硬質(zhì)材料超聲波微孔加工裝置研究

潘杰　高飛　劉鑫

摘要：在機(jī)械加工領(lǐng)域中，孔尤其是微孔一直被公認(rèn)為是較難加工的對象之一。設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)材料超聲波微孔加工裝置，該裝置可完成深徑比為10的微孔加工。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)材料;超聲波加工;工具頭;變幅桿

以往的超聲波加工是利用工具頭，通過磨料懸浮液在被加工工件表面作超聲高頻振動的一種加工方法。當(dāng)工具頭以高速沖擊工件表面時(shí)，將引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，從而使脆性材料產(chǎn)生局部疲勞，引起顯微裂紋。隨著加工的不斷進(jìn)行，被加工部位的材料逐步被粉碎破壞，最終工具頭的形狀就慢慢復(fù)制在工件上，從而完成超聲波加工。

本加工裝置，結(jié)合傳統(tǒng)超聲波加工機(jī)理，利用數(shù)控銑床，在高頻振動的工具頭上施加扭矩，使其可以邊縱向振動，邊高速旋轉(zhuǎn)，從而提高加工效率。

2加工裝置組成

加工裝置由超聲波發(fā)生器、數(shù)控銑床、改裝后的銑削刀柄、工具頭、工件擋圈、工件所組成。1.超聲波發(fā)生器? 2.數(shù)控銑床? 3.改裝后的銑削刀柄

4.工具頭? 5.工件擋圈? 6.工件

超聲波發(fā)生器，又稱超聲波控制器，是大功率超聲系統(tǒng)的重要組成部分。其作用是把市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動超聲波換能器工作;為刀頭能在工件表面作超聲高頻振動提供能量。本裝置的超聲波發(fā)生器功率500 W，工作電壓220 V，發(fā)射頻率20 kHz。

2.2數(shù)控銑床

加工裝置選用北京第一機(jī)床廠的XKA714型號數(shù)控銑床，該銑床剛性好，加工精度高，能夠勝任具有一定精度的孔系加工。

2.3改裝后的銑削刀柄

對銑床常用的BT40刀柄進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，保留7∶24錐度的尾柄與帶有ER彈簧夾套的頭部結(jié)構(gòu)。將原刀柄中間的夾持部分改制成一個(gè)超聲波換能器。首先選擇兩片外徑50 mm的環(huán)形壓電陶瓷片，并在每個(gè)壓電陶瓷片的外圓柱面上接出一個(gè)電極。然后再定制兩片等外徑的金屬壓板，將壓板置于壓電陶瓷片的兩端。最后通過尾柄的鎖緊拉釘使其與壓電陶瓷片緊密接觸。這樣即在刀柄的中部改制出一個(gè)超聲波換能器。換能器的下端連接變幅桿。變幅桿為一根圓錐形金屬圓棒，其輸入端與壓電陶瓷片的下壓板連接，輸出端采用原刀柄頭部的ER彈簧夾頭結(jié)構(gòu)，用來夾緊工具頭。這樣就完成了BT40刀桿的技術(shù)改進(jìn)。當(dāng)超聲波換能器的壓電陶瓷接收到超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻交流信號時(shí)，會將收到的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即高頻超聲振動），再由變幅桿將振幅放大并傳遞給被ER夾頭緊固的工具頭，從而實(shí)現(xiàn)工具頭的高頻縱向振動。改裝后的銑削刀柄如圖2所示。

本裝置的工具頭為直徑04～06 mm的鎢鋼棒。由于直徑較細(xì)，ER夾頭無法直接夾緊，使用時(shí)要將細(xì)小的鎢鋼棒放入定做的開口變徑套內(nèi)，再由ER夾頭夾持在改裝的BT40刀柄上對工件進(jìn)行加工，使用開口變徑套的夾緊方式如圖3所示。

1.ER夾頭? ?2.開口變徑套? 3.工具頭

工件擋圈一般固定在工件表面上，作用是防止工具頭與工件之間的磨料懸浮液流失，確保超聲波加工的正常進(jìn)行。

2.6工件

本加工裝置的工件是厚度為4～6 mm不等的高純石英玻璃板，其SiO2含量在99999%以上，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)物組裝效果圖如圖4所示。

（1）本文研發(fā)了一種超聲波微孔加工裝置，結(jié)合振動鉆削理論，使用數(shù)控銑床在高頻振動的工具頭上施加扭矩，完成硬質(zhì)材料表面的超聲波微孔加工。

（2）工件擋圈的大小取決于被加工孔以及工件的大小。盡可能使用較大的擋圈，以盛放更多的磨料懸浮液。

（3）初始加工時(shí)，選用較小的振幅、頻率以及進(jìn)給速度，以防止被加工孔的旋入端出現(xiàn)較大的微裂紋;當(dāng)工具頭旋入工件表面一定深度（約0.8～1.2 mm）時(shí)，可將振幅、頻率以及進(jìn)給速度適當(dāng)加大，以提高加工效率;當(dāng)工具頭距離工件底面的加工余量較?。s0.5～1 mm）時(shí)，被加工材料抵抗變形的能力下降，極易在孔的出口處發(fā)生較大崩塌，應(yīng)將振幅、頻率以及進(jìn)給速度降低，確保微孔加工的順利完成。

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