CN101942547B - 超声椭圆振动挤压装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声椭圆振动挤压装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法，该超声椭圆振动挤压装置包括有一个变幅杆、四个结构相同的激励源和一个挤压用具；挤压用具安装在变幅杆的输出段上，四个激励源分别安装在变幅杆的激励段的四个凹槽内。在振动挤压加工过程中，通过调节零件与金刚石挤压头之间的挤压接触角，以及超声椭圆振动挤压装置的加工参数，从而使挤压头在激励源的驱动下相对零件加工表面做椭圆轨迹的超声振动。该装置一方面利用超声振动的脉冲冲击作用减小挤压力，使挤压工艺可以应用于薄壁类零件和细长类零件；另一方面利用椭圆振动的分离特性和运动轨迹特点，避免正面直接冲击，减小甚至消除挤压头与零件被加工表面的滑动摩擦，由此降低零件的被加工表面的表面粗糙度，延长挤压头的寿命。

Description

超声椭圆振动挤压装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法

技术领域

本发明涉及一种适用于普通车床、镗床及数控机床，对零件内、外表面进行强化光整加工的超声椭圆振动挤压工艺方法。采用双路超声电源提供给超声换能器超声频率的激励，使挤压头相对零件表面做椭圆轨迹的运动，在完成零件表面的强化光整加工的同时，大大减小了挤压力和挤压头与零件之间的摩擦，提高了挤压头的使用寿命。

背景技术

挤压加工是一项常用的表面强化及光整的工艺方法，其大多用于回转零件的内、外表面加工，常作为最后一道机械加工工序应用于对零件表面强度、应力状态及表面质量有较高要求的场合。

超声振动加工作为一种非传统的加工方法最早是由R.W.Wood和A.L.Balaunth在1927年提出的，1979年日本的隈部淳一郎教授的专著《精密加工——振动切削基础与应用》中对超声振动加工做出了系统的描述和总结，并对振动加工进行了分类。1986年，日本学者石川健一首先提出用“椭圆振动切削方法”(ellipticalvibration cutting)对聚合物进行切削。20世纪90年代初，日本神户大学的社本英二教授等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究。德国Fraunhofer研究中心和不莱梅大学、新加坡制造技术研究所也都曾先后进行了超声椭圆振动切削的研究。

随着振动加工技术的日益成熟，这种加工方式也被引入了挤压工艺。目前，已经出现超声单向振动挤压工艺，在实验室研究中取得了一定进展。研究表明，普通挤压工艺挤压力大，摩擦严重，在强化零件表层的同时，很容易造成表面质量恶化，增大表面粗糙度，挤压头寿命短。而且由于挤压力大，几乎无法对薄壁类零件及细长类零件进行加工，大大阻碍了挤压工艺的应用。超声单向振动挤压技术，挤压力得到大大下降，挤压头与零件之间的摩擦减小，挤压头寿命延长，零件表面质量得到大幅度提高。

但是，超声单向挤压工艺具有单纯冲击作用，这使得挤压头在每个振动周期内都会受到一次冲击，这种冲击虽然减小了摩擦，但却使挤压头容易造成冲击破损，因此挤压头的寿命延长有限，甚至在振动参数不适当的情况下，还会严重缩短挤压头的寿命。

本发明针对普通挤压工艺方法和超声振动挤压工艺方法的不足，结合生产实际的需要，提出适用于各种普通机床和数控机床的超声椭圆振动挤压工艺方法，在降低挤压力的同时，可以有效地延长挤压头的寿命，减少挤压头的磨损和冲击破损，并可应用于薄壁类零件和细长类零件。配合工艺方法设计出了用于加工的双弯超声椭圆振动挤压装置。

