微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

2018-04-20 61

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摘要:基于高频振动切削原理，设计了一种振频20 ± 1KHz、振幅25µm 的新型超声轴向振动钻削装置，该装置由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成，可在软质材料上实现微细深孔的精密、超精密加工。

1 引言

随着科学技术的不断发展，孔加工技术在机械制造领域的应用日益广泛，与此同时，对孔的加工精度和表面质量也提出了越来越高的要求。目前，在不锈钢、耐热钢、钛合金、高温合金等难加工材料上加工精密微细深孔仍然是具有挑战性的课题。加工实践表明，采用传统工艺方法加工微细深孔时，存在切削温度高、散热困难、钻头易引偏或折断、入钻定心性差、断屑困难、排屑不畅、出口毛刺多等一系列工艺难题。为此，需要积极探索、开发更合理的加工方法，以改善材料的可加工性，提高产品质量和加工效率。

作为一种特种加工方法，超声振动切削在难加工材料加工和精密加工领域具有普通加工方法难以比拟的工艺效果。将超声振动钻孔技术应用于微细深孔的精密加工具有良好的发展前景。本文基于高频振动切削原理，设计开发了一种新型超声轴向振动钻削装置。

2 超声轴向振动钻削装置的设计

2.1 设计目标

被加工零件材料为聚碳酸脂、铝和铜，加工孔径尺寸范围Ø=0.2～2mm，孔的长径比L/D=20～30，圆柱度≤0.005mm，表面粗糙度≤R_a1µm，出口毛刺不大于普通切削毛刺的1/4。

1.超声波发生器 2.碳刷 3.集流环 4.刀柄 5.螺钉 6.弹簧垫片 7.集流环支架 8.压电陶瓷换能器后盖板 9.堆叠压电陶瓷片 10.压电陶瓷换能器前盖板 11.锥型变幅杆 12.螺栓 13.弹簧垫圈 14.钻夹头 15.钻头
图1 超声轴向振动钻削装置结构示意图

图2 超声波发生器原理框图

2.2 超声振动钻削装置总体结构设计

超声轴向振动钻削装置主要由超声波发生器、压电陶瓷换能器、轴向振动变幅杆以及工具系统等组成。其中，超声波发生器将220V、50Hz的交流电转换为超声频电振荡信号，向系统提供振动能量。压电陶瓷换能器将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动。轴向振动变幅杆将换能器输出的小振幅放大并传递给工具系统，从而有效实现钻头的超声频振动。超声轴向振动钻削装置的结构如图1所示。工作时，来自超声波发生器1的励振和励磁电流通过碳刷2引入集流环3，再经过钎焊在集流环上的导线与可回转的压电陶瓷换能器(由件5～10组成)相接。换能器的输出端通过螺钉5与锥形变幅杆11的输入端相连，变幅杆的输出端采用莫氏锥柄形式，并与莫氏短锥孔钻夹头14相配合，只须将直柄高速钢麻花钻头15夹固在钻夹头中即可进行超声轴向振动钻削。

超声波发生器
超声波发生器用于产生超声频电振荡信号并向换能器提供能量，它可将220V、50Hz的交流电转换为超声频电振荡信号。根据激励方式的不同，超声波发生器可分为自激式和它激式：根据所采用的末级器件类型，又可分为电子管型、可控硅逆变型、晶体管型和功率模块型。由于晶体管型超声波发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需预热等特点，因此本设计采用了数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器，其最大输出功率为500W，输出频率为16～25KHz。该装置主要由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器、功率放大器、电流取样、电压取样等器件组成，形成一个闭环系统(见图2)。工作时，从压电陶瓷换能器得到的电压和电流取样信号经相位比较器后得到相位误差信号，再经过低通滤波器滤除高频成分及噪声后，用于控制压控振荡器的输出频率，使之与振动系统机械谐振频率保持一致，锁相环输出信号经推动、功放、匹配后送至压电陶瓷换能器。
压电陶瓷换能器
超声换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动。常用的换能器可分为磁致伸缩换能器、压电换能器、电磁换能器等几种，其中压电换能器具有结构尺寸小、冷却简单、机械谐振频率低、输出振幅大、阻抗易于匹配、电声转换效率高等特点，特别适合大振幅超声振动加工。本设计采用了轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器，其振动节面位置设置在中间，在空气中谐振频率为20KHz，输入电功率为500W，持续工作时间为24小时。这种换能器主要由前盖板10、后盖板8和压电陶瓷晶片9三部分构成(见图1)。其中，前盖板为换能器输出端，可通过螺纹与变幅杆连接，宜采用声阻抗率低的材料(如硬铝、钛合金)制造：后盖板为自由端，宜采用声阻抗率高的材料(如软钢)制造：压电陶瓷晶片是换能器的激励推动级，可在超声频电振荡信号作用下产生机械振动效应，宜采用PZT-8型或Fc型锆钛酸铅陶瓷材料制造。加工时前、后盖板各接触表面应具有较高的平面度和较低的表面粗糙度：装配时螺钉紧固力应均衡：应确保压电陶瓷在功率驱动下处于压缩状态，以防止陶瓷膨胀造成破裂：装配后应确保超声波发生器与压电陶瓷换能器之间匹配良好。

