本發(fā)明涉及鋼結構加工生產(chǎn)中所使用的鉆床主軸結構設計領域，尤其是一種超聲波振動鉆床主軸和主軸結構尺寸確定的方法。
背景技術：
鉆床指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結構簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴、锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。加工過程中工件不動，讓刀具移動，將刀具中心對正孔中心，并使刀具轉動(主運動)。鉆床的特點是工件固定不動，刀具做旋轉運動；主軸是鉆床的核心部件，設計不好，不僅影響工作效率，還會造成過多的次品產(chǎn)生，常用的鉆床主軸下端安裝鉆夾，能完成回轉運動和軸向進給運動，但不具備軸向超聲波振動功能，且常用的普通鉆床夾頭結構復雜，質量較大，容易破壞主軸系統(tǒng)諧振狀態(tài)，導致鉆頭振幅大幅度減小，不利于工件的加工，因而需要設計一種結構簡單，使用方便的鉆床主軸。
本發(fā)明就是為了解決以上問題而進行的改進。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種可以延長鉆頭壽命，提高孔的精度和孔壁表面質量，減小鉆削出口毛刺，具有優(yōu)良的工藝效果；采用該方法，無須改動機床其它結構，只以超聲波振動主軸替換鉆床原有主軸，即可完成對機床的改裝，結構緊湊，使用方便的一種超聲波振動鉆床主軸和主軸結構尺寸確定的方法。
本發(fā)明為解決其技術問題所采用的技術方案是：
一種超聲波振動鉆床主軸，包括傳動機構、換能機構和變幅機構，所述傳動機構中設置有傳動軸，傳動軸的一端為傳動軸小端，所述傳動軸小端開有鍵槽，傳動軸的另一端為傳動軸大端；
所述換能機構中設置有振動子，振動子由后匹配塊、第一壓電陶瓷、電極、第二壓電陶瓷和前匹配塊構成，所述后匹配塊與傳動軸大端相連，第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷之間設置有電極，第一壓電陶瓷位于后匹配塊的一側，前匹配塊位于第二壓電陶瓷的一側；
所述變幅機構中設置有變幅桿，所述變幅桿的一端與前匹配塊相連，變幅桿的另一端設置有彈性夾頭，所述彈性夾頭帶有四個彈性卡爪，變幅桿靠近彈性夾頭的一端為變幅桿小端，變幅桿與前匹配塊相連的一端為變幅桿大端，在變幅桿小端上裝有集流環(huán)，所述彈性卡爪上還設置有圓套；
進一步的，后匹配塊與傳動軸組成一整體；變幅桿與前匹配塊組成一整體；
更進一步的，所述前匹配塊、后匹配塊、變幅桿、傳動軸材質均采用碳素結構鋼或鈦合金鋼；
具體的，所述第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷為結構相同的壓電陶瓷片；
傳動軸和變幅桿均為用同一種材料制成的彈性桿；
其中，超聲波振動鉆床主軸結構尺寸確定的方法，其特征在于，其實施步驟為：
第一步、確定主軸橫向尺寸和軸向進給范圍；
第二步、確定換能機構的尺寸；
所述確定主軸橫向尺寸和軸向進給范圍，其實施步驟為：
換能機構中的前匹配塊、后匹配塊的直徑與壓電陶瓷片的直徑相同；電極直徑比壓電陶瓷片直徑大8～10mm；
在主軸系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時磚頭處得到的振幅最大，這時主軸總長度應為半波長的整數(shù)倍，主軸各部分的長度亦應根據(jù)各自的波長來確定，傳動軸和變幅桿的波長可按如下式計算：
l＝C1/f
式中C1為縱波波率，與材料性質有關，為一常數(shù)，f為超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲頻變化電流的頻率，可在發(fā)生器工作范圍內自行選定，選f＝20kHz；
傳動軸小端長度取為3l/4，傳動軸大端長度取為l/4；
變幅桿長度的確定應滿足1/2波長變幅桿設計原則，變幅桿大端的長度和變幅桿小端的長度均取l/4；
所述確定換能機構的尺寸，其實施步驟為：