发明内容

本发明的目的是为了弥补普通挤压工艺方法和超声单向振动挤压工艺方法的缺陷，改善使用挤压工艺方法加工薄壁类零件和细长类零件的局限，在挤压过程中，于挤压头上附加超声椭圆振动，使挤压头在激励源的驱动下，相对零件加工表面做椭圆轨迹的运动，从而一方面利用超声振动的脉冲冲击作用减小挤压力，使挤压工艺可以应用于薄壁类零件和细长类零件；另一方面利用椭圆振动的分离特性和运动轨迹特点，避免正面直接冲击，减小甚至消除挤压头与零件被加工表面的滑动摩擦，由此降低了零件的被加工表面的表面粗糙度，延长了挤压头的寿命。

本发明的一种能够对零件表面进行强化光整的超声椭圆振动挤压装置，该装置包括有一个变幅杆、四个结构相同的A激励源、B激励源、C激励源和D激励源和一个挤压用具；所述挤压用具包括有连接件、金刚石和顶丝，金刚石安装在连接件一端的一通孔内，且用顶丝顶紧，连接件的另一端安装在变幅杆的输出段的定位槽上；

所述A激励源包括有两片陶瓷片和一片铜片，铜片置于两片陶瓷片之间，且相叠；

所述变幅杆为一体加工成型件，变幅杆上设有激励段、聚能段、阶梯变幅段和输出段；激励段上设有A凹槽、B凹槽、C凹槽和D凹槽，每个凹槽内均设有用于固定螺钉的螺纹孔；A凹槽用于安装A激励源，B凹槽用于安装B激励源，C凹槽用于安装C激励源，D凹槽用于安装D激励源；输出段的端面上开有定位槽，该定位槽上开有安装孔，所述安装孔用于与连接件的另一端连接；变幅杆的尾部端面的中心开有连接孔，该连接孔用于将超声椭圆振动挤压装置与机床的刀夹连接。变幅杆上的激励段和聚能段的长度相等。变幅杆的聚能段和输出段的声阻抗为Z_n＝ρ_nc_nS_n。

采用本发明设计的超声椭圆振动挤压装置进行零件表面光整的振动挤压加工方法，其特征在于包括有下列步骤：

(A)调节零件与金刚石挤压头的位置；轨迹所在平面与零件加工点所在平面成α角为30°～60°的夹角，即挤压接触角为30°～60°；

(B)设置超声椭圆振动挤压装置的加工参数；超声椭圆振动挤压装置输出的振动频率为18KHz～25KHz，挤压头接触零件的时间为不大于1/72000秒；超声椭圆振动挤压装置的振动轨迹为

速度方程式为金刚石挤压头的合成速度的绝对值为 $V_1=\sqrt{V_x^2+V_y^2}=\mathrm{\ω}\sqrt{A_1^2{\cos }^2\mathrm{\ωt}+A_2^2{\cos }^2(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})};$

(C)开启润滑冷却液，开动机床，振动挤压加工开始。

本发明的优点：

超声椭圆振动挤压装置采用双弯超声椭圆压电换能器将超声频的激励通过变幅杆的变幅放大作用而施加于挤压头，一方面由于换能器体积小巧，可以根据零件的特点选择换能器的摆放角度和位置，另一方面由于超声椭圆振动使挤压头与零件的接触时间减少，并利于冷却润滑液进入挤压头和零件之间的空隙，充分冷却和润滑挤压头，因此可以加工硬度大于HRC40的任意金属零件。

此外，双弯超声椭圆换能器中的两个方向的压电陶瓷都是在换能器和变幅杆中产生弯曲振动和弯曲波，因此其振动固有频率和波长相同，相互之间的干扰较小，耦合效应小于其他形式的双路超声换能器，易于实现两路振动的协调。采用压电陶瓷换能器，使换能器在不减小功率的情况下，体积大幅度减小，发热量也极大减少，有利于实际生产的使用。

采用本发明设计的超声椭圆振动挤压装置进行零件表面光整的振动挤压加工方法中，一方面利用超声振动的脉冲冲击作用减小挤压力，使挤压工艺可以应用于薄壁类零件和细长类零件；另一方面利用椭圆振动的运动轨迹特点，避免挤压头与零件之间的正面直接冲击，减小甚至消除了挤压头与零件被加工表面的滑动摩擦，由此降低零件的被加工表面的表面粗糙度，即提高了工件表面的光整，同时又延长了挤压头的使用寿命。

