张学忱　林　丹　史尧臣②

(①长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；②长春大学机械工程学院，吉林 长春 130022)



深小孔超声轴向振动钻削装置设计与研究

张学忱①林丹①史尧臣①②

(①长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；②长春大学机械工程学院，吉林 长春 130022)

基于振动钻削机理，针对深小孔振动钻削设计了一套超声轴向振动钻削装置，利用有限元方法对变幅杆动力学特性进行了仿真分析，并在设计研制的超声轴向振动装置上进行了深小孔振动钻削与普通钻削对比试验。试验结果表明设计的试验装置满足深小孔轴向振动钻削加工要求，且振动钻削加工深小孔具有较小上下孔径差和表面粗糙度值，与普通钻削相比能够获得更好的加工质量和工艺效果。

振动钻削；超声振动；深小孔；变幅杆

随着科学技术的不断发展，深小孔加工技术在医疗、航空、军事等领域的应用越来越广泛，对深小孔的加工精度和表面质量的要求也越来越高。深小孔一般指直径小于1 mm深径比大于5的小孔，由于传统的孔加工方法存在入钻精度差、出口毛刺大、孔表面粗糙度值大、排屑困难、钻头寿命短等问题，已很难满足目前对微小深孔钻削的加工要求[1]。因此，提出了振动钻削这一特殊的孔加工工艺方法。

振动钻削在断屑排屑能力、出口毛刺、表面粗糙度、入钻定位精度和刀具的使用寿命等指标上均优于普通钻削，具有优良的工艺效果。自上个世纪50年代日本宇都宫大学的隈部纯一郎教授首次提出振动钻削理论后，各国学者也开始对振动钻削装置进行设计与研究。1998年张明进行了超声波振动钻床的主轴设计，以超声波振动主轴替换钻床原有主轴从而完成对机床的改造实现振动钻削[2]。2003年黄文设计了一台超声轴向振动钻削装置，并将该装置用于立式加工中心上,对铝、铜等材料进行了切削加工实验[3]。2009年高正博、张德远采用以轴承直接支承换能器主轴，并以支承位置作为节面设计位置的方法对声振系统的主轴进行了结构设计和尺寸设计[4]。

目前，已经研究出了多种实现振动钻削的方法和装置，其中轴向振动钻削方法结构简单，工艺效果好，易于实现；刀具振动方式的振动钻削适应性强，不受工件体积和质量的影响；超声振动方式的高频振动钻削，有改善加工精度，提高加工效率和质量等优点[5-6]。因此，本文设计和研究了一套用于深小孔加工的刀具振动的超声轴向振动钻削装置。

1　超声轴向振动钻削装置

超声轴向振动钻削装置是指在钻削过程中能够实现给钻头施加一个可控制振幅和频率的高频轴向振动的装置。超声振动钻削装置主要由超声波发生器、导电滑环、换能器、变幅杆和工具系统等部分组成,如图1所示。

超声轴向振动装置通过夹具和连接板实现与数控台钻主轴的固定链接。在工作时，超声波发生器将交流电转换成高频电振荡信号通过导电滑环传递给换能器，换能器将高频电振荡信号转换成轴向高频振动。但该振动振幅较小，不能满足振动钻削所需的振幅要求。因此，换能器的末端需要与变幅杆紧密连接，从而实现振幅的放大。最后，将经过放大的振幅传递给工具系统，使刀具产生能够满足加工要求的轴向振动。

2　振动钻削装置关键部件的设计

2.1超声波换能器

换能器是声振系统的核心部件之一，其作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换成高频轴向机械振动。目前，广泛采用的超声波换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器两大类。其中压电换能器是利用压电材料的逆压电效应实现能量转换的，具有尺寸小、电声转换效率高、冷却简单、输出振幅大、发热与辐射功率小等优点[7]。而压电陶瓷由于其硬度高，可承受应力范围大，制造方法简单等优点，成为目前压电换能器应用最广泛的压电材料。因此，本装置采用夹心式压电陶瓷换能器，即郎之万换能器。

2.2变幅杆的设计

换能器产生的机械振动其振幅通常只有4～5 μm，而要达到振动钻削的使用要求，刀具的振幅至少要达到10～100 μm，因此需要在换能器和工具系统之间添加一个振幅放大装置，即超声变幅杆[8]。

根据母线形状来划分，变幅杆一般可分为指数形、悬链形、圆锥形、阶梯形四种类型。其中阶梯形变幅杆的放大倍数最大，但存在截面突变处应力集中问题，易导致其在工作过程中的疲劳断裂。为了满足既有高的振幅放大系数，又能获得较大许用应力的要求，本装置采用在截面突变处添加过渡圆弧的阶梯型变幅杆。其理论谐振频率为40 kHz，大端半径为30 mm，小端半径为10 mm。变幅杆材料为45号钢，密度ρ=7 850 kg/m3,弹性模量E=207.1 GPa,泊松比μ=0.28，声音在45号钢中传播速度c=5 136 m/s。

假定杆是均匀的不计机械损耗，而且声波沿着轴线方向传播，忽略因纵向振动引起的横向变形。则由牛顿第二定律得出在简谐振动情况下，变截面杆的纵振波动方程为：

(1)

式中：ξ为质点的纵振位移；k=ω/c为圆波数；ω为圆频率，c为声速。

(2)

(3)

