CN101130828B - 超声深滚和滚光一体化表面强化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声深滚和滚光一体化表面强化装置，利用该装置可实现超声深滚、深滚和滚光等表面强化处理。其主要特征是利用超声振动和独立于变幅杆的滚压弹子降低了工具头与工件表面的摩擦力和静压力，可避免表面划伤和结构变形。本发明有如下优点：①可在工件表面产生大深度、高幅值的残余压应力，②降低在加工或使用中产生的残余拉应力；③消除工件表面微缺陷，大幅提高表面光洁度；④对工件施加的静压力小，可处理薄壁件；⑤可在普通或数控车床、铣床、加工中心和机械手上使用；⑥可大幅提高工件的抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能和耐磨性；⑦设备成本和使用维修费用低，节能、无污染。适用于航空航天、车辆、舰船和武器装备的制造和维修领域。

Description

超声深滚和滚光一体化表面强化装置

一、技术领域

本发明属于金属表面强化技术领域，涉及到超声冲击、滚压和滚光技术，特别适合于提高零部件的抗疲劳性能、表面质量和耐磨性，适用于航空航天、车辆、舰船、武器装备等的制造和维修领域。

二、背景技术

表层残余应力对零部件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能等有显著的影响。残余拉应力常常会大幅降低零件的抗疲劳性能，增加零件对腐蚀疲劳的敏感性，诱发应力腐蚀裂纹的萌生。降低材料表面残余拉应力或引入残余压应力，可显著提高零件的疲劳寿命，降低零件对腐蚀疲劳的敏感性，抑制应力腐蚀裂纹的萌生。为此，常采用各种方法在零部件表面引入残余压应力，以延长其疲劳寿命。其中，表面机械强化是一种经济、高效和无污染的方法。常用的表面机械强化技术有喷丸强化、激光冲击强化、深滚和低塑性滚光以及超声振动滚光等。

1、喷丸强化

喷丸是以高速弹丸流撞击受喷工件表面的一种强化方法。但是，喷丸处理产生的残余压应力层的深度和幅值有限。由于弹丸冲击的随机性会引起材料表面重复塑性变形，产生高的加工硬化，在高温或大载荷下，加工硬化会使工件表面产生应力松弛，从而大大降低喷丸强化的效果。同时，加工硬化也会增加材料对缺口的敏感度。另外，喷丸处理会引起丸粒飞溅和污染，需对丸粒进行回收，因此不易在现有的机加工生产线上实现。

2、激光冲击强化

激光冲击强化工艺利用激光对工件表面上的一种特殊涂层的快速熔烧所产生的冲击波使工件表层产生残余压应力。激光冲击强化可产生高值残余压应力层，与喷丸相比有较低的表面加工硬化。但是激光冲击强化设备复杂昂贵，操作费用高，因此限制了它的推广应用。

3、深滚和低塑性滚光

深滚和低塑性滚光是两种相似的技术，其原理是通过将滚动的弹子压紧在工件表面，使材料表层发生塑性变形，卸载后形成残余压应力。另外，深滚压会使材料表面微缺陷得到愈合，因而是提高零部件抗疲劳性能的较好的方法。深滚和低塑性滚光技术的关键在于实现滚压弹子的“无摩擦”滚动，为此，需要用液压输油泵支撑滚压弹子，当液压力足够大时可使弹子“悬浮”在液压润滑膜上，从而实现弹子的“无摩擦”滚动。如此的超高压液压系统使系统结构十分复杂，加上弹子周围的液压泄漏，使该技术在国内技术条件下难以实现。另外，深滚和低塑性滚光处理需要在垂直于工件表面的方向施加足够大的静压力，这会造成薄壁工件的结构变形。

4、超声振动滚光

超声振动滚光是一种通过工具头的超声振动对工件表面产生的动态冲击作用使工件表面微凸体产生塑性变形压扁，从而起到光整作用的表面加工方法.该工艺也会使工件表面产生一定的残余压应力.其主要缺点是工具头和变幅杆固连在一起，这会使工具头对工件表面产生滑动摩擦，容易造成工件表面划伤，同时使工件次表面产生不利于抗疲劳性能的剪应力.为此，需要减小施加在工具头上的压力，所以，该方法所能产生的残余压应力很小.

