超声振动钻削装置结构设计研究范文

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【摘要】本文拟设计一超声振动钻削装置，该装置包括支撑结构、钻削机构及工作台等，用于加工超硬材料的孔类零件，本文在超声加工原理、钻削加工原理和典型钻削机构的基础上，确定机床的刀具和工件的装夹方式，分析工件的成形运动和加工方式，讨论超声钻削加工的运动分配方式，在机构主要参数的指导下以运动方案为基础确定机构设计方案，利用三维软件CATIA进行主要部件的结构设计和整体装配设计，同时利用有限元软件ANSYS的辅助下进行机构的位移和应力分析改善立柱连接结构，完善总体结构设计。

【关键词】超声振动；钻削；结构设计

1引言

本文所涉及的超声振动钻削机构的设计，采用现代设计方法和理念，即系统化设计方法来建立机构的总体布局和设计各主要部件并在现代制造工程设计方法下获得最佳原理方案。钻削机床一般是指以实现钻孔加工为主的机床，所具有的运动相对其它机床来说比较简单，最主要的特点是在工件固定不动的情况下刀具做旋转和进给运动来实现加工，随着传动部件的发展和改进，钻削的加工质量和效率都有所提高，得到最广泛应用的是立式钻床和摇臂钻床。立式钻床的主轴转速和进给量具有较大的变化范围，这使得其可以加工的材料范围也比较广泛，摇臂钻床是针对于立式钻床改进得到的，其主轴箱可在摇臂上左右移动，更加扩大了机床的可加工范围。结合立式钻床和摇臂钻床的结构有点，进行下一步关于本文装置的设计。

2超声振动钻削机床结构原理分析

通过对典型钻削机床结构的了解和深入分析，同时考虑超声振动的独特加工原理所带来的对机床结构的变革，在机构设计理论的基础上，开展超声振动钻削机床的设计的讨论，在机床的运动精度和结构合理性基础上，进行主体结构的原理性分析。钻削加工虽然从机床运动角度来说相对于其它加工方法较简单，但是钻削加工因其所使用刀具即钻头的结构复杂性，注定了钻削加工原理的复杂性，而这种钻削原理决定了在设计钻削加工机床时要求钻头轴向与工件平面的垂直度保持性以及振动的快速消除等。超声振动的原理主要是依赖超声波的高频振动转化为机械振动从而实现加工的，而在传统加工原理中振动被认为是对机构不利的，如何有效地利用超声波振动而又保持机构的稳定性是设计机床时需要主要考虑的问题，所以引入了振动加工使得机床的振动抑制和利用面临着考验。在钻削原理和超声振动原理的综合分析下，结合钻削机床固有的特点，同时考虑机构的工艺可能性，结构简单性，易于制造和装配，操作方便等因素用来指导机构的总体设计。

3超声振动钻削系统的总体设计

由上面钻削原理，超声振动原理和钻削机构运动原理，确定本文所要设计的超声振动钻削机构所应该满足的要求和设计要点如下：结构简单且灵活性强以适应实验的多样性和便于改进，装配和布局合理，影响工件加工的参数有较大变化范围，便于检测系统的安装和测试，部件装配的稳定性和能量传递的完整性，主轴垂直度保持几个方面。以这些要求和要点为基础，进行超声振动钻削机构的运动分配和系统的总体布局的探究。

3.1机构设计方案的提出

除了要遵循机械设计的原则外，在进行机构的总体设计时应该要综合考虑工件放置的合理性和方便性，机构运动的干涉和加工装配的简便性等，机构整体情况的测算和规划获得机床的外形尺寸和几何参数，利用三维软件的空间建模方法来将设计的机构形象化，在本文利用三维软件CATIA进行机构的建模设计并讨论。如图1中所示，超声振动钻削机构的设计采用四根支撑柱来作为整个机构的支撑，由上部驱动电机的正反转来控制加工速度，电主轴和超声振动主轴同样采用刚性固连的方法连接在一起，立柱上的导轨滑块组实现主轴部分的进给运动，电机、电主轴、超声主轴和刀具在同一个轴线上从而保证了运动传递性，该方案的设计新颖，对于保证主轴垂直度来说具有极大的益处，同时工作台的设计可以独立于整个机构，改进和增加运动自由度更容易。

3.2可行性机构各主要部件的设计和选用

图2中所示为超声振动钻削机构的三维模型图，机构的设计遵循上面讨论的方案，以电主轴和超声主轴的的尺寸为出发点来构建机构，保证立柱间的跨距最小以利于承力，主体框架由下底板、上平板及四根型材立柱组成，外框架结构的连接利用上下共八个直角连接件来完成，此结构承重能力强，连接易于实现，能够为内部组件提供刚性支撑且具有抗振性，电主轴和超声振动主轴采用具有自定位功能且应用较广泛的BT40型刀柄连接，安装有该刀柄的超声振动主轴可以同样应用于其它的机床上，利用侧板、转接板、主轴夹具和直线度高的线性导轨之间的连接来实现进给运动，保证进给时的垂直度。

3.3系统的总体布局

在综合了机床结构、钻削原理和超声原理的基础上，进行了超声振动钻削机构的设计，并利用三维软件进行建模来分析机构的合理性，但是一个机构的运行不仅仅是机构的设计和搭建，还需要辅助系统的参与，图3中所示为超声振动钻削系统的总体布局图用以说明整个系统的运行和控制方式。超声波发生器激发超声主轴的上下振动，电主轴由变频器和显示面板来调节转速和功率，工件下部的测力仪经过数据转换获得切削力曲线，加工控制系统和监测系统实现加工的人机交互，同时在冷却系统和外部防护系统的共同作用下搭建了超声振动钻削机床。

4超声振动钻削机构分析和优化

图5为机构的整体位移图和应力云图，从图5中可以看到全位移发生在上平板的电机连接处，需要对电机的传动力和扭矩进行校核和适当改进。本文中机构的可行性方案研究表明，机构的设计基本合理，不需要再做较大的修改就可以满足设计要求，只需要加强立柱的抗变形能力，根据理论力学分析，在立柱中间增加横梁来改善立柱的变形，如图6所示，同时在可以的情况下尽量下降机构的重心。图7和图8是优化后机构的位移和应力云图，通过观察云图中的变色层和位移值，可以看到结构的抗变形能力在立柱间加载横梁的作用下得到改善，而直角连接处所产生的变形可以在装配时加装弹性垫片来提高连接刚度，同时下底板的变形也可以通过调平来加以改善。

5总结

以优化后的机构零部件的三维模型为指导，完成机构零部件的加工，编制装配工艺路线，对重点组件部分的装配方法和原理进行阐述，在辅助系统的搭建完成后实现了超声振动钻削机床的全部搭建过程，所设计的机床结构紧凑，刚度和抗振性能高，主轴垂直度和回转精度高，完全可以满足加工高精度微小深孔的要求，在后续的试验过程中会进一步验证机床的加工性能。

参考文献

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作者：王荔檬 单位：天津大学