柳曉東，傅 波，羅經(jīng)平，張文烽

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

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超聲輔助槍鉆鉆削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析

柳曉東，傅 波，羅經(jīng)平，張文烽

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

針對槍鉆在鉆削塑性金屬材料時(shí)，易形成連續(xù)不斷的切屑，周期性堵塞排屑，甚至導(dǎo)致鉆桿被扭斷，嚴(yán)重影響孔加工的表面質(zhì)量，提出對槍鉆整體施加超聲縱向振動(dòng)的方案。通過對槍鉆施加超聲縱向振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槍鉆鉆削時(shí)的周期性斷屑，提高槍鉆的壽命和孔加工的質(zhì)量。利用傳輸矩陣法設(shè)計(jì)出超聲輔助槍鉆鉆削機(jī)構(gòu)中的換能器、變幅桿、旋轉(zhuǎn)夾具以及刀具，通過SolidWorks軟件建模，并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和諧振分析，驗(yàn)證了超聲鉆削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

超聲振動(dòng)；槍鉆；切屑；有限元法

隨著電子、儀器儀表、航天航空等科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，小深孔加工的運(yùn)用日趨廣泛。其中，槍鉆鉆削是小深孔加工的重要工藝方法，槍鉆是一種一次鉆削就可獲得良好的表面粗糙度和精度孔的刀具。采用槍鉆加工具有加工效率高、加工質(zhì)量高、幾何公差高、刀具耐用度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)[1]。在鉆削過程中，切削液通過高壓冷卻系統(tǒng)傳輸?shù)姐@刃上的油孔，切屑在高壓液體的作用下通過鉆桿的排屑腔排出深孔，冷卻液在流動(dòng)過程中還能對刀具進(jìn)行潤滑并帶走熱量；但是，在鉆削鋼材等塑性金屬材料時(shí)，容易形成連續(xù)不斷的切屑，有時(shí)切屑容易發(fā)生周期性堵塞，甚至導(dǎo)致鉆桿被扭斷從而影響孔的表面質(zhì)量。在槍鉆鉆削過程中，加入超聲縱向振動(dòng)可以使連續(xù)的切屑在高頻振動(dòng)下斷裂，有利于排屑，從而提高加工質(zhì)量和鉆頭的壽命。

本文對超聲輔助槍鉆鉆削系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析振動(dòng)斷屑的基本原理，利用傳輸矩陣法對振動(dòng)子進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過有限元分析驗(yàn)證超聲振動(dòng)子設(shè)計(jì)的合理性。

1 超聲輔助槍鉆鉆削的基本原理

超聲振動(dòng)輔助加工是利用壓電換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，再通過變幅桿的放大作用，將超聲振動(dòng)的幅度放大后傳遞到工具頭上輔助加工。

超聲振動(dòng)鉆削時(shí)，刀具會(huì)在切削表面留下波形面。當(dāng)超聲振動(dòng)頻率ω、振幅A、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f以及刀具直徑D組合恰當(dāng)時(shí)，鉆頭每2轉(zhuǎn)之間會(huì)產(chǎn)生一定的相位差，并在切削表面的波形面產(chǎn)生干涉，即刀具第2轉(zhuǎn)切削的表面會(huì)與前一轉(zhuǎn)的切削表面部分重合，使切屑的厚度發(fā)生明顯變化，在切削力和高壓霧化液體的作用下就可能使切屑折斷[2-5]。不同相位差時(shí)的切屑厚度變化如圖1所示，圖1中灰色部分為切屑。

圖1 不同相位差時(shí)的切屑厚度變化

由于不同的相位差會(huì)導(dǎo)致切屑形狀的改變，從而改變斷屑條件，因而若相位差不合適，即使振幅、轉(zhuǎn)速等條件都滿足也無法形成完全的幾何斷屑。在只考慮刀具和工件的相對運(yùn)動(dòng)情況下，理論上超聲振動(dòng)輔助鉆削中的完全幾何斷屑條件為：

(1)

式中，f是軸向進(jìn)給量，單位為mm/r；A是振幅；K是工件旋轉(zhuǎn)1周所包含的完整正弦波個(gè)數(shù)；n是主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ω是超聲振動(dòng)頻率。

對于不同的材料，可以通過上述條件選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧亢驼駝?dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的斷屑，保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

2 超聲輔助槍鉆鉆削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 超聲振動(dòng)子的基本結(jié)構(gòu)

超聲輔助槍鉆鉆削的振動(dòng)子由換能器、變幅桿、專用旋轉(zhuǎn)夾具和工具頭組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，換能器通過螺栓將后蓋板、壓電片和前蓋板聯(lián)接到一起，再通過雙頭螺柱聯(lián)接變幅桿，變幅桿則由雙頭螺柱聯(lián)接旋轉(zhuǎn)夾具的旋轉(zhuǎn)軸，槍鉆與旋轉(zhuǎn)軸采用過盈配合連接到一起。超聲振動(dòng)子通過法蘭盤1與機(jī)床主軸進(jìn)行連接，為了減少能量損失，法蘭盤設(shè)在變幅桿振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)上。法蘭盤2為旋轉(zhuǎn)夾具旋轉(zhuǎn)軸與外部固定裝置的連接部位，為減少能量損失，該結(jié)構(gòu)設(shè)于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處。為減少整個(gè)結(jié)構(gòu)在傳遞振動(dòng)時(shí)的能量損失，應(yīng)保證各零部件表面的平面度，裝配時(shí)需在各裝配表面涂抹凡士林以消除空氣間隙。

