超声滚压表面纳米化加工装置的制作方法

本发明涉及平面滚压技术，尤其是一种超声滚压表面纳米化加工装置。

背景技术：

超声滚压加工是一种无屑冷加工方式，是连续局部塑性成形技术在表面精加工方面的应用。滚压是金属在外界压力的作用下，表面产生连续局部塑性变形，来改善和提高机械零件的最终表面质量和性能，具有光整和表面强化的双重作用。超声振动加到滚压刀具上面具有降载作用，相当于提高了工艺系统的刚度。超声滚压加工是在常规滚压加工的基础上,给工具头施加一定振幅的高频超声振动,利用静载荷和超声冲击能量使运动的工具头与工件表面之间进行高速、高频的撞击处理,使工件表层材料产生塑性变形,进而降低表面粗糙度值,提高工件的表面质量。在滚压刀头中心加入平板式电磁线圈，可以将工件加热，以此来实现复合加工。在刀具中心有个输N₂的孔，来实现气氛保护防止工件新生表面被氧化等。

滚压主要分为平面类零件加工和圆柱面类零件加工。目前平面类零件滚压加工主要是将滚压刀头装夹在机床的主轴上，通过滚压刀头的旋转运动和工件在加工平面内的进给运动来实现。这种方法的缺点是刀具结构复杂，需要专门人员看护加工过程，运行成本较高。而且，工件表面的加工轨迹不均匀。采用平面滚珠滚压加工中被加工表面的轨迹，如果刀具相对运动是沿着x方向，那么在垂直于相对运动(即y方向)中，距离中心轴线位置越远的轨迹越致密。这种短时间内、相邻区域若有大量轨迹经过，容易对工件表面造成热变形。

技术实现要素：

为了克服已有滚压加工方式的运行成本较高、均匀性较差的不足，本发明提供一种有效降低运行成本、均匀性良好的超声滚压表面纳米化加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声滚压表面纳米化加工装置，包括滚压刀具、主轴和驱动装置，所述驱动装置与主轴连接，所述加工装置还包括超声振动装置，所述主轴内安装所述超声波发生装置，所述滚压刀具与弹簧夹头连接，所述弹簧夹头与所述主轴连接；

所述滚压刀具包括旋转接头和刀具轴，所述刀具轴上安装旋转接头，所述旋转接头与所述弹簧夹头连接，所述刀具轴下方的空腔安装电磁线圈、优力胶层和滚珠支承座，所述优力胶层位于所述滚珠支承座上，所述优力胶层与空腔内壁设有间隙，所述滚珠支承座的下方设有保持架，所述滚珠支承座与保持架上开有球形保持孔，滚珠位于所述球形保持孔中；所述刀具轴、优力胶层和滚珠支承座的中部开有用于布置通气和通电连接件的通孔。

进一步，所述主轴外壳包括盖板、上圆筒、固定板、下圆筒和透盖，所述上圆筒、固定板和下圆筒固定在一起，所述盖板连接在上圆筒上，所述驱动装置安装在盖板上，所述驱动装置的输出轴与力矩传递筒连接，所述力矩传递筒上安装电刷，电刷座固定在盖板上，所述电刷座与所述电刷之间通过电刷板相连，所述力矩传递筒固定在套筒上，所述套筒外壁上下连接两个轴承，上方轴承与所述固定板连接，下方轴承与透盖连接，所述透盖固定在所述下圆筒的下端，所述套筒内布置超声波发生装置，所述超声波装置的增幅杆的下端与所述弹簧夹头连接。

所述弹簧夹头为双锥形弹簧夹头，所述弹簧夹头下端与刀具轴的上端连接。

所述滚珠支承座的边缘凸出三个凸台与和空腔内壁的三个凹槽相契合，保持架边缘有一个圆环板，板上开有四个扇形孔，以此来和空腔底端的四个扇形柱相套牢；空腔低端的四个扇形柱上有外螺纹。

所述保持架中心有一个圆孔，圆孔边上有一个圆环台阶，所述圆环台阶上放置平板式电磁线圈。

所述旋转接头包括由上到上依次布置的旋转接头下透盖、下骨架油封、下轴承、橡胶挡圈、伺服环、电刷、上轴承、上骨架油封和旋转接头上透盖，所述伺服环的孔中插入导气管，所述导气管与刀具轴的通孔连通。

