[发明专利]一种超声波振动钻床主轴和主轴结构尺寸确定的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢结构加工生产中所使用的钻床主轴结构设计领域，尤其是一种超声波振动钻床主轴和主轴结构尺寸确定的方法。

背景技术

钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动；主轴是钻床的核心部件，设计不好，不仅影响工作效率，还会造成过多的次品产生，常用的钻床主轴下端安装钻夹，能完成回转运动和轴向进给运动，但不具备轴向超声波振动功能，且常用的普通钻床夹头结构复杂，质量较大，容易破坏主轴系统谐振状态，导致钻头振幅大幅度减小，不利于工件的加工，因而需要设计一种结构简单，使用方便的钻床主轴。

本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种可以延长钻头寿命，提高孔的精度和孔壁表面质量，减小钻削出口毛刺，具有优良的工艺效果；采用该方法，无须改动机床其它结构，只以超声波振动主轴替换钻床原有主轴，即可完成对机床的改装，结构紧凑，使用方便的一种超声波振动钻床主轴和主轴结构尺寸确定的方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声波振动钻床主轴，包括传动机构、换能机构和变幅机构，所述传动机构中设置有传动轴，传动轴的一端为传动轴小端，所述传动轴小端开有键槽，传动轴的另一端为传动轴大端；

所述换能机构中设置有振动子，振动子由后匹配块、第一压电陶瓷、电极、第二压电陶瓷和前匹配块构成，所述后匹配块与传动轴大端相连，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷之间设置有电极，第一压电陶瓷位于后匹配块的一侧，前匹配块位于第二压电陶瓷的一侧；

所述变幅机构中设置有变幅杆，所述变幅杆的一端与前匹配块相连，变幅杆的另一端设置有弹性夹头，所述弹性夹头带有四个弹性卡爪，变幅杆靠近弹性夹头的一端为变幅杆小端，变幅杆与前匹配块相连的一端为变幅杆大端，在变幅杆小端上装有集流环，所述弹性卡爪上还设置有圆套；

进一步的，后匹配块与传动轴组成一整体；变幅杆与前匹配块组成一整体；

更进一步的，所述前匹配块、后匹配块、变幅杆、传动轴材质均采用碳素结构钢或钛合金钢；

具体的，所述第一压电陶瓷和第二压电陶瓷为结构相同的压电陶瓷片；

传动轴和变幅杆均为用同一种材料制成的弹性杆；

其中，超声波振动钻床主轴结构尺寸确定的方法，其特征在于，其实施步骤为：

第一步、确定主轴横向尺寸和轴向进给范围；

第二步、确定换能机构的尺寸；

所述确定主轴横向尺寸和轴向进给范围，其实施步骤为：

换能机构中的前匹配块、后匹配块的直径与压电陶瓷片的直径相同；电极直径比压电陶瓷片直径大8～10mm；

在主轴系统处于谐振状态时砖头处得到的振幅最大，这时主轴总长度应为半波长的整数倍，主轴各部分的长度亦应根据各自的波长来确定，传动轴和变幅杆的波长可按如下式计算：

l＝C₁/f

式中C₁为纵波波率，与材料性质有关，为一常数，f为超声波发生器发出的超声频变化电流的频率，可在发生器工作范围内自行选定，选f＝20kHz；

传动轴小端长度取为3l/4，传动轴大端长度取为l/4；

变幅杆长度的确定应满足1/2波长变幅杆设计原则，变幅杆大端的长度和变幅杆小端的长度均取l/4；

所述确定换能机构的尺寸，其实施步骤为：

第1步、根据主轴套筒内孔空间和压电陶瓷生产厂家的产品目录选定压电陶瓷片的尺寸，包括其厚度l₀；

第2步、确定电极厚度l₃，电极采用导电性能较好的铝片或铜片，其厚度取3～5mm；

第3步、确定前匹配块、后匹配块的长度l₂和l₁，l₂＝l₁，其中l₁按下式计算：