一种超声波金属材料表面加工装置的制作方法

本实用新型涉及金属表面加工技术领域，特别是涉及一种超声波金属材料表面加工装置。

背景技术：

目前，用于对金属材料表面进行处理的超声波加工装置，一般包括工作头、变幅杆、纵向振动模式的换能器、安装固定部件及其他辅助装置组成，工作时换能器带动变幅杆做纵向高频振动并敲击工作头，工作头对所加工的零件进行滚压加工，从而达到降低零件表面粗糙度的目的。

传统的超声波金属表面加工装置结构较为复杂，体积较大，对一些空间狭窄的零件表面，如小孔等不能进行加工；而现有超声波金属表面加工装置的工作头工作面与变幅杆直接接触，加剧了工作头的磨损；同时由于工作头与变幅杆接触面积小，传递能量有限，需施加很大的静压力才能正常工作，加工效果不理想，使得这类装置的应用场合受到很大限制。

综上所述，对于现有技术的超声波金属表面加工装置在对空间狭窄的零件表面加工方面存在的多个问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种超声波金属材料表面加工装置，该装置采用细长杆式结构，并且工作头工作面只与工件接触，而不会与弯振杆接触，大幅度减小了工作头的磨损；

进一步的，本实用新型采用下述技术方案：

一种超声波金属材料表面加工装置，包括弯振杆，所述弯振杆首端侧部设置工作头，弯振杆尾端与超声波振子连接；

所述弯振杆首端侧部设置凹槽，工作头转动装配于该凹槽内；

所述工作头为回转体，所述凹槽与工作头工作面之间具有设定间隙，以减小工作头工作过程中的旋转阻力。

进一步的，所述凹槽与工作头工作面配合处设有窄槽。

进一步的，所述窄槽由凹槽向弯振杆外周方向延伸设置。

进一步的，所述凹槽与工作头定位面之间为间隙配合，所述凹槽与工作头定位面之间的间隙小于凹槽与工作头工作面之间的间隙。

进一步的，所述工作头的回转轴线与弯振杆轴线的夹角不大于45°。

进一步的，所述超声波振子包括相互连接的1/4波长弯曲振动换能器和1/4波长变幅杆。

或者，所述超声波振子包括相互连接的半波长弯曲振动换能器和半波长变幅杆。

进一步的，所述弯振杆与超声波振子为一体式结构。

或者，所述弯振杆与超声波振子通过螺母连接。

进一步的，所述弯振杆尾端带有第一外螺纹，所述超声波振子带有第二外螺纹，第一外螺纹和第二外螺纹旋向相反。

进一步的，所述螺母的内螺纹分成第一段和第二段，第一段和第二段旋向相反，第一段与第一外螺纹相配合，第二段与第二外螺纹相配合。

或者，所述弯振杆与超声波振子通过螺柱连接。

进一步的，所述螺柱一端嵌设于弯振杆内部，螺柱另一端嵌设于超声波振子内部。

进一步的，所述1/4波长弯曲振动换能器和半波长弯曲振动换能器可以采用夹心式压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器。

进一步的，所述工作头为球体或弧面滚子或滚针。

或者，所述工作头为滚轮。

进一步的，所述滚轮一侧面与定位块连接，滚轮另一侧面露于弯振杆外，定位块和滚轮均设置于凹槽内。滚轮一侧面设置定位块，而另一侧面露出，更加适用于带有台阶等的工件的加工，滚轮可与台阶拐角处实现接触配合，有效解决其他工作头无法接触加工台阶拐角的问题。

或者，所述滚轮两侧面均与定位块连接，定位块和滚轮均设置于凹槽内。滚轮两侧面均设置定位块，使得滚轮两侧受力均衡，滚轮的工作面可与弯振杆完全脱离，旋转阻力小，转动更为顺畅。