本发明的技术构思为：驱动装置通过键将力矩和转速传递给超声振动装置外壳。超声振动装置外壳上端装有电刷，来给超声波发生装置提供能量和信号。超声振动装置外壳通过轴承使其X、Y、Z三个方向得到固定而又能够旋转。超声波发生装置和前后盖板以及增幅杆通过螺栓相连。增幅杆中间有一个圆形的平台与超声振动装置外壳通过螺栓相连以此来传递转速和力矩。

增幅杆下面套着一个双锥形弹簧夹头，弹簧夹头下面连着滚压刀具的轴。在安装弹簧夹头之前，必须将弹簧夹头装入锁紧螺母内，然后将装有弹簧夹头的锁紧螺母轻轻拧在主轴上。为了获得最佳的使用性能，在安装弹簧夹头之前，务必将弹簧夹头、锁紧螺母的螺纹部分及定位面、锥面清理干净。夹头与锁紧螺母的安装过程中，夹头与锁紧螺母必须倾斜一定的角度，然后轻轻的放入锁紧螺母的锁紧卡槽内。

滚压刀具的轴上面装着一个旋转接头，以此来向刀具通气和电。刀具的轴是阶梯轴，这样就可以在安装旋转接头时有个Z轴的轴向定位。旋转接头通过电刷将电传入滚压刀具的轴中，通过伺服环将气通入滚压刀具的轴中。滚压刀具的轴中心有一个中心孔来通气和电。伺服环内部和外部有一个导气的凹槽来使气能不间断的通入中心孔中。在伺服环和轴的导气孔上插入一个导气管，这样就能使旋转接头固定在刀具的轴上了。

刀具轴下方是一个空腔，空腔中间安装着优力胶、滚珠支承座、滚珠、保持架、盖子、平板式电磁线圈。

优力胶位于滚珠支承座上方，并与空腔的内壁有一定间隙。优力胶不仅提供一定的压缩变形，而且提供相当的压缩强度，保证了刀头在承受一定滚压力的同时，能够全部或部分地消除因工件表面不平整带来的加工振动。优力胶通过两个螺栓与空腔相连。

支承座和保持架分别开有球形保持孔，滚珠位于球形孔内并可以自由滚动。滚珠的一部分凸出保持架外，用于加工工件。滚珠的自由滚动可以保证滚珠磨损均匀，从而延长了滚珠使用寿命，保证了加工精度。滚珠可选择硬质合金球或者陶瓷球。支撑座通过两个螺栓与优力胶相连。支撑座边缘凸出三个凸台以此来和空腔壁上的三个凹槽相契合，以此来传递转速和力矩。

保持架边缘有一个圆环板，板上开有四个扇形孔，以此来和空腔低端的四个扇形柱相套牢。空腔低端的四个扇形柱上有外螺纹，这样将有内螺纹的盖子转到空腔上，以此来将保持架固定在空腔上。保持架中心有一个圆孔，圆孔边上有一个圆环台阶以此来放置平板式电磁线圈。平板式电磁线圈、支承座、优力胶中心有一个孔来插入导气管。

本发明的有益效果主要表现在：刀头能实现在Z轴上的超声振动，并且能够对工件进行加热并且提供气氛保护，有效降低运行成本；而且在刀具中添加了优力胶等零件，降低了因加工表面不平整带来的误差，均匀性更好，工件加工后的表面质量明显提高。

附图说明

图1是超声滚压表面纳米化加工装置的剖视图

图2是滚压刀具剖视图。

图3是滚压刀具中优力胶层和滚珠支承座之间的连接关系图

图4是旋转接头剖视图。

图5是主轴剖视图。

图6是超声波发生装置。

图7是滚珠支承座的结构示意图。

图8是保持架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种超声滚压表面纳米化加工装置，从下到上由滚压刀具1、旋转接头2、弹簧夹头3、主轴4、超声波发生器5、直流无刷电机6组成。

参照图2和图3可知滚压刀具下端有一个空腔，首先放入优力胶13并与空腔的内壁有一定间隙。优力胶是一种介于塑料和橡胶之间的一种新型材料，具有强度好，压缩变形小的特性。优力胶13在受到轴向力时发生压缩变形，并发生轻微膨胀。当优力胶13受到刀具外壳14内壁限制时，优力胶的压缩强度变得更大。因此，优力胶13不仅提供一定的压缩变形，而且提供相当的压缩强度，保证了刀头在承受一定滚压力的同时，能够全部或部分地消除因工件表面不平整带来的加工振动。

