CN103436675A

CN103436675A - 一种低电压大电流超声表面滚压加工装置

Info

Publication number: CN103436675A
Application number: CN2013103076258A
Authority: CN
Inventors: 王东坡; 王颖; 王婷; 吴良晨; 尹丹青; 邓彩艳
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种低电压大电流超声表面滚压加工装置，包括在壳体内依次设置有施力装置、压电陶瓷换能器、与压电陶瓷换能器连接顶端带有工作头的变幅杆，所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm，为全波长和半波长两种形式。本发明的有益效果是：能够有效改变现有压电式超声表面加工装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，在显著降低其负载阻抗并加大其谐振带宽、改善频率跟踪条件、提高有效功率输出的同时，大幅降低装置的工作电压，从而保障操作安全。另外，换能器散热条件的改善也可以使负载阻抗降低，同时延长换能器的使用寿命。

Description

一种低电压大电流超声表面滚压加工装置

技术领域

本发明涉及一种金属表面处理技术领域，特别涉及一种低电压大电流超声表面滚压加工装置。

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或其阵列，在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。

现有的全波长和半波长两种设计方式的压电式超声表面滚压加工装置的装置均属于大电压低电流的工作方式，例如中国专利申请号为200810052196.3公开的一种半波长压电式超声表面滚压加工装置的装置，瞬间失谐电压可达上千伏，极不安全，尤其是在水下环境冲击作业时，对操作人员的人身安全造成极大威胁。同时处于该种工作方式的负载阻抗一般比较大，谐振频带相对较窄，频率跟踪条件极为苛刻，致使系统无法始终工作在最佳谐振状态，从而大大降低了有效功率的输出。

发明内容

本发明目的在于改变现有压电式超声冲击装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，提供一种低电压大电流超声表面滚压加工装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低电压大电流超声表面滚压加工装置，该装置包括：壳体，在壳体内从底部向外依次设置有施力装置、压电陶瓷换能器、在压电陶瓷换能器上连接顶端带有工作头的变幅杆，所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm。

所述超声表面滚压加工装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆的全波长形式和1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆的半波长形式。

所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应阵列。

所述施力装置为压缩空气或弹簧。

所述变幅杆的轴向截面呈阶梯、锥台或其组合。

所述装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为3mm；所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应的阵列工作头。

所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为1.5mm；所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应的阵列工作头。

所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为30片、厚度为0.75mm；所述工作头为球体滚动工作头。

所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为20片、厚度为2mm；所述工作头为柱体滚动加工头。

本发明的有益效果是：本发明全波长或半波长低电压大电流压电式超声表面滚压加工装置能够有效改变现有压电式超声表面加工装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，在显著降低其负载阻抗并加大其谐振带宽、改善频率跟踪条件，提高有效功率输出的同时，大幅降低装置的工作电压，从而保障操作安全。另外，换能器散热条件的改善也可以使负载阻抗降低，同时延长换能器的使用寿命。

半波长低电压大电流压电式超声表面滚压加工装置具有重量轻、体积小适应灵活等优点，对于管壁、内环槽等的处理更加理想，必要时可改为单手持握式操作。

阶梯－锥台－阶梯型全波长或半波长低电压大电流压电式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零部件。

附图说明

图1是低电压大电流压电式全波长超声表面球体滚压加工装置示意图；

图2是滚动工作头及阵列示意图；

图3是低电压大电流压电式半波长超声表面球体滚压加工装置的阶梯-锥台-阶梯型示意图；

图4是低电压大电流压电式半波长超声表面球体滚压加工装置处理管道内壁示意图；

图5是低电压大电流压电式全波长超声表面球体滚压加工示意图。

其中：1、压缩空气或弹簧静压力，2、半波长压电陶瓷换能器，3、半波长变幅杆，4、球体滚动工作头，5、球体滚动工作头，6、柱体滚动工作头，7、球体滚动工作头阵列，8、柱体滚动工作头阵列，9、压缩空气或弹簧静压力，10、1/4波长压电陶瓷换能器，11、1/4波长变幅杆，12、球体滚动工作头，13、压缩空气或弹簧静压力，14、1/4波长压电陶瓷换能器，15、1/4波长变幅杆，16、球体滚动加工头，17、被加工管壁，18、待加工平板试件，19、柱体滚动加工头，20、半波长变幅杆，21、半波长压电陶瓷换能器，22、压缩空气或弹簧静压力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

A、加工装置

如图1所示一种低电压大电流压电式全波长超声表面球体滚压加工装置，包括在壳体内设置有施力装置1、半波长压电陶瓷换能器2、一端连接在所述压电陶瓷换能器2上的半波长变幅杆3、在半波长变幅杆3另一端设有的工作头4，所述施力装置1为压缩空气或弹簧静压力，所述工作头4为如图2所示的球体滚动工作头5，或可更换为柱体滚动工作头6或球体滚动工作头阵列7、柱体滚动工作头阵列8，所述半波长压电陶瓷换能器2的片数为14片，厚度为3mm。