附图说明

图1是本发明超声椭圆振动挤压装置的结构图。

图1A是本发明超声椭圆振动挤压装置的分解图。

图2是本发明变幅杆的结构图。

图3是本发明超声椭圆振动挤压装置与工件的加工位置示意图。

图4是加工时采用本发明超声椭圆振动挤压装置的椭圆运动轨迹示意图。

图4A是加工时本发明超声椭圆振动挤压装置与工作加工面的几何关系示意图。

图5是本发明超声椭圆振动挤压装置的运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明是一种能够对零件表面进行强化光整的超声椭圆振动挤压装置，该装置包括有一个变幅杆5、四个结构相同的激励源(A激励源1、B激励源2、C激励源3和D激励源4)和一个挤压用具；所述挤压用具包括有连接件6、金刚石7和顶丝8，金刚石7(下文也称金刚石挤压头)安装在连接件6一端的通孔内，且用顶丝8顶紧，连接件6的另一端安装在变幅杆5的输出段504的定位槽541内。

参见图1、图1A所示，A激励源1包括有两片陶瓷片和一片铜片，铜片置于两片陶瓷片之间，即为叠加放置。在本发明中，设计不同的A激励源1结构，是由于变幅杆5作为电源负极，故A激励源1的两个外侧为陶瓷片。本发明设计的超声椭圆振动挤压装置在工作过程中，铜片与加载电源的正极相连，而陶瓷片直接与金属材质的变幅杆5相接触，因此变幅杆5能够作为了电源负极。

为了实现本发明设计的超声椭圆振动挤压装置进行大功率的振动挤压加工，本发明的激励源也可以采用多片陶瓷片与多片铜片相叠加的形式，如四片陶瓷片，则应有三片铜片。

参见图1、图1A、图2所示，金属材质的变幅杆5为一体加工成型件，变幅杆5上设有激励段501、聚能段502、阶梯变幅段503和输出段504；其中，激励段501的长度与聚能段502的长度相等。

激励段501上设有A凹槽51、B凹槽52、C凹槽53和D凹槽54，每个凹槽内均设有用于固定螺钉的螺纹孔；A凹槽51用于安装A激励源1，B凹槽52用于安装B激励源2，C凹槽53用于安装C激励源3，D凹槽54用于安装D激励源4。

输出段504的端面上开有定位槽541，该定位槽541上开有安装孔542，所述安装孔542用于与连接件6的另一端连接。

变幅杆5的尾部端面5A的中心开有连接孔55，该连接孔55用于实现本发明的超声椭圆振动挤压装置与机床的刀夹连接，也就是说，本发明的超声椭圆振动挤压装置通过连接孔55安装在机床的刀夹上，而被加工的零件，则安装在机床的工作台上(如图3所示)。

本发明超声椭圆振动挤压装置是基于固体中弹性波动基本理论进行设计的，故变幅杆5的聚能段502和输出段504之间存在的弹性波动关系为

式中k₁表示变幅杆5的聚能段502的波数，l₁表示变幅杆5的聚能段502的长度，k₂表示变幅杆5的输出段504的波数，l₂表示变幅杆5的输出段504的长度，Z₁表示变幅杆5的聚能段502的声阻抗，Z₂表示变幅杆5的输出段504的声阻抗。

参见图4、图4A、图5所示，应用本发明设计的超声椭圆振动挤压装置，对零件表面进行强化光整的超声椭圆振动挤压加工时的步骤有：

(A)调节零件与金刚石挤压头的位置，即调节挤压接触角α；

所述挤压接触角α是指零件加工面与椭圆轨迹投影面之间的夹角，即α＝30°～60°；

所述椭圆轨迹投影面是指金刚石挤压头运动时的椭圆轨迹的零件加工点O′所在平面。图中，A₁表示椭圆轨迹的长轴(下文也称为x轴方向的振幅)，A₂表示椭圆轨迹的短轴(下文也称为y轴方向的振幅)，长、短轴的交点即零件加工点O′；

