超声辅助枪钻钻削系统的设计和分析

柳晓东，傅 波，罗经平，张文烽

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)



超声辅助枪钻钻削系统的设计和分析

柳晓东，傅 波，罗经平，张文烽

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

针对枪钻在钻削塑性金属材料时，易形成连续不断的切屑，周期性堵塞排屑，甚至导致钻杆被扭断，严重影响孔加工的表面质量，提出对枪钻整体施加超声纵向振动的方案。通过对枪钻施加超声纵向振动，实现枪钻钻削时的周期性断屑，提高枪钻的寿命和孔加工的质量。利用传输矩阵法设计出超声辅助枪钻钻削机构中的换能器、变幅杆、旋转夹具以及刀具，通过SolidWorks软件建模，并应用ANSYS Workbench软件对设计的结构进行模态和谐振分析，验证了超声钻削机构设计的准确性。

超声振动；枪钻；切屑；有限元法

随着电子、仪器仪表、航天航空等科学技术和工业生产的飞速发展，小深孔加工的运用日趋广泛。其中，枪钻钻削是小深孔加工的重要工艺方法，枪钻是一种一次钻削就可获得良好的表面粗糙度和精度孔的刀具。采用枪钻加工具有加工效率高、加工质量高、几何公差高、刀具耐用度高以及适用范围广等特点[1]。在钻削过程中，切削液通过高压冷却系统传输到钻刃上的油孔，切屑在高压液体的作用下通过钻杆的排屑腔排出深孔，冷却液在流动过程中还能对刀具进行润滑并带走热量；但是，在钻削钢材等塑性金属材料时，容易形成连续不断的切屑，有时切屑容易发生周期性堵塞，甚至导致钻杆被扭断从而影响孔的表面质量。在枪钻钻削过程中，加入超声纵向振动可以使连续的切屑在高频振动下断裂，有利于排屑，从而提高加工质量和钻头的寿命。

本文对超声辅助枪钻钻削系统进行设计，分析振动断屑的基本原理，利用传输矩阵法对振动子进行设计，并通过有限元分析验证超声振动子设计的合理性。

1 超声辅助枪钻钻削的基本原理

超声振动辅助加工是利用压电换能器产生超声振动，再通过变幅杆的放大作用，将超声振动的幅度放大后传递到工具头上辅助加工。

超声振动钻削时，刀具会在切削表面留下波形面。当超声振动频率ω、振幅A、主轴转速n、进给量f以及刀具直径D组合恰当时，钻头每2转之间会产生一定的相位差，并在切削表面的波形面产生干涉，即刀具第2转切削的表面会与前一转的切削表面部分重合，使切屑的厚度发生明显变化，在切削力和高压雾化液体的作用下就可能使切屑折断[2-5]。不同相位差时的切屑厚度变化如图1所示，图1中灰色部分为切屑。

图1 不同相位差时的切屑厚度变化

由于不同的相位差会导致切屑形状的改变，从而改变断屑条件，因而若相位差不合适，即使振幅、转速等条件都满足也无法形成完全的几何断屑。在只考虑刀具和工件的相对运动情况下，理论上超声振动辅助钻削中的完全几何断屑条件为：

(1)

式中，f是轴向进给量，单位为mm/r；A是振幅；K是工件旋转1周所包含的完整正弦波个数；n是主轴转速，单位为r/min；ω是超声振动频率。

对于不同的材料，可以通过上述条件选择适当的切削用量和振动参数，从而实现可靠的断屑，保证加工质量，提高生产效率。

2 超声辅助枪钻钻削系统的设计

2.1 超声振动子的基本结构

超声辅助枪钻钻削的振动子由换能器、变幅杆、专用旋转夹具和工具头组成。其基本结构如图2所示，换能器通过螺栓将后盖板、压电片和前盖板联接到一起，再通过双头螺柱联接变幅杆，变幅杆则由双头螺柱联接旋转夹具的旋转轴，枪钻与旋转轴采用过盈配合连接到一起。超声振动子通过法兰盘1与机床主轴进行连接，为了减少能量损失，法兰盘设在变幅杆振动的节点上。法兰盘2为旋转夹具旋转轴与外部固定装置的连接部位，为减少能量损失，该结构设于振动节点处。为减少整个结构在传递振动时的能量损失，应保证各零部件表面的平面度，装配时需在各装配表面涂抹凡士林以消除空气间隙。