进一步的，所述弯曲振动换能器固定连接于外壳，所述外壳与压板连接。

一种超声波金属材料表面加工装置的工作方法，包括以下步骤：

将弯振杆与超声波振子连接，在弯振杆凹槽内置入工作头，将超声波振子与超声波发生器连接，启动超声波发生器，将弯振杆首端靠近工件待加工表面，使工作头与工件待加工表面接触；使工作头与工件相对运动，弯振杆和工作头在超声波振子的弯曲振动作用下产生弯曲振动，使得工作头对工件待加工表面进行高频冲击加工。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的装置结构精巧，使用范围广；弯振杆上设置有与工作头配合的凹槽和窄槽，使得工作头工作面只与工件接触，而不会与弯振杆发生接触，大幅度减小了工作头的磨损；

由于工作头定位面与弯振杆或工作头通过定位块与弯振杆之间为面接触，使得超声波振子发出的超声波能量最大限度地传递给了工作头，工作过程主要是工作头对工件的高频冲击，工作静压力小，一般为100N—300N，加工效果更好。

本实用新型的装置中弯振杆和超声波振子之间可以通过多种方式实现连接，而通过螺母连接时，将弯振杆和超声波振子设置的螺纹旋向相反，这样使得螺母与弯振杆、超声波振子配合后的紧固性更好，即使在外力作用下也不容易发生松动，并且可以方便地调整弯振杆与超声波振子在圆周方向的相对位置。

本实用新型的装置中的超声波振子采用相互连接的1/4波长弯曲振动换能器和1/4波长变幅杆或相互连接的半波长弯曲振动换能器与半波长变幅杆，其振动模式为弯曲振动，在其驱动下，弯振杆与工作头做弯曲振动；工作头与工件接触后，使弯振杆产生适当的弯曲变形，为工作头提供合适的静压力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型实施例一加工装置的结构示意图；

图1a为本实用新型实施例一加工装置的俯视图；

图1b为本实用新型实施例一加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图2为本实用新型实施例二加工装置的结构示意图；

图2a为本实用新型实施例二工作头与弯振杆配合的侧视剖视图；

图2b为本实用新型实施例二加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图3为本实用新型实施例三加工装置的结构示意图；

图3a为本实用新型实施例三加工装置的俯视图；

图3b为本实用新型实施例三加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图4为本实用新型实施例四加工装置的结构示意图；

图4a为本实用新型实施例四加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图5为本实用新型实施例五加工装置的示意图；

图5a为本实用新型实施例五加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图6为本实用新型实施例六加工装置的示意图；

图6a为本实用新型实施例六加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图7为本实用新型实施例七加工装置的示意图；

图7a为本实用新型实施例七加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图8为本实用新型实施例八加工装置的示意图；

图8a为本实用新型实施例八加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图9为本实用新型实施例九加工装置的示意图；

图9a为本实用新型实施例九加工装置与外壳、压板的配合示意图；

图10为两端带定位块的滚轮式工作头与定位块配合示意图；

图11为球体形工作头示意图；

图12为一端带定位块的滚轮式工作头与定位块配合示意图。

图中，1.工作头，2.弯振杆，3.螺母，4.超声波振子，5.窄槽，6.外壳，7.压板，8.螺柱，9.定位块，11.工作头工作面，12.工作头定位面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在超声波金属表面加工装置无法很好加工空间狭窄的零件表面的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种超声波金属材料表面加工装置及工作方法。

实施例一：

本申请的一种典型的实施方式中，如图1，1a所示，提供了一种超声波金属材料表面加工装置，包括弯振杆2，所述弯振杆2首端侧部设置工作头1，弯振杆2尾端与超声波振子4连接；

所述弯振杆2首端侧部设置凹槽（图中未示出），工作头1转动装配于该凹槽内；

所述工作头1为回转体，其外周表面分为工作面和定位面，如图10所示，工作头工作面11即为工作头与工件表面接触的圆周面，工作头定位面12即为工作头端部与弯振杆配合的面。

