專利名稱：超聲橢圓振動擠壓裝置及用其進行零件表面光整的振動擠壓加工方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于普通車床、鏜床及數控機床，對零件內、外表面進行強化光 整加工的超聲橢圓振動擠壓工藝方法。采用雙路超聲電源提供給超聲換能器超聲頻率的激 勵，使擠壓頭相對零件表面做橢圓軌跡的運動，在完成零件表面的強化光整加工的同時，大 大減小了擠壓力和擠壓頭與零件之間的摩擦，提高了擠壓頭的使用壽命。
背景技術：
擠壓加工是一項常用的表面強化及光整的工藝方法，其大多用于回轉零件的內、 外表面加工，常作為最后一道機械加工工序應用于對零件表面強度、應力狀態及表面質量 有較高要求的場合。超聲振動加工作為一種非傳統的加工方法最早是由R. W. Wood和A. L. Balaunth 在1927年提出的，1979年日本的隈部淳一郎教授的專著《精密加工——振動切削基礎與應 用》中對超聲振動加工做出了系統的描述和總結，并對振動加工進行了分類。1986年，日本 學者石川健一首先提出用“橢圓振動切削方法”(elliptical vibration cutting)對聚合 物進行切削。20世紀90年代初，日本神戶大學的社本英二教授等人對超聲橢圓振動切削技 術進行了深入研究。德國Fraimhofer研究中心和不萊梅大學、新加坡制造技術研究所也都 曾先后進行了超聲橢圓振動切削的研究。隨著振動加工技術的日益成熟，這種加工方式也被引入了擠壓工藝。目前，已經出 現超聲單向振動擠壓工藝，在實驗室研究中取得了一定進展。研究表明，普通擠壓工藝擠壓 力大，摩擦嚴重，在強化零件表層的同時，很容易造成表面質量惡化，增大表面粗糙度，擠壓 頭壽命短。而且由于擠壓力大，幾乎無法對薄壁類零件及細長類零件進行加工，大大阻礙了 擠壓工藝的應用。超聲單向振動擠壓技術，擠壓力得到大大下降，擠壓頭與零件之間的摩擦 減小，擠壓頭壽命延長，零件表面質量得到大幅度提高。但是，超聲單向擠壓工藝具有單純沖擊作用，這使得擠壓頭在每個振動周期內都 會受到一次沖擊，這種沖擊雖然減小了摩擦，但卻使擠壓頭容易造成沖擊破損，因此擠壓頭 的壽命延長有限，甚至在振動參數不適當的情況下，還會嚴重縮短擠壓頭的壽命。本發明針對普通擠壓工藝方法和超聲振動擠壓工藝方法的不足，結合生產實際的 需要，提出適用于各種普通機床和數控機床的超聲橢圓振動擠壓工藝方法，在降低擠壓力 的同時，可以有效地延長擠壓頭的壽命，減少擠壓頭的磨損和沖擊破損，并可應用于薄壁類 零件和細長類零件。配合工藝方法設計出了用于加工的雙彎超聲橢圓振動擠壓裝置。
發明內容
本發明的目的是為了彌補普通擠壓工藝方法和超聲單向振動擠壓工藝方法的缺 陷，改善使用擠壓工藝方法加工薄壁類零件和細長類零件的局限，在擠壓過程中，于擠壓頭 上附加超聲橢圓振動，使擠壓頭在激勵源的驅動下，相對零件加工表面做橢圓軌跡的運動，從而一方面利用超聲振動的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應用于薄壁類零件 和細長類零件；另一方面利用橢圓振動的分離特性和運動軌跡特點，避免正面直接沖擊，減 小甚至消除擠壓頭與零件被加工表面的滑動摩擦，由此降低了零件的被加工表面的表面粗 糙度，延長了擠壓頭的壽命。