压电驱动金属表面纳米化加工装置的制作方法

本实用新型涉及材料加工工程领域，特别是一种压电驱动金属表面纳米化加工装置。

背景技术：

金属材料表面纳米化可以显著提高金属材料(及其零部件)表层的疲劳、强度、耐磨性、硬度等，并以此提高材料整体的综合性能和使用寿命。

材料表面纳米化是近年出现的一项新技术，中国专利申请申请号为99122670.4公开了该实用新型借助超声波换能器将硬质小球撞击材料表面使其纳米化，其不足之处为：单点撞击，加工效率低，不适合加工平面。中国专利申请申请号为02109696.1，该实用新型公开了借助高压液体带动固液双向射流轰击金属表面使之纳米化，以及抛喷丸、滚压等方式。抛喷丸、高压水射流等方法一般不能实现对工件的局部加工，并且在细化金属表层晶粒的同时，也会提高零件表面粗糙度，因而限制了其应用。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服现有技术的不足，提出一种能在不改变金属工件外形和成分的条件下、既可对工件局部也可对工件整体进行表面纳米化处理的装置。

实现本实用新型目的提供技术方案如下：

一种压电驱动金属表面纳米化加工装置，该装置包括：

一内部设有空腔外套及一设置在空腔内的加工部件；

其中，加工部件具体为依次设置的冲击头、传动头、压电换能器、调整球(6)及预紧螺钉；

还包括一位置可调用来给压电换能器提供预紧力的预紧弹簧；

以及对压电换能器进行散热并连接电源的通道。

进一步的，外套开有作为散热并连接电源的通道的通孔。

调整球一端为平面，其余为球面与压电换能器、外套内壁或预紧螺钉相接，调整球上设有用于散热并连接电源的通道的气孔。

进一步的，预紧螺钉用来调节预紧弹簧的预紧力。

进一步的，压电换能器的两电极焊接有电极线，电极线依次从调整球、外套引出后 接到高频交变电源的正负极。

优选的，冲击头为硬质球体、圆柱体或圆环。

上述采用的压电换能器为柱状叠堆式压电换能器。

本实用新型相对于现有技术相比具有以下显著优点：(1)、该装置可以制成能在车床、铣床、刨床、镗床或磨床上装夹的形式，并代替原来的车刀、铣刀、刨刀、镗刀或磨具等对金属工件进行不去除材料的加工，使金属表面晶粒细化到纳米量级，并能降低工件表面粗糙度。(2)、该装置显著提高了生产效率，减少了设备投入，降低生产成本，改善工件表面性能以致整体性能。(3)该装置通过在夹持块两空腔间设置通孔即实现了散热功能，又为压电换能器的连接线提供了布线通道。(4)该装置通过设置贯穿整个装置主体的散热通道，大大的提高了纳米化过程中的散热性，延长了工作时间。

附图说明

图1是本实用新型预紧弹簧在压电换能器前端的压电驱动金属表面纳米化加工装置结构示意图。

图2、图3均是本实用新型预紧弹簧在压电换能器后端的压电驱动金属表面纳米化加工装置结构示意图。

图4是本实用新型分离式压电驱动金属表面纳米化加工装置结构示意图。

其中，1—冲击头，2—预紧弹簧，3—传动头，4—压电换能器，5—外套，6—调整球，7—预紧螺钉，8—通孔，9—高频交变电源，10—垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详述：

一种压电驱动金属表面纳米化加工装置，该装置包括：内部设有空腔外套5及设置在空腔内的加工部件；

其中，加工部件具体为依次设置的冲击头1、传动头3、压电换能器4、调整球6及预紧螺钉7；

还包括位置可调用来给压电换能器4提供预紧力的预紧弹簧2；以及对压电换能器4进行散热并连接电源的通道。

调整球6一端为平面，其余为球面与压电换能器4、外套5内壁或预紧螺钉7相接。

预紧螺钉7通过螺纹固定在外套5上，用来调节预紧弹簧2的预紧力。

压电换能器4的两电极焊接有电极线，电极线从外套5引出后接到高频交变电源9 的正负极。

图1所示为预紧弹簧在压电换能器前端的结构示意图。本实用新型的压电驱动金属表面纳米化加工装置由冲击头1，传动头3，压电换能器4，外套5，调整球6，预紧螺钉7，通孔8，高频交变电源9组成。冲击头1、预紧弹簧2、传动头3、压电换能器4依次安装在外套的空腔内，预紧弹簧2将传动头3压紧在压电换能器的一端。压电换能器4的另一端顶在调整球6的平面上。预紧螺钉7顶在调整球6的球面上。预紧螺钉7通过螺纹安装在外套5上。通孔8采用压缩空气散热，压缩空气通过加工在外套5上的气孔导到压电换能器的四周，给压电换能器4散热后从外套5的另一气孔漏出。压电换能器4的两电极焊接有电极线，电极线从外套5引出后接到高频交变电源9的正负极；外部高频交变电源9通过电线连接到压电换能器4的两极，驱动压电换能器4轴向振动，并带动传动头3以及冲击头1作往复运动。