三、发明内容

本发明的目的是针对以上几种表面机械强化技术存在的不足，解决如下几个关键技术问题：

1、在不采用超高压液压技术的前提下，实现滚压弹子的低摩擦滚动；

2、在尽可能减小超声波能量损失的同时，以滚动摩擦代替滑动摩擦，避免工件表面被划伤或产生残余剪应力。

3、为消除滚压力对超声振动系统谐振频率的影响，静滚压力应独立于超声振动系统。

针对以上问题和技术关键，本发明提供了一种集超声深滚和滚光一体化的表面机械强化装置。所采用的技术方案如下。

1、利用超声波振动使滚压弹子与变幅杆端部以及与工件之间仅产生动态接触，以大幅降低摩擦力，实现低摩擦振动滚压；

2、采用独立于变幅杆的滚压弹子，同时对滚压弹子采用油润滑，实现滚压工具头和工件表面的滚动接触，进一步降低摩擦力，避免滑动接触产生表面划伤和剪应力的问题；

3、为避免因滚压弹子和变幅杆端面之间点接触所造成的超声波能量损失，变幅杆端面采用了和滚压弹子同直径的凹球面设计；

4、采用独立于超声振动系统的深滚力施加装置，在超声振动的同时对滚压弹子施加静压力，实现静压力辅助超声深滚处理，这一方面保证了静滚压力的施加，同时也避免了深滚力对超声振动系统谐振频率的影响；

5、采用两组弹簧的设计方式，一方面保证了静滚压力以及变幅杆与滚压弹子的贴紧力，同时还可以使滚压弹子与工件表面形成弹性接触，避免了工件表面轮廓波动带来的载荷不稳定和对工件表面的刚性滚压。

6、采用可分离和组合使用的三层套筒式复合结构设计，使本发明不仅可以进行超声深滚，而且可以独立地进行深滚和超声滚光，以满足不同的强化要求。

7、采用压力传感器及微机数据采集分析系统实现了超声振动力和深滚力的实时监测。

本发明的主要优点如下：

1、可以在零件表面产生大深度、高幅值的残余压应力，同时提高零部件的表面质量。

2、避免使用超高压液压系统或高能束加工系统，降低了设备的制造、使用和维修成本，同时可以实现对薄壁零件的强化处理；

3、采用了可拆卸复合结构，可以独立地实现深滚、滚光或超声深滚强化处理等几种不同的强化工艺；

4、采用滚动接触和超声振动动态接触的复合设计，实现了低摩擦滚压，可避免工件表面划伤及产生次表面残余剪切应力；

5、可以在普通或数控车床、铣床、加工中心以及机械手上进行零件的机械表面强化处理；

6、适用性好，可以加工平面、圆柱面和空间曲面等不同轮廓的工件；

7、减小了超声振动能量损失，避免了工件表面轮廓波动带来的载荷不稳定和对工件表面的刚性滚压。

四、附图说明

图1是本发明的超声深滚和滚光一体化表面强化系统示意图。

图中，1、超声波发生器  2、超声深滚枪  3、滚压弹子  4、工件  5、计算机  6、接线端  7、电缆  8、压力传感器  9、采集卡

图2是本发明的超声深滚枪的结构示意图。

图中，10、外层套筒  11、深滚力弹簧组  12、换能器  13、变幅杆  14、支撑滚珠  15、调节螺母  16、档圈一  17、档圈二  18、调节螺栓  19、中间套筒  20、超声静压力弹簧  21、内层套筒  22、机床夹具  23、护帽  24、连接柄  25、凹球面