本發明的一種能夠對零件表面進行強化光整的超聲橢圓振動擠壓裝置，該裝置包 括有一個變幅桿、四個結構相同的A激勵源、B激勵源、C激勵源和D激勵源和一個擠壓用 具；所述擠壓用具包括有連接件、金剛石和頂絲，金剛石安裝在連接件一端的一通孔內，且 用頂絲頂緊，連接件的另一端安裝在變幅桿的輸出段的定位槽上；所述A激勵源包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶瓷片之間，且相疊；所述變幅桿為一體加工成型件，變幅桿上設有激勵段、聚能段、階梯變幅段和輸出 段；激勵段上設有A凹槽、B凹槽、C凹槽和D凹槽，每個凹槽內均設有用于固定螺釘的螺紋 孔；A凹槽用于安裝A激勵源，B凹槽用于安裝B激勵源，C凹槽用于安裝C激勵源，D凹槽 用于安裝D激勵源；輸出段的端面上開有定位槽，該定位槽上開有安裝孔，所述安裝孔用于 與連接件的另一端連接；變幅桿的尾部端面的中心開有連接孔，該連接孔用于將超聲橢圓 振動擠壓裝置與機床的刀夾連接。變幅桿上的激勵段和聚能段的長度相等。變幅桿的聚能 段和輸出段的聲阻抗為Zn = P ncnSn。采用本發明設計的超聲橢圓振動擠壓裝置進行零件表面光整的振動擠壓加工方 法，其特征在于包括有下列步驟(A)調節零件與金剛石擠壓頭的位置；軌跡所在平面與零件加工點所在平面成α 角為30° 60°的夾角，即擠壓接觸角為30° 60° ；(B)設置超聲橢圓振動擠壓裝置的加工參數；超聲橢圓振動擠壓裝置輸出的振動 頻率為18ΚΗζ 25ΚΗζ，擠壓頭接觸零件的時間為不大于1/72000秒；超聲橢圓振動擠壓裝
f jc = 4 sinty / Vx = Α,ωζο^,ω
置的振動軌跡為 ，， m ,速度方程式為y ^ ( t隊,金剛石擠壓頭 [y = A2 sm( t-θ)[Vy = Α2ωcos(a t-θ)
的合成速度的絕對值為巧=Jvx2+V； = ω^ι cos2^y i + 4Cos2Ciyi-^)；(C)開啟潤滑冷卻液，開動機床，振動擠壓加工開始。本發明的優點超聲橢圓振動擠壓裝置采用雙彎超聲橢圓壓電換能器將超聲頻的激勵通過變幅 桿的變幅放大作用而施加于擠壓頭，一方面由于換能器體積小巧，可以根據零件的特點選 擇換能器的擺放角度和位置，另一方面由于超聲橢圓振動使擠壓頭與零件的接觸時間減 少，并利于冷卻潤滑液進入擠壓頭和零件之間的空隙，充分冷卻和潤滑擠壓頭，因此可以加 工硬度大于HRC40的任意金屬零件。此外，雙彎超聲橢圓換能器中的兩個方向的壓電陶瓷都是在換能器和變幅桿中產 生彎曲振動和彎曲波，因此其振動固有頻率和波長相同，相互之間的干擾較小，耦合效應小 于其他形式的雙路超聲換能器，易于實現兩路振動的協調。采用壓電陶瓷換能器，使換能器 在不減小功率的情況下，體積大幅度減小，發熱量也極大減少，有利于實際生產的使用。采用本發明設計的超聲橢圓振動擠壓裝置進行零件表面光整的振動擠壓加工方 法中，一方面利用超聲振動的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應用于薄壁類零
4件和細長類零件；另一方面利用橢圓振動的運動軌跡特點，避免擠壓頭與零件之間的正面 直接沖擊，減小甚至消除了擠壓頭與零件被加工表面的滑動摩擦，由此降低零件的被加工 表面的表面粗糙度，即提高了工件表面的光整，同時又延長了擠壓頭的使用壽命。
