CN103331568A

CN103331568A - 一种基于离心增力的工件表面滚压装置及滚压方法

Info

Publication number: CN103331568A
Application number: CN2013102910045A
Authority: CN
Inventors: 孙丽杰; 刘芬; 郭培全; 王守仁
Original assignee: Shandong Yingcai University
Current assignee: Shandong Yingcai University
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: CN103331568B

Abstract

一种基于离心增力的工件表面滚压装置及滚压方法，包括滚压头主体、滚珠、导柱、离心重块和弹簧，在滚压头主体中设有一个第一通道和两个第二通道，第一通道中安装一对离心重块，且在两个离心重块之间通过一个弹簧进行连接；所述第二通道上端与第一通道贯通，且在第二通道下端的敞口处设置锥形收口，锥形收口处放置一个滚珠；导柱竖向安装在第二通道中，顶部与离心重块的楔形底面接触；底部与滚珠接触。本发明设计的表面滚压加工装置，采用滚珠作为滚压工具，并利用离心重块的离心力增加了滚压力，结构简单、安装调整方便，制造成本较低，加工效率高，技术经济指标要显著高于其他表面滚压装置。

Description

一种基于离心增力的工件表面滚压装置及滚压方法

技术领域

该方案主要用于工件表面的光整、强化加工装备技术领域，具体地说是一种基于离心增力的工件表面滚压装置。

背景技术

金属材料的破坏往往从表面开始，例如，内燃机的曲轴、列车的车轴、汽车的板簧等零件在工作中持续承受循环载荷，时间一长，零件的工作表面常常会产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，最终导致零件的疲劳失效。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一，据统计，在机械零件失效中，约有80％以上属于疲劳破坏，且破坏前没有明显变形，因此，疲劳破坏常常会造成重大事故[1]。[1]周航，周旭东，周宛.金属零件表面滚压强化技术的现状与展望[J]．工具技术，2009，43(12)：19-22．

许多国家都在大力研究、开发和应用各种提高零件表面性能的新技术、新工艺，表面滚压强化技术就是其中之一。滚压加工是在常温下利用金属的塑性变形，通过一定形式的滚压工具向工件表面施加一定的压力，从而达到零件的尺寸精度和表面粗糙度要求，并可以改善材料表面性能、在金属表面产生残余压应力、提高表面耐磨性和抗疲劳性、延长工件的使用寿命。因此，滚压加工可同时达到光整加工和强化两种目的。

滚压加工具有效率高、强化效果显著的特点，从加工质量、生产效率、生产成本等方面来看，都是一项比较优越的加工方法。可替代传统的磨削、研磨、抛光等工序，作为工件的最终加工工艺。此外，表面滚压加工不产生废屑、废液，有利于节能环保，符合“绿色制造”的新理念。因此，随着机械制造业的不断发展，滚压加工工艺必将得到更为广泛的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于离心增力的工件表面滚压装置，是一种纯机械式的滚压装置，通过有效的控制转速控制滚压力度和精度，可控性能优越。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于离心增力的工件表面滚压装置，包括滚压头主体、滚珠、导柱、离心重块和弹簧，其特征在于：

与旋转的主轴相连的滚压头主体为竖向圆柱状结构，在滚压头主体中设有一个沿水平方向设置的第一通道，第一通道中安装一对离心重块，且在两个离心重块之间通过一个弹簧进行连接，在旋转状态下，离心重块有向外运动的趋势；

在滚压头主体的竖向设有一对第二通道，且两个第二通道关于滚压头主体的轴线对称，所述第二通道上端与第一通道贯通，且在第二通道下端的敞口处设置锥形收口，锥形收口处放置一个滚珠，并使滚珠的部分露出滚压头主体下表面；

导柱竖向安装在第二通道中，顶部为球面，与离心重块的楔形底面接触；底部为平面，与滚珠接触；

离心重块底面自内向外倾斜且与水平面夹角为α，使得离心重块向外运动时，具有一个压迫导柱向下运动的力。

所述夹角α为5度至30度。

所述夹角α为12度。

一种基于离心增力的工件表面滚压方法，利用上述装置，其特征在于，将所述滚压头主体下表面的滚珠贴合在待加工工件表面，然后，滚压头主体转动，在待加工工件表面均匀进给。

本发明的有益效果是：设计结构简单、易于制作，安装、使用、调整方便，并具有高倍增力功能的新型表面滚压装置。可以在较大程度上提高生产效率、降低生产成本，从而进一步扩大表面滚压工艺在机械加工领域的应用空间。

本发明设计的表面滚压加工装置，采用滚珠作为滚压工具，并利用离心重块的离心力增加了滚压力，结构简单、安装调整方便，制造成本较低，加工效率高，技术经济指标要显著高于其他表面滚压装置。

