劉天軍

(常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

1 引言

在對鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔點材料進(jìn)行切削加工時，存在加工硬化、刀具磨損、熱變形等問題［1-2］。振動加工技術(shù)是在刀具或工具上附加一個或多個不同方向的低頻或超聲振動，使連續(xù)接觸加工變成間斷、瞬間、往復(fù)的斷續(xù)接觸加工［3］。振動加工主要應(yīng)用于鈦合金、不銹鋼等高強(qiáng)度材料的振動攻絲，脆性材料石英玻璃、陶瓷等的振動打孔，廣泛應(yīng)用于超精加工、微細(xì)加工、新材料與難加工材料加工等領(lǐng)域［4-6］。

振動加工中振動源有機(jī)械、電磁、壓電振動等，機(jī)械、電磁振動存在的最大缺點是振幅較大，很難達(dá)到微米級的尺度，當(dāng)加工公差與振幅在同一個數(shù)量級時，無法保證加工公差及加工精度。壓電振動利用逆壓電效應(yīng)，對壓電晶體施加電場而出現(xiàn)的機(jī)械變形現(xiàn)象，當(dāng)施加電場為交變信號時，壓電晶體產(chǎn)生周期性機(jī)械振動。壓電振動具有振幅小、頻率高、變化快的特點，壓電振動分為低頻振動和超聲振動，壓電超聲振動是壓電陶瓷換能器發(fā)出超聲頻域段的機(jī)械振動，壓電陶瓷換能器的振動元件為壓電陶瓷片，振幅小、振動頻率高，其振動頻率頻率一般在1～3kHz，振幅在微米級，該振動通過變幅桿將振幅放大后傳遞給刀具才能適用于輔助銑削。在振動傳遞過程中，要求變幅桿及刀具整個系統(tǒng)的諧振頻率與壓電陶瓷換能器接近，使壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振動及能量最大限度的傳遞到刀具上。目前國內(nèi)對于壓電超聲振動的研究較多，該加工方法的局限性在于壓電陶瓷換能器產(chǎn)生的振動能量的傳遞受到既變幅桿及刀具整個系統(tǒng)的諧振頻率的影響，又受連接剛度及加工時進(jìn)刀量變化產(chǎn)生約束條件的變化，加工過程中變幅桿與刀具整個系統(tǒng)的諧振頻率匹配時需精確的計算和試驗［5］。

2 基于壓電振動的鉆削裝置設(shè)計

振動加工系統(tǒng)機(jī)床附件式及專用機(jī)床式二種形式。機(jī)床附件式在主軸和刀具間加入振動發(fā)生裝置，振動裝置與加工刀具剛性聯(lián)結(jié)，振動裝置直接傳遞給刀具，其特點是制造成本低，受空間限制裝置不能很大，加工功率小，專用機(jī)床式機(jī)床本身設(shè)計有振動源，直接激發(fā)機(jī)床主軸進(jìn)行軸向振動，主軸上刀具夾持刀具進(jìn)行振動加工，專用機(jī)床式穩(wěn)定可靠，加工功率大，制造成本高，在研發(fā)機(jī)床前須有大量的振動加工工藝參數(shù)為基礎(chǔ)。

本鉆削裝置設(shè)計采用機(jī)床附件式結(jié)構(gòu)，采用疊層型壓電陶瓷作為振動源，疊層型壓電陶瓷具有低頻段、輸出力大、頻率響應(yīng)速度快等特點，具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。過渡板1與加工機(jī)床的主軸連接，過渡板1與導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)環(huán)5過盈配合，由緊定螺釘7實現(xiàn)周向固定，導(dǎo)電滑環(huán)外環(huán)4有一定位孔，已固定到鉆床機(jī)體上的固定桿6插進(jìn)定位孔，使導(dǎo)電滑環(huán)的外環(huán)4固定不動，保證外環(huán)導(dǎo)線與機(jī)床呈固定狀態(tài)。過渡板1通過螺栓2與壓電陶瓷10連接。刀具夾具16與壓電陶瓷10通過連接螺栓固定到過渡塊11上，過渡塊11與刀具夾具14固聯(lián)，鉆頭15安裝在刀具夾具14上。由陶瓷封裝體10的引線8連接到導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)環(huán)5上。

圖1 壓電振動的機(jī)床附件式實驗裝置

當(dāng)給壓電陶瓷施加電荷時，陶瓷伸長，當(dāng)撤除電荷后，陶瓷伸長消失而回縮，壓電陶瓷的振動過程是通過給壓電陶瓷周期性的施加和撤除電荷產(chǎn)生的，壓電振動的銑削裝置中，陶瓷伸長，刀具向工件進(jìn)給，工件對刀具的反作用使陶瓷受壓，當(dāng)撤除電荷后陶瓷帶著夾具及刀具瞬間回縮時，由于加速度極大，產(chǎn)生的反向慣性力使陶瓷受到非常大的拉力。