(B)设置超声椭圆振动挤压装置的加工参数；

工作频率18KHz～25KHz，金刚石挤压头接触零件的时间不大于1/72000秒；超声椭圆振动挤压装置的振动椭圆轨迹为速度方程式为

金刚石挤压头的合成速度的绝对值为 $V_1=\sqrt{V_x^2+V_y^2}=\mathrm{\ω}\sqrt{A_1^2{\cos }^2\mathrm{\ωt}+A_2^2{\cos }^2(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})};$

(C)开启润滑冷却液，开动机床，振动挤压加工开始。

(一)加工原理

1、零件与金刚石挤压头

金刚石挤压头作为加工的最终执行部件，理论上其球面上的某一点与零件的表面接触。双弯超声椭圆振动换能器驱动金刚石做沿椭圆轨迹的运动，该轨迹所在平面与零件加工面成α角为30°至60°的夹角，称为挤压接触角。如图4、图4A所示

金刚石挤压头的加工时的运动轨迹方程式是

$\left\{\begin{array}{c}x=A_1\sin \mathrm{\ωt}\\ y=A_2\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(1\right)$

故其速度方程式为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_x=A_1\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ωt}\\ V_y=A_2\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

A₁表示x轴方向的振幅，A₂表示y轴方向的振幅，其中ω＝2πf，f表示超声振动的频率，t表示工件加工时间，θ表示加工时x轴方向与y轴方向振动的相位差，V_x表示金刚石挤压头在x轴方向上的运动速度，V_y表示金刚石挤压头在y轴方向上的运动速度。为方便叙述，只考虑在一个周期内的情形。假设零件的运动速度为V₀，当金刚石挤压头沿椭圆轨迹运动的切线速度与零件的运动速度V₀相同时，则金刚石挤压头与零件之间不存在滑动摩擦，动滑动摩擦力为零。在金刚石挤压头与零件表面的理论接触点处，挤压头与零件之间的运动关系与普通滚轮滚压时滚轮和零件之间的运动关系相同，但是金刚石挤压头不同于滚轮滚压，金刚石挤压头与零件都是主动运动，没有从动关系，因此也不存在静滑动摩擦力。

具体而言，金刚石挤压头的合成速度的绝对值为

$V_1=\sqrt{V_x^2+V_y^2}=\mathrm{\ω}\sqrt{A_1^2{\cos }^2\mathrm{\ωt}+A_2^2{\cos }^2(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$

当V₁＝V₀时，即满足上述消除滑动摩擦的条件。

3、挤压力

超声椭圆振动挤压方法在加工零件时，金刚石挤压头对零件表面以脉冲力(如图5所示)的形式直接作用，因此挤压头对零件具有冲击的特性。冲击发生在极短的时间内，使物体之间发生有限量的动量传递。因而，物体上各质点的加速度极大，并作用有极大地瞬时冲击力。冲击过程中，机械能之间、机械能与其他形式的能量之间产生急剧转化，一般总伴随有机械能的损耗，包括物体材料的弹性与塑性变形和变形的恢复，应立波的传播，产生热、光、声等能量形式。

一般零件都是弹塑性体，在受到碰撞冲击时既有弹性变形，也有塑性变形。超声椭圆振动的振动频率一般在18KHz～25KHz，而由于其特殊的振动轨迹，使得挤压头接触零件的时间只有四分之一周期，即不大于1/72000秒。在如此短暂的接触时间内，冲击力瞬时值很大，但是由于零件的整体结构形式相对于接触面积很大，且接触时间很短，所以零件的宏观结构无法对这一碰撞冲击做出反应，能量将只集中在挤压头与零件的接触点附近的极小区域内，零件的材料变形就是在这种能量的作用下实现的。

在此情况下，零件整体结构的变形取决于作用在其上的名义挤压力，或者称为静水压力。超声振动施加于零件的脉冲冲击力虽然很大，但是表现出来的静水压力却很小，远小于其他普通挤压或者滚压的压力，因此零件结构的变形量很小，这在加工薄壁类零件和细长杆类零件时显示了非常大地优势。