第1步、根據(jù)主軸套筒內孔空間和壓電陶瓷生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄選定壓電陶瓷片的尺寸，包括其厚度l0；
第2步、確定電極厚度l3，電極采用導電性能較好的鋁片或銅片，其厚度取3～5mm；
第3步、確定前匹配塊、后匹配塊的長度l2和l1，l2＝l1，其中l(wèi)1按下式計算：
式中：Z0＝r0C0S0，Z1＝r1C1S1，Z3＝r3C3S3，m3＝Z3/Z0，W＝ctgq0-(k33)2/q0，q0＝w1l0/C0，q1＝w1l1/C1，q3＝w1l3/C3
l0為壓電陶瓷片厚度；l1為后匹配塊長度；l2為前匹配塊長度；l3為電極的厚度；C0為壓電陶瓷縱波波速；C3為電極縱波波速；r0為壓電陶瓷密度；r1為匹配塊密度；r3為電極密度；k33為壓電陶瓷機電耦合系數(shù)；w1為諧振圓頻率；S0、S1、S3分別為壓電陶瓷片、后匹配塊和電極的截面積；
q0、q1、q3、Z0、Z1、Z3、m3、W均為中間參數(shù)，在運用上式計算后匹配塊長度l1時，須先確定出各物理參數(shù)的具體數(shù)值；諧振圓頻率w1為選定的超聲波發(fā)生器工作頻率f與2π的乘積；壓電陶瓷片厚度l0、密度r0、機電耦合系數(shù)k33等可從生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明中得到具體數(shù)據(jù)；前匹配塊、后匹配塊和變幅桿、傳動軸可采用優(yōu)質碳素結構鋼或鈦合金鋼，其密度r1、縱波波速C1及電極的密度r3、縱波波速C3均可從有關材料手冊查找。
工作原理為：把超聲頻變化的電壓加在壓電陶瓷的兩極上，其厚度將隨電壓的變化而變化，于是產(chǎn)生了縱向超聲波振動，該縱向振動波將向前后兩個方向傳播。當傳播波的介質改變時，在界面上將發(fā)生波的折射和反射，反射量的比率取決于兩種介質的密度比。密度比越大，反射量越多。由于鋼與空氣的密度比非常大，可以認為傳播到主軸兩端的波全部被反射回來。反射波因半波損失比入射波晚了半個周期，它與從壓電陶瓷直接發(fā)出的波相疊加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅減小，某些截面上振幅則恒為零，形成駐波傳導。若換能器、變幅桿等組成的系統(tǒng)恰好是聲波1/2波長的整數(shù)倍，則此系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，諧振條件可表示為
l＝nl/2
式中l(wèi)為系統(tǒng)總長度，l為振動波長(與材料性質有關)，n為正整數(shù)；
若不考慮介質的結構阻尼和表面聲波輻射，聲波在等截面彈性介質中傳播時振幅和頻率不變。而變截面桿在諧振狀態(tài)下的情況不同，當振動波由截面較大的一端向截面較小的一端傳遞時，振幅將有所增大，所以變截面桿在諧振或接近于諧振狀態(tài)時具有變幅功能。對于階梯變幅桿來說，輸出端振幅A2與輸入端振幅A1之間存在以下關系
A2/A1＝(D1/D2)2
式中D1為輸入端直徑，D2為輸出端直徑。這說明變幅桿兩端直徑差別越大，輸出端得到的振幅越大；
為了不破壞主軸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，應將固定主軸用的軸承安置在波節(jié)(即振幅恒等于零的駐點)處，而將鉆頭安裝在波腹(振幅最大點)處，以便使鉆頭獲得較大的振幅。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：使用該方法設計的主軸，可以延長鉆頭壽命，提高孔的精度和孔壁表面質量，減小鉆削出口毛刺，具有優(yōu)良的工藝效果；采用該方法，無須改動機床其它結構，只以超聲波振動主軸替換鉆床原有主軸，即可完成對機床的改裝，結構緊湊，使用方便；該主軸用于微小孔加工的超聲波換能機構功率較小，發(fā)熱量相對較少，無需設專門的冷卻系統(tǒng)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提出的一種超聲波振動鉆床主軸的結構示意圖。
其中，1、鍵槽，2、傳動軸，3、后匹配塊，4、第一壓電陶瓷，5、電極，6、第二壓電陶瓷，7、前匹配塊，8、變幅桿，9、集流環(huán)，10、彈性卡爪，11、圓套。
