专利名称：模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高精度的模具自由曲面滚压光整加工工具，尤其涉及超声纳 米级滚压光整加工工具。
背景技术：
在现代制造业中，模具的应用非常广泛，领域包括汽车、摩托车、家用电器、日用塑 料等行业。模具型腔65%是曲面，其中40%是自由曲面，表面光整加工约占整个模具制造 时间的30 % 50 %。目前，模具自由曲面光整加工主要由手工操作，生产效率很低，并且加 工质量难以稳定，影响我国模具产业的发展，大量超精密模具仍需进口。因此，研究高效、精 密、自动化的模具曲面光整加工技术，对于模具行业发展具有重要意义。特别是在光整加工 最后阶段出现差错可能导致整个模具的报废，造成很大的经济损失。此外，熟练技术工人的 匮乏使模具企业普遍感觉到了压力。因此，实现模具的精密、高效、低成本的光整加工显得 尤为重要。模具型腔曲面光整加工工艺过程是一个复杂的过程。这一过程受到几何、物理 以及力学因素的影响。现有技术中也有许多科研工作者在研究相关的问题，但这些研究只 考虑了几何因素，而忽略了光整加工表面的去除问题。自由曲面的光整加工中，光整加工轨 迹上各点处自由曲面的主曲率是变化的，导致光整加工轨迹上各点处光整加工工具与自由 曲面的接触区域的大小和方位以及接触压强的分布互不相同。此外，光整加工轨迹的曲率 半径和光整加工轨迹的间距也将对光整加工表面去除产生影响。因此，将光整加工轨迹作 为影响光整加工表面质量的主要因素之一，把光整加工轨迹的合成方法与光整加工工艺 参数的优化结合起来考虑，对获得良好的光整加工表面质量具有重要意义。而这样的光整 加工技术也要配合相应的光整加工工具才能达到所预期的效果。
实用新型内容本实用新型的目的是提供模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，加工效率高， 显著降低加工磨具表面粗糙度，适合于各种难以自动化加工的模具自由曲面。为达到所述效果，一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，包括加工装置外 壳，加工装置外壳前端设有工具头，工具头连接在加工装置外壳内的变幅杆上，变幅杆连接 于超声换能器，超声换能器连接于超声发生器。优选的，所述超声换能器上还连接有压力传感器。通过压力传感器可以直观地观 察到超声换能器上的压力情况，对加工状况可以很直观地了解。优选的，工具头为圆锥形工具头。优选的，工具头上设有作用块。所述作用块为硬质合金，也可以使用金刚石作为作 用块。作用块必须硬度高，耐得起多次使用而且不会在加工过程中产生碎屑，这样才不会影 响加工质量。优选的，工具头为滚珠。这样的结构在工作时能进一步减少摩擦。由于采用了所述技术方案，通过利用超声换能器产生的振动机械能，使模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的具头的前端与模具表面产生的振动挤压，使模具表面层金 属在复合外力的作用下产生较大的弹塑性变形，使工件表面的“谷”被“峰”填充，从而达到 纳米级表面粗糙度和提高表面综合性能的目的。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明
图1为本实用新型一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的整体结构示意 图。图2为本实用新型一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的工具头的结构 示意图。图3为本实用新型一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的采用作用块的 工具头结构示意图。图4为本实用新型一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的采用滚珠的工 具头的结构示意图。
具体实施方式
如
图1、图2、图3以及图4所示，一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，包 括加工装置外壳3，其特征在于加工装置外壳3前端设有工具头2，工具头2连接在加工装 置外壳3内的变幅杆4上，变幅杆4连接于超声换能器5，超声换能器5连接于外部的超声 发生器，加工时由连接柄7固定于数控加工中心上。所述超声换能器5上还连接有压力传 感器6。工具头2为圆锥形工具头2。工具头2上设有作用块8。所述作用块8为硬质合 金，也可以是金刚石。在一些特殊加工场合，工具头2为滚珠9。超声换能器5是一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，即是谐振于超声频 率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声换能器5是一种能量转 换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率再传递出去，面它自身消耗很少的一 部分功率，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式两种。电源输出到超声发生器，再到超声换能器 5，再通过变幅杆4就能让工具头2以超声波频率作用在工件1的曲面上了。通过本实用新型的结构，在对超声纳米级滚压加工技术的机理分析的基础上，通 过利用超声换能器5产生的振动机械能，使模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的工具 头2的前端与模具表面产生的振动挤压，使模具表面层金属在复合外力的作用下产生较大 的弹塑性变形，使工件表面的“谷”被“峰”填充，从而达到纳米级表面粗糙度和提高表面综 合性能的目的。由于超声冲击和预加静压力的作用使得工件表面及亚表面产生晶粒细化而 得到纳米结构层并产生残余压应力，从而提高模具表面的抗疲劳和抗磨损性能。因此采用 本实用新型后，操作人员以“压、振、挤、滚”式的加工方法代替传统的模具曲面磨削及光整 加工等工序，并安装该装置于数控加工中心上，按照由CAM软件生成并优化的路径进行滚 压加工，通过对滚压加工头的设计和控制加工中心使加工头的加工姿态随曲面曲率变化而 变化，从而改善纳米级滚压加工效果，达到高效、节能与绿色加工的目的。采用本实用新型进行试验，以45#钢进行光整加工实验观测得出，通过本实用新型 模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具将曲面加工前粗糙度值Ra 0. 976改善为加工后粗糙度值Ra 0. 105，达到了非常好的效果。 以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的结构特征并不局限于 此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新 型的专利范围之中。
权利要求1.模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，包括加工装置外壳(3)，其特征在于加工 装置外壳C3)前端设有工具头0)，工具头( 连接在加工装置外壳(3)内的变幅杆(4) 上，变幅杆(4)连接于超声换能器(5)，超声换能器( 连接于超声发生器(7)。
2.如权利要求1所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于所述超 声换能器( 上还连接有压力表(6)。
3.如权利要求1或2所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于工 具头O)为曲形工具头O)。
4.如权利要求1或2所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于工 具头(2)上设有作用块(8)。
5.如权利要求4所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于所述作 用块( 为硬质合金。
6.如权利要求4所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于所述作 用块⑶为金刚石。
7.如权利要求1或2所述的模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，其特征在于工 具头(2)为滚珠(9)。
专利摘要本实用新型的目的是提供模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，加工效率高，显著降低加工磨具表面粗糙度，适合于各种难以自动化加工的模具自由曲面。为达到所述效果，一种模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具，包括加工装置外壳，加工装置外壳前端设有工具头，工具头连接在加工装置外壳内的变幅杆上，变幅杆连接于超声换能器，超声换能器连接于超声发生器。由于采用了所述技术方案，通过利用超声换能器产生的振动机械能，使模具自由曲面超声纳米级滚压加工工具的具头的前端与模具表面产生的振动挤压，使模具表面层金属在复合外力的作用下产生较大的弹塑性变形，使工件表面的“谷”被“峰”填充，达到纳米级表面粗糙度和提高表面综合性能的目的。
文档编号B23P9/02GK201895200SQ20102054526
公开日2011年7月13日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者丁金福, 张克华, 徐洪, 梅广益, 王国峰, 闵力 申请人:浙江师范大学