CN101239444A - 复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工工具，涉及一种复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具及方法。本发明将50Hz交流电转化为超声频的机械振动，通过变幅杆将该机械振动的振幅放大，传递给振动传递杆，带动其上的超硬磨料产生纵向振动，以很大的速度不断冲击被加工表面，产生极大的单位面积压力，使材料变形、破裂，成为无数微粒被切离下来，达到去除交叉孔毛刺的目的。超声波去毛刺可以加工手工刀具难以达到的部位；人为和环境的影响因素小，毛刺去除均匀、彻底，加工精度和加工质量易于保证和控制，毛刺去除程度一致，去毛刺部位的形状保持一致；适合加工复杂壳体零件中小孔径、大长径比的孔，尤其是Φ3以下的孔；加工时间短，加工效率提高50％～70％以上。

Description

复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具及方法

技术领域

本发明属于机械加工工具，涉及一种复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具及方法。

背景技术；

壳体零件与其他零件相比较，结构复杂，形位公差及加工精度要求高。一个壳体零件往往有几百个甚至上千个尺寸要求和大量直径、深度和精度要求不同的孔，深径比大于10的小孔占到了总数的30％以上。从加工工艺角度来看，加工工序繁多、周期长，加工后的毛刺位置特殊，尤其是各交叉孔处的毛刺，看不见，摸不着，去除难度大，如果去除不干净，将成为危险的工艺污染源，影响到零件的可靠性和寿命。

对于深孔的毛刺，目前，大多采用磨粒流和电化学的方法消除零件孔内毛刺，并取得一定的效果。但这两种方法都有局限性，磨粒流方法适合去除简单壳体、单一内孔零件的毛刺，对于复杂壳体零件，磨粒流在纵横交错孔系中的流向导引问题不好解决，也就不能处理好此类零件的各种孔内毛刺的去除问题。电化学去毛刺方法受电极的尺寸所限，只适合加工直径大于Φ3的内孔，加工后对零件的表面有腐蚀，不适合高精度的内孔和一些特殊材料(如钛合金)的零件的内孔毛刺去除，对环境也产生一定的污染。对于Φ3以下深小孔交叉部位去毛刺的研究很少，目前基本上还是处于手工处理毛刺的阶段，即：借助于冷光源、内窥镜的观察，用自治的手工工具(异型刮刀、锉刀、专用的研具等)去毛刺，劳动强度大，周期长，成本高、效率低，难以保证产品质量一致，不利于成批生产时的流水线作业和实现产品制造的柔性化，去毛刺过程中容易产生不应有的划痕，导致返工甚至报废，这都使零件的制造成本增加10％以上。

发明内容：

本发明的目的是提供一种制造成本低、质量好的复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具及方法。本发明的技术解决方案是，工具由超声波发生器、换能器、变幅杆、连接法兰、传递杆和超硬磨料工具磨头组成，换能器置于超声波发生器和变幅杆之间，连接法兰一端是带螺纹孔的外六方结构，通过螺纹与变幅杆连接，连接法兰的另一端是圆柱段，其上有直孔，与连接杆的圆柱段间隙配合，连接法兰与传递杆相固定；传递杆和磨头是整体结构，超硬磨料工具磨头是球体形状，超硬磨料工具磨头的过渡圆弧段与连接杆的圆柱段合成为整体。连接法兰的圆柱段与连接杆的圆柱段间隙配合，其间隙的大小为0.02mm～0.03mm。工具的总长度(L)为：