所述凹槽与工作头1工作面之间具有设定间隙，以减小工作头工作过程中的旋转阻力。

所述凹槽与工作头1工作面配合处设有窄槽5，所述窄槽5由凹槽向弯振杆2外周方向延伸设置；窄槽为细长弧形，窄槽的宽度小于凹槽的宽度，窄槽的宽度也小于工作头的宽度（如图1中，工作头的横向长度即为宽度），窄槽由凹槽向弯振杆外周方向延伸设定深度。该窄槽的设置，使得工作头1的工作面与弯振杆相分离，以减小工作头工作面的磨损。

所述凹槽与工作头l定位面之间为间隙配合。所述凹槽与工作头1定位面之间的间隙小于凹槽与工作头1工作面之间的间隙。

所述工作头1的回转轴线与弯振杆2轴线的夹角不大于45°，使得弯振杆能最大限度的将振动能量传递给工作头。

所述超声波振子4为相互连接的1/4波长弯曲振动换能器和1/4波长变幅杆，或者所述超声波振子4为相互连接的半波长弯曲振动换能器与半波长变幅杆。弯曲振动换能器可以为夹心式压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器。

所述弯振杆2与超声波振子4通过螺母3连接。弯振杆可以根据需要做成不同的长度。超声波振子的振动模式为弯曲振动，在其驱动下，弯振杆和工作头做弯曲振动；工作头与工件接触后，使弯振杆产生适当的弯曲变形，为工作头提供合适的静压力。

所述弯振杆2尾端带有第一外螺纹，所述超声波振子4带有第二外螺纹，第一外螺纹和第二外螺纹旋向相反。

所述螺母3的内螺纹分成第一段和第二段，第一段和第二段旋向相反，第一段与第一外螺纹相配合，第二段与第二外螺纹相配合。

本实施例中，所述工作头1为滚轮，滚轮可以是由若干个不同直径的圆柱体和曲面柱体组成的，可以绕自身中心线自由转动；滚轮上直径较大的回转曲面为其工作面，与工件待加工面接触加工；滚轮两端与工作面同轴的定位面与弯振杆凹槽的配合面以较小间隙设置；

本实施例中，如图10所示，滚轮两侧面均与定位块9连接，定位块9和滚轮均设置于凹槽内。滚轮两侧面均设置定位块，使得滚轮两侧受力均衡，滚轮的工作面可与弯振杆完全脱离，旋转阻力小，转动更为顺畅。滚轮和定位块可以是分体可拆卸式连接，也可以是一体式结构，采用一体式结构，可以极大减少超声能量的损耗。工作头通过定位块与弯振杆有较大的接触面积，定位块与弯振杆之间为面接触，最大限度的将超声振动能量传递给工作头，以实现静压力更小、加工效果更好的目的。

如图1b所示，将加工装置的弯振杆与超声波振子连接，并将超声波振子4固定连接于外壳6,所述外壳6与压板7连接。这样固定连接之后，将超声波振子4与超声波发生器连接，启动超声波发生器，通过超声波振子4带动弯振杆2及工作头1动作，即可对金属工件待加工表面进行加工。

实施例二：

如图2，2a所示，本实施例中，将工作头替换为球体。工作头当然也可以设置成弧面滚子或滚针。其他与实施例一相同。

如图11所示，球体形工作头中间部分的球带为工作头工作面11，其余部分为工作头定位面12，工作头侧部不再设置定位块，工作头的定位面与弯振杆之间为面接触，弯振杆2的凹槽与该工作面配合处设置窄槽5，本实施例中凹槽为球形槽，窄槽为圆弧形槽，窄槽的变化曲率大于凹槽底部的变化曲率，这样使得工作头工作面与弯振杆具有设定间隙。

如图2b所示，将加工装置的弯振杆与超声波振子连接，并将超声波振子4固定连接于外壳6,所述外壳6与压板7连接。这样固定连接之后，将振子4与超声波发生器连接，启动超声波发生器，通过超声波振子4带动弯振杆2和球体工作头1动作，即可对金属工件待加工表面进行加工。