具體實施方式
為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合圖示與具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。
參照圖1所示，該一種超聲波振動鉆床主軸，包括傳動機構、換能機構和變幅機構，所述傳動機構中設置有傳動軸2，傳動軸2的一端為傳動軸小端，所述傳動軸小端開有鍵槽1，傳動軸2的另一端為傳動軸大端；
所述換能機構中設置有振動子，振動子由后匹配塊3、第一壓電陶瓷4、電極5、第二壓電陶瓷6和前匹配塊7構成，所述后匹配塊3與傳動軸大端相連，第一壓電陶瓷4和第二壓電陶瓷6之間設置有電極5，第一壓電陶瓷4位于后匹配塊3的一側，前匹配塊7位于第二壓電陶瓷6的一側；
所述變幅機構中設置有變幅桿8，所述變幅桿8的一端與前匹配塊7相連，變幅桿8的另一端設置有彈性夾頭，所述彈性夾頭帶有四個彈性卡爪10，變幅桿8靠近彈性夾頭的一端為變幅桿小端，變幅桿8與前匹配塊7相連的一端為變幅桿大端，在變幅桿小端上裝有集流環(huán)9，所述彈性卡爪10上還設置有圓套11；
進一步的，后匹配塊3與傳動軸2組成一整體；變幅桿8與前匹配塊7組成一整體；
更進一步的，所述前匹配塊7、后匹配塊3、變幅桿8、傳動軸2材質均采用碳素結構鋼或鈦合金鋼；
具體的，所述第一壓電陶瓷4和第二壓電陶瓷6為結構相同的壓電陶瓷片；
傳動軸2和變幅桿8均為用同一種材料制成的彈性桿；
其中，超聲波振動鉆床主軸結構尺寸確定的方法，其特征在于，其實施步驟為：
第一步、確定主軸橫向尺寸和軸向進給范圍；
第二步、確定換能機構的尺寸；
所述確定主軸橫向尺寸和軸向進給范圍，其實施步驟為：
換能機構中的前匹配塊7、后匹配塊3的直徑與壓電陶瓷片的直徑相同；電極5直徑比壓電陶瓷片直徑大8～10mm；
主軸橫向尺寸，主要受鉆床主軸套筒內孔尺寸的限制，為獲得較大的振動功率和振動幅值，應盡可能利用套筒內孔空間，選用直徑較大的壓電陶瓷片。換能器前、后匹配塊的直徑可與壓電陶瓷片直徑相同，為了連接電線方便，電極直徑可比壓電陶瓷片直徑大8～10mm。主軸系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時鉆頭處得到的振幅最大，這時主軸總長度應為半波長的整數(shù)倍，主軸各部分的長度亦應根據(jù)各自的波長來確定，傳動軸(圖中AC段)和變幅桿(EG段)均為用同一種材料制成的彈性桿，其波長可按下式計算：
l＝C1/f
式中C1為縱波波率，與材料性質有關，為一常數(shù)，f為超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲頻變化電流的頻率，可在發(fā)生器工作范圍內自行選定，選f＝20kHz；
傳動軸小端長度取為3l/4，傳動軸大端長度取為l/4；
變幅桿長度的確定應滿足1/2波長變幅桿設計原則，變幅桿大端的長度和變幅桿小端的長度均取l/4；
所述確定換能機構的尺寸，其實施步驟為：
第1步、根據(jù)主軸套筒內孔空間和壓電陶瓷生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄選定壓電陶瓷片的尺寸，包括其厚度l0；
第2步、確定電極厚度l3，電極5采用導電性能較好的鋁片或銅片，其厚度取3～5mm；
第3步、確定前匹配塊7、后匹配塊3的長度l2和l1，l2＝l1，其中l(wèi)1按下式計算：
式中：Z0＝r0C0S0，Z1＝r1C1S1，Z3＝r3C3S3，m3＝Z3/Z0，W＝ctgq0-(k33)2/q0，q0＝w1l0/C0，q1＝w1l1/C1，q3＝w1l3/C3
l0為壓電陶瓷片厚度；l1為后匹配塊3長度；l2為前匹配塊7長度；l3為電極5的厚度；C0為壓電陶瓷縱波波速；C3為電極5縱波波速；r0為壓電陶瓷密度；r1為匹配塊密度；r3為電極5密度；k33為壓電陶瓷機電耦合系數(shù)；w1為諧振圓頻率；S0、S1、S3分別為壓電陶瓷片、后匹配塊和電極5的截面積；