L＝nλ+λ/2＝N/f+1/2f

其中：λ为振动波长

f为振动频率

n为完整周期波的个数

利用超声波发生器将50Hz交流电转化为超声频的机械振动，通过变幅杆在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，将振幅放大，传递给传递杆，带动其上的超硬磨料工具磨头产生纵向振动。超硬磨料工具磨头球体与连接杆轴线方向垂直的方向相交点的机械振幅最大，连接法兰与连接杆连接处的振幅为零。本发明具有的优点效果：本发明基于超声波原理，针对复杂壳体零件上深小孔的技术要求，设计超声波超硬磨料去毛刺工具，使去毛刺超声磨头的超声频机械振动振幅最大，实现长径比大于20，直径小于Φ3深小孔毛刺快速、高质量的去除。该方法利用超声能量通过加工介质(磨料和加工工具)对零件进行加工的方法。本发明将50Hz交流电转化为超声频的机械振动，通过变幅杆将该振幅放大，传递给振动传递杆，带动其上的超硬磨料产生纵向振动，以很大的速度不断冲击被加工表面，产生极大的单位面积压力，使材料变形、破裂、成为无数微粒被切离下来，达到去除交叉孔毛刺的目的。与传统手工去毛刺和其它去毛刺相比，超声波去毛刺具有以下优势：可以加工手工刀具难以达到的部位；人为和环境的影响因素小，毛刺去除均匀、彻底，加工精度和加工质量易于保证和控制，毛刺去除程度一致，去毛刺部位的形状保持一致；适合加工复杂壳体零件中小孔径、大长径比的孔，尤其是Φ3以下的孔；加工时间短，加工效率提高50％～70％以上。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明连接法兰与传递杆和超硬磨料工具磨头结构示意图；

图3为本发明振动波形图。

具体实施方式

工具由超声波发生器1、换能器2、变幅杆3、连接法兰4、传递杆5和超硬磨料工具磨头6组成，换能器2置于超声波发生器1和变幅杆3之间，连接法兰4一端是带螺纹孔的外六方结构，通过螺纹与换能器2连接，连接法兰4的另一端是圆柱段7，其上有直孔，与连接杆5的圆柱段8间隙配合，连接法兰4与传递杆5相固定；传递杆5和超硬磨料工具磨头6是整体结构，超硬磨料工具磨头6是球体形状，超硬磨料工具磨头6的过渡圆弧段RD5与连接杆5的圆柱段ΦD3合成为整体。连接法兰4的圆柱段7与连接杆5的圆柱段ΦD3间隙配合，其间隙的大小为0.02mm～0.03mm。工具的总长度L为

L＝nλ+λ/2＝N/f+1/2f

其中：λ为振动波长

f为振动频率

n为完整周期波的个数

利用超声波发生器1将50Hz交流电转化为超声频的机械振动，通过变幅杆3在换能器2和声负载之间进行阻抗匹配，将振幅放大，传递给传递杆5，带动其上的超硬磨料工具磨头6产生纵向振动。

超硬磨料工具磨头6球体与连接杆5轴线方向垂直的方向相交点的机械振幅最大，  连接法兰4与连接杆5连接处的振幅为零。

超声波发生器、换能器及变幅杆的选用：

这三种器件根据去毛刺要求进行选用，一般符合下面三个方面：

1.交叉孔产生的毛刺一般是锯齿形连续的毛刺，并在两孔交叉的边缘，所以为了有效去除毛刺，要求产生的机械振动必须是纵向的，即沿孔的轴线方向带动超硬磨料工具磨头振动去除毛刺。

2.超声波发生器产生18kHz～21kHz的超声电振荡，可以通过改变频率，适应不同要求的孔。

3.通过变幅杆产生的机械振动的振幅一般在10μm～14μm。

超硬磨料工具设计：

如图2所示，超硬磨料工具由三部分组成：连接法兰4、传递杆5及超硬磨料工具磨头6。

连接法兰4一端是带螺纹孔的外六方结构，通过MD1的螺纹与换能器连接。外六方与标准扳手尺寸相配，用于安装法兰4。MD1的螺纹尺寸是根据所连接换能器的标准螺纹确定。外六方两个直边距离是A1，螺纹孔最大直径距离外六方直边的距离(A1-D1)/2＞4mm～6mm。连接法兰4的另一端是直径ΦD2的圆柱段，其上有ΦD3×L3的直孔，与连接杆的ΦD3圆柱段间隙配合，间隙的大小为0.02mm～0.03mm，再过焊接的形式将连接法兰4与传递杆5相固定。这里要保证法兰4带孔的空心圆柱段的壁厚(D2-D3)/2＞2mm～3mm，保证焊接可靠牢固。ΦD3孔的深度一般为4mm～6mm。