对于压电式换能器，是本发明实现低电压大电流超声技术部分，改变了现有技术的压电陶瓷片的个数的普遍选用值，现有技术中陶瓷片一般选择4—6片，本发明在大量的实验中发现，当压电陶瓷片的个数增加为原来的n倍，负载阻抗降低为原来的1/n²，相同电流情况下，输出的振幅变为原来的1/n；压电陶瓷片的厚度减少为原来的1/n，负载阻抗降低为原来的1/n²，相同电流情况下，输出的振幅变为原来的1/n。因此，通过增加压电陶瓷片的个数和减少陶瓷片的厚度可以有效降低负载阻抗，改善系统频率跟踪的条件，大幅提高有效功率的输出，从而在获得相同输出功率的前提下显著降低输出电压，甚至可以达到谐振电压仅为几个伏特的超低电压工作方式。由于整个系统的功率并不改变，电流的可调节范围将会大大增加。

另外，该种方法在不改变晶堆总体直径和厚度的同时，加大了铜极的面积，因此有利于换能器散热，防止其因散热不良而造成的阻抗上升和换能器老化。

晶堆一般选用14～30片压电陶瓷片，陶瓷片数量为偶数，单片厚度一般为0.5～3mm。该种工作方式下，系统瞬间失谐的峰值电压不超过90伏，大大提高了操作安全系数，输出功率50～450W连续可调，电流最大可调节至100A。由于单位电流值所提供的振幅同比例下降，为了获得相同的振幅，必须同比例地增大电流，因此，该超声表面球体滚压加工装置工作在低电压大电流的状态。

超声表面球体滚压加工装置采用半数字或全数字化超声波发生器作为加工电源，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给工作头能量；采用半波长或1/4波长压电换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动；半波长或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以及相应的阵列，如图2所示，图中5为球体滚动工作头，6为柱体滚动工作头，7为球体滚动工作头阵列，8为柱体滚动工作头阵列，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，在装置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。

本发明超声表面球体滚压加工装置还有除图1中所示的标准全波长的超声表面球体滚压加工装置外多种实施方式，如图3所示半波长超声表面球体滚压加工装置，包括：1/4波长压电陶瓷换能器10、1/4波长变幅杆11，回转半径小于150mm，作为施力装置的压缩空气或弹簧静压力9，工作头12为球体滚动可更换为柱体或相应的球体、柱体阵列滚动工作头，所述1/4波长压电陶瓷换能器10的陶瓷片数为14片、厚度为1.5mm。

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会引起应力集中，使用时自身也会产生疲劳等一系列问题，因此，如图3所示，本发明设计了半波长或1/4波长阶梯－锥台－阶梯过渡型变幅杆，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。

图4是低电压大电流压电式半波长超声表面球体滚压加工装置处理管道内壁加工示意图，13为压缩空气或弹簧静压力，14为低电压大电流1/4波长压电陶瓷换能器，15为1/4波长变幅杆，16为滚动球体加工头，17为被加工管壁，所述1/4波长压电陶瓷换能器的陶瓷片为30片、厚度为0.75mm。

图5是低电压大电流压电式全波长超声表面球体滚压加工示意图，18为待加工平板试件，图中给出了被加工平板加工前和加工后的图示，19为柱体滚动加工头，20为半波长变幅杆，21为低电压大电流半波长压电陶瓷换能器，22为压缩空气或弹簧静压力，所述半波长压电陶瓷换能器的陶瓷片数为20片、厚度为2mm。

B、加工方法

使用全波长或半波长低电压大电流压电式超声表面滚压加工方法应根据待加工材料的形状尺寸、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。球体工作头及其阵列适合于回转型机械零部件；而对于平板工件，则应选择柱体滚动工作头及其阵列。对于狭小的加工空间或特殊的处理位置，应选择半波长处理装置；而对于较高强度级别的工件，应选择阶梯-锥台-阶梯型处理装置。此外为了保证经表面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。

实施例1：

内径为200mm，壁厚10mm的调质态45钢管，用低电压大电流半波长压电式超声表面球体滚压加工方法对其内表面进行处理，如图4所示，主要技术参数如下：

机床主轴转速为255r/min；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，且随机分布，平均晶粒尺寸约为7nm，而原始晶粒尺寸大约10μm；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2倍；表面粗糙度Ra为0.02，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成800MPa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。

实施例2：

厚度为40mm的钛合金平板，用阶梯-锥台-阶梯型低电压大电流全波长超声表面柱体滚压加工方法对其进行表面处理，如图5所示，主要技术参数如下：

机床主轴转速为225r/min，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

1.一种低电压大电流超声表面滚压加工装置，该装置包括：壳体，在壳体内从底部向外依次设置有施力装置、压电陶瓷换能器、在压电陶瓷换能器上连接顶端带有工作头的变幅杆，其特征是：所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm。

2.根据权利要求1所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述超声表面滚压加工装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆的全波长形式和1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆的半波长形式。

3.根据权利要求1所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应阵列。

4.根据权利要求1所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述施力装置为压缩空气或弹簧。

5.根据权利要求1所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述变幅杆的轴向截面呈阶梯、锥台或其组合。

6.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为3mm；所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应的阵列工作头。

7.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为1.5mm；所述工作头为球体滚动、柱体滚动或相应的阵列工作头。

8.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为30片、厚度为0.75mm；所述工作头为球体滚动工作头。

9.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声表面滚压加工装置，其特征是：所述装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为20片、厚度为2mm；所述工作头为柱体滚动加工头。