一種超聲波振動鉆床主軸設計
運用軸向超聲波振動鉆削技術加工微小孔(0.5mm以下)，可以延長鉆頭壽命，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鉆床主軸設計方法，采用該設計方案，無須改動機床其它結(jié)構，只以超聲波振動主軸替換鉆床原有主軸，即可完成對機床的改裝，結(jié)構緊湊，使用方便。
1.鍵槽 2.傳動軸 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)構簡圖
1 主軸結(jié)構設計
普通鉆床主軸下端安裝鉆夾，應能完成回轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動，超聲波振動鉆床主軸除應完成以上運動外，還需具備軸向超聲波振動功能。
超聲波振動主軸中的振動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90%左右，結(jié)構十分緊湊。它由一對壓電陶瓷片、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)熱量相對較少，可不設專門的冷卻系統(tǒng)。
前匹配塊與變幅桿可做成一體。普通鉆夾頭結(jié)構復雜，質(zhì)量較大，容易破壞主軸系統(tǒng)諧振狀態(tài)，導致鉆頭振幅大幅度減小。所以在變幅桿末端設計結(jié)構簡單的彈性夾頭，彈性夾頭帶有四個彈性卡爪，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軸作成一體，傳動軸小端開有鍵槽，與鉆床皮帶輪作滑動配合，以便帶動主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)。在變幅桿小端和傳動軸小端分別裝有一個向心球軸承，用于支承安裝主軸，軸承外圈與鉆床主軸套筒過渡配合，帶有齒槽的套筒可帶動主軸進行軸向進給。
主軸結(jié)構簡圖
1 主軸結(jié)構設計
普通鉆床主軸下端安裝鉆夾，應能完成回轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動，超聲波振動鉆床主軸除應完成以上運動外，還需具備軸向超聲波振動功能。
超聲波振動主軸中的振動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90%左右，結(jié)構十分緊湊。它由一對壓電陶瓷片、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)熱量相對較少，可不設專門的冷卻系統(tǒng)。
前匹配塊與變幅桿可做成一體。普通鉆夾頭結(jié)構復雜，質(zhì)量較大，容易破壞主軸系統(tǒng)諧振狀態(tài)，導致鉆頭振幅大幅度減小。所以在變幅桿末端設計結(jié)構簡單的彈性夾頭，彈性夾頭帶有四個彈性卡爪，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軸作成一體，傳動軸小端開有鍵槽，與鉆床皮帶輪作滑動配合，以便帶動主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)。在變幅桿小端和傳動軸小端分別裝有一個向心球軸承，用于支承安裝主軸，軸承外圈與鉆床主軸套筒過渡配合，帶有齒槽的套筒可帶動主軸進行軸向進給。
2 換能器及變幅桿設計原理
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，該縱向振動波將向前后兩個方向傳播。當傳播波的介質(zhì)改變時，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，可以認為傳播到主軸兩端的波全部被反射回來。反射波因半波損失比入射波晚了半個周期，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。若換能器、變幅桿等組成的系統(tǒng)恰好是聲波1/2波長的整數(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)總長度，l為振動波長(與材料性質(zhì)有關)，n為正整數(shù)。
若不考慮介質(zhì)的結(jié)構阻尼和表面聲波輻射，聲波在等截面彈性介質(zhì)中傳播時振幅和頻率不變。而變截面桿在諧振狀態(tài)下的情況不同，當振動波由截面較大的一端向截面較小的一端傳遞時，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)時具有變幅功能。對于階梯變幅桿來說，輸出端振幅A2與輸入端振幅A1之間存在以下關系
A2/A1=(D1/D2)2
式中D1為輸入端直徑，D2為輸出端直徑。這說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)處，而將鉆頭安裝在波腹(振幅最大點)處，以便使鉆頭獲得較大的振幅。
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，該縱向振動波將向前后兩個方向傳播。當傳播波的介質(zhì)改變時，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，可以認為傳播到主軸兩端的波全部被反射回來。反射波因半波損失比入射波晚了半個周期，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。若換能器、變幅桿等組成的系統(tǒng)恰好是聲波1/2波長的整數(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)總長度，l為振動波長(與材料性質(zhì)有關)，n為正整數(shù)。