具体应用时，将外套5安装在机床刀架上，并将冲击头1顶在工件的待加工表面上，并调整高频交变电源9的输出频率与电流，压电换能器4在交变电压作用下发生高频振动，压电换能器4的振动经传动头3传递到冲击头1上，使冲击头1不断高频撞击工件待加工表面。

随着加工工件在机床上做旋转或往复运动，或者本装置在机床上做往复运动，冲击头1不断高频撞击工件待加工面的各个位置，工件表面发生塑性变形，晶粒细化到纳米量级，达到使工件表面纳米化的目的。

图2、图3所示为预紧弹簧在压电换能器后端的结构示意图。本方案与图1所示方案的区别在于：通过增加一片或多片垫片10，将预紧弹簧2转移至压电换能器后端，调整预紧螺钉到一定位置，给预紧弹簧2预留一定的轴向压缩量L。

具体应用时，将外套5安装在机床刀架上，将冲击头1以一定的力顶在工件的待加工表面上，并使上述预紧弹簧2预留的轴向压缩量L为零。调整高频交变电源9的输出频率与电流，压电换能器4在交变电压作用下发生高频振动，压电换能器4的振动经传动头3传递到冲击头1上，使冲击头1不断高频撞击工件待加工表面。

随着加工工件在机床上做旋转或往复运动，或者本装置在机床上做往复运动，冲击头1不断高频撞击工件待加工面的各个位置，工件表面发生塑性变形，晶粒细化到纳米量级，达到使工件表面纳米化的目的。

图4为本实用新型的另一实施方式，其中采用分体式的外套5，该外套5包括头部 及底部夹持部。

该装置包括：外套5头部设有空腔，该空腔内设有加工部件，具体为依次设置的冲击头1、预紧弹簧2、传动头3及压电换能器4，此外，夹持部在外套5的轴向方向上依次设有两个空腔，在两个空腔内具有支撑结构顶紧加工部件，且两个空腔之间开有通孔；

该装置具有由外套5侧壁开有连通外套5空腔的通孔8、外套5头部空腔、夹持部两个空腔之间开有的通孔、夹持部底部空腔设置的连通外界的气孔所形成的通道。

设置支撑结构为设置在夹持部两个空腔内且相连的调整球6与预紧螺钉7。

调整球6一端为平面与压电换能器4相接触，另一端为球面与预紧螺钉7相接。调整球6上开有气孔，该气孔可作为散热的通道，并用于电极线布线通过。

预紧螺钉7通过螺纹固定连接夹持块部。夹持部可以制成不同形状与结构，使其可安装在不同的机床上，适应不同加工的需要。

压电换能器4的两电极焊接有电极线，电极线从夹持部引出后接到高频交变电源9的正负极。

如图4所示，本实用新型的压电驱动金属表面纳米化加工装置由冲击头1，预紧弹簧2，传动头3，压电换能器4，外套5，预紧螺钉7，高频交变电源9组成。冲击头1、预紧碟簧2、传动头3、压电换能器4依次安装在外套的头部空腔内，预紧弹簧2将传动头3压紧在压电换能器4的一端。压电换能器4的另一端顶在调整球6的平面上。预紧螺钉7顶在调整球6的球面上。预紧螺钉7及调整球6装在夹持部的空腔内。外套5的头部安装在夹持部的前端。外套5的头部的通孔8采用压缩空气散热，压缩空气通过加工在夹持部、调整球6的气孔导到压电换能器的四周，给压电换能器4散热后从外套5夹持部的通孔8漏出。压电换能器4的两电极焊接有电极线，电极线从夹持部引出后接到高频交变电源9的正负极；外部高频交变电源9通过电线连接到压电换能器4的两极，驱动压电换能器4轴向振动，并带动传动头3以及冲击头1作往复运动。

具体应用时，将夹持部安装在机床刀架上，并将冲击头1顶在工件的待加工表面上，并调整高频交变电源的的输出频率与电流，压电换能器4在交变电压作用下发生高频振动，致动器的振动经传动头3传递到冲击头1上，使冲击头1不断高频撞击工件待加工表面。

随着加工工件在机床上做旋转或往复运动，或者本装置在机床上做往复运动，冲击头1不断高频撞击工件待加工面的各个位置，工件表面发生塑性变形，晶粒细化到纳米 量级，达到使工件表面纳米化的目的。