CN1046484A - 形状复杂的旋转体表面的强化精加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明装置具有叉形摇臂(1)，叉形摇臂(1)中装有可转动的滚轮(2)，滚轮(2)具有主要环形圆角(17)和与之平滑连接的附加环形弧面(18)。此装置还具有用以产生滚轮(2)加工旋转体表面所需径向力的机构和与叉形摇臂(1)铰接的在弹簧作用下的滑动件(8)，滑动件(8)与用以产生径向力的机构协同动作。附加环形弧面(18)的形成线是由圆心位于滑动件(8)与叉形摇臂(1)铰接的轴线(13)上的半径(R)构成的。

Description

本发明涉及金属表面的塑性变形加工，具体地说，涉及形状复杂的旋转体表面的强化精加工装置。

本发明可用于汽车工业，航空工业、电气工业、液压仪表制造业、纺织机械制造业，以及配件和生活用品制造业中机器零件的强化精密加工。

本发明可特别有效地用于航空工业中高强度螺栓和轮毂的表面强化加工。

目前，对交变负荷下工作的另件，日益要求提高其质量。现有的用以提高关键零件抗疲劳强度的强化精加工装置不能保证零件在低周疲劳性能试验中达到质量要求。

最突出的问题在于提高飞机零件的使用寿命。

出现这种状况的原因是：采用现有的表面塑性变形装置所加工的零件，其使用寿命远远低于飞机机体的使用寿命。

目前在强化零件的平面形、锥形、球形旋转表面和这些表面之间的凹圆面对需采用若干种强化精加工装置。这就会在零件的加工表面上造成一些应力集中的部位，从而降低了零件的使用寿命，并降低了零件的加工生产率。

目前已由美国Hegenscheidt公司公开了一种强化零件凹圆面的装置。

这种装置具有带滚轮的支架和装在夹持件内用以产生滚压零件凹圆面所需作用力的机构。滚轮的形状对应于需滚压的凹圆面的形状。

这种装置只能用以加工零件的凹圆面。

在滚压加工中，滚轮在恒定不变的滚压力作用下作轴向进给。为取得零件凹圆面所需强化程度，凹圆面上的每一点都需经过很多次的重复加荷，有时需重复20余次。

这样，在零件加工区的边缘部位就会产生一些凸瘤，成为零件破损的起因。

上述情况降低了零件的加工质量，从而会缩短零件的使用寿命。

此外，这种装置只能加工零件的某一部位（即凹圆面），因而不具备通用性。

美国Hegenscheibt公司还公开了若干强化加工不同零件或零件不同部位的装置。

其中用以加工零件外部圆筒形表面的装置具有一个支架，支架上装有壳体，壳体内装有两个用以变形加工的滚轮和三个或四个用以夹持变形加工滚轮的滚轮，此装置还具有用以产生滚压圆筒形表面所需作用力的机构。

这种装置只能用以加工零件的圆筒形部位，在零件上呈现任何凸起时就会留下在加工零件表面过程中由于金属移动所形成的凸瘤。

加工凹圆面需使用另一种装置，这种装置具有带变形加工用滚轮的支架和用以产生滚压凹圆面所需作用力的机构。

采用这种装置时滚轮以恒定的滚压力加工凹圆面。

这样，在零件加工区的边缘部位就会形成金属凸瘤，从而降低了零件的加工质量，也就缩短了零件的使用寿命。

上述各种装置都不具备通用性，对于加工零件的不同部位需采用不同的装置，这会降低加工零件的质量和加工生产率。

苏联A，931    426号专利所公开的旋转体表面强化精加工装置具有与叉形摇臂铰接的支架，摇臂上装有两个滚轮，各滚轮具有环形圆角。此装置还具有夹持件，夹持件上装有壳体，壳体内装有用以产生滚轮滚压加工表面所需径向力的机构。

在此装置中，两个滚轮之间的距离小于所需加工的卷筒型零件两端之间的距离，因此，可用以依次加工卷筒的端面、凹圆面和筒形表面。

采用这种装置加工表面时，会在卷筒的中部形成双重加工区，使变形程度超过合理水平，另外，还会在过渡区内形成应力集中，从而降低零件的加工质量。

另外，由于在变形力与滚轮的轴线之间形成一个角度，还有可能使滚轮卡在其转轴上。

此外，这种装置不具备通用性，因为采用这种装置只能加工一定形状的零件。

由于滚轮的环形圆角只是按一个半径构成的，在将滚轮的径向进给转变为轴向进给或作反向转变时金属会反向移动（这可从滚轮和加工表面间接触面积的形状得到解释），因而在加工过的凹圆面上会留下经滚压的金属所形成的凸瘤。金属凸瘤产生于卷筒中间部分的过渡区内。这就降低了零件的加工质量。

