超聲輔助槍鉆鉆削系統的設計和分析

柳曉東，傅 波，羅經平，張文烽

(四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

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超聲輔助槍鉆鉆削系統的設計和分析

柳曉東，傅 波，羅經平，張文烽

(四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

針對槍鉆在鉆削塑性金屬材料時，易形成連續不斷的切屑，周期性堵塞排屑，甚至導致鉆桿被扭斷，嚴重影響孔加工的表面質量，提出對槍鉆整體施加超聲縱向振動的方案。通過對槍鉆施加超聲縱向振動，實現槍鉆鉆削時的周期性斷屑，提高槍鉆的壽命和孔加工的質量。利用傳輸矩陣法設計出超聲輔助槍鉆鉆削機構中的換能器、變幅桿、旋轉夾具以及刀具，通過SolidWorks軟件建模，并應用ANSYS Workbench軟件對設計的結構進行模態和諧振分析，驗證了超聲鉆削機構設計的準確性。

超聲振動；槍鉆；切屑；有限元法

隨著電子、儀器儀表、航天航空等科學技術和工業生產的飛速發展，小深孔加工的運用日趨廣泛。其中，槍鉆鉆削是小深孔加工的重要工藝方法，槍鉆是一種一次鉆削就可獲得良好的表面粗糙度和精度孔的刀具。采用槍鉆加工具有加工效率高、加工質量高、幾何公差高、刀具耐用度高以及適用范圍廣等特點[1]。在鉆削過程中，切削液通過高壓冷卻系統傳輸到鉆刃上的油孔，切屑在高壓液體的作用下通過鉆桿的排屑腔排出深孔，冷卻液在流動過程中還能對刀具進行潤滑并帶走熱量；但是，在鉆削鋼材等塑性金屬材料時，容易形成連續不斷的切屑，有時切屑容易發生周期性堵塞，甚至導致鉆桿被扭斷從而影響孔的表面質量。在槍鉆鉆削過程中，加入超聲縱向振動可以使連續的切屑在高頻振動下斷裂，有利于排屑，從而提高加工質量和鉆頭的壽命。

本文對超聲輔助槍鉆鉆削系統進行設計，分析振動斷屑的基本原理，利用傳輸矩陣法對振動子進行設計，并通過有限元分析驗證超聲振動子設計的合理性。

1 超聲輔助槍鉆鉆削的基本原理

超聲振動輔助加工是利用壓電換能器產生超聲振動，再通過變幅桿的放大作用，將超聲振動的幅度放大后傳遞到工具頭上輔助加工。

超聲振動鉆削時，刀具會在切削表面留下波形面。當超聲振動頻率ω、振幅A、主軸轉速n、進給量f以及刀具直徑D組合恰當時，鉆頭每2轉之間會產生一定的相位差，并在切削表面的波形面產生干涉，即刀具第2轉切削的表面會與前一轉的切削表面部分重合，使切屑的厚度發生明顯變化，在切削力和高壓霧化液體的作用下就可能使切屑折斷[2-5]。不同相位差時的切屑厚度變化如圖1所示，圖1中灰色部分為切屑。

圖1 不同相位差時的切屑厚度變化

由于不同的相位差會導致切屑形狀的改變，從而改變斷屑條件，因而若相位差不合適，即使振幅、轉速等條件都滿足也無法形成完全的幾何斷屑。在只考慮刀具和工件的相對運動情況下，理論上超聲振動輔助鉆削中的完全幾何斷屑條件為：

(1)

式中，f是軸向進給量，單位為mm/r；A是振幅；K是工件旋轉1周所包含的完整正弦波個數；n是主軸轉速，單位為r/min；ω是超聲振動頻率。

對于不同的材料，可以通過上述條件選擇適當的切削用量和振動參數，從而實現可靠的斷屑，保證加工質量，提高生產效率。

2 超聲輔助槍鉆鉆削系統的設計

2.1 超聲振動子的基本結構

超聲輔助槍鉆鉆削的振動子由換能器、變幅桿、專用旋轉夾具和工具頭組成。其基本結構如圖2所示，換能器通過螺栓將后蓋板、壓電片和前蓋板聯接到一起，再通過雙頭螺柱聯接變幅桿，變幅桿則由雙頭螺柱聯接旋轉夾具的旋轉軸，槍鉆與旋轉軸采用過盈配合連接到一起。超聲振動子通過法蘭盤1與機床主軸進行連接，為了減少能量損失，法蘭盤設在變幅桿振動的節點上。法蘭盤2為旋轉夾具旋轉軸與外部固定裝置的連接部位，為減少能量損失，該結構設于振動節點處。為減少整個結構在傳遞振動時的能量損失，應保證各零部件表面的平面度，裝配時需在各裝配表面涂抹凡士林以消除空氣間隙。

圖2 超聲輔助槍鉆鉆削系統總體圖

2.2 超聲振動子各部分尺寸設計

傳輸矩陣法的適用范圍非常廣，對于復雜的機械桿，通常將其等效為由多個單一的截面桿的串聯，對各個小分段分別建立等效四端網絡(見圖3)，然后將各個獨立的網絡串聯起來，即可得到整個零件的最終傳輸矩陣[6-8]。通過傳輸矩陣的特征方程可以由已知的截面桿的尺寸求出系統的諧振頻率，或者通過已知系統的諧振頻率求出截面桿的尺寸。圖3中，Va是輸出端的速度；Ve是輸入端的速度；Fa是輸出端的力；Fe是輸入端的力；Lb是機械桿長度。

圖3 機械桿及等效四端網絡

等截面機械桿的傳輸矩陣Am表達式如下：

(2)

