专利名称：一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法
一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法技术领域：
本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种半波长超声表面滚压加工用 执行机构及加工方法。背景技术：
超声表面滚压加工方法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，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。随着该方法的 不断使用，对其性能的改进提出了新的要求。现有的超声表面滚压加工装置的执行机构， 一般分为压电陶瓷式和磁致伸缩式，采用 全波长设计(半波长变幅杆+半波长换能器)将电能转换为机械振动。其主要缺点在于 执行机构的体积相对较大，对于狭小空间或一些特殊位置或尺寸的结构，如细管(管径小 于(D300/wm)及其内壁、环形槽等部位，均无法进行处理。另外全波长执行机构因自身尺寸重量相对较大，带来安装、夹持困难等问题。
发明内容本发明目的是解决全波长超声表面滚压加工执行机构体积较大，对于狭小 空间或特殊位置或尺寸无法进行处理的缺点，提供一种半波长超声表面滚压加工用执行机 构及加工方法。本发明提供的半波长超声表面滚压加工用执行机构，包括一个壳体，壳体内安装有 1/4波长换能器，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装有可滚 动的柱体或球体工作头的1/4波长变幅杆。变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。所述的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。一种采用以上所述执^1机构的半波长超声表面滚压加工方法，该方法执行机构静压力 为50 500N，输出端振幅5 25微米，往复1 15次。对于回转件机床主轴转速为200 700r/min，进给量为0.02 0.1mm/r;对于平板工件往复进给速度1 15m/min，执行机构 进给量为0.01 2mm/min。本发明执行机构重量轻、体积小、输出功率大且使用方便。操作安装、夹持方便，必 要时可改为单手持握式操作，可实现狭小、特殊位置的加工处理，如管壁、内环槽等。本发明的优点和有益效果本发明半波长超声表面滚压加工执行机构具有重量轻、体积小、输出功率大以及使用 方便等优点。由于长度减少到原来的50%左右，回转半径更小，对于管壁、内环槽等的 处理更加理想。由于半波长冲击枪重量约减轻至原有重量的40%，操作时的安装、夹持 方便，必要时可改为单手持握式操作，可以实现在狭小位置的超声表面滚压加工处理。大功率、阶梯一锥台一阶梯型半波长超声表面滚压加工方法能够有效提高输出功率， 可用来处理较高强度材质的机械零部件。
图1是半波长超声表面滚压加工示意图；图2是大功率半波长超声表面滚压加工执行机构示意图；图3是半波长超声表面滚压加工执行机构示意图(阶梯-锥台-阶梯型变幅杆)；以上所有附图均以压电陶瓷换能器配球体滚动工作头为例，其中每一种形式均可换为 相应的磁滞伸縮换能器或柱体滚动工作头。其中，1为压縮空气或弹簧静压力，2为1/4波长压电陶瓷换能器，3为l/4波长变幅 杆，4为球体滚动工作头，5为待加工钢管或箱体内壁，6为压縮空气或弹簧静压力，7为 大功率1/4波长压电陶瓷换能器，8为l/4波长变幅杆，9为球体滚动工作头，IO为压縮 空气或弹簧静压力，11为1/4波长压电陶瓷换能器，12为阶梯-锥台-阶梯型1/4波长变幅 杆，13为球体滚动工作头。具体实施方式
实施例1、加工装置如图1所示，半波长超声表面滚压加工用执行机构是本发明的独创部分，包括一个壳 体，壳体内安装有l/4波长换能器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端 连接其上装有可滚动的柱体或球体工作头的1/4波长变幅杆。半波长超声表面滚压加工装置采用半数字或全数字化超声波发生器为加工电源，其作 用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给本发明半波长超声表面滚压加工用执行机构 中的工作头能量。采用1/4波长磁滞伸縮换能器或1/4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；1/4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；可滚动的球体或柱体工作头被设计为不同材质和一系列不 同的直径，应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缩空气为加工过程提高静压力，压縮 空气还能起到冷却装置的作用。具体的工作情况及装置结构可参照图1。本方案中执行机构采用半波长(Z < 150mm )设计(1/4波长变幅杆+ 1/4波长换能器)， 显著降低了执行机构的尺寸。对于大多数特殊结构如细管、内壁、环形深槽等部位可以非 常方便的进行加工处理；由于执行机构小巧，对于一些特殊位置还可安装手柄，进行单手 操作。