CN101220406A - 一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 - Google Patents
一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101220406A CN101220406A CNA2008100521963A CN200810052196A CN101220406A CN 101220406 A CN101220406 A CN 101220406A CN A2008100521963 A CNA2008100521963 A CN A2008100521963A CN 200810052196 A CN200810052196 A CN 200810052196A CN 101220406 A CN101220406 A CN 101220406A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- topworks
- wave length
- transverter
- transducer
- half wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
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。
Description
【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Φ300mm)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缩换能器或压电陶瓷换能器。所述的施力部件为弹簧或压缩空气。
一种采用以上所述执行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-锥台-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。
【附图说明】：
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缩换能器或柱体滚动工作头。
其中，1为压缩空气或弹簧静压力，2为1/4波长压电陶瓷换能器，3为1/4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为压缩空气或弹簧静压力，7为大功率1/4波长压电陶瓷换能器，8为1/4波长变幅杆，9为球体滚动工作头，10为压缩空气或弹簧静压力，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。
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波长磁滞伸缩换能器或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，压缩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(L＜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-锥台-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-锥台-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1
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10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10μm)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Ra为0.03，比处理前表面粗糙度降低100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Ra为0.11；表面硬度提高约1.8倍；表面形成635MPa的残余压缩应力。
Claims (5)
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缩换能器或压电陶瓷换能器。
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缩空气。
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2008100521963A CN101220406A (zh) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | 一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2008100521963A CN101220406A (zh) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | 一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101220406A true CN101220406A (zh) | 2008-07-16 |
Family
ID=39630482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2008100521963A Pending CN101220406A (zh) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | 一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101220406A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103436675A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-12-11 | 天津大学 | 一种低电压大电流超声表面滚压加工装置 |
| CN104801845A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 天津大学 | 一种用于高温或真空环境的超声冲击枪及其使用方法 |
| CN105235000A (zh) * | 2015-08-11 | 2016-01-13 | 邯郸市海拓机械科技有限公司 | 一种便携式超声波切刀 |
| CN106141565A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-23 | 浙江工业大学 | 超声滚压表面纳米化加工装置 |
| CN110116291A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-13 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种提高铀材料耐蚀性能的表面超声滚压处理工艺 |
| CN112029973A (zh) * | 2020-08-15 | 2020-12-04 | 天津大学 | 用于孔内表面旋压强化或超声辅助旋压强化加工方法 |
| CN113073183A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-06 | 福州大学 | 一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法 |
-
2008
- 2008-01-29 CN CNA2008100521963A patent/CN101220406A/zh active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103436675A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-12-11 | 天津大学 | 一种低电压大电流超声表面滚压加工装置 |
| CN104801845A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 天津大学 | 一种用于高温或真空环境的超声冲击枪及其使用方法 |
| CN105235000A (zh) * | 2015-08-11 | 2016-01-13 | 邯郸市海拓机械科技有限公司 | 一种便携式超声波切刀 |
| CN106141565A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-23 | 浙江工业大学 | 超声滚压表面纳米化加工装置 |
| CN106141565B (zh) * | 2016-08-12 | 2018-02-27 | 浙江工业大学 | 超声滚压表面纳米化加工装置 |
| CN110116291A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-13 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种提高铀材料耐蚀性能的表面超声滚压处理工艺 |
| CN112029973A (zh) * | 2020-08-15 | 2020-12-04 | 天津大学 | 用于孔内表面旋压强化或超声辅助旋压强化加工方法 |
| CN113073183A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-06 | 福州大学 | 一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101220406A (zh) | 一种半波长超声表面滚压加工用执行机构及加工方法 | |
| CN101219512A (zh) | 一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法 | |
| CN102719637B (zh) | 一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头 | |
| CN102119068B (zh) | 使用超声波纳米晶体表面改性器的轴承加工系统及方法 | |
| CN100463777C (zh) | 一种金属材料表面纳米层的加工方法及设备 | |
| CN206998465U (zh) | 一种用于磨削硬脆材料二维超声振动砂带磨削装置 | |
| CN101220405A (zh) | 一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置 | |
| CN101294237A (zh) | 一种超声表面线型滚压加工设备及其使用方法 | |
| CN102554754B (zh) | 径向振动超声珩磨装置 | |
| CN101220407A (zh) | 一种滚动冲击头式超声冲击枪 | |
| CN105729041A (zh) | 一种用于内孔类零件的超声表面滚压装置 | |
| CN106825679A (zh) | 一种基于旋转式无线电能传输的超声振动气钻 | |
| CN102560078A (zh) | 一种钢铁材料表面纳米化的方法 | |
| CN105779756B (zh) | 孔角强化处理方法 | |
| CN104972363A (zh) | 超声振动辅助磁力磨削装置 | |
| CN202369614U (zh) | 液压油缸细长活塞杆表面纳米强化装置 | |
| CN103436685A (zh) | 一种低电压大电流超声冲击装置 | |
| CN210132222U (zh) | 一种电辅助超声表面滚压强化装置 | |
| CN116038236A (zh) | 一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置及其方法 | |
| CN112775616A (zh) | 基于纵扭复合振动的超声滚压内孔表面强化方法及装置 | |
| CN203993493U (zh) | 一种珩磨工具 | |
| CN103436675A (zh) | 一种低电压大电流超声表面滚压加工装置 | |
| RU185980U1 (ru) | Устройство для упрочняющей обработки внутренних поверхностей деталей | |
| CN103273256A (zh) | 一种金属表面超声毛化处理方法 | |
| CN205099720U (zh) | 单冲击表面纳米化及梯度结构加工装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20080716 |