CN105945511A - 一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法及刀具头 - Google Patents

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赵辉
赵显华
柏士增
赵志明
刘秀娟
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/04—Treating or finishing by hammering or applying repeated pressure

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Abstract

本发明涉及一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法及刀具头，将待加工活塞装夹在机床上，利用超声波加工刀具对活塞环槽进行超声强化加工，通过该超声强化加工方法可有效提高活塞环槽的硬度、光洁度、耐磨性和密封性，相比传统的加工方法而言，该超声强化加工方法无需改变活塞环槽的表面尺寸和形状，其加工工艺简单、操作方便且加工过程无污染，结合本发明的刀具头可以大大提高加工的效率，使加工后活塞环槽具有硬度大、光洁度高、耐磨性和密封性高等优点。

Description

一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法及刀具头
技术领域
本发明涉及一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法及刀具头，属于超声加工技术领域。
背景技术
活塞是内燃机上最关键的运动件，它在高温高压下承受反复交变载荷的作用，被称为内燃机的心脏。其中，活塞上安装的活塞环在高温、高压、高速条件下担负着密封、传热的作用。活塞环与活塞环槽紧密贴合，密封效果好，燃烧室内油气混合均匀，燃烧充分，储存的化学能能充分地转化为热能，排出的废气对环境的影响小。由于活塞环槽与活塞环之间是边界润滑,且润滑状况较差，尤其是第一道环槽润滑条件最差，接触应力和冲击力较大，将导致环槽出现磨损，并引发气缸漏气，油耗率增大，功率降低以及压缩不足，甚至发动机不能正常工作。活塞环槽的耐磨性是评定内燃机性能的重要指标之一，对发动机寿命有着重要影响。
随着发动机向着高功率密度发展，出于减重的需要，发动机活塞大多采用质量较轻的铝合金，但铝合金由于熔点低，强度低，耐磨性不好等缺点成为铝活塞在大功率发动机使用上的障碍，因此，如何提高活塞环槽表面硬度、耐磨性和密封性，提高活塞制造工艺成品率是当前急需解决的技术难题。
目前，国内外正在使用的活塞环槽表面强化处理方法有以下几种：
第一种，化学热处理，以活塞头氮化、软氮化居多，例如，中国专利文献CN101210318A公开的一种活塞环表面涂覆氮化硅膜层的方法，通过该方法可在活塞环的上表面和侧面形成氮化硅膜层，使活塞环的表面硬度达到900-1400HV，提高了耐磨性。
第二种，活塞环槽表面感应淬火或激光淬火，例如，中国专利文献CN1844414A公开的一种活塞环槽高频淬火工艺，该方法主要弥补了高频设备功率的不足，解决了淬火退火问题，使淬硬层分布更均匀，使其耐磨性更好。
第三种，环槽表面镀铬、镍铁镶环工艺，例如中国发明专利申请(申请号201310021922.6)公开了一种带有硬软复合涂层与织构化表面的耐磨活塞环及制备方法，通过在活塞环的外圆面沉积硬质涂层如镀铬层或渗碳/氮层或镍基度层，该涂层可以作为硬支撑层，提高活塞环外圆面的耐磨性。
但是，目前这些方法或多或少地存在一些缺点：
1、改变了活塞环或活塞环槽的表面结构，在活塞环或活塞环槽的表面涂层相应地改变了其结构尺寸，对后续活塞环与活塞环槽之间的配合造成影响，进而影响活塞环槽的密封性；
2、现有技术的强化成本高，工艺复杂，尤其是采用一些化学工艺方法进行强化处理时，往往还会带来环境污染。
3、采用涂层处理的强化方法，虽然在一定程度上提高了活塞的耐磨性，但是经过长时间的运作之后，易出现开裂和剥落，使用寿命有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，该方法可以在不采用涂层或化学处理的前提下，通过超声波加工可提高活塞环槽的硬度、光洁度、耐磨性和密封性。
本发明还提供一种用于对活塞环槽进行超声强化加工的刀具头。
本发明的技术方案如下：
一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，包括以下步骤，
将活塞装夹在机床上，利用超声波加工刀具对活塞环槽进行超声加工，超声加工时刀具头与活塞环槽表面相贴合，超声加工的参数为：线速度为5-120m/min，进给量为0.05-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50-3000N。
优选的，超声加工的参数为：线速度为50-60m/min，进给量为0.15-0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为500-1200N。
优选的，超声加工的次数为1-3次。
优选的，超声加工的振幅为3-25μm。
进一步优选的，超声加工的振幅为6-8μm。
优选的，所述刀具头包括工具座和工具头，工具座内设置有容纳变幅杆的空腔，工具头的两侧对称设置有向外延伸的支撑轴，工具头通过支撑轴嵌入式设置在工具座的前端，当刀具头安装在超声波刀具上时，变幅杆的一端与工具头接触，通过工具头对活塞环槽进行超声波加工。
优选的，所述工具座为可拆卸式工具座，包括连接在一起相同的两部分。
优选的，所述工具头包括本体和与本体连为一体的凸缘，在本体的两侧设置所述的支撑轴，凸缘的形状与待加工工件的活塞环槽相适应。
优选的，支撑轴与本体之间设置有轴肩。
优选的，所述凸缘的长为3-8mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为5-15°。
