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。
技术实现要素：
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：
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为压电陶瓷片厚度；l1为后匹配块长度；l2为前匹配块长度；l3为电极的厚度；C0为压电陶瓷纵波波速；C3为电极纵波波速；r0为压电陶瓷密度；r1为匹配块密度；r3为电极密度；k33为压电陶瓷机电耦合系数；w1为谐振圆频率；S0、S1、S3分别为压电陶瓷片、后匹配块和电极的截面积；
q0、q1、q3、Z0、Z1、Z3、m3、W均为中间参数，在运用上式计算后匹配块长度l1时，须先确定出各物理参数的具体数值；谐振圆频率w1为选定的超声波发生器工作频率f与2π的乘积；压电陶瓷片厚度l0、密度r0、机电耦合系数k33等可从生产厂家的产品说明中得到具体数据；前匹配块、后匹配块和变幅杆、传动轴可采用优质碳素结构钢或钛合金钢，其密度r1、纵波波速C1及电极的密度r3、纵波波速C3均可从有关材料手册查找。
工作原理为：把超声频变化的电压加在压电陶瓷的两极上，其厚度将随电压的变化而变化，于是产生了纵向超声波振动，该纵向振动波将向前后两个方向传播。当传播波的介质改变时，在界面上将发生波的折射和反射，反射量的比率取决于两种介质的密度比。密度比越大，反射量越多。由于钢与空气的密度比非常大，可以认为传播到主轴两端的波全部被反射回来。反射波因半波损失比入射波晚了半个周期，它与从压电陶瓷直接发出的波相叠加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅减小，某些截面上振幅则恒为零，形成驻波传导。若换能器、变幅杆等组成的系统恰好是声波1/2波长的整数倍，则此系统处于谐振状态，谐振条件可表示为
l＝nl/2
式中l为系统总长度，l为振动波长(与材料性质有关)，n为正整数；
若不考虑介质的结构阻尼和表面声波辐射，声波在等截面弹性介质中传播时振幅和频率不变。而变截面杆在谐振状态下的情况不同，当振动波由截面较大的一端向截面较小的一端传递时，振幅将有所增大，所以变截面杆在谐振或接近于谐振状态时具有变幅功能。对于阶梯变幅杆来说，输出端振幅A2与输入端振幅A1之间存在以下关系
A2/A1＝(D1/D2)2
式中D1为输入端直径，D2为输出端直径。这说明变幅杆两端直径差别越大，输出端得到的振幅越大；
为了不破坏主轴系统的谐振状态，应将固定主轴用的轴承安置在波节(即振幅恒等于零的驻点)处，而将钻头安装在波腹(振幅最大点)处，以便使钻头获得较大的振幅。
本发明的优点在于：使用该方法设计的主轴，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；该主轴用于微小孔加工的超声波换能机构功率较小，发热量相对较少，无需设专门的冷却系统。
附图说明
图1是本发明提出的一种超声波振动钻床主轴的结构示意图。
其中，1、键槽，2、传动轴，3、后匹配块，4、第一压电陶瓷，5、电极，6、第二压电陶瓷，7、前匹配块，8、变幅杆，9、集流环，10、弹性卡爪，11、圆套。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
参照图1所示，该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2，传动轴2的一端为传动轴小端，所述传动轴小端开有键槽1，传动轴2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3、第一压电陶瓷4、电极5、第二压电陶瓷6和前匹配块7构成，所述后匹配块3与传动轴大端相连，第一压电陶瓷4和第二压电陶瓷6之间设置有电极5，第一压电陶瓷4位于后匹配块3的一侧，前匹配块7位于第二压电陶瓷6的一侧；
所述变幅机构中设置有变幅杆8，所述变幅杆8的一端与前匹配块7相连，变幅杆8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10，变幅杆8靠近弹性夹头的一端为变幅杆小端，变幅杆8与前匹配块7相连的一端为变幅杆大端，在变幅杆小端上装有集流环9，所述弹性卡爪10上还设置有圆套11；
进一步的，后匹配块3与传动轴2组成一整体；变幅杆8与前匹配块7组成一整体；
更进一步的，所述前匹配块7、后匹配块3、变幅杆8、传动轴2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4和第二压电陶瓷6为结构相同的压电陶瓷片；
传动轴2和变幅杆8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7、后匹配块3的直径与压电陶瓷片的直径相同；电极5直径比压电陶瓷片直径大8～10mm；