本发明的目的在于制造一种对形状复杂的旋转体进行表面强化精加工的装置，可以连续地依次加工形状复杂的旋转体的各种表面，从而提高加工零件的表面质量，扩大这种装置的工艺适用范围。

为达到这一目的，这种形状复杂的旋转体表面的强化精加工装置具有叉形摇臂和夹持件，摇臂中装有可转动的滚轮，滚轮具有环形圆角，夹持件的壳体内装有用以产生使滚轮压向旋转体加工表面所需作用力的机构，本发明的这种装置具有在弹簧作用下且与叉形摇臂铰接的滑动件，滑动件与使滚轮压向旋转体加工表面的机构协同动作，同时，滚轮具有与环形圆角平滑连接的附加环形弧面，此弧面的形成线是由一圆心和一半径构成的，圆心位于叉形摇臂和滑动件的铰接轴线上。

采用本发明所推荐的结构形成，可使滚轮相对于需强化精加工的表面具有一定的方向性，从而赋于这种零件加工的方法以新的实质内容。这就是：金属在变形点上直线滑移的范围和移动的区域在分布上和方位上可使金属只向未经加工的表面一边（滚轮的前面）移动而不会向受加工的表面一边（滚轮的后面）移动。这样，在强化精加工中在零件加工的进给方向上就形成了位于滚轮前面的轴向弹塑性波纹。

在加工过程中，金属表面的每一点随着滚轮在此表面上的移动都经历了变形的各个阶段，但在滚轮与加工表面接触的边缘上则形成一个弹性变形区，这一弹性变形区在卸去滚压负荷（作用力）时即完全消失。这样，在加工过的表面上就不会留下金属凸瘤，也就是不会留下由滚轮与零件接触而形成的弹塑性波纹中的塑性部分。

在零件加工过程中，使滚轮的主要环形圆角平滑地与一附加环形弧面相连接的结构也起有决定性的作用，此附加环形弧面的形成线是由一圆心和一半径构成的，半径的圆心位于叉形接臂和滑动件的铰接轴线上。采用这种结构就不会使滚轮前面弹塑性波纹的某些部分遗留到滚轮的后面去。

目前在技术上对这一问题的各种处理方法都未能防止滚轮前面的波纹遗留到滚轮的后面，因而在加工后的表面上两种表面（例如：两端和过渡凹圆面）彼此连接的部位形成金属凸瘤，这是因为在加工另一种表面之前都必须暂停一下以便进行重新调整（更换滚轮，使装置转向）。

在本发明中，如果某种表面上的轴向弹塑性波纹大于另一种表面上的这种波纹，则多出的金属部分在滚轮从一种表面进入另一种表面时会被压进另一种表面内，从而提高该表面起始部位的强化作用。在同一种表面上可通过暂停进给滚轮的方法，使滚轮在同一部位上滚动以聚集轴向弹塑性波纹，然后再重新进给以压平尺寸不同的波纹。故采用这种装置可实现上述使加工表面的质量明显提高的方法。

此外，这种波纹是零件表层得以强化的主要因素。各种表面上的弹塑性波纹在尺寸和形状上都有其本身的特点。同时，在轴向弹塑性波纹的尺寸不足以取得有效的强化时，可停止进给滚轮，使其在同一位置上滚动。此时，滚轮的形状应使金属不致移向经加工的表面而只是加大滚轮前的轴向弹塑性波纹。

最好将装置的滑动件作成“T”字形构件，在其水平台面的一端装上弹簧，而在另一端附近装上铰接轴，弹簧和铰接轴使滑动件与叉形摇臂彼此连接。

这样就可采用同一种装置加工任一种表面，从而扩大装置的工艺性能，并可对各种不同的表面和对某种表面与另一种表面的过渡部位进行加工而不致在滚压金属时形成凸瘤，从而提高和稳定加工表面的质量。

