CN104191156B - 一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法 - Google Patents

一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，它涉及加工平板表面微坑的方法。本发明要解决现有表面微坑加工工艺复杂、成本高及效率低的问题。方法：根据加工件的待加工面的大小，选取声发射平板，声发射平板通过垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到工件，再将工件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将超声变幅杆均匀加载到声发射平板表面上，设置参数，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法。本发明可用于利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法。

Description

一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法
技术领域
本发明涉及加工平板表面微坑的方法。
背景技术
在机械设备中，由各种摩擦副(如缸套、轴承)来实现不同的运动和功能。降低各摩擦副的表面粗糙度从而提高耐磨性是提高摩擦副零部件的使用寿命的最主要手段。而受到加工精度的影响，材料表面粗糙度的降低到达了极限。因此，常采用在摩擦副表面加工一系列独立微坑，这些微坑结构在摩擦副中，由于压力室的存在，总能有润滑油被引到摩擦副的两个相对运动面形成流体润滑膜，从而能极大地减少摩擦副的摩擦与磨损，有效的保证摩擦副的寿命。为此，人们提出了一些表面微坑的加工方法及装置。
中国专利00117761.3提出了一种利用在工具头上施加超声振动的方法来加工表面微坑，该加工方法采用单个工具头或矩阵工具头或蜂窝状工具头沿摩擦副工作表面径向施加振动频率f>18kHz的超声振动，压力大于6N/cm2，在摩擦副工作表面形成深度一致的25％～35％的微坑。
中国专利00267402.5提出了一种蜂窝状点坑数控恒力进给成型机。该机构包括机床本体、镗杆、振动冲击微坑加工装置和缸套夹具，其中振动冲击微坑加工装置具有机架，在机架上设有电机、刀杆，电机经皮带轮及皮带接传动轮，传动轮偏心轴与滑块相接，刀杆一端设有滑道并与滑块相接，刀杆另一端设有刀具，刀杆与机架由转动轴相接。微坑加工时，缸套以转速n回转，微坑加工工具头以进给量f进给。这些参数均由数控系统改变，通过编程进行自动控制。微坑加工装置的启动和停止也有数控系统控制。当微孔加工装置开始进给时，数控系统发出指令，使微坑加工装置开始工作，矩阵工具头开始振动，即矩阵工具头一边作进给运动，一边作径向振动，完成微孔的加工。
中国专利02111930.9提出了一种数控激光成型的方法。该成型装置是由一个电动机通过第一副小齿轮、大齿轮、滚珠丝杠带动激光主轴进行直线运动；另一个电动机通过第二副小齿轮、大齿轮带动传动轴旋转，再通过第三副小齿轮、大齿轮将传动轴的转动传递到机床工作台传动轴，带动工作台的转动；夹具安装在工作台上，工件卡在夹具中；数控系统控制两个电动机的转速，控制激光主轴和工作台的运动速度，从而在工作表面形成相互独立、深度一致、数以千计的微坑。
中国专利200610096707.2提出了一种电解加工的方法。该加工方法是用一个带有贯穿群孔结构、表面附有屏蔽膜的工具阴极与工件相向放置。电解加工时，通过工具阴极的贯穿群孔向工件阳极均匀喷射电解液，从而在工件表面形成与阴极群孔结构排列一致的微凹坑。该加工装置包括屏蔽膜、工具阴极、电解液和电解电源，且工具阴极需要用金属基板涂覆光刻胶并进行光刻，加工较复杂。微坑的排列由工具阴极决定，不同的排列方式与不同的工件需加工不同的工具阴极，成本较高。
中国专利201210125119.2提出了一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法。该加工装置包括激光器、聚焦透镜、夹具、橡胶垫片、金属网、垫块、约束层、吸收层、工件、工作台和控制系统；激光器正对于聚焦透镜；在工件表面上依次往上放置吸收层、垫块，金属网和橡胶垫片，并整体安装在夹具系统里；将夹具系统固定在工作台上，工作台和控制系统相连；约束层覆盖在吸收层上。高能脉冲激光经过透镜聚焦后，透过金属网的微米尺度的微孔群，由于金属丝的遮挡作用，形成多束微米尺度的激光束，多束微细激光继续透过约束层，辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量产生等离子爆炸形成高强度的冲击波，约束层用来延长等离子爆炸的维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间，工件表面在微细激光束形成的强大冲击波作用下，产生塑性变形，形成微凹坑。