式中，km是圓波數；Sm是機械桿的截面積；E是彈性模量。

以換能器設計為例，其總傳輸矩陣如下：

(3)

本文采用振動頻率為20 kHz的超聲波發生器，換能器采用階梯型結構。根據換能器前蓋板、壓電片、電極片以及后蓋板的材料屬性，利用式2～式3求解傳輸矩陣方程，可得到各零件的尺寸。超聲振動子的變幅桿、旋轉軸以及槍鉆的尺寸設計也可由式2以及相應的總傳輸矩陣進行計算。換能器各部分零件材料屬性見表1。

表1 換能器各部分零件材料屬性

3 超聲振動子的有限元分析

超聲振動系統由于其結構較為復雜，在進行有限元分析前，簡化模型有助于減少網格劃分和分析的時間，降低計算機負荷，提高處理速度。根據上述傳輸矩陣法計算出的尺寸，應用SolidWorks軟件對超聲振動子進行實體建模。按照分析經驗可以做如下簡化[9]：忽略預應力螺栓、電極片的影響；去除換能器、變幅桿和旋轉夾具上所有的夾持工藝孔、夾持工藝面、退刀槽和圓弧倒角；去除槍鉆上的內冷孔、切削刃。諧振頻率分析時，將振動鉆削部分各個元件均看成彈性機械桿件[10-11]。

將實體模型導入ANSYS軟件進行分析計算。根據ANSYS軟件的計算結果，選取槍鉆鉆刃上一節點對其振幅進行查看分析，得到30階頻率范圍內節點的幅頻特性曲線(見圖4)。由圖4可知，在頻率為19.933 kHz時，槍鉆鉆刃上的節點的振幅達到最大，該頻率對應的振型云圖如圖5所示。

圖4 鉆刃節點的幅頻特性曲線

圖5 振動系統頻率為19.933 kHz時的振型云圖

從圖5可以看出，鉆刃部分的振幅最大，而在旋轉軸及變幅桿的法蘭盤位置的振幅最小，說明在19.933 kHz頻率下激勵超聲振動子可在鉆刃處獲得最大振幅，而裝夾位置處的振幅很小，能量損耗小，符合設計要求。該頻率與設計頻率20 kHz的誤差為0.335%，誤差的產生主要是由模型簡化及假定的約束條件造成的，但誤差較小，處于可接受范圍內。因此，超聲輔助槍鉆鉆削振動系統的理論設計是符合要求的。

4 結語

設計了一種超聲振動輔助槍鉆鉆削系統，通過傳輸矩陣法計算了結構尺寸，應用ANSYS軟件進行了模態分析和諧響應分析，分析結果驗證了傳輸矩陣法設計夾心壓電換能器、變幅桿和工具頭等的準確性。研究表明，通過對槍鉆施加超聲縱向振動，可改變傳統槍鉆鉆削時的斷屑形態，從而達到提高加工質量和延長槍鉆壽命的目的，為超聲振動輔助槍鉆鉆削的進一步研究奠定了基礎。

[1] 王世清. 孔加工技術[M]. 北京：石油工業出版社, 1993.

[2] 焦定江, 劉華明. 超聲振動鉆削的試驗研究[J]. 哈爾濱工業大學學報, 1986, 18(4):66-69.

[3] 李言, 薛萬夫. 鈦合金小直徑深孔的振動鉆削研究[J]. 陜西機械學院學報, 1989, 5(3):209-213.

[4] 張德遠, 王立江, 張明. 超聲波振動鉆削微孔的橫刃入鉆特性[J]. 科學通報, 1991, 36(12):947-950.

[5] 劉有源, 陳友志. 深孔超聲圓周振動鉆削[J]. 制造技術與機床, 1996(10):8-9.

[6] 顧煜炯, 周兆英. 超聲振動系統的四端網絡設計方法及其應用[J]. 機械工程學報, 1997, 33(3):94-101.

[7] 賀西平, 程存弟. 縱振型超聲變幅桿的等效四端網絡[J]. 陜西師范大學學報:自然科學版, 1994, 22(1):87-88.

[8] 黃振偉, 傅波, 穆飛. 夾心式壓電超聲換能器串并聯傳輸矩陣設計法[J]. 應用聲學, 2008, 27(5):395-400.

[9] 李黎明. ANSYS有限元分析實用教程[M]. 北京：清華大學出版社, 2005.

[10] 莫喜平. ANSYS軟件在模擬分析聲學換能器中的應用[J]. 聲學技術, 2008, 26(6):1279-1290.

[11] 夏羅生. 基于ANSYS 的超聲攪拌摩擦焊系統設計與仿真[J]. 制造技術與機床, 2012(10):29-31,36.

責任編輯 鄭練

Design and Analysis of Ultrasonic-assisted Gun Drilling System

LIU Xiaodong, FU Bo, LUO Jingping, ZHANG Wenfeng

(College of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

For the traditional gun drilling, the plastic material would be easy to form continuous chip, the chip will periodically block the hole, and may make the drill bar broken. They will seriously affect the surface quality of the hole. Propose the method of applying axial high frequency ultrasonic vibration to the gun drill. The ultrasonic vibration can break chip periodically and raise the using life of gun drilling and the surface quality of the hole. The transfer matrix method is used to design transducer, amplitude transformer, rotating clamping apparatus and drill. Then the 3D model is proposed by using SolidWorks software. The modal and harmonic response analysis is performed by ANSYS software. The results verify the accuracy of ultrasonic oscillator design.

ultrasonic vibration, gun drill, cutting chips, finite element method

TG 506.5

A

柳曉東(1991-)，男，碩士研究生，主要從事超聲振動技術及其應用等方面的研究。

2016-05-18