圖1是本發明超聲橢圓振動擠壓裝置的結構圖。圖IA是本發明超聲橢圓振動擠壓裝置的分解圖。圖2是本發明變幅桿的結構圖。圖3是本發明超聲橢圓振動擠壓裝置與工件的加工位置示意圖。圖4是加工時采用本發明超聲橢圓振動擠壓裝置的橢圓運動軌跡示意圖。圖4A是加工時本發明超聲橢圓振動擠壓裝置與工作加工面的幾何關系示意圖。圖5是本發明超聲橢圓振動擠壓裝置的運動軌跡示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1、圖IA所示，本發明是一種能夠對零件表面進行強化光整的超聲橢圓振 動擠壓裝置，該裝置包括有一個變幅桿5、四個結構相同的激勵源(A激勵源1、B激勵源2、 C激勵源3和D激勵源4)和一個擠壓用具；所述擠壓用具包括有連接件6、金剛石7和頂絲 8，金剛石7 (下文也稱金剛石擠壓頭)安裝在連接件6 —端的通孔內，且用頂絲8頂緊，連 接件6的另一端安裝在變幅桿5的輸出段504的定位槽541內。參見圖1、圖IA所示，A激勵源1包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶 瓷片之間，即為疊加放置。在本發明中，設計不同的A激勵源1結構，是由于變幅桿5作為 電源負極，故A激勵源1的兩個外側為陶瓷片。本發明設計的超聲橢圓振動擠壓裝置在工 作過程中，銅片與加載電源的正極相連，而陶瓷片直接與金屬材質的變幅桿5相接觸，因此 變幅桿5能夠作為了電源負極。為了實現本發明設計的超聲橢圓振動擠壓裝置進行大功率的振動擠壓加工，本發 明的激勵源也可以采用多片陶瓷片與多片銅片相疊加的形式，如四片陶瓷片，則應有三片 銅片。參見圖1、圖1A、圖2所示，金屬材質的變幅桿5為一體加工成型件，變幅桿5上設 有激勵段501、聚能段502、階梯變幅段503和輸出段504 ；其中，激勵段501的長度與聚能 段502的長度相等。激勵段501上設有A凹槽51、B凹槽52、C凹槽53和D凹槽54，每個凹槽內均設 有用于固定螺釘的螺紋孔；A凹槽51用于安裝A激勵源1，B凹槽52用于安裝B激勵源2， C凹槽53用于安裝C激勵源3，D凹槽54用于安裝D激勵源4。輸出段504的端面上開有定位槽541，該定位槽541上開有安裝孔542，所述安裝 孔542用于與連接件6的另一端連接。變幅桿5的尾部端面5A的中心開有連接孔55，該連接孔55用于實現本發明的 超聲橢圓振動擠壓裝置與機床的刀夾連接，也就是說，本發明的超聲橢圓振動擠壓裝置通 過連接孔55安裝在機床的刀夾上，而被加工的零件，則安裝在機床的工作臺上(如圖3所示)°本發明超聲橢圓振動擠壓裝置是基于固體中彈性波動基本理論進行設計的，故變
幅桿5的聚能段502和輸出段504之間存在的彈性波動關系為壞、A x^tA = J1，式中Ic1表
示變幅桿5的聚能段502的波數，I1表示變幅桿5的聚能段502的長度，k2表示變幅桿5的 輸出段504的波數，I2表示變幅桿5的輸出段504的長度,Z1表示變幅桿5的聚能段502的 聲阻抗，Z2表示變幅桿5的輸出段504的聲阻抗。參見圖4、圖4A、圖5所示，應用本發明設計的超聲橢圓振動擠壓裝置，對零件表面 進行強化光整的超聲橢圓振動擠壓加工時的步驟有(A)調節零件與金剛石擠壓頭的位置，即調節擠壓接觸角α ；所述擠壓接觸角α是指零件加工面與橢圓軌跡投影面之間的夾角，即α = 30° 60° ；所述橢圓軌跡投影面是指金剛石擠壓頭運動時的橢圓軌跡的零件加工點0'所在 平面。圖中，A1表示橢圓軌跡的長軸(下文也稱為χ軸方向的振幅)，Α2表示橢圓軌跡的短 軸(下文也稱為y軸方向的振幅)，長、短軸的交點即零件加工點0'；(B)設置超聲橢圓振動擠壓裝置的加工參數；工作頻率18KHz 25KHz，金剛石擠壓頭接觸零件的時間不大于
權利要求