q0、q1、q3、Z0、Z1、Z3、m3、W均為中間參數(shù)，在運用上式計算后匹配塊長度l1時，須先確定出各物理參數(shù)的具體數(shù)值；諧振圓頻率w1為選定的超聲波發(fā)生器工作頻率f與2π的乘積；壓電陶瓷片厚度l0、密度r0、機電耦合系數(shù)k33等可從生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明中得到具體數(shù)據(jù)；前匹配塊、后匹配塊和變幅桿、傳動軸可采用優(yōu)質碳素結構鋼或鈦合金鋼，其密度r1、縱波波速C1及電極的密度r3、縱波波速C3均可從有關材料手冊查找。
普通鉆床主軸下端安裝鉆夾，應能完成回轉運動和軸向進給運動，超聲波振動鉆床主軸除應完成以上運動外，還需具備軸向超聲波振動功能。超聲波振動主軸中的振動子可采用夾芯式壓電陶瓷換能器(圖中CDE段)，其電聲轉換效率可達90％左右，結構十分緊湊。它由一對壓電陶瓷片、電極和前、后匹配塊組成，由于用于微小孔加工的超聲波換能器功率較小，發(fā)熱量相對較少，可不設專門的冷卻系統(tǒng)。前匹配塊與變幅桿可做成一體。普通鉆夾頭結構復雜，質量較大，容易破壞主軸系統(tǒng)諧振狀態(tài)，導致鉆頭振幅大幅度減小。所以在變幅桿末端設計結構簡單的彈性夾頭，彈性夾頭帶有四個彈性卡爪，用于裝夾鉆頭。在變幅桿小端上裝有集流環(huán)，用于傳送換能器工作所需的電流。后匹配塊與階梯傳動軸作成一體，傳動軸小端開有鍵槽，與鉆床皮帶輪作滑動配合，以便帶動主軸系統(tǒng)回轉。在變幅桿小端和傳動軸小端分別裝有一個向心球軸承，用于支承安裝主軸，軸承外圈與鉆床主軸套筒過渡配合，帶有齒槽的套筒可帶動主軸進行軸向進給。
采用以上設計方案，對Z403臺式鉆床進行了改裝，獲得了滿意的效果，鉆頭上的超聲波振動振幅達2μm以上。
把超聲頻變化的電壓加在壓電陶瓷的兩極上，其厚度將隨電壓的變化而變化，于是產(chǎn)生了縱向超聲波振動，該縱向振動波將向前后兩個方向傳播。當傳播波的介質改變時，在界面上將發(fā)生波的折射和反射，反射量的比率取決于兩種介質的密度比。密度比越大，反射量越多。由于鋼與空氣的密度比非常大，可以認為傳播到主軸兩端的波全部被反射回來。反射波因半波損失比入射波晚了半個周期，它與從壓電陶瓷直接發(fā)出的波相疊加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅減小，某些截面上振幅則恒為零，形成駐波傳導。若換能器、變幅桿等組成的系統(tǒng)恰好是聲波1/2波長的整數(shù)倍，則此系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，諧振條件可表示為
l＝nl/2
式中l(wèi)為系統(tǒng)總長度，l為振動波長(與材料性質有關)，n為正整數(shù)；
若不考慮介質的結構阻尼和表面聲波輻射，聲波在等截面彈性介質中傳播時振幅和頻率不變。而變截面桿在諧振狀態(tài)下的情況不同，當振動波由截面較大的一端向截面較小的一端傳遞時，振幅將有所增大，所以變截面桿在諧振或接近于諧振狀態(tài)時具有變幅功能。對于階梯變幅桿來說，輸出端振幅A2與輸入端振幅A1之間存在以下關系
A2/A1＝(D1/D2)2
式中D1為輸入端直徑，D2為輸出端直徑。這說明變幅桿兩端直徑差別越大，輸出端得到的振幅越大；
為了不破壞主軸系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，應將固定主軸用的軸承安置在波節(jié)(即振幅恒等于零的駐點)處，而將鉆頭安裝在波腹(振幅最大點)處，以便使鉆頭獲得較大的振幅。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：使用該方法設計的主軸，可以延長鉆頭壽命，提高孔的精度和孔壁表面質量，減小鉆削出口毛刺，具有優(yōu)良的工藝效果；采用該方法，無須改動機床其它結構，只以超聲波振動主軸替換鉆床原有主軸，即可完成對機床的改裝，結構緊湊，使用方便；該主軸用于微小孔加工的超聲波換能機構功率較小，發(fā)熱量相對較少，無需設專門的冷卻系統(tǒng)。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。