若不考慮介質(zhì)的結(jié)構阻尼和表面聲波輻射，聲波在等截面彈性介質(zhì)中傳播時振幅和頻率不變。而變截面桿在諧振狀態(tài)下的情況不同，當振動波由截面較大的一端向截面較小的一端傳遞時，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)時具有變幅功能。對于階梯變幅桿來說，輸出端振幅A2與輸入端振幅A1之間存在以下關系
A2/A1=(D1/D2)2
式中D1為輸入端直徑，D2為輸出端直徑。這說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)處，而將鉆頭安裝在波腹(振幅最大點)處，以便使鉆頭獲得較大的振幅。
3 主軸結(jié)構尺寸的確定
主軸橫向尺寸，主要受鉆床主軸套筒內(nèi)孔尺寸的限制，為獲得較大的振動功率和振動幅值，應盡可能利用套筒內(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)時鉆頭處得到的振幅最大，這時主軸總長度應為半波長的整數(shù)倍，主軸各部分的長度亦應根據(jù)各自的波長來確定。
傳動軸(圖中AC段)和變幅桿(EG段)均為用同一種材料制成的彈性桿，其波長可按下式計算
l=C1/f
式中C1為縱波波速，與材料性質(zhì)有關，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給范圍，傳動軸小端(AB段)長度可取為3l/4，大端(BC段)長度可取為l/4。變幅桿長度的確定應滿足1/2波長變幅桿設計原則，大端(圖中EF段)和小端(FG段)的長度均取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)各部分長度的確定較復雜，可以分三個步驟進行。(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，電極一般采用導電性能較好的鋁片或銅片，為滿足連接導線的需要，其厚度可取3～5mm；(3)確定前、后匹配塊的長度l2和l1，為設計方便，前、后匹配塊長度可取同一值，即l1=l2,后匹配塊長度l1可按下式計算
主軸橫向尺寸，主要受鉆床主軸套筒內(nèi)孔尺寸的限制，為獲得較大的振動功率和振動幅值，應盡可能利用套筒內(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)時鉆頭處得到的振幅最大，這時主軸總長度應為半波長的整數(shù)倍，主軸各部分的長度亦應根據(jù)各自的波長來確定。
傳動軸(圖中AC段)和變幅桿(EG段)均為用同一種材料制成的彈性桿，其波長可按下式計算
l=C1/f
式中C1為縱波波速，與材料性質(zhì)有關，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給范圍，傳動軸小端(AB段)長度可取為3l/4，大端(BC段)長度可取為l/4。變幅桿長度的確定應滿足1/2波長變幅桿設計原則，大端(圖中EF段)和小端(FG段)的長度均取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)各部分長度的確定較復雜，可以分三個步驟進行。(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，電極一般采用導電性能較好的鋁片或銅片，為滿足連接導線的需要，其厚度可取3～5mm；(3)確定前、后匹配塊的長度l2和l1，為設計方便，前、后匹配塊長度可取同一值，即l1=l2,后匹配塊長度l1可按下式計算
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為后匹配塊長度；l2為前匹配塊長度；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)。
在運用上式計算后匹配塊長度l1時，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、機電耦合系數(shù)k33等可從生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明中得到具體數(shù)據(jù)；前、后匹配塊和變幅桿、傳動軸可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼或鈦合金鋼，其密度r1、縱波波速C1及電極的密度r3、縱波波速C3均可從有關材料手冊查找。
采用以上設計方案，對Z403臺式鉆床進行了改裝，獲得了滿意的效果，鉆頭上的超聲波振動振幅達2µm以上。
l0為壓電陶瓷片厚度；l1為后匹配塊長度；l2為前匹配塊長度；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)。
在運用上式計算后匹配塊長度l1時，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、機電耦合系數(shù)k33等可從生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明中得到具體數(shù)據(jù)；前、后匹配塊和變幅桿、傳動軸可采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼或鈦合金鋼，其密度r1、縱波波速C1及電極的密度r3、縱波波速C3均可從有關材料手冊查找。
采用以上設計方案，對Z403臺式鉆床進行了改裝，獲得了滿意的效果，鉆頭上的超聲波振動振幅達2µm以上。
本文標簽：一種超聲波振動鉆床主軸設計
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