附图说明

图1为全剖视图；

图2为受力分析图；

图中：1滚压头主体，11第一通道，12第二通道，13锥形收口，2离心重块，3弹簧，4滚珠，5导柱。

具体实施方式

如图1至图2所示，

该装置主要由以下几部分组成：

滚压头主体1，主体为一圆柱状结构，用于和旋转的主轴相连，由主轴带动旋转，在滚压头主体中设有一个沿水平方向设置的第一通道11，第一通道用于安装离心重块2，且在两个离心重块之间通过一个弹簧3进行连接，在旋转状态下，离心重块2有向外运动的趋势。在滚压头主体的竖向设有一对第二通道12，且两个第二通道关于主体的轴线对称，第二通道上端与第一通道贯通，与外界贯通，且在第二通道下端的敞口处设置锥形收口13，锥形收口处放置一个滚珠4，并使滚珠的部分露出滚压头主体下表面。

滚压工具，滚压工具通常有滚珠、圆柱形滚柱、圆锥形滚柱、滚轮等。本装置采用滚珠4。滚珠的精度高，硬度高，与工件接触面小，用较小的滚压力，较小的过盈量可获得较高的压强，较小的粗糙度。而且滚珠的使用寿命长，不易磨损，价格便宜，易更换。

导柱5，顶部为球面，与离心重块的楔形底面接触；底部为平面，将滚珠压紧在工件表面上。导柱可以将离心重块所产生的离心力传递到滚珠上，从而实现增力。

离心重块2，位于装置第一通道内（该腔体在加工过程中起到导向作用，使离心重块的运行具有方向性），离心重块底面自内向外倾斜且与水平面夹角为α，图中的夹角α为12度。两离心重块尺寸、质量相同，可采用铸铁材料，并在内部嵌入密度较大的材料，如重金属铅等，用于增大离心力。

弹簧3，两端分别固定在两个离心重块上，在加工过程中用以平衡离心重块的离心力。

安装调整

先将一组滚珠和导柱从装置顶部的安装口装入第二通道，导柱顶端的球面位于装置上部的第一通道内，如图1所示。然后，将两离心重块通过弹簧连接好后，从未装入导柱的一侧推入装置上部的第一通道内；最后，将离心重块向已装入导柱的一侧压紧弹簧，从而可以装入另一组滚珠和导柱。安装完成后，释放离心重块，弹簧处于自然状态。

工作原理

基于离心增力的工件表面滚压装置的工作原理如图2所示。加工时，滚压装置以角速度ω随机床主轴旋转，离心重块产生离心力F₁，通过离心重块的斜面对导柱和滚珠产生较大的压力F₂，从而起到增力作用，提高表面滚压的加工效率。

当滚压装置以角速度ω旋转时，忽略力传递过程中的摩擦损失，所产生的滚压力的计算如下：

离心重块所产生的离心力：F₁=mrω²

通过斜面传递到工件上的压紧力为：F₂=F₁tanα=mrω²tanα

式中m——离心重块，kg

r——离心重块的质心至机床主轴中心的距离，m

α——离心重块底面斜角

由此可见，主轴角速度、离心重块质量、离心重块距机床主轴中心距离和底面斜角α都会影响增力的大小。需要注意的是表面滚压的压紧力有一个最佳值，超过该值后工件的加工效果会降低，滚压表面开始恶化，甚至出现裂纹。因此在实际加工时，应合理选择上述各影响因素。使用时，将所述滚压头主体下表面的滚珠贴合在待加工工件表面A，然后，滚压头主体转动，在待加工工件表面均匀进给。在滚压过程中可以根据需要进行转速的调整，进而调节滚压的效果。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于离心增力的工件表面滚压装置，包括滚压头主体、滚珠、导柱、离心重块和弹簧，其特征在于：

与旋转的主轴相连的滚压头主体为竖向圆柱状结构，在滚压头主体中设有一个沿水平方向设置的第一通道，所述第一通道中安装一对离心重块，且在两个离心重块之间通过一个弹簧进行连接，在旋转状态下，离心重块有向外运动的趋势；

在滚压头主体的竖向设有一对第二通道，且两个第二通道关于滚压头主体的轴线对称，所述第二通道上端与第一通道贯通，且在第二通道下端的敞口处设置锥形收口，所述锥形收口处放置一个滚珠，并使滚珠的部分露出滚压头主体下表面；

2.根据权利要求1所述的一种基于离心增力的工件表面滚压装置，其特征在于，所述夹角α为5度至30度。

3.根据权利要求2所述的一种基于离心增力的工件表面滚压装置，其特征在于，所述夹角α为12度。

4.一种基于离心增力的工件表面滚压方法，利用权利要求1至3任意所述的滚压装置进行滚压，其特征在于，将所述滚压头主体下表面的滚珠贴合在待加工工件表面，然后，滚压头主体转动，在待加工工件表面均匀进给。