图2 超声辅助枪钻钻削系统总体图

2.2 超声振动子各部分尺寸设计

传输矩阵法的适用范围非常广，对于复杂的机械杆，通常将其等效为由多个单一的截面杆的串联，对各个小分段分别建立等效四端网络(见图3)，然后将各个独立的网络串联起来，即可得到整个零件的最终传输矩阵[6-8]。通过传输矩阵的特征方程可以由已知的截面杆的尺寸求出系统的谐振频率，或者通过已知系统的谐振频率求出截面杆的尺寸。图3中，Va是输出端的速度；Ve是输入端的速度；Fa是输出端的力；Fe是输入端的力；Lb是机械杆长度。

图3 机械杆及等效四端网络

等截面机械杆的传输矩阵Am表达式如下：

(2)

式中，km是圆波数；Sm是机械杆的截面积；E是弹性模量。

以换能器设计为例，其总传输矩阵如下：

(3)

本文采用振动频率为20 kHz的超声波发生器，换能器采用阶梯型结构。根据换能器前盖板、压电片、电极片以及后盖板的材料属性，利用式2～式3求解传输矩阵方程，可得到各零件的尺寸。超声振动子的变幅杆、旋转轴以及枪钻的尺寸设计也可由式2以及相应的总传输矩阵进行计算。换能器各部分零件材料属性见表1。

表1 换能器各部分零件材料属性

3 超声振动子的有限元分析

超声振动系统由于其结构较为复杂，在进行有限元分析前，简化模型有助于减少网格划分和分析的时间，降低计算机负荷，提高处理速度。根据上述传输矩阵法计算出的尺寸，应用SolidWorks软件对超声振动子进行实体建模。按照分析经验可以做如下简化[9]：忽略预应力螺栓、电极片的影响；去除换能器、变幅杆和旋转夹具上所有的夹持工艺孔、夹持工艺面、退刀槽和圆弧倒角；去除枪钻上的内冷孔、切削刃。谐振频率分析时，将振动钻削部分各个元件均看成弹性机械杆件[10-11]。

将实体模型导入ANSYS软件进行分析计算。根据ANSYS软件的计算结果，选取枪钻钻刃上一节点对其振幅进行查看分析，得到30阶频率范围内节点的幅频特性曲线(见图4)。由图4可知，在频率为19.933 kHz时，枪钻钻刃上的节点的振幅达到最大，该频率对应的振型云图如图5所示。

图4 钻刃节点的幅频特性曲线

图5 振动系统频率为19.933 kHz时的振型云图

从图5可以看出，钻刃部分的振幅最大，而在旋转轴及变幅杆的法兰盘位置的振幅最小，说明在19.933 kHz频率下激励超声振动子可在钻刃处获得最大振幅，而装夹位置处的振幅很小，能量损耗小，符合设计要求。该频率与设计频率20 kHz的误差为0.335%，误差的产生主要是由模型简化及假定的约束条件造成的，但误差较小，处于可接受范围内。因此，超声辅助枪钻钻削振动系统的理论设计是符合要求的。

4 结语

设计了一种超声振动辅助枪钻钻削系统，通过传输矩阵法计算了结构尺寸，应用ANSYS软件进行了模态分析和谐响应分析，分析结果验证了传输矩阵法设计夹心压电换能器、变幅杆和工具头等的准确性。研究表明，通过对枪钻施加超声纵向振动，可改变传统枪钻钻削时的断屑形态，从而达到提高加工质量和延长枪钻寿命的目的，为超声振动辅助枪钻钻削的进一步研究奠定了基础。

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责任编辑 郑练

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

柳晓东(1991-)，男，硕士研究生，主要从事超声振动技术及其应用等方面的研究。

2016-05-18