当变幅杆处于两端自由状态时，将边界条件分别带入式(2)、(3)可得出阶梯型变幅杆的频率方程、放大倍数Mp、位移节点x0分别为：

S1tan(kL1)+S2tan(kL2)=0

(4)

(5)

x0=L2-λ/4

(6)

式中：λ=c/f为纵波波长。由式(5)、(6)求解可得，当变幅杆大小段杆长均为1/4波长时放大倍数最大，此时节点位于变幅杆中间位置。

设计得到变幅杆的总长为73.6 mm，过渡圆弧半径为18 mm，在圆弧与大端交界处向大段一侧设置宽为4 mm高为2 mm的法兰盘。

用CATIA对上述变幅杆设计尺寸建立三维模型，再用ANSYS Workbench软件进行模态分析和谐响应分析。设置模态分析的扫频范围为30～50 kHz，提取前六阶模态，在法兰盘的上下两面施加固定约束。分析得到五阶固有频率变形如图3所示，在第五阶固有频率时变幅杆实现轴向振动，谐振频率为40.307 kHz，与理论谐振频率相接近。再在模态分析的基础上进行谐响应分析，指定频率范围为30～50 kHz，取50个频率点的结果，在法兰盘的两端施加固定约束，在变幅杆的输入端施加大小为500 N的轴向激励载荷。分析得到变幅杆的频响曲线如图4所示，当振动频率为谐振频率时输出端取得最大振幅。沿轴线方向的位移分布如图5所示，得到变幅杆放大倍数为6.34。

3　超声轴向振动钻削试验

设计得到振动钻削装置如图6所示。为了验证超声轴向振动钻削装置的可行性及振动钻削与普通钻削相比的优越性，取钻头的进给量为5 μm/r；主轴转速为5 000 r/min；声振系统的工作频率为40 kHz，在厚度为6 mm的Q235钢板上用直径为1 mm的麻花钻分别进行了振动钻削与普通钻削的孔加工试验。

3.1上下端孔径尺寸

将通过两种钻削方式得到的孔放在光学影像仪下对孔径进行测量和对比，如图7中所示。从图中可以看出，振动钻削得到的孔的圆度无论是在进口端还是出口端均优于普通钻削得到的孔圆度。普通钻削得到的孔其上孔径为1.084 mm，下孔径为0.992 mm，上下孔径之差为0.092 mm。振动钻削得到的孔其上孔径为1.020 mm，下孔径为0.990 mm，上下孔径之差为0.03 mm。振动钻削得到的孔的扩孔量明显小于普通钻削，上下孔径之差也小于普通钻削。

3.2孔内表面粗糙度

将通过振动钻削和普通钻削得到的孔用线切割的方式沿轴线切开，再通过表面粗糙仪对孔内表面粗糙度进行测量。由图8a、b可以看出，振动钻削的孔表面色泽更明亮光滑，颜色均匀，钻削质量明显优于普通钻削。由图8c、d显示的结果可知，普通钻削的孔表面粗糙度为0.61 μm，振动钻削的孔表面粗糙度为0.18 μm，振动钻削得到的孔其表面粗糙度值远小于普通钻削。

4　结语

本文设计了一套深小孔超声轴向振动钻削装置，其谐振频率为40.307 kHz，主轴转速为0～8 000 r/min可调，输出端放大倍数为6.34，最大输出振幅约为13 μm。

利用设计的振动钻削装置进行了振动钻削和普通钻削的对比试验研究。实验结果表明，振动钻削与普通钻削相比能够减小扩孔量，获得更小的孔锥度，更小的表面粗糙度值，显著提高了小孔加工质量，改善了孔的加工精度。

[1]程军，焦峰.微小孔钻削工艺的研究现状[J].机械工程师，2007(11)：9-11.

[2]张明.一种超声波振动钻床主轴设计[J].制造技术与机床，1999(8)：18-19.

[3]黄文.微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计[J].制造技术与机床，2003(9)：39-42.

[4]高正博，张德远.一种新型回转超声振动主轴的设计及测试[J].新技术新工艺，2009(2)：48-51.

[5]冯亚洲.超声振动钻削小直径深孔的研究与应用[D].西安:西安石油大学，2011.

[6]刘战锋，杨立合.深孔超声轴向振动装置的设计与研究[J].机床与液压，2007，35(3)：56-58.

[7]王陈向，孙丽华，马玉平，等.超声轴向振动钻削机构的设计与研究[J].制造技术与机床，2010(6)：46-49.

[8]王天琦，刘战锋.超声轴向振动钻削加工系统设计[J].机械设计与制造，2009(5)：173-175.

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Design and research of ultrasonic axial vibration drilling device for micro deep holes

ZHANG Xuechen①, LIN Dan①, SHI Yaochen①②

(①College of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, CHN; ②College of Mechanical Engineering,Changchun University, Changchun 130022, CHN)

This paper developed an ultrasonic axial vibration drilling device for micro deep holes drilling based on vibration cutting theory. Simulated the dynamic characteristics of the horn by using finite element method, and made comparison experiment between conventional drilling and vibration drilling. The experimental result proved that the designed device can meet the requirement of the axial vibration drilling of deep holes and have smaller up and down apertures difference and surface roughness. Comparing with conventional drilling, vibration drilling has better processing quality and technological effects.

vibration drilling; ultrasonic vibration; micro deep hole; horn

TG663

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.022

张学忱，女，1963年生，教授，研究方向为精密、超精密加工、检测及装备，已发表论文20余篇。

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2016-03-29)

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