图3是本发明的滚压弹子和变幅杆的球面接触示意图

图中，3、滚压弹子  13、变幅杆  25、凹球面

五、具体实施方式

以下是本发明的实施方式详细说明：

220V，50Hz的普通市电从接线端6接入超声波发生器1，经超声波发生器转换成超声波电振荡(18kHz～30kHz)并经电缆7传入超声深滚枪2中的换能器12，换能器将电振荡转换成同频率的机械振动，再经变幅杆13放大后撞击滚压弹子3对工件4的表面进行冲击。变幅杆通过其端部的凹球面25接触同直径的滚压弹子，一方面保持滚压弹子的低摩擦自由滚动，同时又最大限度地减小了超声振动的能量损失。本发明中，采用直径为φ6～12mm的硬质合金球作为滚压弹子，也可以使用普通GCr15钢球或陶瓷球。数据采集卡9通过数据传输线与压力传感器8(LC1104)和计算机5相连。外层套筒10上连接有机床夹具22，机床夹具可以连接在普通或数控的车床、铣床、和机械手上，也可通过连接柄24安装在加工中心上或机械手上。

超声振动动态力通过变幅杆施加在滚压弹子上，深滚力由深滚力弹簧组11通过中间套筒19和支撑滚珠14施加在滚压弹子上。深滚力的大小通过调节螺母15来调整。挡圈一16和档圈二17用来传递调节螺栓15的深滚力。连接在中间套筒上的护帽23用来保持滚压弹子。

单独深滚工作状态时，滚压力就是实现深滚的静压力.这时，如果减小深滚力系统就工作在普通滚光工作状态.超声深滚工作状态时，深滚力是辅助超声冲击力的作用力.调整滚压力的值为最小时，系统就工作在超声滚光状态，这时也可以去掉外套筒，将机床夹具直接连于中间套筒上.处于超声深滚工作状态时，滚压弹子对工件的作用力主要来自超声振动的动态冲击，因此，不需要施加太大的深滚力，这样可以有效地避免薄壁工件的结构变形.

超声静压力的大小通过调节螺栓18对超声静压力弹簧20的作用来调整，变幅杆与内层套筒21固连在一起，超声静压力通过内层套筒推动变幅杆施加在滚压弹子上。超声静压力试图使变幅杆的端部贴紧在滚压弹子上。工作时，压力传感器受到超声振动力和深滚力的作用，压力信号经过D/A转换和放大滤波后通过采集卡传输给计算机，计算机记录并分析采集到的压力值，实现对系统工作状态的实时监控。

三层套筒采用铝合金材料，并加工有散热窗。支撑滚珠为普通市售的GCr15钢球。调节螺母、调节螺栓、机床夹具和连结柄采用45钢。

Claims (4)

1.一种提高工件抗疲劳性能和表面质量的超声深滚和滚光一体化表面强化装置，该装置由超声波发生器、超声深滚枪、滚压弹子、压力传感器和计算机数据采集分析系统组成，利用该装置可以实现超声深滚和滚光的不同的表面强化处理，超声深滚枪采用三层套筒式结构，拆除外套筒后可作为超声滚光装置独立使用；超声深滚枪内设置有两层独立的弹簧加力系统以及与内层套筒(21)固连在一起的变幅杆，两层独立的弹簧加力系统分别是施加超声静压力的弹簧和施加深滚力的弹簧组；枪体前端的工具头是一枚独立于变幅杆的球形滚压弹子；由传感器及数据采集分析系统实现超声振动高频力和深滚低频力的实时监测。

2.根据权利要求1所述的超声深滚枪，其特征是：两层独立的弹簧加力系统，分别施加超声静压力和深滚力。

3.根据权利要求1所述的超声深滚枪，其特征是：变幅杆前端加工有与滚压弹子同直径的凹球面。

4.据权利要求1所述的超声深滚和滚光一体化表面强化装置，其特征是：超声深滚枪外壳上设置有机床夹具和连接在机床夹具上的连接柄，使该装置在普通或数控的车床、铣床、加工中心和机械手上均可使用。