由以上可知，目前加工表面微坑的方法大致可以分为三类。第一类是传统的振动加工方法，这类加工方法主要是在车床上通过特制的工具头对回转表面进行振动加工从而在表面上形成阵列微坑，这类加工方法工艺复杂，效率低，且微坑的深度很难保持一致。第二类是激光加工方法，这种方法是先通过激光在工件表面进行打孔，然后进行珩磨的加工方法，这类加工方法工艺较复杂，且成本较高。还有一类是电解加工方法，这类加工方法需要先利用蚀刻技术加工出与所需微坑结构与排列一致的工具阴极，加工工艺复杂且效率较低。
发明内容
本发明要解决现有表面微坑加工工艺复杂、成本高及效率低的问题，而提供一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法。
一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法是按以下步骤完成的：
根据加工件的待加工面的大小，选取声发射平板，声发射平板通过垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到装配件，再将装配件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将超声波变幅杆加载到声发射平板表面上，设置超声波变幅杆作用模式，超声波变幅杆振动频率为15kHz～30kHz，振幅为5μm～50μm，作用时间为20s～600s，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法；
所述的垫片为多个，所有垫片沿待加工面均匀排布；所述的声发射平板与待加工表面的间隙大小为h，即垫片的厚度值。
本发明的原理为：超声波作用于液体时，会在液体中产生空化效应。这是由于超声波的作用会在液体的某一区域形成局部的暂时负压区，于是在液体当中产生空化泡。这些充满液体蒸气或者是空气的泡是处于不稳定状态的，当它们在超声波正半波受压突然闭合时可产生射流或激波，因而在局部很微小的范围内会产生瞬间的高温高压。据估算，其极限温度可达5000K，压强可达100MPa。紧邻空化泡周围的液体同样会受到影响，其温度可达到1600K左右。当靠近固体表面附近聚集的空化泡崩溃时会产生一种特殊的现象：非对称式爆破。空化泡爆破时产生的冲击波，其速度可达数百米每秒，对固体表面形成高速冲击作用，这种特殊的现象导致了声致空蚀。这种空蚀作用会在固体表面产生密度20％～80％、口部当量直径10～200μm、深度5～100μm的表面微坑。
本发明的有益效果是：1、加工设备简单，成本低廉，主要的设备仅为一套超声波振动发生装置。
2、工艺简单可行，将工件按选定间隙装卡后，在声发射平板上加载超声波即可，几十秒或数分钟内即可完成一个工件的加工，效率可提高30％以上。
3、适用性高，既可以加工平面上的微坑，也可以扩展到加工弧形或其他回转体表面微坑。同时，该加工方法利用的是超声波空化产生的空化泡对固体表面的“冷爆破”在金属表面形成微坑，属于冷加工。因此，对母材本身的性能不产生影响，适用加工的材料体系广泛。
4、微坑的密度、口部当量直径与深度均由声场参数和间隙控制，改变参数就可以用来完成不同要求的表面微坑的加工，可灵活地适用各种实际需求。
本发明用于一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法。
附图说明
图1为利用超声空蚀加工平板表面微坑方法示意图；1为加工件，2为钛合金平板，3为垫片，4为超声波变幅杆，5为水槽，6为空化泡，7为已成型的空蚀坑；
图2为具体实施方式九利用超声波空蚀加工5056Al板表面后的表面形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法是按以下步骤完成的：
根据加工件的待加工面的大小，选取声发射平板，声发射平板通过垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到装配件，再将装配件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将超声波变幅杆加载到声发射平板表面上，设置超声波变幅杆作用模式，超声波变幅杆振动频率为15kHz～30kHz，振幅为5μm～50μm，作用时间为20s～600s，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法；
所述的垫片为多个，所有垫片沿待加工面均匀排布；所述的声发射平板与待加工表面的间隙大小为h，即垫片的厚度值。
本具体实施方式根据表面微坑密度(微坑的面积占整个加工面的百分比)与平均深度，选择超声频率、振幅与作用时间。
