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運(yùn)用軸向超聲波振動(dòng)鉆削技術(shù)加工微小孔(0.5mm以下)，可以延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高孔的精度和孔壁表面質(zhì)量，減小鉆削出口毛刺，具有優(yōu)良的工藝效果。本文介紹了一種超聲波振動(dòng)鉆床主軸設(shè)計(jì)方法，采用該設(shè)計(jì)方案，無(wú)須改動(dòng)機(jī)床其它結(jié)構(gòu)，只以超聲波振動(dòng)主軸替換鉆床原有主軸，即可完成對(duì)機(jī)床的改裝，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。

 

1.鍵槽2.傳動(dòng)軸 3.后匹配塊 4、6.壓電陶瓷 5.電極 7.前匹配塊 8.變幅桿 9.集流環(huán) 10.彈性卡爪 11.圓套
主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖



1 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
普通鉆床主軸下端安裝鉆夾，應(yīng)能完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，超聲波振動(dòng)鉆床主軸除應(yīng)完成以上運(yùn)動(dòng)外，還需具備軸向超聲波振動(dòng)功能。
超聲波振動(dòng)主軸中的振動(dòng)子可采用夾芯式壓電陶瓷換能器(圖中CDE段)，其電聲轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%左右，結(jié)構(gòu)十分緊湊。它由一對(duì)壓電陶瓷片、電極和前、后匹配塊組成，由于用于微小孔加工的超聲波換能器功率較小，發(fā)熱量相對(duì)較少，可不設(shè)專門(mén)的冷卻系統(tǒng)。
前匹配塊與變幅桿可做成一體。普通鉆夾頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大，容易破壞主軸系統(tǒng)諧振狀態(tài)，導(dǎo)致鉆頭振幅大幅度減小。所以在變幅桿末端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的彈性?shī)A頭，彈性?shī)A頭帶有四個(gè)彈性卡爪，用于裝夾鉆頭。在變幅桿小端上裝有集流環(huán)，用于傳送換能器工作所需的電流。
后匹配塊與階梯傳動(dòng)軸作成一體，傳動(dòng)軸小端開(kāi)有鍵槽，與鉆床皮帶輪作滑動(dòng)配合，以便帶動(dòng)主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)。在變幅桿小端和傳動(dòng)軸小端分別裝有一個(gè)向心球軸承，用于支承安裝主軸，軸承外圈與鉆床主軸套筒過(guò)渡配合，帶有齒槽的套筒可帶動(dòng)主軸進(jìn)行軸向進(jìn)給。

2 換能器及變幅桿設(shè)計(jì)原理
把超聲頻變化的電壓加在壓電陶瓷的兩極上，其厚度將隨電壓的變化而變化，于是產(chǎn)生了縱向超聲波振動(dòng)，該縱向振動(dòng)波將向前后兩個(gè)方向傳播。當(dāng)傳播波的介質(zhì)改變時(shí)，在界面上將發(fā)生波的折射和反射，反射量的比率取決于兩種介質(zhì)的密度比。密度比越大，反射量越多。由于鋼與空氣的密度比非常大，可以認(rèn)為傳播到主軸兩端的波全部被反射回來(lái)。反射波因半波損失比入射波晚了半個(gè)周期，它與從壓電陶瓷直接發(fā)出的波相疊加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅減小，某些截面上振幅則恒為零，形成駐波傳導(dǎo)。若換能器、變幅桿等組成的系統(tǒng)恰好是聲波1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則此系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，諧振條件可表示為
l=nl/2
式中l(wèi)為系統(tǒng)總長(zhǎng)度，l為振動(dòng)波長(zhǎng)(與材料性質(zhì)有關(guān))，n為正整數(shù)。
若不考慮介質(zhì)的結(jié)構(gòu)阻尼和表面聲波輻射，聲波在等截面彈性介質(zhì)中傳播時(shí)振幅和頻率不變。而變截面桿在諧振狀態(tài)下的情況不同，當(dāng)振動(dòng)波由截面較大的一端向截面較小的一端傳遞時(shí)，振幅將有所增大，所以變截面桿在諧振或接近于諧振狀態(tài)時(shí)具有變幅功能。對(duì)于階梯變幅桿來(lái)說(shuō)，輸出端振幅A2與輸入端振幅A1之間存在以下關(guān)系
A2/A1=(D1/D2)2
式中D1為輸入端直徑，D2為輸出端直徑。這說(shuō)明變幅桿兩端直徑差別越大，輸出端得到的振幅越大。
為了不破壞主軸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，應(yīng)將固定主軸用的軸承安置在波節(jié)(即振幅恒等于零的駐點(diǎn))處，而將鉆頭安裝在波腹(振幅點(diǎn))處，以便使鉆頭獲得較大的振幅。