用两个螺栓16将优力胶13和刀具外壳14连接起来。优力胶13滚珠支撑座12也通过两个螺栓连接起来。滚珠支撑座12形状如图6所示，滚珠支撑座12边上的三个凸台可以与刀具外壳14边上的三个凹槽相配合，以此来传递转速和力矩。参照图7可知保持架8边缘有四个孔，将保持架8的四个孔套入刀具外壳14相应的四个凸台，然后再将盖子7通过螺纹联接旋紧，将保持架8固定在刀具外壳上。

参照图7和图8，滚珠支承座12和保持架8分别开有球形保持孔，8个滚珠9位于球形孔内并可以自由滚动。滚珠9的一部分凸出保持架8外，用于加工工件。滚珠9的自由滚动可以保证滚珠磨损均匀，从而延长了滚珠使用寿命，保证了加工精度。所述滚珠可选择硬质合金球或者陶瓷球。

参考图3，旋转接头2由旋转接头下透盖18、下骨架油封19、下轴承20、橡胶挡圈21、伺服环22、导气管23、电刷24、上轴承25、旋转接头上透盖26、上骨架油封27组成。将旋转接头2如图3所示由上而下的组装起来，先将旋转接头上透盖26盖上，再放入上骨架油封27，放入一定的润滑脂后将上轴承25放入，一端要靠在上透盖26上，在另一端将橡胶挡圈21卡入槽中以此来固定上轴承25.。然后再放入电刷24，一端要靠在上橡胶挡圈21上，在另一端将另一个上橡胶挡圈21卡入槽中以此来固定电刷24。放入一个上橡胶挡圈21，再将伺服环22放入，一端要靠在上橡胶挡圈21上，在另一端将另一个上橡胶挡圈21卡入槽中以此来固定伺服环22。将下轴承20放入，一边靠在阶梯上，另一边用旋转接头下透盖18靠上，旋转接头下透盖18里面还有一个下骨架油封19.。将伺服环22的孔和旋转接头2的孔和轴上的孔在同一方向上时，将旋转接头2套入刀具外壳14的轴上，最后将导气管23插入到伺服环22的孔中一直插到轴的孔，这样子可以用导气管23将旋转接头固定住。安装好后的旋转接头2外壳是不动的，而内部的轴可以高速旋转。伺服环22内外表面都有凹槽，这样子无论伺服环22的孔在什么方位，都可以将气体通入到导气管23中。电刷24内外也有凹槽，以便于将插头接触来导电。

参照图1，滚压刀具1通过弹簧夹头3来与主轴4相连.。

参照图4，主轴由六角头螺栓-C级M16*65 28、标准型弹簧垫圈16 29、封油垫圈30、透盖31、轴承32、下圆筒33、挡筒34、固定板35、上圆筒36、六角头螺栓-C级M89*40 37、盖板38、普通型平键-A型6*50 39、力矩传递筒40、电刷41、电刷架42、六角头螺栓-C级M8*40 43、超声波发生装置44、六角头螺栓-C级M5*25 45组成。上圆筒36、固定板35和下圆筒33焊接在一起，将盖板38用6个六角头螺栓-C级M89*40 37连接在上圆筒36上。把直流无刷电机6用螺钉安在盖板38上，直流无刷电机6伸出的轴用力矩传递筒40套上，以此来传递力矩和转速。力矩传递筒40外面有螺纹，将有内螺纹的电刷41转入力矩传递筒40。电刷座42焊在盖板38上，电刷座42与电刷41用电刷板连接，用来导电，电可以使超声波发生器44产生Z轴的超声振动。力矩传递筒40用4个六角头螺栓-C级M8*40 43连接在套筒上。套筒外边有两个轴承，两个轴承中间由挡筒34顶住，上面由固定板35顶住，下面由透盖31顶住，这样两个轴承就固定好了。套筒中安放着超声波发生装置44，超声波发生装置44通过4个六角头螺栓-C级M5*25 45连接在套筒上，以此来将转速和力矩传递给增幅杆。透盖31中间有一个封油垫圈30，这样可以在透盖31中间放入润滑脂。透盖31通过六个六角头螺栓-C级M16*65 28连接在下圆筒33上。为了防止螺栓因震动而松动在六角头螺栓-C级M16*65 28上面放上标准型弹簧垫圈16 29。

参照图5，超声波发生装置44由上盖板46、陶瓷换能器47、下盖板48、增幅杆49、六角头螺栓-全螺纹C级M20*130 50组成，上盖板46、陶瓷换能器47、下盖板48和增幅杆49依次转入角头螺栓-全螺纹C级M20*130 50。陶瓷换能器47与电刷41用导线连接，以此来导电，从而使陶瓷换能器47产生超声波振动。