加工过程中，所受力以正对挤压头的挤压力最大，其他方向的力为次要力。振动的能量除遭到阻尼损耗外，全部用来造成零件表面材料变形，因此振幅越大，施加在零件表面的能量就越大，相应的脉冲力也就越大，材料变形也就越充分。

(二)加工工具及机床

1、双弯超声椭圆振动的实现

本发明采用双弯超声椭圆振动实现挤压头的超声椭圆振动，双弯超声椭圆振动的实现依靠双弯超声椭圆振动换能器。双弯超声椭圆振动换能器由变幅杆、压电陶瓷、电极、盖板组成，位于相互垂直的两组压电陶瓷在相位差为90°或者270°的两路同频激励信号源作用下，产生伸缩运动，压电陶瓷的振动以波动形式传递给变幅杆，并经变幅杆放大后，在变幅杆头部带动挤压头做沿椭圆轨迹的超声椭圆振动。

压电陶瓷、电极和盖板构成一组激励源，如图1所示，A和B两组激励源相对，构成一对振动体，产生一个方向的弯曲振动；C和D两组激励源相对，构成一对振动体，产生另一个方向的弯曲振动。A和B的激励信号的相位差为180°，C和D的激励信号的相位差为180°，A和C的激励信号的相位差为90°，A和D的激励信号的相位差为90°。具体而言，加入激励源A的相角为0°，则激励源B的相角为180°，而激励源C的相角为90°，激励源D的相角为270°。当A伸张时，B收缩，当A收缩时，B伸张。同样，C和D亦如此。A和B构成的振动体对，在换能器尾端的振动经由变幅杆以弯曲波形式将振动传递给挤压头，C和D构成的振动体对的振动方向正好与A和B构成的振动体对的振动方向垂直，也是以弯曲波形式将振动传递给挤压头，这两个振动的合成运动就构成了挤压头的椭圆振动。

2、加工工具

加工工具由双弯超声椭圆振动换能器、金刚石挤压头连接基座和金刚石挤压头构成。换能器与变幅杆在制造过程中加工成一体，换能器尾端呈长方体形，前端是圆柱体阶梯型变幅杆。尾端的长方体四面对称，每一面都加工出与压电陶瓷尺寸相同的凹槽，方便压电陶瓷的安装和定位。激励源A和激励源C的压电陶瓷负极与长方体接触，正极朝外，激励源B和激励源D的压电陶瓷正极与长方体接触，负极朝外，在每个激励源的两片压电陶瓷之间粘贴铜片作为电极以连接超声驱动电源的正极，并作绝缘保护，防止伤人，变幅杆直接连接超声驱动电源的负极。盖板经由两个螺钉紧固的压在电极和压电陶瓷上，以保证压电陶瓷在振动过程中有足够的预压力，不会由于伸张而造成碎裂。同时，螺钉作为导电体，又将每个激励源的两片压电陶瓷的未粘贴铜片的两侧连接起来，并经由变幅杆而连接在超声驱动电源的负极上。

金刚石挤压头连接基座采用热装的方式紧密连接与变幅杆的顶端的凹槽内，顶端加工凹槽即可稳定连接基座，为基座提供一定支撑，又可保证热装时定位准确。基座的头部采用电火花加工出与金刚石挤压头尾端尺寸相同的方孔，使用时将金刚石挤压头放置于方孔内，用螺钉紧固于基座之上。

3、加工实施操作

(1)通常金属零件的内外表面均可以进行挤压加工，零件可以装卡在车床、铣床、镗床以及数控机床上，一般主运动施加于零件上，进给运动由挤压头完成。

(2)零件装卡必须要尽可能减小装卡造成的误差，一般应当在完成前道工序后不将零件拆下，即进行挤压加工，以保证前后误差不致因为二次装卡而增大。

(3)换能器通过其后的安装定位孔装夹在机床的执行运动部件上，一般是通常情况下安装切削刀具的刀架。在车床上使用时，需要另外制造装夹外壳以装夹换能器，将安装了换能器的外壳整体装夹在车床的刀架上。装夹时，需要调整中心高或者主轴同轴度。

