基于压电振动的钻削加工装置的设计*

刘天军

(常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002)

1 引言

在对钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料进行切削加工时，存在加工硬化、刀具磨损、热变形等问题［1-2］。振动加工技术是在刀具或工具上附加一个或多个不同方向的低频或超声振动，使连续接触加工变成间断、瞬间、往复的断续接触加工［3］。振动加工主要应用于钛合金、不锈钢等高强度材料的振动攻丝，脆性材料石英玻璃、陶瓷等的振动打孔，广泛应用于超精加工、微细加工、新材料与难加工材料加工等领域［4-6］。

振动加工中振动源有机械、电磁、压电振动等，机械、电磁振动存在的最大缺点是振幅较大，很难达到微米级的尺度，当加工公差与振幅在同一个数量级时，无法保证加工公差及加工精度。压电振动利用逆压电效应，对压电晶体施加电场而出现的机械变形现象，当施加电场为交变信号时，压电晶体产生周期性机械振动。压电振动具有振幅小、频率高、变化快的特点，压电振动分为低频振动和超声振动，压电超声振动是压电陶瓷换能器发出超声频域段的机械振动，压电陶瓷换能器的振动元件为压电陶瓷片，振幅小、振动频率高，其振动频率频率一般在1～3kHz，振幅在微米级，该振动通过变幅杆将振幅放大后传递给刀具才能适用于辅助铣削。在振动传递过程中，要求变幅杆及刀具整个系统的谐振频率与压电陶瓷换能器接近，使压电陶瓷换能器产生的振动及能量最大限度的传递到刀具上。目前国内对于压电超声振动的研究较多，该加工方法的局限性在于压电陶瓷换能器产生的振动能量的传递受到既变幅杆及刀具整个系统的谐振频率的影响，又受连接刚度及加工时进刀量变化产生约束条件的变化，加工过程中变幅杆与刀具整个系统的谐振频率匹配时需精确的计算和试验［5］。

2 基于压电振动的钻削装置设计

振动加工系统机床附件式及专用机床式二种形式。机床附件式在主轴和刀具间加入振动发生装置，振动装置与加工刀具刚性联结，振动装置直接传递给刀具，其特点是制造成本低，受空间限制装置不能很大，加工功率小，专用机床式机床本身设计有振动源，直接激发机床主轴进行轴向振动，主轴上刀具夹持刀具进行振动加工，专用机床式稳定可靠，加工功率大，制造成本高，在研发机床前须有大量的振动加工工艺参数为基础。

本钻削装置设计采用机床附件式结构，采用叠层型压电陶瓷作为振动源，叠层型压电陶瓷具有低频段、输出力大、频率响应速度快等特点，具体设计结构如图1所示。过渡板1与加工机床的主轴连接，过渡板1与导电滑环内环5过盈配合，由紧定螺钉7实现周向固定，导电滑环外环4有一定位孔，已固定到钻床机体上的固定杆6插进定位孔，使导电滑环的外环4固定不动，保证外环导线与机床呈固定状态。过渡板1通过螺栓2与压电陶瓷10连接。刀具夹具16与压电陶瓷10通过连接螺栓固定到过渡块11上，过渡块11与刀具夹具14固联，钻头15安装在刀具夹具14上。由陶瓷封装体10的引线8连接到导电滑环内环5上。

图1 压电振动的机床附件式实验装置

当给压电陶瓷施加电荷时，陶瓷伸长，当撤除电荷后，陶瓷伸长消失而回缩，压电陶瓷的振动过程是通过给压电陶瓷周期性的施加和撤除电荷产生的，压电振动的铣削装置中，陶瓷伸长，刀具向工件进给，工件对刀具的反作用使陶瓷受压，当撤除电荷后陶瓷带着夹具及刀具瞬间回缩时，由于加速度极大，产生的反向惯性力使陶瓷受到非常大的拉力。