进一步优选的，所述凸缘的长为6mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为7-8°。
优选的，所述超声波加工刀具选用中国专利文献CN105195976A中公开的超声波金属表面加工刀具。
本发明的有益效果在于：
1、本发明超声强化的加工方法相比传统的活塞环槽的强化处理方法，工艺简单、操作方便，利用该方法加工后活塞环槽具有硬度大、光洁度高、耐磨性和密封性高等优点。
2、本发明超声强化的加工方法利用超声波能转化为机械能对活塞杆槽进行加工，相比传统的强化处理方法，本方法无污染，同时对工件结构、尺寸无影响，具有良好的经济价值和社会价值。
3、本发明设计的对活塞环槽超声强化加工的刀具头结构简单、成本低，在与超声波金属表面加工刀具相配合对活塞环槽进行超声加工时，大大提高了活塞环槽的加工效率。
附图说明
图1为本发明中刀具头的结构示意图；
图2为超声波刀具对活塞环槽进行超声强化加工时的结构示意图；
图3为图2中刀具头对活塞环槽超声强化加工部分的放大图；
图4为本发明中工具头的主视图；
图5为本发明中工具头的俯视图；
其中：1、工具座；2、支撑轴；3、工具头；301、本体；302、凸缘；303、轴肩；4、腰圆孔；5、支点销；6、工件；7、固定套；8、碟形弹簧；9、碟形弹簧；10、弹力调节杆；11、滑套；12、变幅杆。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1、图3-图5所示，一种用于对活塞环槽超声强化加工的刀具头，包括工具座1、工具头3，工具座1内设置有容纳变幅杆12的空腔，工具头3的两侧对称设置有向外延伸的支撑轴2，工具头3通过支撑轴2嵌入式设置在工具座1的前端，当刀具头1安装在超声波刀具上时，变幅杆12的一端与工具头3接触，通过工具头3对活塞环槽进行超声强化加工。
其中，工具座为可拆卸式工具座，包括连接在一起相同的两部分，安装时，将工具座相同的两部分分开，然后将工具头两侧的支撑轴分别置于在两部分内，再将两部分安装在一起形成刀具头整体。
工具头包括本体301和与本体连为一体的凸缘302，凸缘的302形状与待加工工件6的活塞环槽相适应，凸缘302的外形为圆形，在本体301的两侧设置所述的支撑轴2。
凸缘302的长为L＝3mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为α＝5°，如图4、图5所示。
实施例2：
一种用于对活塞环槽超声强化加工的刀具头，结构如实施例1所述，其不同之处在于：凸缘302的长为L＝8mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为α＝15°。在支撑轴2和本体301之间设置有轴肩303。
实施例3：
一种用于对活塞环槽超声强化加工的刀具头，结构如实施例1所述，其不同之处在于：凸缘302的长为L＝6mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为α＝7°。
实施例4：
一种用于对活塞环槽超声强化加工的刀具头，结构如实施例1所述，其不同之处在于：凸缘302的长为L＝6mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为α＝8°。
实施例5：
一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，利用本实施例1所述的刀具头，具体步骤如下，
(1)将刀具头安装在中国专利文献CN105195976A公开的超声波金属表面加工刀具上，使变幅杆12的前端与工具头3接触；
(2)调节超声波加工刀具末端的弹力调节杆10，从而调节工具头3在轴向上和径向上对工件所施加的不同法向力，以满足加工要求；
(3)将待加工工件(活塞)6装夹在机床上，同时调整超声波金属表面加工刀具的位置，将工具头伸入待加工工件的活塞环槽内，使工具头的凸缘302与活塞环槽的侧壁点接触；
(4)启动超声波金属表面加工刀具，工具头3在变幅杆12的作用下对活塞环槽进行超声加工，加工过程中，随着刀架的进给，工具头3从外到里逐渐对活塞环槽侧壁超声加工，当工具头达到活塞环槽槽底时，工具头即可对活塞环槽的槽底进行超声加工。本实施例中超声加工的参数为：线速度为5m/min，进给量为0.05mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50N，超声加工的次数为1次，超声加工的振幅为3μm。
实施例6：
一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，加工步骤如实施例5所述，其不同之处在于：步骤(4)中，超声加工的参数为：线速度为120m/min，进给量为0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为3000N，超声加工的次数为3次，超声加工的振幅为25μm。
实施例7：
一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，加工步骤如实施例5所述，其不同之处在于：步骤(4)中，超声加工的参数为：线速度为50m/min，进给量为0.15mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为500N，超声加工的次数为3次，超声加工的振幅为6μm。
实施例8：
一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，加工步骤如实施例5所述，其不同之处在于：步骤(4)中，超声加工的参数为：线速度为60m/min，进给量为0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1200N，超声加工的次数为3次，超声加工的振幅为8μm。

