专利名称：一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法
一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法
技术领域：
本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种平面超声滚压加工方法。
背景技术：
作为一种表面改性新方法，超声表面滚压加工将加工头设计为可滚动的球 体或柱体，在回转型机械零部件表面制备一层与基体有自然过渡的纳米层结构，并同时获 得纳米级表面光洁度，从而提高其抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能，保证机械装备可靠安全地 运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效。
由于超声表面滚压加工的自身特点，目前的加工对象仅限于回转体结构和零部件，应 用受到严重限制。平面结构是所有机械结构和零部件中最常见的结构之一，将超声表面滚 压加工方法的应用推广到平面结构，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。
发明内容本发明的目的是解决现有超声表面滚压加工技术仅适用于回转体而不适用 于平面结构零部件的问题，提供一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法。
本发明提供的平面超声滚压加工用超声执行机构，包括一个壳体，壳体内安装有换能
器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端连接其上安装有可滚动的柱体工
作头的变幅杆。
所述的执行机构包括全波长形式，即半波长变幅杆加半波长换能器，和半波长形式， 即1/4波长变幅杆加1/4波长换能器。
变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。
换能器为磁滞伸縮换能器或压电陶瓷换能器。
所述的施力部件为弹簧或压縮空气。
一种采用上述超声执行机构的平面超声滚压加工方法，其特征在于该方法的歩骤是 将超声执行机构的柱体工作头置于待处理工件表面，使二者之间进行横向和纵向的相对移
动，操作条件是工件往复进给速度应设在1 15m/min的范围内，执行机构进给量设在 0.1 2mm/min的范围内，加工往返次数1 15次，执行机构静压力为50 500N，超声执 行机构的柱体工作头输出端振幅，在5 25微米的范围内。
本发明的优点和有益效果
本发明方法通过改变执行机构作用方式和试件的夹持与进给等方面因素，使得该方法 能够用于平面结构的处理，替代一些高成本的处理方法以及一些难于获得满意表面质量的 方法，充分发挥该技术在机械结构及零部件表面处理方面的作用。该方法与其它平面加工技术(超声喷丸、磨削加工等)相比，具有如下优点
(1) 该方法采用冲击能量和静载滚压相结合的往复作用方式，其特点是作用力在材 料表面呈发散状，能辐射到各个方向的组织。这使得距表层较近区域同一深度的晶粒细化 程度较其他表面强烈塑性变形(S^D)方式更为严重和均匀，并且容易获得理想的表面光洁 度水平。
(2) 经平面超声滚压加工后，样品表面可形成约百微米厚度的非晶纳米晶层。与传
统材料相比，非晶纳米晶层具有高强度、高硬度、高延展性和韧性以及优异的耐磨和耐蚀 性等性能，且该非晶纳米晶层与目前研究广泛的非晶纳米晶涂层(根据制备方法不同，厚 度为几微米到数百微米)相比，与基体没有明显界限，不会产生剥层或分离而更具实用性。
(3) 试件材料表面硬化层更深，同时引入更大压縮残余应力值和更深的压縮残余应
力影响层，更大程度上改善试件的综合力学性能。
(4) 对于较高强度材料的试件，可选择大功率、阶梯一锥台一阶梯型平面超声滚压 加工方法；对于狭小空间或特殊位置，可选用半波长平面超声滚压加工方法。该方法适用 范围广，受限少。
图1平面超声滚压处理平板零件工作立体图2平面超声滚压处理平板零件工作示意图(压电陶瓷式换能器)；
图3半波长平面超声滚压处理小型箱体内壁工作示意图；图4全波长或半波长大功率平面超声滚压加工执行机构；
图5全波长或半波长阶梯-锥台-阶梯型平面超声滚压加工执行机构；
图6平面超声滚压加工局部细节示意图7平面超声滚压加工40&平板表层TEM明场像及选区电子衍射花样； 图8平面超声滚压加工40Cr平板表面塑性流变层的金相照片。 以上所有附图均以压电陶瓷换能器为例，其中每一种形式均可换为相应的磁滞伸縮换 能器。