实施例三：

如图3,3a,3b所示，本实施例中，将工作头替换为只有一端带有定位面的滚轮，滚轮一端与工作面同轴的定位面与弯振杆凹槽的配合面以较小间隙设置。其他与实施例一相同。

本实施例中，如图3，12所示，滚轮一侧面与定位块9连接，滚轮另一侧面露于弯振杆2外，定位块9和滚轮均设置于凹槽内。滚轮一侧面设置定位块，而另一侧面露出，更加适用于带有台阶等的工件的加工，滚轮可与台阶拐角处实现接触配合，有效解决其他工作头无法接触加工台阶拐角的问题。

如图12所示，滚轮上直径较大的回转曲面为工作头工作面11，工作头工作面11是与工件表面接触的圆周面，滚轮另一端与弯振杆凹槽配合的面为工作头定位面12，弯振杆2的凹槽与该工作面配合处设置窄槽5,这样使得工作头工作面与弯振杆具有设定间隙。

如图3b所示，将加工装置的弯振杆与超声波振子连接，并将超声波振子4固定连接于外壳6,所述外壳6与压板7连接。这样固定连接之后，（将振子4与超声波发生器连接，启动超声波发生器，）通过超声波振子4带动弯振杆2和球体工作头1动作，即可对金属工件待加工表面进行加工。

实施例四：

如图4，4a所示，本实施例中，将弯振杆2和超声波振子4设置成一体式的，一体式结构的设置，可以最大程度的减少超声波振子4传出能量的浪费，使弯振杆获取的能量更大，加工效果更好。其他与实施例一相同。

实施例五：

如图5，5a所示，本实施例中，将弯振杆2和超声波振子4设置成一体式的，一体式结构的设置，可以最大程度的减少超声波振子4传出能量的浪费，弯振杆获取的能量更大，加工效果更好。其他与实施例二相同。

实施例六：

如图6，6a所示，本实施例中，将弯振杆2和超声波振子4设置成一体式的，一体式结构的设置，可以最大程度的减少超声波振子4传出能量的浪费，弯振杆获取的能量更大，加工效果更好。其他与实施例三相同。

实施例七：

如图7，7a所示，本实施例中，弯振杆2与超声波振子4通过螺柱8连接。

所述螺柱8一端嵌设于弯振杆2内部，螺柱8另一端嵌设于超声波振子4内部。其他与实施例一相同。

实施例八：

如图8，8a所示，本实施例中，弯振杆2与超声波振子4通过螺柱8连接。

所述螺柱8一端嵌设于弯振杆2内部，螺柱8另一端嵌设于超声波振子4内部。其他与实施例二相同。

实施例九：

如图9，9a所示，本实施例中，弯振杆2与超声波振子4通过螺柱8连接。

所述螺柱8一端嵌设于弯振杆2内部，螺柱8另一端嵌设于超声波振子4内部。其他与实施例三相同。

本申请的任一种典型的实施方式中，提供一种用于金属材料表面加工装置的工作方法，包括以下步骤：

将弯振杆与超声波振子连接，在弯振杆凹槽内置入工作头，将超声波振子与超声波发生器连接，启动超声波发生器，将弯振杆首端靠近工件待加工表面，使工作头与工件待加工表面接触；使工作头与工件相对运动，弯振杆和工作头在超声波振子的弯曲振动作用下产生弯曲振动，使得工作头对工件待加工表面进行高频冲击加工。

采用本实用新型加工装置可以高效地对空间狭窄的零件表面进行加工，且加工效果更好；以加工小孔为例，采用本实用新型加工装置对小孔表面进行加工的步骤为：

将弯振杆与超声波振子连接，在弯振杆凹槽内置入工作头，将超声波振子与超声波发生器连接，启动超声波发生器，将弯振杆首端伸入工件内孔中，使工作头与工件内孔内侧面接触；使工作头和工件相对运动，弯振杆和工作头在超声波振子的弯曲振动作用下产生弯曲振动，使得工作头对工件内孔内侧面进行高频冲击加工。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。