压电陶瓷具有伸力大、抗压不抗拉的特性，因此压电陶瓷很有可能在反复伸长时损坏，对调节螺母12下装有碟形弹簧11，先略旋紧螺母12使螺栓杆9受到轻微预拉伸，保证过渡板1、压电陶瓷板10、过渡块13之间相互压紧。当给压电陶瓷施加电荷伸长时，螺栓杆9受到拉力被拉伸产生弹性变形，当陶瓷回缩时，螺栓杆9恢复变形对陶瓷产生回拉作用。保证压电陶瓷不损坏。由于叠层型压电陶瓷抗拉不抗压，利用弹簧施加预拉力，抵抗伸长时，可以实现低频振动，出力大、换能效率高。

压电驱动采用模块化闭环控制器，该控制器是实现压电驱动的闭环控制仪器，不仅能完成对叠堆压电陶瓷PZT驱动，还可以处理各类传感器的信号完成对PZT的伺服(闭环)控制。输出电压范围:0～150V;控制器信号输入:0～10V。频率变化范围0～1000Hz，压电陶瓷采用封装类型的机械接口(移动端)螺纹式;多种类型的外引电连接器可供选择 ，可扩展位置传感器功能;可扩展低温修正、热稳定性修正;兼容超高真空;具有工作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好，无老化现象等优势。采用HG2578-4P导电滑环，过孔直径为27.5mm;额定电流为10A;最大工作电压240VDC/380VDC。

3 钻削实验研究

在燃油系统中大量的喷油孔、冷却孔、节流孔，微机械产品中许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、加工成本高的问题［6］。采用Cr-Ni系列之30(0Cr18Ni9Ti)不锈钢，该钢广泛用于制造各类机械零件，加工小孔直径为2mm，试验使用的钻头为整体硬质合金钻头。通过不加振动和施加振动对比加工评价振动加工效果。

初步实验选择钻孔时的基本加工参数:主轴转速为1000r/min;进给量为0.05mm/r;以向下钻削力固定重量珐码50N的方法加以定量控制;定量钻削时间为30s，控制器输出电压为20V，改变频率进行对比试验，钻孔深度具体数据如图2所示。

图2 驱动频率与钻削效率的影响

在中低频段，同一时间内可钻孔深度随控制器输出频率即压电陶瓷振动频率的增加而增加，在50Hz以下段最为明显，当驱动频率在60Hz以上增加时，测量钻孔深度增加缓慢，初步表明在100Hz以下的低频振动可以达到加工中排屑顺利、降低切削热、提高加工效率的效果。

主轴转速、进给量、向下钻削力、钻削时间不变，为30s，驱动频率30Hz，改变控制器输出电压进行对比试验，钻孔深度具体数据如图3所示。

图3 驱动电压与钻削 效率的影响

输出电压大则压电陶瓷伸缩量大，振幅增大，在空载状态下，当控制器输出电压为30V时，测量压电陶瓷伸缩量大约8um，从图3中得知当控制器输出电压增加时，钻孔深度即提高加工效率，在中低频段，增加驱动电压效果明显。

4 总结

不锈钢加工硬度高致使刀具磨损较快，又很难排屑。普通钻削方法会导致低热传导性引起切销刃的塑性变形和刀具磨损较快，加工效率低。通过采用机床附件式结构，以用叠层型压电陶瓷作为振动源设计的基于压电振动的钻削加工装置，通过合理的匹配控制器输出电压和驱动频率，可有效提高加工效率，该钻削加工装置对于加工过程中的精度影响及铰孔的加工效果实验分析有待深入研究。

［1］ 梁应选，杨明亮.难加工材料复合振动挤压攻丝工艺及设备研究［J］.现代制造工程，2011(8):80-82.

［2］ 佟富强，张飞虎，陈光军，等.低频振动切削对加工表面影响的机理研究［J］.华中科技大学学报，2007，35(1):68-70.

［3］ 陈光军.振动切削技术及最新发展［J］.机械工程师，2005(10):25-27

［4］ 韩清凯，郝建山，闻邦椿.金属材料加工中的振动利用问题［J］.中国机械工程，2001，12(5):594-597.

［5］ 孙 亮，郝 丁，李曙光，等.难加工材料螺孔振动加工技术［J］.航天制造技术，2005(2):44-45.

［6］ 肖 民.振动切削对难切削材料加工及提高刀具使用寿命的研究［J］.航空制造技术，2009(13):48-50.

［7］ 杨晓明，赵 浜，王宝荣.振动切削技术特点及其应用状况［J］.机械，2008(2):44-46.