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【摘要】本文擬設計一超聲振動鉆削裝置，該裝置包括支撐結構、鉆削機構及工作臺等，用于加工超硬材料的孔類零件，本文在超聲加工原理、鉆削加工原理和典型鉆削機構的基礎上，確定機床的刀具和工件的裝夾方式，分析工件的成形運動和加工方式，討論超聲鉆削加工的運動分配方式，在機構主要參數的指導下以運動方案為基礎確定機構設計方案，利用三維軟件CATIA進行主要部件的結構設計和整體裝配設計，同時利用有限元軟件ANSYS的輔助下進行機構的位移和應力分析改善立柱連接結構，完善總體結構設計。

【關鍵詞】超聲振動；鉆削；結構設計

1引言

本文所涉及的超聲振動鉆削機構的設計，采用現代設計方法和理念，即系統化設計方法來建立機構的總體布局和設計各主要部件并在現代制造工程設計方法下獲得最佳原理方案。鉆削機床一般是指以實現鉆孔加工為主的機床，所具有的運動相對其它機床來說比較簡單，最主要的特點是在工件固定不動的情況下刀具做旋轉和進給運動來實現加工，隨著傳動部件的發展和改進，鉆削的加工質量和效率都有所提高，得到最廣泛應用的是立式鉆床和搖臂鉆床。立式鉆床的主軸轉速和進給量具有較大的變化范圍，這使得其可以加工的材料范圍也比較廣泛，搖臂鉆床是針對于立式鉆床改進得到的，其主軸箱可在搖臂上左右移動，更加擴大了機床的可加工范圍。結合立式鉆床和搖臂鉆床的結構有點，進行下一步關于本文裝置的設計。

2超聲振動鉆削機床結構原理分析

通過對典型鉆削機床結構的了解和深入分析，同時考慮超聲振動的獨特加工原理所帶來的對機床結構的變革，在機構設計理論的基礎上，開展超聲振動鉆削機床的設計的討論，在機床的運動精度和結構合理性基礎上，進行主體結構的原理性分析。鉆削加工雖然從機床運動角度來說相對于其它加工方法較簡單，但是鉆削加工因其所使用刀具即鉆頭的結構復雜性，注定了鉆削加工原理的復雜性，而這種鉆削原理決定了在設計鉆削加工機床時要求鉆頭軸向與工件平面的垂直度保持性以及振動的快速消除等。超聲振動的原理主要是依賴超聲波的高頻振動轉化為機械振動從而實現加工的，而在傳統加工原理中振動被認為是對機構不利的，如何有效地利用超聲波振動而又保持機構的穩定性是設計機床時需要主要考慮的問題，所以引入了振動加工使得機床的振動抑制和利用面臨著考驗。在鉆削原理和超聲振動原理的綜合分析下，結合鉆削機床固有的特點，同時考慮機構的工藝可能性，結構簡單性，易于制造和裝配，操作方便等因素用來指導機構的總體設計。

3超聲振動鉆削系統的總體設計

由上面鉆削原理，超聲振動原理和鉆削機構運動原理，確定本文所要設計的超聲振動鉆削機構所應該滿足的要求和設計要點如下：結構簡單且靈活性強以適應實驗的多樣性和便于改進，裝配和布局合理，影響工件加工的參數有較大變化范圍，便于檢測系統的安裝和測試，部件裝配的穩定性和能量傳遞的完整性，主軸垂直度保持幾個方面。以這些要求和要點為基礎，進行超聲振動鉆削機構的運動分配和系統的總體布局的探究。

3.1機構設計方案的提出

除了要遵循機械設計的原則外，在進行機構的總體設計時應該要綜合考慮工件放置的合理性和方便性，機構運動的干涉和加工裝配的簡便性等，機構整體情況的測算和規劃獲得機床的外形尺寸和幾何參數，利用三維軟件的空間建模方法來將設計的機構形象化，在本文利用三維軟件CATIA進行機構的建模設計并討論。如圖1中所示，超聲振動鉆削機構的設計采用四根支撐柱來作為整個機構的支撐，由上部驅動電機的正反轉來控制加工速度，電主軸和超聲振動主軸同樣采用剛性固連的方法連接在一起，立柱上的導軌滑塊組實現主軸部分的進給運動，電機、電主軸、超聲主軸和刀具在同一個軸線上從而保證了運動傳遞性，該方案的設計新穎，對于保證主軸垂直度來說具有極大的益處，同時工作臺的設計可以獨立于整個機構，改進和增加運動自由度更容易。

3.2可行性機構各主要部件的設計和選用

圖2中所示為超聲振動鉆削機構的三維模型圖，機構的設計遵循上面討論的方案，以電主軸和超聲主軸的的尺寸為出發點來構建機構，保證立柱間的跨距最小以利于承力，主體框架由下底板、上平板及四根型材立柱組成，外框架結構的連接利用上下共八個直角連接件來完成，此結構承重能力強，連接易于實現，能夠為內部組件提供剛性支撐且具有抗振性，電主軸和超聲振動主軸采用具有自定位功能且應用較廣泛的BT40型刀柄連接，安裝有該刀柄的超聲振動主軸可以同樣應用于其它的機床上，利用側板、轉接板、主軸夾具和直線度高的線性導軌之間的連接來實現進給運動，保證進給時的垂直度。

3.3系統的總體布局

在綜合了機床結構、鉆削原理和超聲原理的基礎上，進行了超聲振動鉆削機構的設計，并利用三維軟件進行建模來分析機構的合理性，但是一個機構的運行不僅僅是機構的設計和搭建，還需要輔助系統的參與，圖3中所示為超聲振動鉆削系統的總體布局圖用以說明整個系統的運行和控制方式。超聲波發生器激發超聲主軸的上下振動，電主軸由變頻器和顯示面板來調節轉速和功率，工件下部的測力儀經過數據轉換獲得切削力曲線，加工控制系統和監測系統實現加工的人機交互，同時在冷卻系統和外部防護系統的共同作用下搭建了超聲振動鉆削機床。

4超聲振動鉆削機構分析和優化

圖5為機構的整體位移圖和應力云圖，從圖5中可以看到全位移發生在上平板的電機連接處，需要對電機的傳動力和扭矩進行校核和適當改進。本文中機構的可行性方案研究表明，機構的設計基本合理，不需要再做較大的修改就可以滿足設計要求，只需要加強立柱的抗變形能力，根據理論力學分析，在立柱中間增加橫梁來改善立柱的變形，如圖6所示，同時在可以的情況下盡量下降機構的重心。圖7和圖8是優化后機構的位移和應力云圖，通過觀察云圖中的變色層和位移值，可以看到結構的抗變形能力在立柱間加載橫梁的作用下得到改善，而直角連接處所產生的變形可以在裝配時加裝彈性墊片來提高連接剛度，同時下底板的變形也可以通過調平來加以改善。

5總結

以優化后的機構零部件的三維模型為指導，完成機構零部件的加工，編制裝配工藝路線，對重點組件部分的裝配方法和原理進行闡述，在輔助系統的搭建完成后實現了超聲振動鉆削機床的全部搭建過程，所設計的機床結構緊湊，剛度和抗振性能高，主軸垂直度和回轉精度高，完全可以滿足加工高精度微小深孔的要求，在后續的試驗過程中會進一步驗證機床的加工性能。

參考文獻

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作者：王荔檬 單位：天津大學