最好采用装有弹簧的杆件构成产生使滚轮压向旋转体加工表面所需径向作用力的机构。

采用这种机构就可在结构上和制造上用最简单的方法以必需的径向作用力对形状复杂的旋转体表面进行轴向加工。

滚轮环形圆角的半径最好比旋转体加工表面的最小半径小0.3～0.4mm。

这样就可加工形状复杂的旋转体表面而不会卡住滚轮。

这样还可防止加工时造成切削的现象，即：不能造成强化的作用却造成了切除加工表面的现象，同时还可防止受滚压的金属在经过加工的表面上形成波纹，从而取得高质的加工表面。

因此，如上所述，本发明推荐的形状复杂的旋转体强化精加工装置具有通用性，制造也简单，还可提高加工零件的表面质量。

下面为本发明的具体实施例及其附图，其中：

图1所示为部分剖视的本发明装置;

图2为带凹圆面零件的加工简图。

外形复杂的旋转体表面强化精加工装置具有叉形摇臂1（图1）。在此叉形摇臂1中装有可相对于其纵轴旋转的滚轮2。

此外，旋转体表面强化精加工装置还具有夹持件3，在其壳体4内设有用以产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力的机构。

在此实施例中，用以产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力的机构为受有弹簧6作用力的滑杆5。

在滑杆5下端装有螺帽7，用来压缩弹簧6以产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力。

对用以产生滚轮2径向力的机构可采用能产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力的任何其他结构。

在叉形摇臂1和夹持件3之间设有滑动件8，该滑动件8与用以产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力的机构相互作用。

滑动件8呈“T”形，在滑动件8的水平台面10的一端9装有盘形弹簧11，在其另一端12附近装有使滑动件8与叉形摇臂1铰接的轴13。在滑动件8水面台面10的端部12，靠近使滑动件8与叉形摇臂1铰接的轴13处有一孔，孔内装有螺栓14，此螺栓14用以从这一头来限制叉形摇臂1在滑动件8与叉形摇臂1铰接用轴13上的转动。

在叉形摇臂1上，设有与滑动件8上盘形弹簧11共轴线的孔，孔内装有螺栓15。螺栓15与盘形弹簧11接触，用以从另一头来限制叉形摇臂1在轴13上的转动。

对弹簧11可以采用其他的结构。但在此情况下应使螺栓15能恰当地与其接触。

具有上述这种结构的装置就可对外形复杂的旋转体的各种表面一次连续地进行强化精加工，从而提高零件加工表面的质量，提高加工效率并扩大此装置的工艺性能。

滑动件8的下部16位于夹持件3壳体4的上部，使其与用以产生滚轮2加工旋转体表面所需径向力的机构的滑杆5相互接触。

滚轮2具有环形圆角17和与其表面平滑连接的附加环形孤面18。

此附加环形弧面18的形成线是由一圆心O和一半径R构成的，圆心O位于滑动件8与叉形摇臂1铰接用轴13的轴线上。

这种附加环形弧面的结构，在零件表面的加工过程中不会使滚轮2前面所产生的弹塑性波纹遗留到滚轮2后面经加工的表面上。

滚轮2附加环形弧面18的半径R是在设计本装置时通过某些结构上的考虑确定的，即根据加工零件的尺寸和材料以及装卡本装置所用机床上轴承的尺寸等因素确定的。选用滚轮2主要环形圆角17的半径r的前提是：可自由地滚压加工零件的凹圆面而不会产生楔住现象。为此，只须使此半径r比加工零件各凹圆面中最小的半径小0.3～0.4mm就能满足要求。因此，本装置具有很高的通用性。例如主要环形圆角17的半径r为0.7mm的滚轮2可用以强化具有半径为1、2、3、4、……mm的凹圆面的零件，而现有的同类装置都不能用以加工零件上这样小的凹圆面，而在机械制造业中在零件上采用小凹圆面的情况是非常普遍的。

滚轮2主要环形圆角17的半径r按加工材料的性能不宜小于0.3～0.4mm，因为半径过小时会在零件经过加工的凹圆面上产生经滚压的金属所形成的波纹或产生切削的现象。

图2为强化加工带有凹圆面20的零件19的简图。对带凹圆面20的零件19可以在滚轮2所产生的变形点处于最佳状态下连续地进行正向或反向的加工。

简图上示有变形点在平面上的展开形状，即在加工各种不同表面时接触点21、22和23的展开形状。

在圆柱形表面24（芯体）上变形点成椭圆形点21;在凹圆面20（环形曲面）上变形点不断地变化，也就是从在长向具有长径的椭圆形点21逐渐变为在长向具有短径的椭圆形点22，最后变成液滴形点23;在平面25（端面）上变形点成液滴形点23。