图3 半波谐振圆锥形变幅杆

轴向振动变幅杆
由于压电陶瓷换能器的伸缩变形较小(通常振幅仅为4～10µm)，而超声振动钻削对振幅的要求往往需达到10～100µm，因此必须借助变幅杆将换能器振幅放大。变幅杆放大振幅的机理是通过其任一截面的振动能量不变(不计传播损耗)，截面越小的地方能量密度越大，据此可将振幅放大。为获得较大振幅，通常应使其共振频率(谐振频率)与外界激振频率相等，使之处于共振状态。根据杆件尺寸的不同，常用的变幅杆可分为全波谐振型、半波谐振型和1/4波谐振型：根据截面形状的不同，又可分为阶梯型、圆锥型、指数型、悬链型等。本设计采用半波谐振圆锥型变幅杆(见图3)，变幅杆材料为45钢(应经过锻造、探伤和调质处理以提高变幅杆的抗疲劳性能和声学性能)，其声学特性为:密度ρ=7.9g/mm³，抗拉强度σb=61N/m²，疲劳强度σ_max=0.4，σ_b=24.4N/m²，杨氏模量E=20.92×10¹⁰N/m²，纵波声速c=5.169×10⁶mm/s。此外，变幅杆的振动方式为两端自由、中间固定，其输入端(大端)与压电陶瓷换能器连接，输出端(小端)与工具系统连接，将零振幅位移节点设置为振动节，超声轴向振动装置通过此振动节固定。
变幅杆是根据声振理论设计的，主要设计步骤为:①确定工作频率f以及变幅杆输出端的最大位移振幅：②根据变幅杆材料的声速c及疲劳强度估算形状因数ψ：③根据压电陶瓷换能器辐射面所能得到的位移振幅估算放大系数M_p：④根据压电陶瓷换能器的截面积确定半波谐振圆锥型变幅杆输入端(大端)直径，再根据放大系数M_p计算输出端(小端)直径：⑤计算变幅杆的共振长度、位移节点和输入力阻抗：⑥根据工具系统优化变幅杆参数，确保钻头获得最佳振动效果。
工具系统
工具系统主要由钻夹头和钻头两部分组成，它与圆锥型变幅杆的连接是整个装置有效工作的关键。工具系统的设计应满足以下基本条件:①工具系统安装到圆锥型变幅杆上后，应与其组成共振系统：②工具系统及钻头的装卸应方便、可靠：③应在钻头不发生疲劳断裂的前提下尽量加大振幅：④接口应能高效传递超声能量，且在连续工作时不发热(或少发热)。

为简化振动模型并确保钻头在共振条件下工作，本设计采用锥度联接法安装工具系统，即将变幅杆小端设计为莫氏锥柄，与钻夹头的莫氏锥孔相联接。实际加工时，只需将直柄高速钢麻花钻紧固在钻夹头中，即可进行超声振动钻削。

1.锥形变幅杆 2.刀柄 3.螺栓 4.弹簧垫圈
图4 螺栓紧固示意图

图5 刀柄结构示意图

2.3 超声振动钻削装置的定心

超声轴向振动钻削装置在高速回转刀柄内的安装和找正可通过圆锥型变幅杆的振动节来实现。由于螺纹连接存在间隙，因此需加销钉结构以确保变幅杆、工具系统在刀柄内的精确定心。变幅杆的振动节通常制成法兰盘形状，并钻有通孔，通过螺栓可将其紧固在刀柄上(见图4)。

2.4 超声振动钻削装置与机床主轴的联接

超声轴向振动钻削装置与机床主轴的联接可通过刀柄结构(见图5)实现。刀柄柄部设计为莫氏锥柄，可与机床主轴锥孔相配合：刀柄端部设计有精密螺纹孔和销钉孔，可实现超声振动钻削装置的安装、固定、找正和定心：此外刀柄上还分布有导线孔和散热孔。

2.5 超声振动钻削装置的旋转

压电陶瓷换能器的旋转可通过集流环(紫铜环或黄铜环)和碳刷结构来实现。为了将超声波发生器的励振、励磁电流可靠地引入压电陶瓷换能器，可将碳刷、碳刷座、弹簧等零件安装在机床主轴的静止端面上，而将集流环及其支架压装在刀柄柄部。这种结构不仅可确保碳刷和集流环在高速旋转时实现可靠接触，而且可有效防止集流环松动：此外，该结构并不影响压电陶瓷换能器的阻抗，只要碳刷和集流环接触良好、弹簧施加在碳刷上的压力适当，就能杜绝放电现象。

2.6 超声振动钻削装置的冷却

超声轴向振动钻削装置工作时，以下四种因素可导致压电陶瓷换能器发热:①超声波的热效应：②界面间的声损耗：③连接处的摩擦热：④换能器的动态阻抗与超声波发生器的输出阻抗不匹配。为确保系统能在较长时间内正常工作，必须对压电陶瓷换能器进行冷却。本设计采用自然风冷方式，即在换能器罩体上对称均布设置多个通风孔，当换能器高速旋转时，可利用自然风的流动对其进行散热。

3 结语

本文根据高频振动切削原理，设计了一种振频为20±1KHz、振幅为25µm的超声轴向振动钻削装置，它主要由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成。工艺试验时，将该装置安装在高精度立式加工中心上，分别对孔径Ø=0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0mm、长径比L/D=15的铝、铜、聚碳酸脂试件进行了振动钻削试验。结果表明，在振动参数(振动频率、振幅)和切削参数(进给量、切削速度、切削深度)选择合理的前提下，超声轴向振动钻削可显著提高孔的加工精度和表面质量，并能改善切削条件(如降低钻削力、减少切削热、消除或抑制切削振动等)，提高钻头耐用度。因此，该技术特别适合在软质材料上进行微细深孔的精密、超精密加工，具有广阔的应用前景。

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