CN103331568A - 一种基于离心增力的工件表面滚压装置及滚压方法 - Google Patents
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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
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 (4)
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;
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。
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。
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