃頻范圍為30～50 kHz，提取前六階模態，在法蘭盤的上下兩面施加固定約束。分析得到五階固有頻率變形如圖3所示，在第五階固有頻率時變幅桿實現軸向振動，諧振頻率為40.307 kHz，與理論諧振頻率相接近。再在模態分析的基礎上進行諧響應分析，指定頻率范圍為30～50 kHz，取50個頻率點的結果，在法蘭盤的兩端施加固定約束，在變幅桿的輸入端施加大小為500 N的軸向激勵載荷。分析得到變幅桿的頻響曲線如圖4所示，當振動頻率為諧振頻率時輸出端取得最大振幅。沿軸線方向的位移分布如圖5所示，得到變幅桿放大倍數為6.34。

3　超聲軸向振動鉆削試驗

設計得到振動鉆削裝置如圖6所示。為了驗證超聲軸向振動鉆削裝置的可行性及振動鉆削與普通鉆削相比的優越性，取鉆頭的進給量為5 μm/r；主軸轉速為5 000 r/min；聲振系統的工作頻率為40 kHz，在厚度為6 mm的Q235鋼板上用直徑為1 mm的麻花鉆分別進行了振動鉆削與普通鉆削的孔加工試驗。

3.1上下端孔徑尺寸

將通過兩種鉆削方式得到的孔放在光學影像儀下對孔徑進行測量和對比，如圖7中所示。從圖中可以看出，振動鉆削得到的孔的圓度無論是在進口端還是出口端均優于普通鉆削得到的孔圓度。普通鉆削得到的孔其上孔徑為1.084 mm，下孔徑為0.992 mm，上下孔徑之差為0.092 mm。振動鉆削得到的孔其上孔徑為1.020 mm，下孔徑為0.990 mm，上下孔徑之差為0.03 mm。振動鉆削得到的孔的擴孔量明顯小于普通鉆削，上下孔徑之差也小于普通鉆削。

3.2孔內表面粗糙度

將通過振動鉆削和普通鉆削得到的孔用線切割的方式沿軸線切開，再通過表面粗糙儀對孔內表面粗糙度進行測量。由圖8a、b可以看出，振動鉆削的孔表面色澤更明亮光滑，顏色均勻，鉆削質量明顯優于普通鉆削。由圖8c、d顯示的結果可知，普通鉆削的孔表面粗糙度為0.61 μm，振動鉆削的孔表面粗糙度為0.18 μm，振動鉆削得到的孔其表面粗糙度值遠小于普通鉆削。

4　結語

本文設計了一套深小孔超聲軸向振動鉆削裝置，其諧振頻率為40.307 kHz，主軸轉速為0～8 000 r/min可調，輸出端放大倍數為6.34，最大輸出振幅約為13 μm。

利用設計的振動鉆削裝置進行了振動鉆削和普通鉆削的對比試驗研究。實驗結果表明，振動鉆削與普通鉆削相比能夠減小擴孔量，獲得更小的孔錐度，更小的表面粗糙度值，顯著提高了小孔加工質量，改善了孔的加工精度。

[1]程軍，焦峰.微小孔鉆削工藝的研究現狀[J].機械工程師，2007(11)：9-11.

[2]張明.一種超聲波振動鉆床主軸設計[J].制造技術與機床，1999(8)：18-19.

[3]黃文.微細深孔超聲軸向振動鉆削裝置的設計[J].制造技術與機床，2003(9)：39-42.

[4]高正博，張德遠.一種新型回轉超聲振動主軸的設計及測試[J].新技術新工藝，2009(2)：48-51.

[5]馮亞洲.超聲振動鉆削小直徑深孔的研究與應用[D].西安:西安石油大學，2011.

[6]劉戰鋒，楊立合.深孔超聲軸向振動裝置的設計與研究[J].機床與液壓，2007，35(3)：56-58.

[7]王陳向，孫麗華，馬玉平，等.超聲軸向振動鉆削機構的設計與研究[J].制造技術與機床，2010(6)：46-49.

[8]王天琦，劉戰鋒.超聲軸向振動鉆削加工系統設計[J].機械設計與制造，2009(5)：173-175.

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Design and research of ultrasonic axial vibration drilling device for micro deep holes

ZHANG Xuechen①, LIN Dan①, SHI Yaochen①②

(①College of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, CHN; ②College of Mechanical Engineering,Changchun University, Changchun 130022, CHN)

This paper developed an ultrasonic axial vibration drilling device for micro deep holes drilling based on vibration cutting theory. Simulated the dynamic characteristics of the horn by using finite element method, and made comparison experiment between conventional drilling and vibration drilling. The experimental result proved that the designed device can meet the requirement of the axial vibration drilling of deep holes and have smaller up and down apertures difference and surface roughness. Comparing with conventional drilling, vibration drilling has better processing quality and technological effects.

vibration drilling; ultrasonic vibration; micro deep hole; horn

TG663

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.022

張學忱，女，1963年生，教授，研究方向為精密、超精密加工、檢測及裝備，已發表論文20余篇。

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2016-03-29)

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