一种超声波振动钻床主轴设计

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摘要：提出了用于微小孔加工的轴向超声波振动钻床主轴设计方案和主轴各部分结构尺寸确定方法，介绍了换能器、变幅杆设计原理。
    运用轴向超声波振动钻削技术加工微小孔(0.5mm以下)，可以延长钻头寿命，提高孔的精度和孔壁表面质量，减小钻削出口毛刺，具有优良的工艺效果。本文介绍了一种超声波振动钻床主轴设计方法，采用该设计方案，无须改动机床其它结构，只以超声波振动主轴替换钻床原有主轴，即可完成对机床的改装，结构紧凑，使用方便。
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1.键槽 2.传动轴 3.后匹配块 4、6.压电陶瓷 5.电极 7.前匹配块 8.变幅杆 9.集流环 10.弹性卡爪 11.圆套 主轴结构简图

　　1 主轴结构设计

    普通钻床主轴下端安装钻夹，应能完成回转运动和轴向进给运动，超声波振动钻床主轴除应完成以上运动外，还需具备轴向超声波振动功能。
超声波振动主轴中的振动子可采用夹芯式压电陶瓷换能器(图中CDE段)，其电声转换效率可达90%左右，结构十分紧凑。它由一对压电陶瓷片、电极和前、后匹配块组成，由于用于微小孔加工的超声波换能器功率较小，发热量相对较少，可不设专门的冷却系统。
　　前匹配块与变幅杆可做成一体。普通钻夹头结构复杂，质量较大，容易破坏主轴系统谐振状态，导致钻头振幅大幅度减小。所以在变幅杆末端设计结构简单的弹性夹头，弹性夹头带有四个弹性卡爪，用于装夹钻头。在变幅杆小端上装有集流环，用于传送换能器工作所需的电流。
　　后匹配块与阶梯传动轴作成一体，传动轴小端开有键槽，与钻床皮带轮作滑动配合，以便带动主轴系统回转。在变幅杆小端和传动轴小端分别装有一个向心球轴承，用于支承安装主轴，轴承外圈与钻床主轴套筒过渡配合，带有齿槽的套筒可带动主轴进行轴向进给。

　　2 换能器及变幅杆设计原理

　　把超声频变化的电压加在压电陶瓷的两极上，其厚度将随电压的变化而变化，于是产生了纵向超声波振动，该纵向振动波将向前后两个方向传播。当传播波的介质改变时，在界面上将发生波的折射和反射，反射量的比率取决于两种介质的密度比。密度比越大，反射量越多。由于钢与空气的密度比非常大，可以认为传播到主轴两端的波全部被反射回来。反射波因半波损失比入射波晚了半个周期，它与从压电陶瓷直接发出的波相叠加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅减小，某些截面上振幅则恒为零，形成驻波传导。若换能器、变幅杆等组成的系统恰好是声波1/2波长的整数倍，则此系统处于谐振状态，谐振条件可表示为 l=nl/2　　式中l为系统总长度，l为振动波长(与材料性质有关)，n为正整数。
　　若不考虑介质的结构阻尼和表面声波辐射，声波在等截面弹性介质中传播时振幅和频率不变。而变截面杆在谐振状态下的情况不同，当振动波由截面较大的一端向截面较小的一端传递时，振幅将有所增大，所以变截面杆在谐振或接近于谐振状态时具有变幅功能。对于阶梯变幅杆来说，输出端振幅A₂与输入端振幅A₁之间存在以下关系 A₂/A₁=(D₁/D₂)²　　式中D₁为输入端直径，D₂为输出端直径。这说明变幅杆两端直径差别越大，输出端得到的振幅越大。
　　为了不破坏主轴系统的谐振状态，应将固定主轴用的轴承安置在波节(即振幅恒等于零的驻点)处，而将钻头安装在波腹(振幅最大点)处，以便使钻头获得较大的振幅。 3 t5 { }' U# A/ p( r' s

3 主轴结构尺寸的确定

　　主轴横向尺寸，主要受钻床主轴套筒内孔尺寸的限制，为获得较大的振动功率和振动幅值，应尽可能利用套筒内孔空间，选用直径较大的压电陶瓷片。换能器前、后匹配块的直径可与压电陶瓷片直径相同，为了连接电线方便，电极直径可比压电陶瓷片直径大8～10mm。主轴系统处于谐振状态时钻头处得到的振幅最大，这时主轴总长度应为半波长的整数倍，主轴各部分的长度亦应根据各自的波长来确定。
　　传动轴(图中AC段)和变幅杆(EG段)均为用同一种材料制成的弹性杆，其波长可按下式计算 l=C₁/f　　式中C₁为纵波波速，与材料性质有关，为一常数。f为超声波发生器发出的超声频变化电流的频率，可在发生器工作范围内自行选定，一般可选f=20kHz。为保证主轴有足够的轴向进给范围，传动轴小端(AB段)长度可取为3l/4，大端(BC段)长度可取为l/4。变幅杆长度的确定应满足1/2波长变幅杆设计原则，大端(图中EF段)和小端(FG段)的长度均取l/4。
　　在换能器中有钢材这样的弹性材料，也有压电陶瓷等非弹性材料，换能器(图中CE段)各部分长度的确定较复杂，可以分三个步骤进行。(1)根据主轴套筒内孔空间和压电陶瓷生产厂家的产品目录选定压电陶瓷片的尺寸(包括其厚度l₀)；(2)确定电极厚度l₃，电极一般采用导电性能较好的铝片或铜片，为满足连接导线的需要，其厚度可取3～5mm；(3)确定前、后匹配块的长度l₂和l₁，为设计方便，前、后匹配块长度可取同一值，即l₁=l₂,后匹配块长度l₁可按下式计算 　　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为压电陶瓷片厚度；l₁为后匹配块长度；l₂为前匹配块长度；l₃为电极厚度；C₀为压电陶瓷纵波波速；C₁为匹配块纵波波速；C₃为电极纵波波速；r₀为压电陶瓷密度；r₁为匹配块密度；r₃为电极密度；k₃₃为压电陶瓷机电耦合系数；w₁为谐振圆频率；S₀、S₁、S₃分别为压电陶瓷片、后匹配块和电极的截面积；q₀、q₁、q₃、Z₀、Z₁、Z₃、m₃、W均为中间参数。
　　在运用上式计算后匹配块长度l₁时，须先确定出各物理参数的具体数值。谐振圆频率w₁为选定的超声波发生器工作频率f与2π的乘积；压电陶瓷片厚度l₀、密度r₀、机电耦合系数k₃₃等可从生产厂家的产品说明中得到具体数据；前、后匹配块和变幅杆、传动轴可采用优质碳素结构钢或钛合金钢，其密度r₁、纵波波速C₁及电极的密度r₃、纵波波速C₃均可从有关材料手册查找。
　　采用以上设计方案，对Z403台式钻床进行了改装，获得了满意的效果，钻头上的超声波振动振幅达2µm以上。