圖2 超聲輔助槍鉆鉆削系統(tǒng)總體圖

2.2 超聲振動(dòng)子各部分尺寸設(shè)計(jì)

傳輸矩陣法的適用范圍非常廣，對于復(fù)雜的機(jī)械桿，通常將其等效為由多個(gè)單一的截面桿的串聯(lián)，對各個(gè)小分段分別建立等效四端網(wǎng)絡(luò)(見圖3)，然后將各個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)起來，即可得到整個(gè)零件的最終傳輸矩陣[6-8]。通過傳輸矩陣的特征方程可以由已知的截面桿的尺寸求出系統(tǒng)的諧振頻率，或者通過已知系統(tǒng)的諧振頻率求出截面桿的尺寸。圖3中，Va是輸出端的速度；Ve是輸入端的速度；Fa是輸出端的力；Fe是輸入端的力；Lb是機(jī)械桿長度。

圖3 機(jī)械桿及等效四端網(wǎng)絡(luò)

等截面機(jī)械桿的傳輸矩陣Am表達(dá)式如下：

(2)

式中，km是圓波數(shù)；Sm是機(jī)械桿的截面積；E是彈性模量。

以換能器設(shè)計(jì)為例，其總傳輸矩陣如下：

(3)

本文采用振動(dòng)頻率為20 kHz的超聲波發(fā)生器，換能器采用階梯型結(jié)構(gòu)。根據(jù)換能器前蓋板、壓電片、電極片以及后蓋板的材料屬性，利用式2～式3求解傳輸矩陣方程，可得到各零件的尺寸。超聲振動(dòng)子的變幅桿、旋轉(zhuǎn)軸以及槍鉆的尺寸設(shè)計(jì)也可由式2以及相應(yīng)的總傳輸矩陣進(jìn)行計(jì)算。換能器各部分零件材料屬性見表1。

表1 換能器各部分零件材料屬性

3 超聲振動(dòng)子的有限元分析

超聲振動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析前，簡化模型有助于減少網(wǎng)格劃分和分析的時(shí)間，降低計(jì)算機(jī)負(fù)荷，提高處理速度。根據(jù)上述傳輸矩陣法計(jì)算出的尺寸，應(yīng)用SolidWorks軟件對超聲振動(dòng)子進(jìn)行實(shí)體建模。按照分析經(jīng)驗(yàn)可以做如下簡化[9]：忽略預(yù)應(yīng)力螺栓、電極片的影響；去除換能器、變幅桿和旋轉(zhuǎn)夾具上所有的夾持工藝孔、夾持工藝面、退刀槽和圓弧倒角；去除槍鉆上的內(nèi)冷孔、切削刃。諧振頻率分析時(shí)，將振動(dòng)鉆削部分各個(gè)元件均看成彈性機(jī)械桿件[10-11]。

將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)ANSYS軟件的計(jì)算結(jié)果，選取槍鉆鉆刃上一節(jié)點(diǎn)對其振幅進(jìn)行查看分析，得到30階頻率范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的幅頻特性曲線(見圖4)。由圖4可知，在頻率為19.933 kHz時(shí)，槍鉆鉆刃上的節(jié)點(diǎn)的振幅達(dá)到最大，該頻率對應(yīng)的振型云圖如圖5所示。

圖4 鉆刃節(jié)點(diǎn)的幅頻特性曲線

圖5 振動(dòng)系統(tǒng)頻率為19.933 kHz時(shí)的振型云圖

從圖5可以看出，鉆刃部分的振幅最大，而在旋轉(zhuǎn)軸及變幅桿的法蘭盤位置的振幅最小，說明在19.933 kHz頻率下激勵(lì)超聲振動(dòng)子可在鉆刃處獲得最大振幅，而裝夾位置處的振幅很小，能量損耗小，符合設(shè)計(jì)要求。該頻率與設(shè)計(jì)頻率20 kHz的誤差為0.335%，誤差的產(chǎn)生主要是由模型簡化及假定的約束條件造成的，但誤差較小，處于可接受范圍內(nèi)。因此，超聲輔助槍鉆鉆削振動(dòng)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)是符合要求的。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)輔助槍鉆鉆削系統(tǒng)，通過傳輸矩陣法計(jì)算了結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了傳輸矩陣法設(shè)計(jì)夾心壓電換能器、變幅桿和工具頭等的準(zhǔn)確性。研究表明，通過對槍鉆施加超聲縱向振動(dòng)，可改變傳統(tǒng)槍鉆鉆削時(shí)的斷屑形態(tài)，從而達(dá)到提高加工質(zhì)量和延長槍鉆壽命的目的，為超聲振動(dòng)輔助槍鉆鉆削的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯 鄭練

Design and Analysis of Ultrasonic-assisted Gun Drilling System

LIU Xiaodong, FU Bo, LUO Jingping, ZHANG Wenfeng

(College of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

For the traditional gun drilling, the plastic material would be easy to form continuous chip, the chip will periodically block the hole, and may make the drill bar broken. They will seriously affect the surface quality of the hole. Propose the method of applying axial high frequency ultrasonic vibration to the gun drill. The ultrasonic vibration can break chip periodically and raise the using life of gun drilling and the surface quality of the hole. The transfer matrix method is used to design transducer, amplitude transformer, rotating clamping apparatus and drill. Then the 3D model is proposed by using SolidWorks software. The modal and harmonic response analysis is performed by ANSYS software. The results verify the accuracy of ultrasonic oscillator design.

ultrasonic vibration, gun drill, cutting chips, finite element method

TG 506.5

A

柳曉東(1991-)，男，碩士研究生，主要從事超聲振動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用等方面的研究。

2016-05-18