新型復頻超聲鉆桿的研究

王時英，高梵儒，李志強，趙 駿

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

復頻超聲加工具有以下優點；加工效率高，加工質量好，精度高；可以加工異形孔；可以根據一定軌跡加工槽。在加工過程中，變幅桿依靠超聲換能器的振動而產生變形進而帶動鉆桿的自身形變，從而周期性對加工材料實現振動敲擊，達到去除材料的目的。超聲振動加工可提高孔內表面質量，減少毛刺的產生[1]，加工效率高、溫度低[2]。目前，超聲振動加工技術向振動車削、振動鉆孔和鏜孔及復合加工等方面發展，取得了一定的成果[3]。然而，因為加工過程中的能量傳遞依靠機床部件的自身變形而實現，故不同種材料的連接方式受到了極大的限制，現有的超聲加工機床多以同種材料以螺紋形式連結，而少有以多種材料共同制造超聲機床。設計了一種新型的超聲鉆桿以YT15硬質合金和45鋼材料共同制造，開展了陶瓷加工試驗，通過顯微鏡觀察加工后的氧化鋁陶瓷鉆孔的質量，驗證了其在超聲加工中的可行性。實驗結果表明；與單一45鋼所制成的鉆桿加工效果相對比，新型超聲鉆桿工作時穩定，且驗證了硬質合金銅焊工藝在復頻超聲加工中的可行性[4]。

2 鉆桿數學模型的建立

2.1 鉆桿長度的確定

復頻超聲加工鉆鉆桿伸出變幅桿一端的長度應滿足聲波在被傳播材料中波長一半的整數倍。由于鉆桿所選的材料為45鋼，經查閱可知，超聲波在45鋼中傳播的速度為c=E/ρ=5.172×106mm/s[5]，且復頻超聲加工的共振頻率為20000Hz，故半波長桿件的振諧長度為；l=c/2f=129.3mm[6]，經過有限元分析所得有效長度為129mm，加上鉆桿與變幅桿連接部分的長度10mm，鉆桿的總長約為139mm。

2.2 鉆桿的ANSYS建模過程

底部鉆頭與變幅桿采用螺紋連接，便于經常拆卸且連接穩固可靠，保證振動平穩，螺紋部分加上退刀槽為10mm，外螺紋為M6×1。鉆桿部分可視作階梯形變幅桿，其工作時的振動頻率為20kHz。其幾何形狀，如圖1所示。

圖1 鉆桿的幾何尺寸Fig.1 Geometric Dimensions of Drill Pipe

為配合底端變幅桿的螺紋連接處a為M6×1，螺紋的有效長度為10mm。b為自由質量塊的運動部分，其直徑為φ8mm，長度為6mm，運動時自由質量塊的軸向間隙為2mm。c部直徑與自由質量塊的直徑相同，為φ12mm，長度人為設定為10mm。d部直徑為φ8mm，長度為所求，設為X0。e部為YT15的硬質合金，其幾何數據為3mm，長度為30mm。abcd四部分所用材料為45鋼，其材料性能參數，如表1所示。

表1 45鋼性能參數Tab.1 Performance Parameters of 45 Steel

e部分所用材料為硬質合金，其材料的性能參數，如表2所示。因在實際加工中，YT15硬質合金與底部鉆桿間的焊縫較小（約0.5mm）在建模中忽略其中的銅焊材的影響，并認為其與45鋼的性能近似。

表2 硬質合金性能參數Tab.2 Performance Parameters of Cemented Carbides

3 ANSYS分析與實驗驗證

3.1 模態分析

鉆桿在工作時結構振動方程（1）為[7]；

式中：［M］—質量矩陣；［K］—剛度矩陣；｛u｝—節點位移向量。

而對于第i階自然振動Wi有如下關系[7]：

劃分單元格時，采用六面體主導劃分（HEX Dominant）Patch Conforming方法劃分，其可默認考慮幾何面和體生成表面網格，會考慮小的體和面[7]。模態分析設置中，設置其分析為前30個模態，并求解相應于y軸方向的變形，可得以下結果；實驗對象為X0=101mm，102mm，103mm，104mm。最終模態分析所得各型鉆桿的（18～21）kHz區間的固有頻率羅列，如表3所示。