本具体实施方式将超声变幅杆均匀加载到声发射平板表面上压力要求：不能让声发射平板发生严重变形，也不能让声发射平板在超声振动下发生太大的横向位移。
本具体实施方式所述的垫片均匀放置在加工件的待加工面上，保证超声波变幅杆下压时声发射平板不发生严重变形。
本实施方式的有益效果是：1、加工设备简单，成本低廉，主要的设备仅为一套超声波振动发生装置。
2、工艺简单可行，将工件按选定间隙装卡后，在声发射平板上加载超声波即可，几十秒或数分钟内即可完成一个工件的加工，效率可提高30％以上。
3、适用性高，既可以加工平面上的微坑，也可以扩展到加工弧形或其他回转体表面微坑。同时，该加工方法利用的是超声波空化产生的空化泡对固体表面的“冷爆破”在金属表面形成微坑，属于冷加工。因此，对母材本身的性能不产生影响，适用加工的材料体系广泛。
4、微坑的密度、口部当量直径与深度均由声场参数和间隙控制，改变参数就可以用来完成不同要求的表面微坑的加工，可灵活地适用各种实际需求。
具体实施方式二：结合图1为利用超声空蚀加工平板表面微坑方法示意图，本实施方式与具体实施方式一优选的：所述的声发射平板为钛合金材质，厚度为3mm～6mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二所述的声发射平板为钛合金材质具有良好的超声波传播特性。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一优选的：所述的垫片与加工件的待加工面同材质，所述的垫片直径为Ф2mm～5mm，所述的垫片厚度为h＝0.1mm～1.0mm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一优选的：所述的水面高出加工件的待加工面的高度为L＝h+(0.2～1.0)mm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一优选的：所述的超声波变幅杆作用模式为单级超声波变幅杆作用模式、双极超声波变幅杆作用模式或多级超声波变幅杆作用模式。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一优选的：所述的单级超声波变幅杆作用模式的待加工面积不超过9×104mm2；所述的双极超声波变幅杆作用模式的待加工面积为9×104mm2～18×104mm2；所述的多极超声波变幅杆作用模式的待加工面积超过18×104mm2。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一优选的：当所述的超声波变幅杆作用模式为单级超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为一个，超声波变幅杆设置在声发射平板表面的中央位置；当所述的超声波变幅杆作用模式为双极超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为两个，两个超声波变幅杆均匀排布在声发射平板表面上；当所述的超声波变幅杆作用模式为多极超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为多个，多个超声波变幅杆均匀排布在声发射平板表面上。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：
本具体实施方式所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，具体是按照以下步骤进行的：
加工Q235钢板表面上储油孔，加工面大小为400×200mm2。
根据加工件Q235钢板的待加工面的大小，选用尺寸为400×200mm2厚度为5mm的钛合金声发射平板，声发射平板通过三个垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到装配件，再将装配件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将一个超声波变幅杆加载到声发射平板表面中心位置，设置单级超声波变幅杆作用模式，超声波变幅杆振动频率为20kHz，振幅为6μm，作用时间为60s，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法；
所述的垫片为6个，所有垫片沿待加工面均匀排布，即所述的6个垫片依次均匀排布在待加工面左中右三个位置上；所述的声发射平板与待加工表面的间隙大小为h，即垫片的厚度值。
所述的垫片直径为5mm，厚度为0.2mm的Q235钢垫片，即h＝0.2mm。
所述的水面高出加工件的待加工面的高度为L＝0.5mm。
本具体实施方式利用超声波空蚀加工Q235钢板表面后，加工面上得到微坑密度约为50％，微坑平均口部当量直径约为40μm，平均深度约为30μm的表面微坑。