一種能夠對零件表面進行強化光整的超聲橢圓振動擠壓裝置，其特征在于該裝置包括有一個變幅桿(5)、四個結構相同的A激勵源(1)、B激勵源(2)、C激勵源(3)和D激勵源(4)和一個擠壓用具；所述擠壓用具包括有連接件(6)、金剛石(7)和頂絲(8)，金剛石(7)安裝在連接件(6)一端的一通孔內，且用頂絲(8)頂緊，連接件(6)的另一端安裝在變幅桿(5)的輸出段(504)的定位槽(541)上；所述A激勵源(1)包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶瓷片之間，且相疊；所述變幅桿(5)為一體加工成型件，變幅桿(5)上設有激勵段(501)、聚能段(502)、階梯變幅段(503)和輸出段(504)；激勵段(501)上設有A凹槽(51)、B凹槽(52)、C凹槽(53)和D凹槽(54)，每個凹槽內均設有用于固定螺釘的螺紋孔；A凹槽(51)用于安裝A激勵源(1)，B凹槽(52)用于安裝B激勵源(2)，C凹槽(53)用于安裝C激勵源(3)，D凹槽(54)用于安裝D激勵源(4)；輸出段(504)的端面上開有定位槽(541)，該定位槽(541)上開有安裝孔(542)，所述安裝孔(542)用于與連接件(6)的另一端連接；變幅桿(5)的尾部端面(5A)的中心開有連接孔(55)，該連接孔(55)用于將超聲橢圓振動擠壓裝置與機床的刀夾連接。
2.根據權利要求1所述的超聲橢圓振動擠壓裝置，其特征在于變幅桿(5)上的激勵 段(501)和聚能段(502)的長度相等。
3.根據權利要求1所述的超聲橢圓振動擠壓裝置，其特征在于變幅桿(5)的聚能段 (502)和輸出段(504)的聲阻抗為Zn= PncnSn。
4.采用如權利要求1所述的超聲橢圓振動擠壓裝置進行零件表面光整的振動擠壓加 工方法，其特征在于包括有下列步驟(A)調節零件與金剛石擠壓頭的位置；軌跡所在平面與零件加工點所在平面成α角為 30° 60°的夾角，即擠壓接觸角為30° 60° ；(B)設置超聲橢圓振動擠壓裝置的加工參數；超聲橢圓振動擠壓裝置輸出的振動頻率 為ISKHz 25ΚΗζ，擠壓頭接觸零件的時間為不大于1/72000秒；超聲橢圓振動擠壓裝置的 x = A sintyVx =Αχωοο^ω 振動軌跡為 二 m，速度方程式為‘ ,f m，金剛石擠壓頭的合 [y = A2 sinO t - Θ)[Vy = Α2ω cos(<y t - θ)成速度的絕對值為K1 =機2+Vy2 = ω^Α^ cos2 ω t +Al cos2(ω t-θ);(C)開啟潤滑冷卻液，開動機床，振動擠壓加工開始。
全文摘要
本發明公開了一種超聲橢圓振動擠壓裝置及用其進行零件表面光整的振動擠壓加工方法，該超聲橢圓振動擠壓裝置包括有一個變幅桿、四個結構相同的激勵源和一個擠壓用具；擠壓用具安裝在變幅桿的輸出段上，四個激勵源分別安裝在變幅桿的激勵段的四個凹槽內。在振動擠壓加工過程中，通過調節零件與金剛石擠壓頭之間的擠壓接觸角，以及超聲橢圓振動擠壓裝置的加工參數，從而使擠壓頭在激勵源的驅動下相對零件加工表面做橢圓軌跡的超聲振動。該裝置一方面利用超聲振動的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應用于薄壁類零件和細長類零件；另一方面利用橢圓振動的分離特性和運動軌跡特點，避免正面直接沖擊，減小甚至消除擠壓頭與零件被加工表面的滑動摩擦，由此降低零件的被加工表面的表面粗糙度，延長擠壓頭的壽命。
文檔編號C21D7/04GK101942547SQ20101022469
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者姜興剛, 張德遠, 秦威 申請人:北京航空航天大學