專利名稱：一種半波長超聲表面滾壓加工用執行機構及加工方法
一種半波長超聲表面滾壓加工用執行機構及加工方法技術領域：
本發明屬于金屬表面處理技術領域，涉及一種半波長超聲表面滾壓加工用 執行機構及加工方法。背景技術：
超聲表面滾壓加工方法將加工頭設計為可滾動的球體或柱體，在回轉型機 械零部件表面制備一層與基體有自然過渡的納米層結構，并同時獲得納米級表面光潔度， 從而提高其抗疲勞、磨損和耐腐蝕性能，保證機械裝備可靠安全地運行，延長其有效服役 壽命，防止其過早失效，具有重要的經濟和實用價值，有著廣闊應用前景。隨著該方法的 不斷使用，對其性能的改進提出了新的要求。現有的超聲表面滾壓加工裝置的執行機構， 一般分為壓電陶瓷式和磁致伸縮式，采用 全波長設計(半波長變幅桿+半波長換能器)將電能轉換為機械振動。其主要缺點在于 執行機構的體積相對較大，對于狹小空間或一些特殊位置或尺寸的結構，如細管(管徑小 于(D300/wm)及其內壁、環形槽等部位，均無法進行處理。另外全波長執行機構因自身尺寸重量相對較大，帶來安裝、夾持困難等問題。
發明內容本發明目的是解決全波長超聲表面滾壓加工執行機構體積較大，對于狹小 空間或特殊位置或尺寸無法進行處理的缺點，提供一種半波長超聲表面滾壓加工用執行機 構及加工方法。本發明提供的半波長超聲表面滾壓加工用執行機構，包括一個殼體，殼體內安裝有 1/4波長換能器，換能器后部與殼體之間設置有施力部件，換能器前端連接其上裝有可滾 動的柱體或球體工作頭的1/4波長變幅桿。變幅桿的軸向截面呈錐臺形、階梯形或二者的組合形。所述的換能器為磁滯伸縮換能器或壓電陶瓷換能器。所述的施力部件為彈簧或壓縮空氣。一種采用以上所述執^1機構的半波長超聲表面滾壓加工方法，該方法執行機構靜壓力 為50 500N，輸出端振幅5 25微米，往復1 15次。對于回轉件機床主軸轉速為200 700r/min，進給量為0.02 0.1mm/r;對于平板工件往復進給速度1 15m/min，執行機構 進給量為0.01 2mm/min。本發明執行機構重量輕、體積小、輸出功率大且使用方便。操作安裝、夾持方便，必 要時可改為單手持握式操作，可實現狹小、特殊位置的加工處理，如管壁、內環槽等。本發明的優點和有益效果本發明半波長超聲表面滾壓加工執行機構具有重量輕、體積小、輸出功率大以及使用 方便等優點。由于長度減少到原來的50%左右，回轉半徑更小，對于管壁、內環槽等的 處理更加理想。由于半波長沖擊槍重量約減輕至原有重量的40%，操作時的安裝、夾持 方便，必要時可改為單手持握式操作，可以實現在狹小位置的超聲表面滾壓加工處理。大功率、階梯一錐臺一階梯型半波長超聲表面滾壓加工方法能夠有效提高輸出功率， 可用來處理較高強度材質的機械零部件。
圖1是半波長超聲表面滾壓加工示意圖；圖2是大功率半波長超聲表面滾壓加工執行機構示意圖；圖3是半波長超聲表面滾壓加工執行機構示意圖(階梯-錐臺-階梯型變幅桿)；以上所有附圖均以壓電陶瓷換能器配球體滾動工作頭為例，其中每一種形式均可換為 相應的磁滯伸縮換能器或柱體滾動工作頭。其中，1為壓縮空氣或彈簧靜壓力，2為1/4波長壓電陶瓷換能器，3為l/4波長變幅 桿，4為球體滾動工作頭，5為待加工鋼管或箱體內壁，6為壓縮空氣或彈簧靜壓力，7為 大功率1/4波長壓電陶瓷換能器，8為l/4波長變幅桿，9為球體滾動工作頭，IO為壓縮 空氣或彈簧靜壓力，11為1/4波長壓電陶瓷換能器，12為階梯-錐臺-階梯型1/4波長變幅 桿，13為球體滾動工作頭。具體實施方式
實施例1、加工裝置如圖1所示，半波長超聲表面滾壓加工用執行機構是本發明的獨創部分，包括一個殼 體，殼體內安裝有l/4波長換能器，換能器后部與殼體之間設置有施力部件，換能器前端 連接其上裝有可滾動的柱體或球體工作頭的1/4波長變幅桿。半波長超聲表面滾壓加工裝置采用半數字或全數字化超聲波發生器為加工電源，其作 用是將工頻交流電轉換為超聲頻振蕩，以供給本發明半波長超聲表面滾壓加工用執行機構 中的工作頭能量。采用1/4波長磁滯伸縮換能器或1/4波長壓電陶瓷換能器，其作用是將 高頻電振蕩信號轉換成機械振動；1/4波長變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動 振幅，以滿足超聲加工的需要；可滾動的球體或柱體工作頭被設計為不同材質和一系列不 同的直徑，應根據待加工試件軟硬程度、加工部位尺寸、表面質量要求以及生產效率等因素進行選擇。此外，在執行機構的底部可用彈簧或壓縮空氣為加工過程提高靜壓力，壓縮 空氣還能起到冷卻裝置的作用。具體的工作情況及裝置結構可參照圖1。本方案中執行機構采用半波長(Z < 150mm )設計(1/4波長變幅桿+ 1/4波長換能器)， 顯著降低了執行機構的尺寸。對于大多數特殊結構如細管、內壁、環形深槽等部位可以非 常方便的進行加工處理；由于執行機構小巧，對于一些特殊位置還可安裝手柄，進行單手 操作。本發明執行機構設計了多種實施方式。除圖1中所示的標準半波長執行機構之外，還 設計了 1)大功率半波長超聲表面滾壓加工執行機構；2)階梯一錐臺一階梯型半波長超 聲表面滾壓加工執行機構。