具体实施方式九：
本具体实施方式所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，具体是按照以下步骤进行的：
加工5056Al板表面上储油孔，加工面大小为600×300mm2。
根据加工件5056Al板的待加工面的大小，选用尺寸为600×300mm2厚度为5mm的钛合金声发射平板，声发射平板通过三个垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到装配件，再将装配件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将超声波变幅杆加载到声发射平板表面上，设置双极超声波变幅杆作用模式，超声波变幅杆振动频率为20kHz，振幅为8μm，作用时间为30s，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法；
所述的垫片为9个，所有垫片沿待加工面均匀排布，即所述的9个垫片依次均匀排布在待加工面左中右三个位置上；所述的声发射平板与待加工表面的间隙大小为h，即垫片的厚度值。
所述的超声波变幅杆为两个，所有的超声波变幅杆均匀排布在声发射平板表面上：将第一个超声波变幅杆加载到离钛合金板左边缘150mm处，第二个超声波变幅杆加载到离钛合金板右边缘150mm处。
所述的垫片直径为5mm，厚度为0.2mm的5056Al垫片，即h＝0.2mm。
所述的水面高出加工件的待加工面的高度为L＝0.5mm。
图2为具体实施方式九利用超声波空蚀加工5056Al板表面后的表面形貌图，由图可知，5056Al表面已经形成了一系列的表面微坑。
本具体实施方式利用超声波空蚀加工5056Al板表面后，加工面上得到微坑密度约为35％，微坑平均口部当量直径约为40μm，平均深度约为50μm的表面微坑。

Claims (7)

1.一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法是按以下步骤完成的：
根据加工件的待加工面的大小，选取声发射平板，声发射平板通过垫片与加工件的待加工面形成窄间隙，得到装配件，再将装配件浸没在水槽中，水面高出加工件的待加工面，然后将超声波变幅杆加载到声发射平板表面上，设置超声波变幅杆作用模式，超声波变幅杆振动频率为15kHz～30kHz，振幅为5μm～50μm，作用时间为20s～600s，启动超声波设备，超声波作用完成后，即完成利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法；
所述的垫片为多个，所有垫片沿待加工面均匀排布；所述的声发射平板与待加工表面的间隙大小为h，即垫片的厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于所述的声发射平板为钛合金材质，厚度为3mm～6mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于所述的垫片与加工件的待加工面同材质；所述的垫片直径为Ф2mm～5mm，所述的垫片厚度为h＝0.1mm～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于所述的水面高出加工件的待加工面的高度为L＝h+(0.2～1.0)mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于所述的超声波变幅杆作用模式为单级超声波变幅杆作用模式、双极超声波变幅杆作用模式或多级超声波变幅杆作用模式。
6.根据权利要求5所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于所述的单级超声波变幅杆作用模式的待加工面积不超过9×104mm2；所述的双极超声波变幅杆作用模式的待加工面积为9×104mm2～18×104mm2；所述的多极超声波变幅杆作用模式的待加工面积超过18×104mm2。
7.根据权利要求5所述的一种利用超声波空蚀加工平板表面微坑的方法，其特征在于当所述的超声波变幅杆作用模式为单级超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为一个，超声波变幅杆设置在声发射平板表面的中央位置；当所述的超声波变幅杆作用模式为双极超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为两个，两个超声波变幅杆均匀排布在声发射平板表面上；当所述的超声波变幅杆作用模式为多极超声波变幅杆作用模式，所述的超声波变幅杆为多个，多个超声波变幅杆均匀排布在声发射平板表面上。
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