一种辊筒式振幅无级调节振动台设计

董香龙 顾铭凡 文东 方 言 陆胜凯 张 晨， 郑 雷

（1.盐城工学院 机械工程学院，江苏盐城，224051；2.南京工程学院 机械工程学院,江苏南京，211167；3.江苏大学 机械工程学院，江苏镇江 212013）

振动钻削是一种新颖的钻削加工工艺，通过给钻头或者工件叠加可控的相对振动，使钻削过程变为瞬时、脉冲的动态切削过程，从而改变普通钻削的机理。它具有异乎寻常的工艺效果，是解决高质量孔、小直径深孔以及难加工材料钻削加工问题的一种有效方法。按振动频率区分，振动钻削的振动方式主要有三种：低频振动、高频振动以及低频和高频迭加的复合振动。

当振动频率为几十至几百赫兹时，这种振动钻削称为低频振动钻削，它主要靠机械振动装置实现。这种装置易于实现，应用方便且工艺效果明显。目前，市面上的低频振动装置主要有以下几种：电磁振动钻削装置，这种装置常用于小孔加工，结构简单，但由于电磁激振器的磁隙刚度较小，加工过程中易降低振幅，同时负载能力较差，效率低；液压式振动钻削装置，该装置输出功率大，适用于钻削大孔径，但制造成本高，反应迟钝，振频不能大于200Hz；永磁式振动钻削装置，操作方便，无发热工况，但不适用于微小孔的加工；压电材料振源的振动钻削装置，该装置振动产生不依赖主轴转动，降低了振幅消散的概率，但不能用于加工重量较大的工件；机械式振动钻削装置，通常多数采用偏心机构实现工作台振动，负载能力强，但由于偏心质量，振频受限[1]。

上述的振动钻削装置都不能对振频进行有效的无级调节，而振幅只能是限制在初期设置的固定幅值。为了克服上述不足，现设计一种辊筒式振幅无级调节振动台，通过拨叉机构对调幅套筒的水平位置进行调节，进而实现振动台振幅的无级调节，使振动台可以根据需求选择不同的振幅。该装置结构简单，操作方便，利于材料的加工，成本低廉。

1 总体设计

在现有的机械式振动工作台的基础上，对其振幅调整机构进行改善，设计了如图1所示的辊筒式振幅无级调节振动台，主要由工作台、振动轴、回位弹簧、调幅套筒、花键轴、调幅驱动机构、箱体等部分组成[2]。振动工作台通过回位弹簧、滚轮、滚轮轴承、固定销固定在箱体上，滚轮嵌入在下方棍槽套筒的预留槽内，棍槽套筒中间为斜圆柱面与调幅套筒的外斜圆柱面重合，辊轮套筒与花键轴间隙配合，花键轴转动时带动辊轮套筒转动，从而在轴向上产生振动，通过编码器控制的无级电机带动驱动花键轴，实现无级调节振频。这种纯机械式的振动平台，具有结构简单、造价低、使用维护方便、振动参数受负载影响小等优点，可形成独立机床部件，原机床不需大改装即可与其配套，故应用方便，具有很大的实用价值。由于这种轴向振动机械装置易于实现，且工艺效果明显，它具有一定的工程实用价值。

图1 辊筒式振幅无级调节振动台

2 轴向振动原理

为了解决常规振动平台不能实现无级调幅的弊端，上述的辊筒式振幅无级调节振动台主要是利用图2所示的无级调幅机构实现。图2中，中间阴影部分为调幅套筒，上下两侧阴影部分为棍槽套筒，假设棍槽套筒中心点O1到中心线L的距离为h，当滚轮套筒处于振幅套筒A、B两面的正中间时，中心点O1到中心线L的距离为h0，即调幅套筒A或B面半径为h0；当调幅套筒向左或向右时，中心点O将会与中心线L产生一定距离，设距离为Δh。当调幅套筒绕中心线L转动时，棍槽套筒中心点O1到中心线L的距离为：

式中，θ为调幅套筒斜面角，当O点在中心线L的正下方时为0；h0、Δh均为定值。

由式（1）可以看出，高度h值的变化主要受sinθ影响，恰好产生正弦波动，故随着驱动花键轴的转动，工作台产生轴向振动。

图2 轴向振动原理

3 无级调幅操纵装置设计

为了便于振幅的无级调节，提高振幅调整的精度，笔者设计了如图3所示的无级调幅操纵装置，主要由拨叉、驱动花键轴、花键轴、凸轮轴等组成。拨叉中部空套在花键轴上，左部叉脚分布在调幅套筒的A、B两侧面；凸轮轴上具有特定的滑槽，拨叉的右端嵌于滑槽内。工作时，拨叉随着凸轮轴转动与花键轴产生相对移动，使得叉脚推动调幅套筒。设滑槽的斜角为α，凸轮轴半径为R，凸轮轴转动角度为β，调幅套筒的移动距离为S，α、β均为定值，则：

由式（5）可知，只要转动凸轮轴改变β，即可改变振幅Δh，而β是凸轮轴的转动角度，可以根据需要旋转任意角度，实现振幅的无级调整。

因为α、β为极小的角度，故tanα、tanβ的值更小，而R为定值，为此β值需更大才能保证等式平衡，即满足所设定的振幅。采用这种方式，有效地避免直接推动调幅套筒带来的误差，提高了振幅调整的精度，由式（2）可知α值越小，β值越大，精度越高。

4 结语

本文设计了一种简易式的轴向振动工作台，以解决难加工材料的钻削难度大、孔口质量低等问题，该装置有助于提高孔加工精度和加工效率。

图3 无级调幅操纵装置

本文设计的振幅无级调整的轴向振动工作台，结构简单，实现了无级调整振频、振幅；利用偏心轮原理，改变常规激振机构，可依据不同振幅需求无级调节，更具通用性；通过无级调幅操纵装置的设计，利用凸轮轴大幅转动实现调幅套筒的细微滑动，最终实现振幅调整，提高了振幅调整精度，使振动钻削加工更具可靠性；由于振幅变化微小，对振动平台的制作精度要求更高，一定程度上提高加工难度和制造成本。

[1]王昕.振动钻削新钻削力模型及定、变参数振动钻削的研究[D].长春：吉林大学，2004：12.

[2]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2015.