表3 各型鉆桿的各模態固有頻率Tab.3 Natural Frequencies of Various Modes of Drill Pipes

由上述結果可知，X0=101mm 時，在20kHz的激振力附近有19136Hz的固有頻率，其工作時為簡諧振動狀態，端面位移最大。而其余幾個參數的幾何結構固有頻率均不在范圍以內，故最終選擇的X0的幾何參數為101mm。101mm鉆桿在固有頻率激振狀態下的簡諧工作狀態下的各模態頻率圖，如圖2所示。將所設計并制造的超聲鉆桿裝配于復頻超聲機床上，同時采用太原理工大學噪聲研究所開發的基于聲卡的信號采集系統，對所設計制造的超聲鉆桿進行頻率測量，測得其工作時的頻率為19630Hz。所設計的超聲鉆桿，實驗測試的頻率與ANSYS軟件分析所得頻率相差2.5%。

圖2 101mm的鉆桿的模態頻率Fig.2 101mm Modal Frequency of Drill Pipe

3.2 諧響應分析

采用ANSYS軟件中的完全（FULL）法對新型鉆桿分析其結構的穩態受迫振動，綜合考慮其所配合使用的換能器性能、及變幅桿的放大系數Mp=3.4。相較于模態疊加法，其可以采用完整的系統矩陣對其進行諧響應計算，且可忽略主自由度及振型。其諧響應的過程可用，如下方程式（3）表示[4]：

式中：［M］—結構質量矩陣；［C］—結構阻尼矩陣；［K］—結構剛度

矩陣；｛F｝a—外加載荷向量。

在螺紋底端面設置Z方向的頻率f=20000Hz，激振位移幅值為0.034mm的周期性位移位移載荷，并計算沿Z軸的變形情況，結果，如圖3所示。

圖3 鉆桿在20kHz的激振頻率下的變形示意圖Fig.3 Deformation Diagram of Drill Pipe at 20kHz Excitation Frequency

由此可知該鉆桿在預設的位移載荷下的變形情況，底端面激振位移為0.034mm，頂端面位移為0.0463mm，如圖4所示。

圖4 鉆桿的頻率響應Fig.4 Frequency Response of Drill Pipe

可計算得其放大系數：Mp=φ1/φ2=1.362。

4 加工工藝設計

4.1 試件材料

硬質合金根據使用領域而分類，則主要有4大類。分別是刀具類硬質合金，模具類硬質合金，量具類硬質合金和礦山石油地質用硬質合金[8]。YT15硬質合金是一種強度高，抗沖擊性能好，耐磨性高及適用于連續切削的通用性刀具材料[9]。和其他硬質合金相比，其主要成分為WC，TiC 和C。由于TiC 的硬度和熔點均比WC高，所以其硬度和耐磨性好，抗氧化能力強。YT15硬質合金的主要力學性能，如表4所示。

表4 YT15硬質合金的主要力學性能Tab.4 Main Mechanical Properties of YT15 Cemented Carbide

因YT15硬質合金的彈性模量較45鋼小，其在超聲加工中所產生的彈性變形量和塑性變形量小，加工孔徑的精度高，加工變形量小，傳遞能量效率大。適合作為超聲加工中的鉆桿材料。