其中，1代表被加工工件，2代表平面超声滚压加工用超声执行机构，3代表待加工 平板，4代表滚动柱体工作头，5代表半波长变幅杆，6代表半波长压电陶瓷换能器，7代 表弹簧或压縮空气所施静压力，8代表超声波发生器，9代表弹簧或压縮空气所施静压力， 10代表l/4波长压电陶瓷换能器，11代表l/4波长变幅杆，12代表柱体工作头，13代表 小型箱体内壁，14代表弹簧或压縮空气所施静压力，15代表大功率半波长或1/4波长换 能器，16代表大功率半波长或l/4波长变幅杆，17代表柱体工作头，18代表弹簧或压縮 空气所施静压力，19代表半波长或1/4波长换能器，20代表半波长或1/4波长阶梯-锥台 -阶梯变幅杆，21代表柱体工作头。
具体实施方式
实施例1、加工装置如图1-3所示，平面超声滚压加工处理装置由加工电源(即超声波发生器)和本发明提供的超声执行机构两部分组成。其中工作头的设计是本发明的独创部分。采用半数字或全数字化超声波发生器，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给执行机构能量；执行机构包括全波长(半波长变幅杆+半波长换能器)和半波长(1/4 波长变幅杆+ 1/4波长换能器)两种形式。采用半波长(或l/4波长)磁滞伸縮换能器或 半波长(或l/4波长)压电陶瓷换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动；半 波长(或l/4波长)变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工 的需要；最主要的是设计了可滚动的柱体工作头，端部柱体分别选用了不同材质制作，并 设计了一系列不同的直径，可根据待加工试件软硬程度、加工部位尺寸、表面质量要求以 及生产效率等因素进行选择。此外，在执行机构的底部可用弹簧或压縮空气为加工过程提 供静压力，压縮空气还能起到冷却装置的作用。除图1 3中所示的标准执行机构之外，本发明还设计了多种实施方式:l)大功率全 波长、半波长平面超声滚压加工执行机构；2)阶梯一锥台一阶梯型全波长、半波长平面 超声滚压加工执行机构。下面以压电陶瓷换能器平面超声滚压加工执行机构为例具体说明，磁致伸縮换能器平 面超声滚压加工执行机构与其原理相似，对于原理不同处将予以单独说明。1) 大功率全波长、半波长平面超声滚压加工执行机构。换能器部分的压电陶瓷片由偶数片构成，因此陶瓷的片数从2片至12片即可有效提 高输出功率50% 300%，而执行机构整体重量仅增加10% 30%。详见图4。对于磁致 伸縮换能器执行机构，其输出功率的提高通过增大驱动磁场强度即增大驱动电流的方式实 现。2) 阶梯一锥台一阶梯型全波长、半波长平面超声滚压加工执行机构。 单一锥度形状变幅杆存在着放大系数相对小或形状因数小等缺点，而单一的阶梯型变幅杆由于界面存在突变而引起的应力集中，使用时自身也会产生疲劳等一系列问题，因此 本方案设计了全新的变幅杆，采用阶梯一锥台一阶梯型过渡，有效的降低了界面突变引起 的应力集中现象，同时保证了较大的放大系数。具体形式见图5。实施例2、加工方法使用平面超声滚压加工方法应根据待加工材料的材质、表面质量要求以及生产效率等 因素来综合选择相应的工艺参数和工作头材质以及尺寸。为了保证经加工后能够获得具有 足够尺寸精度的机械零部件，还需要在粗加工时考虑预留一定的挤压余量。此外，应根据 加工材料的不同选择对应的润滑液，减少工作头与被加工工件之间的摩擦。 本发明超声执行机构安装于机床上处理工件平面时的操作1) 工件往复进给速度应设在1 15m/min的范围内，较低的往复进给速度容易获得较好 的表面质量；2) 执行机构横向进给量设在0.1 2mm/min左右的范围内，较低的横向进给容易获得较 好的表面质量；3) 加工往返次数一般为1 15次，重复加工会加深表面纳米层深度和晶粒细化程度，但 是加工次数过多会影响工件的表面质量和加工效率；4) 执行机构静压力为50 500N,较大的静压力会加深表面纳米层深度和晶粒细化程度，但是静压力过大会影响工件的表面质量； 5)平面超声滚压加工处理工作头输出端振幅， 一般为5 25微米的范围内。 工作头类型及相应尺寸的选择对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件，平面超 声滚压加工过程应选用直径相对较小的柱体工作头， 一般在2 10mm的范围内。加工头 材质一般应为硬质合金，如果希望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷 (包括金属化陶瓷)、金钢石、非晶态合金等，工作头硬度越高则纳米化加工处理过程越 容易实施。对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，平面超声滚压加工处理 过程应选用直径相对较大的柱体工作头， 一般在10 20mm的范围内。加工头材质一般应 为工具钢或硬质合金。