一種輥筒式振幅無級調節振動臺設計

董香龍 顧銘凡 文東 方 言 陸勝凱 張 晨， 鄭 雷

（1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇鹽城，224051；2.南京工程學院 機械工程學院,江蘇南京，211167；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇鎮江 212013）

振動鉆削是一種新穎的鉆削加工工藝，通過給鉆頭或者工件疊加可控的相對振動，使鉆削過程變為瞬時、脈沖的動態切削過程，從而改變普通鉆削的機理。它具有異乎尋常的工藝效果，是解決高質量孔、小直徑深孔以及難加工材料鉆削加工問題的一種有效方法。按振動頻率區分，振動鉆削的振動方式主要有三種：低頻振動、高頻振動以及低頻和高頻迭加的復合振動。

當振動頻率為幾十至幾百赫茲時，這種振動鉆削稱為低頻振動鉆削，它主要靠機械振動裝置實現。這種裝置易于實現，應用方便且工藝效果明顯。目前，市面上的低頻振動裝置主要有以下幾種：電磁振動鉆削裝置，這種裝置常用于小孔加工，結構簡單，但由于電磁激振器的磁隙剛度較小，加工過程中易降低振幅，同時負載能力較差，效率低；液壓式振動鉆削裝置，該裝置輸出功率大，適用于鉆削大孔徑，但制造成本高，反應遲鈍，振頻不能大于200Hz；永磁式振動鉆削裝置，操作方便，無發熱工況，但不適用于微小孔的加工；壓電材料振源的振動鉆削裝置，該裝置振動產生不依賴主軸轉動，降低了振幅消散的概率，但不能用于加工重量較大的工件；機械式振動鉆削裝置，通常多數采用偏心機構實現工作臺振動，負載能力強，但由于偏心質量，振頻受限[1]。

上述的振動鉆削裝置都不能對振頻進行有效的無級調節，而振幅只能是限制在初期設置的固定幅值。為了克服上述不足，現設計一種輥筒式振幅無級調節振動臺，通過撥叉機構對調幅套筒的水平位置進行調節，進而實現振動臺振幅的無級調節，使振動臺可以根據需求選擇不同的振幅。該裝置結構簡單，操作方便，利于材料的加工，成本低廉。

1 總體設計

在現有的機械式振動工作臺的基礎上，對其振幅調整機構進行改善，設計了如圖1所示的輥筒式振幅無級調節振動臺，主要由工作臺、振動軸、回位彈簧、調幅套筒、花鍵軸、調幅驅動機構、箱體等部分組成[2]。振動工作臺通過回位彈簧、滾輪、滾輪軸承、固定銷固定在箱體上，滾輪嵌入在下方棍槽套筒的預留槽內，棍槽套筒中間為斜圓柱面與調幅套筒的外斜圓柱面重合，輥輪套筒與花鍵軸間隙配合，花鍵軸轉動時帶動輥輪套筒轉動，從而在軸向上產生振動，通過編碼器控制的無級電機帶動驅動花鍵軸，實現無級調節振頻。這種純機械式的振動平臺，具有結構簡單、造價低、使用維護方便、振動參數受負載影響小等優點，可形成獨立機床部件，原機床不需大改裝即可與其配套，故應用方便，具有很大的實用價值。由于這種軸向振動機械裝置易于實現，且工藝效果明顯，它具有一定的工程實用價值。

圖1 輥筒式振幅無級調節振動臺

2 軸向振動原理

為了解決常規振動平臺不能實現無級調幅的弊端，上述的輥筒式振幅無級調節振動臺主要是利用圖2所示的無級調幅機構實現。圖2中，中間陰影部分為調幅套筒，上下兩側陰影部分為棍槽套筒，假設棍槽套筒中心點O1到中心線L的距離為h，當滾輪套筒處于振幅套筒A、B兩面的正中間時，中心點O1到中心線L的距離為h0，即調幅套筒A或B面半徑為h0；當調幅套筒向左或向右時，中心點O將會與中心線L產生一定距離，設距離為Δh。當調幅套筒繞中心線L轉動時，棍槽套筒中心點O1到中心線L的距離為：

式中，θ為調幅套筒斜面角，當O點在中心線L的正下方時為0；h0、Δh均為定值。

由式（1）可以看出，高度h值的變化主要受sinθ影響，恰好產生正弦波動，故隨著驅動花鍵軸的轉動，工作臺產生軸向振動。

圖2 軸向振動原理

3 無級調幅操縱裝置設計

為了便于振幅的無級調節，提高振幅調整的精度，筆者設計了如圖3所示的無級調幅操縱裝置，主要由撥叉、驅動花鍵軸、花鍵軸、凸輪軸等組成。撥叉中部空套在花鍵軸上，左部叉腳分布在調幅套筒的A、B兩側面；凸輪軸上具有特定的滑槽，撥叉的右端嵌于滑槽內。工作時，撥叉隨著凸輪軸轉動與花鍵軸產生相對移動，使得叉腳推動調幅套筒。設滑槽的斜角為α，凸輪軸半徑為R，凸輪軸轉動角度為β，調幅套筒的移動距離為S，α、β均為定值，則：

由式（5）可知，只要轉動凸輪軸改變β，即可改變振幅Δh，而β是凸輪軸的轉動角度，可以根據需要旋轉任意角度，實現振幅的無級調整。

因為α、β為極小的角度，故tanα、tanβ的值更小，而R為定值，為此β值需更大才能保證等式平衡，即滿足所設定的振幅。采用這種方式，有效地避免直接推動調幅套筒帶來的誤差，提高了振幅調整的精度，由式（2）可知α值越小，β值越大，精度越高。

4 結語

本文設計了一種簡易式的軸向振動工作臺，以解決難加工材料的鉆削難度大、孔口質量低等問題，該裝置有助于提高孔加工精度和加工效率。

圖3 無級調幅操縱裝置

本文設計的振幅無級調整的軸向振動工作臺，結構簡單，實現了無級調整振頻、振幅；利用偏心輪原理，改變常規激振機構，可依據不同振幅需求無級調節，更具通用性；通過無級調幅操縱裝置的設計，利用凸輪軸大幅轉動實現調幅套筒的細微滑動，最終實現振幅調整，提高了振幅調整精度，使振動鉆削加工更具可靠性；由于振幅變化微小，對振動平臺的制作精度要求更高，一定程度上提高加工難度和制造成本。

[1]王昕.振動鉆削新鉆削力模型及定、變參數振動鉆削的研究[D].長春：吉林大學，2004：12.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2015.