硬质材料超声波微孔加工装置研究

潘杰　高飞　刘鑫

摘要：在机械加工领域中，孔尤其是微孔一直被公认为是较难加工的对象之一。设计了一种硬质材料超声波微孔加工装置，该装置可完成深径比为10的微孔加工。

关键词：硬质材料;超声波加工;工具头;变幅杆

以往的超声波加工是利用工具头，通过磨料悬浮液在被加工工件表面作超声高频振动的一种加工方法。当工具头以高速冲击工件表面时，将引起极强的液压冲击波，从而使脆性材料产生局部疲劳，引起显微裂纹。随着加工的不断进行，被加工部位的材料逐步被粉碎破坏，最终工具头的形状就慢慢复制在工件上，从而完成超声波加工。

本加工装置，结合传统超声波加工机理，利用数控铣床，在高频振动的工具头上施加扭矩，使其可以边纵向振动，边高速旋转，从而提高加工效率。

2加工装置组成

加工装置由超声波发生器、数控铣床、改装后的铣削刀柄、工具头、工件挡圈、工件所组成。1.超声波发生器  2.数控铣床  3.改装后的铣削刀柄

4.工具头  5.工件挡圈  6.工件

超声波发生器，又称超声波控制器，是大功率超声系统的重要组成部分。其作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作;为刀头能在工件表面作超声高频振动提供能量。本装置的超声波发生器功率500 W，工作电压220 V，发射频率20 kHz。

2.2数控铣床

加工装置选用北京第一机床厂的XKA714型号数控铣床，该铣床刚性好，加工精度高，能够胜任具有一定精度的孔系加工。

2.3改装后的铣削刀柄

对铣床常用的BT40刀柄进行技术改进，保留7∶24锥度的尾柄与带有ER弹簧夹套的头部结构。将原刀柄中间的夹持部分改制成一个超声波换能器。首先选择两片外径50 mm的环形压电陶瓷片，并在每个压电陶瓷片的外圆柱面上接出一个电极。然后再定制两片等外径的金属压板，将压板置于压电陶瓷片的两端。最后通过尾柄的锁紧拉钉使其与压电陶瓷片紧密接触。这样即在刀柄的中部改制出一个超声波换能器。换能器的下端连接变幅杆。变幅杆为一根圆锥形金属圆棒，其输入端与压电陶瓷片的下压板连接，输出端采用原刀柄头部的ER弹簧夹头结构，用来夹紧工具头。这样就完成了BT40刀杆的技术改进。当超声波换能器的压电陶瓷接收到超声波发生器发出的高频交流信号时，会将收到的电功率转换成机械功率（即高频超声振动），再由变幅杆将振幅放大并传递给被ER夹头紧固的工具头，从而实现工具头的高频纵向振动。改装后的铣削刀柄如图2所示。

本装置的工具头为直径04～06 mm的钨钢棒。由于直径较细，ER夹头无法直接夹紧，使用时要将细小的钨钢棒放入定做的开口变径套内，再由ER夹头夹持在改装的BT40刀柄上对工件进行加工，使用开口变径套的夹紧方式如图3所示。

1.ER夹头   2.开口变径套  3.工具头

工件挡圈一般固定在工件表面上，作用是防止工具头与工件之间的磨料悬浮液流失，确保超声波加工的正常进行。

2.6工件

本加工装置的工件是厚度为4～6 mm不等的高纯石英玻璃板，其SiO2含量在99999%以上，具有很高的机械强度。实物组装效果图如图4所示。

（1）本文研发了一种超声波微孔加工装置，结合振动钻削理论，使用数控铣床在高频振动的工具头上施加扭矩，完成硬质材料表面的超聲波微孔加工。

（2）工件挡圈的大小取决于被加工孔以及工件的大小。尽可能使用较大的挡圈，以盛放更多的磨料悬浮液。

（3）初始加工时，选用较小的振幅、频率以及进给速度，以防止被加工孔的旋入端出现较大的微裂纹;当工具头旋入工件表面一定深度（约0.8～1.2 mm）时，可将振幅、频率以及进给速度适当加大，以提高加工效率;当工具头距离工件底面的加工余量较小（约0.5～1 mm）时，被加工材料抵抗变形的能力下降，极易在孔的出口处发生较大崩塌，应将振幅、频率以及进给速度降低，确保微孔加工的顺利完成。

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