主轴横向尺寸，主要受钻床主轴套筒内孔尺寸的限制，为获得较大的振动功率和振动幅值，应尽可能利用套筒内孔空间，选用直径较大的压电陶瓷片。换能器前、后匹配块的直径可与压电陶瓷片直径相同，为了连接电线方便，电极直径可比压电陶瓷片直径大8～10mm。主轴系统处于谐振状态时钻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(图中AC段)和变幅杆(EG段)均为用同一种材料制成的弹性杆，其波长可按下式计算：
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5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7、后匹配块3的长度l2和l1，l2＝l1，其中l1按下式计算：
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为压电陶瓷片厚度；l1为后匹配块3长度；l2为前匹配块7长度；l3为电极5的厚度；C0为压电陶瓷纵波波速；C3为电极5纵波波速；r0为压电陶瓷密度；r1为匹配块密度；r3为电极5密度；k33为压电陶瓷机电耦合系数；w1为谐振圆频率；S0、S1、S3分别为压电陶瓷片、后匹配块和电极5的截面积；
q0、q1、q3、Z0、Z1、Z3、m3、W均为中间参数，在运用上式计算后匹配块长度l1时，须先确定出各物理参数的具体数值；谐振圆频率w1为选定的超声波发生器工作频率f与2π的乘积；压电陶瓷片厚度l0、密度r0、机电耦合系数k33等可从生产厂家的产品说明中得到具体数据；前匹配块、后匹配块和变幅杆、传动轴可采用优质碳素结构钢或钛合金钢，其密度r1、纵波波速C1及电极的密度r3、纵波波速C3均可从有关材料手册查找。
普通钻床主轴下端安装钻夹，应能完成回转运动和轴向进给运动，超声波振动钻床主轴除应完成以上运动外，还需具备轴向超声波振动功能。超声波振动主轴中的振动子可采用夹芯式压电陶瓷换能器(图中CDE段)，其电声转换效率可达90％左右，结构十分紧凑。它由一对压电陶瓷片、电极和前、后匹配块组成，由于用于微小孔加工的超声波换能器功率较小，发热量相对较少，可不设专门的冷却系统。前匹配块与变幅杆可做成一体。普通钻夹头结构复杂，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。所以在变幅杆末端设计结构简单的弹性夹头，弹性夹头带有四个弹性卡爪，用于装夹钻头。在变幅杆小端上装有集流环，用于传送换能器工作所需的电流。后匹配块与阶梯传动轴作成一体，传动轴小端开有键槽，与钻床皮带轮作滑动配合，以便带动主轴系统回转。在变幅杆小端和传动轴小端分别装有一个向心球轴承，用于支承安装主轴，轴承外圈与钻床主轴套筒过渡配合，带有齿槽的套筒可带动主轴进行轴向进给。
采用以上设计方案，对Z403台式钻床进行了改装，获得了满意的效果，钻头上的超声波振动振幅达2μm以上。
把超声频变化的电压加在压电陶瓷的两极上，其厚度将随电压的变化而变化，于是产生了纵向超声波振动，该纵向振动波将向前后两个方向传播。当传播波的介质改变时，在界面上将发生波的折射和反射，反射量的比率取决于两种介质的密度比。密度比越大，反射量越多。由于钢与空气的密度比非常大，可以认为传播到主轴两端的波全部被反射回来。反射波因半波损失比入射波晚了半个周期，它与从压电陶瓷直接发出的波相叠加，在有的截面上振幅增大，在有的截面上振幅减小，某些截面上振幅则恒为零，形成驻波传导。若换能器、变幅杆等组成的系统恰好是声波1/2波长的整数倍，则此系统处于谐振状态，谐振条件可表示为
l＝nl/2
式中l为系统总长度，l为振动波长(与材料性质有关)，n为正整数；
若不考虑介质的结构阻尼和表面声波辐射，声波在等截面弹性介质中传播时振幅和频率不变。而变截面杆在谐振状态下的情况不同，当振动波由截面较大的一端向截面较小的一端传递时，振幅将有所增大，所以变截面杆在谐振或接近于谐振状态时具有变幅功能。对于阶梯变幅杆来说，输出端振幅A2与输入端振幅A1之间存在以下关系
A2/A1＝(D1/D2)2
式中D1为输入端直径，D2为输出端直径。这说明变幅杆两端直径差别越大，输出端得到的振幅越大；
为了不破坏主轴系统的谐振状态，应将固定主轴用的轴承安置在波节(即振幅恒等于零的驻点)处，而将钻头安装在波腹(振幅最大点)处，以便使钻头获得较大的振幅。
本发明的优点在于：使用该方法设计的主轴，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；该主轴用于微小孔加工的超声波换能机构功率较小，发热量相对较少，无需设专门的冷却系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。