4.2 加工工藝

傳統的連接方式即螺紋連接中，由上述圖3中可知結果，兩種材料在超聲工作時發生相應的形變。因彈性模量的不一致，同一位置相同應力條件下，其二者的相對變形量不一致，故采用螺紋連接的形式將導致內部產生較大應力而最終致使螺紋的自鎖失效。加工無法繼續進行。為了解決螺紋連接所帶來的變形量不一致的問題，可采用焊接的工藝來協調二者的變形。且因為在焊接過程中，硬質合金與鋼材的熱膨脹系數不一致，所以在焊接后，接頭處容易產生較大的殘余應力而導致在后期使用中造成開裂等現象。且二者的熔點不一，在加工過程中也存在虛焊與硬質合金的表面氧化等問題。所以，釬焊是一種最佳的解決辦法。其在連接部位加入銅軟焊材有效緩解了兩種材料因為熱膨脹系數不一致而帶來的內應力問題[10]。最終的零件加工過程如下；①車階梯軸，攻螺紋（一次裝夾，保證整個鉆桿同軸度）②端部鉆孔③將硬質合金合金鉆頭焊接在鉆桿上，最終零件的幾何尺寸，如圖5所示。

圖5 零件圖Fig.5 Part Figure

5 鉆孔試驗與結果分析

在鉆孔試驗中，設置兩組對照試驗；其中一組新型鉆桿的端部為YT15硬質合金材料，其余部分為45鋼，采用銅焊工藝連接上述兩部分；對照組中的鉆桿為一體式無焊接鉆桿，采用45鋼材料制造。被加工陶瓷材料為氧化鋁陶瓷片（尺寸為（80×80×8）mm）。

通過機床控制臺控制兩組試驗的加工時間為1min，加工前鉆桿端部與陶瓷間預壓力均為50N，每組鉆桿2根各加工2片不同的氧化鋁陶瓷片，共4塊陶瓷片。其中1-2號采用對應編號的45鋼鉆桿加工，3-4號采用對應編號的新型鉆桿加工。

加工后，兩根新型超聲鉆桿對氧化鋁陶瓷加工效果，如圖6（c）與圖6（d）所示；對照組中一體式45鋼鉆桿對氧化鋁陶瓷的加工效果，如圖6（a）與圖6（b）所示。

圖6 氧化鋁陶瓷加工效果Fig.6 Machining Effect of Alumina Ceramics

對所加工的零件進行鉆孔深度的測量，1min 的加工時間內，硬質合金鉆桿部分鉆入陶瓷表面的深度經測量為4.5mm，而在相同加工時間下45鋼鉆頭加工深度為（0.4～0.5）mm。在相同條件下，新型超聲鉆桿較45鋼鉆桿加工效率提升約10倍。

為了進一步探究兩組鉆桿的加工效率不同的原因，采用顯微硬度儀測量兩組鉆桿的端部硬度，45 鋼鉆桿的端部硬度為190HV，硬質合金鉆桿的端部為1960HV，新設計的超聲鉆桿較45鋼單一材料鉆桿的硬度提升約為10倍。因此，硬度的提升使得鉆桿的超聲加工效率也有了提升。

為了探究所設計的超聲鉆桿工作的穩定性，采用超聲鉆桿對多組陶瓷連續加工。在連續加工10組氧化鋁陶瓷后，焊接部位未見開裂。因此，實驗驗證了硬質合金銅焊工藝作為新型鉆桿的制造方法的可行性。同時驗證了新型鉆桿可以實現穩定、連續的超聲加工。

6 結論

設計了一種采用釬焊工藝制造的多材料復頻超聲鉆桿，并利用ANSYS軟件對最優結構參數進行了選取，搭建了復頻超聲振動加工系統并對氧化鋁陶瓷進行了鉆孔試驗。研究結果表明；（1）超聲陶瓷加工時，在相同實驗條件下，YT15硬質合金鉆桿較45鋼鉆桿加工效率提升約10倍，且鉆桿的端部硬度是影響加工效率的主要因素之一；（2）將高硬度的工具頭采用銅焊的方法連接在低硬度的鉆桿上可行，且工作時焊縫處無明顯損傷與開裂；（3）ANSYS軟件在做模型分析時，可對上述的零件結構做簡化，忽略焊縫中焊材的存在和對工件固有頻率的影響，且最終加工所得的零件與ANSYS分析結果相差2.5%以內。