(4)挤压中需要有润滑冷却液，一般情况下采用流动性好的水性或者油性润滑液，其作用一方面在挤压头和零件表面之间构成液体膜，减小摩擦，另一方面降低挤压头的温度，延长挤压头的使用寿命。

(5)挤压参数的选择，需要根据被加工零件的结构和材料选择。工作频率18KHz～25KHz，金刚石挤压头接触零件的时间不大于1/72000秒；超声椭圆振动挤压装置的振动椭圆轨迹为

速度方程式为

金刚石挤压头的合成速度的绝对值为一般情况下挤压力在200N至400N之间，进给量则根据需要得到的零件表面质量的要求适当选择，通常既要保证表面质量合格，又要保证一定得加工效率。

(6)将换能器按要求安装好，并选择适当的挤压加工参数后，开启润滑冷却液，开动机床，即可开始挤压加工。车床上的加工过程，与普通车削加工类似，只是吃刀量代之以挤压深度(由挤压力控制)，并且加工过程中没有切屑产生。

Claims (3)

1.一种能够对零件表面进行强化光整的超声椭圆振动挤压装置，其特征在于：该装置包括有一个变幅杆(5)、四个结构相同的A激励源(1)、B激励源(2)、C激励源(3)和D激励源(4)和一个挤压用具；所述挤压用具包括有连接件(6)、金刚石(7)和顶丝(8)，金刚石(7)安装在连接件(6)一端的一通孔内，且用顶丝(8)顶紧，连接件(6)的另一端安装在变幅杆(5)的输出段(504)的定位槽(541)上；

所述A激励源(1)包括有两片陶瓷片和一片铜片，铜片置于两片陶瓷片之间，且相叠；

所述变幅杆(5)为一体加工成型件，变幅杆(5)上设有激励段(501)、聚能段(502)、阶梯变幅段(503)和输出段(504)；激励段(501)上设有A凹槽(51)、B凹槽(52)、C凹槽(53)和D凹槽(54)，每个凹槽内均设有用于固定螺钉的螺纹孔；A凹槽(51)用于安装A激励源(1)，B凹槽(52)用于安装B激励源(2)，C凹槽(53)用于安装C激励源(3)，D凹槽(54)用于安装D激励源(4)；输出段(504)的端面上开有定位槽(541)，该定位槽(541)上开有安装孔(542)，所述安装孔(542)用于与连接件(6)的另一端连接；变幅杆(5)的尾部端面(5A)的中心开有连接孔(55)，该连接孔(55)用于将超声椭圆振动挤压装置与机床的刀夹连接。

2.根据权利要求1所述的超声椭圆振动挤压装置，其特征在于：变幅杆(5)上的激励段(501)和聚能段(502)的长度相等。

3.采用如权利要求1所述的超声椭圆振动挤压装置进行零件表面光整的振动挤压加工方法，其特征在于包括有下列步骤：

(A)调节零件与金刚石挤压头的位置；轨迹所在平面与零件加工点所在平面成α角为30°～60°的夹角，即挤压接触角为30°～60°；

(B)设置超声椭圆振动挤压装置的加工参数；超声椭圆振动挤压装置输出的振动频率为18kHz～25kHz，挤压头接触零件的时间为不大于1/72000秒；超声椭圆 振动挤压装置的振动轨迹为

速度方程式为

金刚石挤压头的合成速度的绝对值为

A₁表示x轴方向的振幅，

A₂表示y轴方向的振幅，

ω＝2πf，f表示超声振动的频率，

t表示工件加工时间，

θ表示加工时x轴方向与y轴方向振动的相位差，

V_x表示金刚石挤压头在x轴方向上的运动速度，

V_y表示金刚石挤压头在y轴方向上的运动速度；

(C)开启润滑冷却液，开动机床，振动挤压加工开始。 

Images