下面以壓電陶瓷換能器半波長超聲表面滾壓加工執行機構為例具體說明，磁致伸縮換 能器超聲表面滾壓加工執行機構與其原理相似，對于原理不同處將予以單獨說明。1) 大功率半波長超聲表面滾壓加工執行機構換能器部分的壓電陶瓷片由偶數片構成，因此陶瓷的片數從2片至12片即可有效提 高輸出功率50% 300%，而執行機構整體重量僅增加10% 30%。詳見圖2。對于磁致 伸縮換能器執行機構，其輸出功率的提高通過增大驅動磁場強度即增大驅動電流的方式實 現。2) 階梯一錐臺一階梯型半波長超聲表面滾壓加工執行機構單一形狀變幅桿存在著放大系數相對小或形狀因數小等缺點，而單一的階梯型變幅桿 由于界面存在突變而引起的應力集中，使用時自身也會產生疲勞等一系列問題，因此本方 案使用全新設計的四分一直波長變幅桿，采用階梯—錐臺—階梯型過渡，有效的降低了界 面突變引起的應力集中現象，同時保證了較大的放大系數。具體形式見圖3。實施例2、加工方法使用半波長超聲表面滾壓加工方法應根據待加工材料的材質、表面質量要求以及生產 效率等因素來綜合選擇相應的工藝參數和工作頭材質以及尺寸。此外為了保證經表面線型滾壓加工后能夠獲得具有足夠尺寸精度的機械零部件，還需要考慮在前一道工序粗車時預留一定的擠壓余量。實例l內徑為200mm，壁厚10mm的調質態45鋼管，用半波長超聲表面球體滾壓加工方法 對其內表面進行處理，主要技術參數如下機床主軸轉速為255r/min;沖擊槍工作頭進給量為0.25mm/r;靜壓力200N;往復加 工2次；選用乳化液冷卻；工作頭選用硬制合金材料，球體直徑為10mm;工作頭輸出端 超聲振幅為IO微米。實驗結果加工后，樣品表面形成了近百微米的納米晶層。最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為10nm，與原始晶粒尺寸(大約10pm)相比晶粒細化了約1000倍；處 理后樣品硬度明顯增大，與顯微組織未發生變化的心部相比，表面硬度提高約1.7倍；表 面粗糙度為i "為0.03，比處理前表面粗糙度降低IOO倍左右，表面形成750MPa的殘余壓縮應力。耐磨對比實驗結果表明與磨光加工樣品相比，超聲表面滾壓加工處理樣品的 摩擦系數明顯降低，磨損重量只有前者的1/6。 實例2直徑為60mm的鈦合金軸，用大功率超聲表面柱體滾壓加工方法對其進行表面處理， 主要技術參數如下-機床主軸轉速為225r/min;沖擊槍工作頭軸向進給量為0.25mm/r，靜壓力800N;加工3次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬制合金材料，滾柱直徑為10mm;工作頭輸出端超聲振幅為15微米。實驗結果最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為15nm;表面粗糙度為ito為0.11;表面硬度提高約1.8倍；表面形成635MPa的殘余壓縮應力。
權利要求
1、一種半波長超聲表面滾壓加工用執行機構，其特征在于該超聲執行機構包括一個殼體，殼體內安裝有1/4波長換能器，換能器后部與殼體之間設置有施力部件，換能器前端連接其上裝有可滾動的柱體或球體工作頭的1/4波長變幅桿。
2、 根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于變幅桿的軸向截面呈錐臺形、階梯 形或二者的組合形。
3、 根據權利要求1或2所述的執行機構，其特征在于所述的換能器為磁滯伸縮換能 器或壓電陶瓷辟能器。
4、 根據權利要求1或2所述的超聲執行機構，其特征在于所述的施力部件為彈簧或 壓縮空氣。
5、 一種采用權利要求1所述的執行機構的半波長超聲表面滾壓加工方法，其特征在 于該方法執行機構靜壓力為50~500N，輸出端振幅5 25微米，往復1 15次；對于回 轉件機床主軸轉速為200 700r/min，進給量為0.02 0.1mm/r;對于平板工件往復進給速 度1 15m/min，執行機構進給量為0.01 2mm/min。
全文摘要
一種半波長超聲表面滾壓加工用執行機構及加工方法。執行機構包括殼體及其內安裝的1/4波長換能器和施力部件，換能器前端連接其上裝有可滾動的柱體或球體工作頭的1/4波長變幅桿。變幅桿的軸向截面呈錐臺形、階梯形或二者的組合形。換能器為磁滯伸縮換能器或壓電陶瓷換能器。施力部件為彈簧或壓縮空氣。該方法執行機構靜壓力為50～500N，輸出端振幅5～25微米，往復1～15次。對于回轉件機床主軸轉速為200～700r/min，進給量為0.02～0.1mm/r；對于平板工件往復進給速度1～15m/min，執行機構進給量為0.01～2mm/min。本發明執行機構重量輕、體積小、輸出功率大且使用方便。操作安裝、夾持方便，必要時可改為單手持握式操作，可實現狹小、特殊位置的加工處理，如管壁、內環槽等。
文檔編號C21D7/00GK101220406SQ20081005219
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月29日 優先權日2008年1月29日
發明者吳良晨, 尹丹青, 婷 王, 王東坡, 鄧彩艷 申請人:天津大學