3 主軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定
主軸橫向尺寸，主要受鉆床主軸套筒內(nèi)孔尺寸的限制，為獲得較大的振動(dòng)功率和振動(dòng)幅值，應(yīng)盡可能利用套筒內(nèi)孔空間，選用直徑較大的壓電陶瓷片。換能器前、后匹配塊的直徑可與壓電陶瓷片直徑相同，為了連接電線方便，電極直徑可比壓電陶瓷片直徑大8～10mm。主軸系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)鉆頭處得到的振幅，這時(shí)主軸總長(zhǎng)度應(yīng)為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，主軸各部分的長(zhǎng)度亦應(yīng)根據(jù)各自的波長(zhǎng)來(lái)確定。
傳動(dòng)軸(圖中AC段)和變幅桿(EG段)均為用同一種材料制成的彈性桿，其波長(zhǎng)可按下式計(jì)算
l=C1/f
式中C1為縱波波速，與材料性質(zhì)有關(guān)，為一常數(shù)。f為超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲頻變化電流的頻率，可在發(fā)生器工作范圍內(nèi)自行選定，一般可選f=20kHz。為保證主軸有足夠的軸向進(jìn)給范圍，傳動(dòng)軸小端(AB段)長(zhǎng)度可取為3l/4，大端(BC段)長(zhǎng)度可取為l/4。變幅桿長(zhǎng)度的確定應(yīng)滿足1/2波長(zhǎng)變幅桿設(shè)計(jì)原則，大端(圖中EF段)和小端(FG段)的長(zhǎng)度均取l/4。
在換能器中有鋼材這樣的彈性材料，也有壓電陶瓷等非彈性材料，換能器(圖中CE段)各部分長(zhǎng)度的確定較復(fù)雜，可以分三個(gè)步驟進(jìn)行。(1)根據(jù)主軸套筒內(nèi)孔空間和壓電陶瓷生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄選定壓電陶瓷片的尺寸(包括其厚度l0)；(2)確定電極厚度l3，電極一般采用導(dǎo)電性能較好的鋁片或銅片，為滿足連接導(dǎo)線的需要，其厚度可取3～5mm；(3)確定前、后匹配塊的長(zhǎng)度l2和l1，為設(shè)計(jì)方便，前、后匹配塊長(zhǎng)度可取同一值，即l1=l2,后匹配塊長(zhǎng)度l1可按下式計(jì)算

式中：Z0=r0C0S0，Z1=r1C1S1，Z3=r3C3S3，m3=Z3/Z0，q0=w1l0/C0,q1=w1l1/C1,q3=w1l3/C3,W=ctgq0-(k33)2/q0

l0為壓電陶瓷片厚度；l1為后匹配塊長(zhǎng)度；l2為前匹配塊長(zhǎng)度；l3為電極厚度；C0為壓電陶瓷縱波波速；C1為匹配塊縱波波速；C3為電極縱波波速；r0為壓電陶瓷密度；r1為匹配塊密度；r3為電極密度；k33為壓電陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)；w1為諧振圓頻率；S0、S1、S3分別為壓電陶瓷片、后匹配塊和電極的截面積；q0、q1、q3、Z0、Z1、Z3、m3、W均為中間參數(shù)。
在運(yùn)用上式計(jì)算后匹配塊長(zhǎng)度l1時(shí)，須先確定出各物理參數(shù)的具體數(shù)值。諧振圓頻率w1為選定的超聲波發(fā)生器工作頻率f與2π的乘積；壓電陶瓷片厚度l0、密度r0、機(jī)電耦合系數(shù)k33等可從生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō)明中得到具體數(shù)據(jù)；前、后匹配塊和變幅桿、傳動(dòng)軸可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或鈦合金鋼，其密度r1、縱波波速C1及電極的密度r3、縱波波速C3均可從有關(guān)材料手冊(cè)查找。
采用以上設(shè)計(jì)方案，對(duì)Z403臺(tái)式鉆床進(jìn)行了改裝，獲得了滿意的效果，鉆頭上的超聲波振動(dòng)振幅達(dá)2μm以上。