传递杆5和超硬磨料工具磨头6是整体结构，采用工具钢材料制成。超硬磨料工具磨头6是球体形状，通过RD5过渡圆弧段与连接杆的ΦD3圆柱段合成为整体，过渡圆弧起到减少应力集中的作用。超硬磨料工具磨头6的球头表面通过电镀方式均匀附有一层金刚石颗粒，颗粒的大小为W14～W16。超硬磨料工具磨头6的球头直径ΦD4(包括金刚石颗粒层厚度)比所要去毛刺的孔的直径小Φ0.25mm，并且要保证球头体积大于1/2体积，即通过球心沿与连接杆5轴线方向垂直的方向与球体相交点c要具有最大直径ΦD4，相交点c就是用于去毛刺的部分。连接杆5的长度L1要大于被加工孔的深度5mm左右，连接法兰4、传递杆5和超硬磨料工具磨头6连接成为整个超硬磨料工具的总长度L要保证超硬磨料工具磨头c点处的机械振幅最大，在法兰处连接位置的振幅为零，即：

L＝nλ+λ/2＝N/f+1/2f

其中：λ为振动波长

f为振动频率

n为完整周期波的个数

结合图1对超声波深孔去毛刺过程进行具体说明：220V、50Hz交流电通过超声波发生器1转换为18Kz～21Kz的超声波频率的电振荡，经过能量转换装置——换能器2将超声波频率的电振荡转换为超声频的机械振动。由于换能器输出的机械振动振幅很小，不能直接使用，必须利用具有机械阻抗的变幅杆3，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，通过截面面积的变化，引起超声波在传递过程中能量密度的变化，达到对振幅放大的目的。被放大的机械振动通过连接法兰4和振动传递杆5带动超硬磨料工具磨头6进行超频机械振动，并施加于毛刺部分，使其单位面积产生极大压力，最后毛刺变形、破裂从零件本体剥落，实现毛刺的去除。为防止振动传递杆从连接法兰上脱落，又保证超硬磨料工具磨头的机械振幅最大，周期性机械波8在法兰处a的振幅为零，即不产生振动，而超硬磨料工具磨头则处于周期性机械波8的波峰或波谷处b。

为进一步提高去毛刺部位的表面质量，超声波磨头去毛刺加工过程中，去毛刺部位添加高硬度的研磨微粉，在磨头超频振动的带动下，使微小的研磨粉粒以与超声振动相同的频率冲击被加工表面，对已经去除毛刺的部位进行捣实，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的表面加工层，消除工件表面的加工痕迹，完善去毛刺的表面质量。

Claims (5)

1.一种复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具，其特征是，工具由超声波发生器(1)、换能器(2)、变幅杆(3)、连接法兰(4)、传递杆(5)和超硬磨料工具磨头(6)组成，换能器(2)置于超声波发生器(1)和变幅杆(3)之间，连接法兰(4)一端是带螺纹孔的外六方结构，通过螺纹与换能器(2)连接，连接法兰(4)的另一端是圆柱段(7)，其上有直孔，与连接杆(5)的圆柱段(8)间隙配合，连接法兰(4)与传递杆(5)相固定；传递杆(5)和超硬磨料工具磨头(6)是整体结构，超硬磨料工具磨头(6)是球体形状，超硬磨料工具磨头(6)的过渡圆弧段(RD5)与连接杆(5)的圆柱段(ΦD3)合成为整体。

2.根据权利要求1所述的复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具，其特征是，连接法兰(4)的圆柱段(7)与连接杆(5)的圆柱段(ΦD3)间隙配合，其间隙的大小为0.02mm～0.03mm。

3.根据权利要求1所述的复杂壳体深小孔超声波去毛刺工具，其特征是，工具的总长度(L)为：L＝nλ+λ/2＝N/f+1/2f。

4.利用权利要求1所述工具进行复杂壳体深小孔超声波去毛刺的方法，其特征是，利用超声波发生器(1)将50Hz交流电转化为超声频的机械振动，通过变幅杆(3)在换能器(2)和声负载之间进行阻抗匹配，将振幅放大，传递给传递杆(5)，带动其上的超硬磨料工具磨头(6)产生纵向振动。

5.根据权利要求3所述的复杂壳体深小孔超声波去毛刺的方法，其特征是，超硬磨料工具磨头(6)球体与连接杆(5)轴线方向垂直的方向相交点的机械振幅最大，连接法兰(4)与连接杆(5)连接处的振幅为零。

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