Claims (10)

1.一种对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，包括以下步骤，
将活塞装夹在机床上，利用超声波加工刀具对活塞环槽进行超声加工，超声加工时刀具头与活塞环槽表面相贴合，超声加工的参数为：线速度为5-120m/min，进给量为0.05-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50-3000N。
2.如权利要求1所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，超声加工的参数为：线速度为50-60m/min，进给量为0.15-0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为500-1200N。
3.如权利要求1所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，超声加工的次数为1-3次。
4.如权利要求1所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，超声加工的振幅为3-25μm。
5.如权利要求1所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，所述刀具头包括工具座和工具头，工具座内设置有容纳变幅杆的空腔，工具头的两侧对称设置有向外延伸的支撑轴，工具头通过支撑轴嵌入式设置在工具座的前端，当刀具头安装在超声波刀具上时，变幅杆的一端与工具头接触，通过工具头对活塞环槽进行超声波加工。
6.如权利要求5所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，所述工具座为可拆卸式工具座，包括连接在一起相同的两部分。
7.如权利要求5所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，所述工具头包括本体和与本体连为一体的凸缘，在本体的两侧设置所述的支撑轴，凸缘的形状与待加工工件的活塞环槽相适应。
8.如权利要求7所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，支撑轴与本体之间设置有轴肩。
9.如权利要求7所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，所述凸缘的长为3-8mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为5-15°。
10.如权利要求7所述的对活塞环槽进行超声强化加工的方法，其特征在于，所述凸缘的长为6mm，凸缘与水平面的倾斜夹角为7-8°。
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