本发明执行机构设计了多种实施方式。除图1中所示的标准半波长执行机构之外，还 设计了 1)大功率半波长超声表面滚压加工执行机构；2)阶梯一锥台一阶梯型半波长超 声表面滚压加工执行机构。下面以压电陶瓷换能器半波长超声表面滚压加工执行机构为例具体说明，磁致伸缩换 能器超声表面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) 大功率半波长超声表面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2。对于磁致 伸缩换能器执行机构，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半波长超声表面滚压加工执行机构单一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 案使用全新设计的四分一直波长变幅杆，采用阶梯—锥台—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3。实施例2、加工方法使用半波长超声表面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。此外为了保证经表面线型滚压加工后能够获得具有足够尺寸精度的机械零部件，还需要考虑在前一道工序粗车时预留一定的挤压余量。实例l内径为200mm，壁厚10mm的调质态45钢管，用半波长超声表面球体滚压加工方法 对其内表面进行处理，主要技术参数如下机床主轴转速为255r/min;冲击枪工作头进给量为0.25mm/r;静压力200N;往复加 工2次；选用乳化液冷却；工作头选用硬制合金材料，球体直径为10mm;工作头输出端 超声振幅为IO微米。实验结果加工后，样品表面形成了近百微米的纳米晶层。最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为10nm，与原始晶粒尺寸(大约10pm)相比晶粒细化了约1000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 面粗糙度为i "为0.03，比处理前表面粗糙度降低IOO倍左右，表面形成750MPa的残余压缩应力。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。 实例2直径为60mm的钛合金轴，用大功率超声表面柱体滚压加工方法对其进行表面处理， 主要技术参数如下-机床主轴转速为225r/min;冲击枪工作头轴向进给量为0.25mm/r，静压力800N;加工3次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬制合金材料，滚柱直径为10mm;工作头输出端超声振幅为15微米。实验结果最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为15nm;表面粗糙度为ito为0.11;表面硬度提高约1.8倍；表面形成635MPa的残余压縮应力。
权利要求
1、一种半波长超声表面滚压加工用执行机构，其特征在于该超声执行机构包括一个壳体，壳体内安装有1/4波长换能器，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装有可滚动的柱体或球体工作头的1/4波长变幅杆。
2、 根据权利要求1所述的执行机构，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 器或压电陶瓷辟能器。
4、 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。
5、 一种采用权利要求1所述的执行机构的半波长超声表面滚压加工方法，其特征在 于该方法执行机构静压力为50~500N，输出端振幅5 25微米，往复1 15次；对于回 转件机床主轴转速为200 700r/min，进给量为0.02 0.1mm/r;对于平板工件往复进给速 度1 15m/min，执行机构进给量为0.01 2mm/min。
全文摘要
一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法。执行机构包括壳体及其内安装的1/4波长换能器和施力部件，换能器前端连接其上装有可滚动的柱体或球体工作头的1/4波长变幅杆。变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。换能器为磁滞伸缩换能器或压电陶瓷换能器。施力部件为弹簧或压缩空气。该方法执行机构静压力为50～500N，输出端振幅5～25微米，往复1～15次。对于回转件机床主轴转速为200～700r/min，进给量为0.02～0.1mm/r；对于平板工件往复进给速度1～15m/min，执行机构进给量为0.01～2mm/min。本发明执行机构重量轻、体积小、输出功率大且使用方便。操作安装、夹持方便，必要时可改为单手持握式操作，可实现狭小、特殊位置的加工处理，如管壁、内环槽等。
文档编号C21D7/00GK101220406SQ20081005219
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