壓電陶瓷具有伸力大、抗壓不抗拉的特性，因此壓電陶瓷很有可能在反復(fù)伸長時損壞，對調(diào)節(jié)螺母12下裝有碟形彈簧11，先略旋緊螺母12使螺栓桿9受到輕微預(yù)拉伸，保證過渡板1、壓電陶瓷板10、過渡塊13之間相互壓緊。當(dāng)給壓電陶瓷施加電荷伸長時，螺栓桿9受到拉力被拉伸產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)陶瓷回縮時，螺栓桿9恢復(fù)變形對陶瓷產(chǎn)生回拉作用。保證壓電陶瓷不損壞。由于疊層型壓電陶瓷抗拉不抗壓，利用彈簧施加預(yù)拉力，抵抗伸長時，可以實現(xiàn)低頻振動，出力大、換能效率高。

壓電驅(qū)動采用模塊化閉環(huán)控制器，該控制器是實現(xiàn)壓電驅(qū)動的閉環(huán)控制儀器，不僅能完成對疊堆壓電陶瓷PZT驅(qū)動，還可以處理各類傳感器的信號完成對PZT的伺服(閉環(huán))控制。輸出電壓范圍:0～150V;控制器信號輸入:0～10V。頻率變化范圍0～1000Hz，壓電陶瓷采用封裝類型的機(jī)械接口(移動端)螺紋式;多種類型的外引電連接器可供選擇 ，可擴(kuò)展位置傳感器功能;可擴(kuò)展低溫修正、熱穩(wěn)定性修正;兼容超高真空;具有工作電壓低、分辨率高、響應(yīng)快、滯后小、回零再現(xiàn)性好，無老化現(xiàn)象等優(yōu)勢。采用HG2578-4P導(dǎo)電滑環(huán)，過孔直徑為27.5mm;額定電流為10A;最大工作電壓240VDC/380VDC。

3 鉆削實驗研究

在燃油系統(tǒng)中大量的噴油孔、冷卻孔、節(jié)流孔，微機(jī)械產(chǎn)品中許多零件上需加工微孔，微小孔的加工一直存在效率低、精度差、加工成本高的問題［6］。采用Cr-Ni系列之30(0Cr18Ni9Ti)不銹鋼，該鋼廣泛用于制造各類機(jī)械零件，加工小孔直徑為2mm，試驗使用的鉆頭為整體硬質(zhì)合金鉆頭。通過不加振動和施加振動對比加工評價振動加工效果。

初步實驗選擇鉆孔時的基本加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min;進(jìn)給量為0.05mm/r;以向下鉆削力固定重量琺碼50N的方法加以定量控制;定量鉆削時間為30s，控制器輸出電壓為20V，改變頻率進(jìn)行對比試驗，鉆孔深度具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動頻率與鉆削效率的影響

在中低頻段，同一時間內(nèi)可鉆孔深度隨控制器輸出頻率即壓電陶瓷振動頻率的增加而增加，在50Hz以下段最為明顯，當(dāng)驅(qū)動頻率在60Hz以上增加時，測量鉆孔深度增加緩慢，初步表明在100Hz以下的低頻振動可以達(dá)到加工中排屑順利、降低切削熱、提高加工效率的效果。

主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、向下鉆削力、鉆削時間不變，為30s，驅(qū)動頻率30Hz，改變控制器輸出電壓進(jìn)行對比試驗，鉆孔深度具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電壓與鉆削 效率的影響

輸出電壓大則壓電陶瓷伸縮量大，振幅增大，在空載狀態(tài)下，當(dāng)控制器輸出電壓為30V時，測量壓電陶瓷伸縮量大約8um，從圖3中得知當(dāng)控制器輸出電壓增加時，鉆孔深度即提高加工效率，在中低頻段，增加驅(qū)動電壓效果明顯。

4 總結(jié)

不銹鋼加工硬度高致使刀具磨損較快，又很難排屑。普通鉆削方法會導(dǎo)致低熱傳導(dǎo)性引起切銷刃的塑性變形和刀具磨損較快，加工效率低。通過采用機(jī)床附件式結(jié)構(gòu)，以用疊層型壓電陶瓷作為振動源設(shè)計的基于壓電振動的鉆削加工裝置，通過合理的匹配控制器輸出電壓和驅(qū)動頻率，可有效提高加工效率，該鉆削加工裝置對于加工過程中的精度影響及鉸孔的加工效果實驗分析有待深入研究。

［1］ 梁應(yīng)選，楊明亮.難加工材料復(fù)合振動擠壓攻絲工藝及設(shè)備研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(8):80-82.

［2］ 佟富強(qiáng)，張飛虎，陳光軍，等.低頻振動切削對加工表面影響的機(jī)理研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報，2007，35(1):68-70.

［3］ 陳光軍.振動切削技術(shù)及最新發(fā)展［J］.機(jī)械工程師，2005(10):25-27

［4］ 韓清凱，郝建山，聞邦椿.金屬材料加工中的振動利用問題［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(5):594-597.

［5］ 孫 亮，郝 丁，李曙光，等.難加工材料螺孔振動加工技術(shù)［J］.航天制造技術(shù)，2005(2):44-45.

［6］ 肖 民.振動切削對難切削材料加工及提高刀具使用壽命的研究［J］.航空制造技術(shù)，2009(13):48-50.

［7］ 楊曉明，趙 浜，王寶榮.振動切削技術(shù)特點及其應(yīng)用狀況［J］.機(jī)械，2008(2):44-46.