具体加工实例 实例1500mmx500mmx300mm的调质态40Cr箱体内壁(厚20mm)，用平面超声滚压加工 方法对其进行表面处理，主要技术参数如下工件往复进给速度为2m/min;工作头横向进给量为0.2mm/min;静压力300N;加工 3次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬质合金材料，滚柱直径为10mm;工作 头输出端超声振幅为IO微米。实验结果如图7所示，经平面超声滚压加工后，最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶 粒尺寸约为7nm，与原始晶粒尺寸(大约14^un)相比晶粒细化了约2000倍；处理后样品 硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.7倍；表面粗糙度 / a为0.03，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成815MPa的压縮残余应力。 耐磨对比实验结果表明与磨光加工样品相比，超声表面滚压纳米化加工处理样品的摩擦 系数明显降低，磨损重量只有前者的1/6，磨损率降低100 500倍。实例2300mmx200mmxl5mm的钛合金平板工件，用平面超声滚压加工方法对其进行表面处 理，主要技术参数如下工件往复进给速度为3m/min;工作头横向进给量为0.2mm/min;静压力500N;加工 3次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬质合金材料，滚柱直径为10mm;工作 头输出端超声振幅为IO微米。实验结果表面粗糙度/ "为0.05;产生了约1.5mm的残余压縮应力层。实例3400mmx400mmx30mm ZLD201A铸铝轴，用平面超声滚压加工方法对其进行表面处 理，主要技术参数如下工件往复进给速度为5m/miii;工作头横向进给量为0.5mm/min;静压力50N;加工2 次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬质合金材料，滚柱直径为15mm;工作头 输出端超声振幅为IO微米。实验结果表面粗糙度及^为0.28;产生了约2.2!!1111的压縮应力层。
权利要求
1、一种平面超声滚压加工用超声执行机构，其特征在于该超声执行机构包括一个壳体，壳体内安装有换能器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端连接其上安装有可滚动的柱体工作头的变幅杆。
2、 根据权利要求1所述的超声执行机构，其特征在于变幅杆的轴向截面呈锥台形、 阶梯形或二者的组合形。
3、 根据权利要求1或2所述的超声执行机构，其特征在于所述的执行机构包括全波 长形式，即半波长变幅杆加半波长换能器，和半波长形式，即1/4波长变幅杆加1/4波长 换能器。
4、 根据权利要求3所述的超声执行机构，其特征在于所述的换能器为磁滞伸縮换能 器或压电陶瓷换能器。
5、 根据权利要求1或2所述的超声执行机构，其特征在于所述的施力部件为弹簧或 压縮空气。
6、 一种采用权利要求1所述的超声执行机构的平面超声滚压加工方法，其特征在于 该方法的步骤是将超声执行机构的柱体工作头置于待处理工件表面，使二者之间进行横 向和纵向的相对移动，操作条件是工件往复进给速度应设在1 15m/min的范H内，执 行机构进给量设在0.1 2mm/min的范围内，加工往返次数1 15次，执行机构静Hi力为 50 '500N,超声执行机构的柱体工作头输出端振幅，在5 25微米的范围内。
全文摘要
一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法。该超声执行机构，包括壳体，壳体内的换能器，换能器后部的施力部件，以及换能器前端连接的其上安装有可滚动的柱体工作头的变幅杆。该超声执行机构包括全波长和半波长两种形式，变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。加工方法是将超声执行机构的柱体工作头置于待处理工件表面，使二者之间进行横向和纵向的相对移动工件往复进给速度1～15m/min，执行机构进给量在0.1～2mm/min，执行机构静压力为50～500N，柱体工作头输出端振幅5～25微米。该方法采用冲击能量和静载滚压相结合的往复作用方式，容易获得理想的表面光洁度水平。该方法适用范围广，受限少。
文档编号B23P9/00GK101219512SQ20081005219
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者吴良晨, 尹丹青, 婷 王, 王东坡, 邓彩艳 申请人:天津大学