旋转体表面精加工装置的工作过程如下：

将此装置的夹持件3装卡在车床的刀架（图中未示出）上。

利用螺帽7，通过产生径向作用力所用机构中的弹簧6使滚轮2受力而形成一个预加径向压力。

利用螺栓14和15使盘形弹簧11受力而形成一个预加轴向压力。

使零件19旋转，并将此装置靠近零件。

在滚轮2与零件19接触时，弹簧6以其预加压力作用在零件19上，然后将径向力调整为加工这种表面所需最佳作用力，再进行轴向进给，从而开始对零件圆柱形面的加工（如图2所示，进行芯体加工）。

滚轮2在进入零件19凹圆面时，开始随同叉形摇臂1绕轴13转动，并在盘状弹簧11的作用下轴向力开始作用于零件19并遂步增大，在滚轮2从零件19凹圆面移向零件19端面时轴向力即成为最佳作用力。此时轴向进给转变为径向进给，并开始对零件19的端面进行加工。

用此装置加工不同类型的表面（圆柱形表面24、凹圆面20和平面25）时，各种表面与滚轮2接触时都能形成最佳变形点（接触点）。

各种接触点21、22、23对于上述各种表面来说都成为最佳接触点。对凹圆面来说尤其是这样。在开始对凹圆面加工时接触点21成长向具有长径的椭圆形。这可防止金属向经过加工的表面移动，从而防止在经加工的表面上产生金属受滚压形成的波纹。在滚轮2经过凹圆面中部后紧靠零件19时，盘状弹簧11开始受压缩而增大轴向力。此时，滚轮2不断转向而减小接触点21的长向长径和面积。在一定阶段上对需加工的表面作一定次数的加荷，并在进行径向进给的同时停止轴向进给。在这种情况下，接触点21、22、23就依次经历了前述的三个阶段。必须特别指出：在整个表面加工过程中须始终保持进给。进给使滚轮2前面金属受滚压所形成的波纹不断前移，从而提高外形复杂的旋转体表面的加工质量。

为避免滚轮2前面的弹塑性波纹形成金属凸瘤，在结束加工时须将滚压加工的作用力平稳地从最佳值降至零，与此同时将滚轮2退出加工区。

滚轮2端部前面所形成的弹塑性波纹的尺寸决定着零件19的加工质量，该尺寸取决于：滚轮2的几何尺寸、滚压的操作工艺、零件19的金属物理机械性能，以及在强化精加工过程中滚轮2与需加工零件19的相对位置等，也就是取决于加工过程中动态变形点的尺寸。在工艺上能否采用本装置关系到零件19的加工质量，因此，本装置具有领先地位。

在工艺上能否采用本装置取决于零件的几何尺寸、形状和材料，以及所用机床的参数。

本发明可用于汽车、航空及其他工业中机器零件的强化精加工。

本发明可最有效地用于航空工业中所采用的高强度螺栓和轮毂的表面强化加工。

采用本装置加工外形复杂的零件，其寿命较现有的一些装置高80%。

Claims (4)

1、一种外形复杂的旋转体表面强化精加工装置，此装置具有叉形摇臂(1)和夹持件(3)，在叉形摇臂(1)中装有带环形圆角(17)的转动滚轮(2)，在夹持件(3)的壳体(4)内设有用以产生滚轮(2)加工旋转体表面所需径向力的机构，此装置的特征是：此装置具有与叉形摇臂(1)铰接且在弹簧作用下的滑动件(8)，滑动件(8)与用以产生滚轮(2)加工旋转体表面所需径向力的机构协同动作，滚轮(2)还具有与环形圆角(17)平滑连接的附加环形弧面(18)，此附加环形弧面(18)由具有圆心(0)的半径(R)构成，圆心(O)位于滑动件(8)与叉形摇臂(1)铰接的轴线(13)上。

2、按照权利要求1所述装置，其特征是：滑动件（8）成“T”形，其水平台面（10）的一端（9）装有弹簧（11），另一端（12）附近装有铰接轴（13），通过此铰接轴（13）使滑动件（8）与叉形摇臂（1）连接。

3、按照权利要求1所述装置，其特征是：用以产生滚轮（2）加工旋转体表面所需径向力的机构为在弹簧作用下的滑杆（5）。

4、按照权利要求1所述装置，其特征是：滚轮（2）的环形圆角（17）的半径（r）比旋转体需加工表面的半径小0.3～0.4mm。

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