CN108544306A - 金属铸件的超声光整批量加工方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属铸件的超声光整批量加工方法，将磨料和金属铸件自由放置于光整加工室中，通过相对磨料旋转的超声工具头提供超声波，同时通过相对磨料旋转的磁场发生装置提供一磁场方向周其变化的旋转磁场，完成金属铸件超声光整批量加工。超声光整批量加工设备是将超声工具头旋转安装在容置体的下方，将磁场发生装置固定在超声工具头，在超声光整加工过程中驱动超声工具头和磁场发生装置高速旋转。本发明能够对任意形状的金属铸件进行光整加工，也不需要装夹和固定金属铸件，只需与导磁性磨料放入容置体中即可，进一步加大金属铸件的种类范围，同时实现批量处理金属铸件。
Description
技术领域
本发明涉及超声光整技术领域，尤其是涉及金属铸件的超声光整批量加工方法及超声光整批量加工设备。
背景技术
在机械加工中旨在提高零件表面质量、改善零件表面完整性的各种加工方法和技术,统称为表面光整加工技术,简称光整技术。光整加工技术是先进制造技术的重要组成部分,其核心问题是表面质量,目的是大幅度的提高零件的表面质量。
其中，自由磨具光整加工方法比较普遍，特别是传统表面光整加工技术在加工异形表面、自由曲面类零件及型腔内部表面时有一定的困难,甚至无法加工。虽然在手工光整加工方法研磨、抛光,能够实现平面、回转体表面、自由曲面及模具型腔等表面光整加工,但这种方法劳动强度高,同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响,加工效率低,质量不稳定,难以大规模推广,因此有必要予以改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种金属铸件的超声光整批量加工方法，方法简单，能够批量处理金属铸件的光整加工，提高光整加工的效率，保证光整加工质量稳定，进一步降低人工成本。
针对现有技术存在的不足，本发明的第二目的是提供一种金属铸件的超声光整批量加工设备，结构简单，设备成本低，能够批量处理金属铸件的光整加工，提高光整加工的效率，保证光整加工质量稳定，进一步降低人工成本。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金属铸件的超声光整批量加工方法，包括以下步骤，
投料步骤，将多个金属铸件投入到容体的光整加工室中；
磨料投放步骤，向光整加工室投放具有导磁性的磨料；
超声光整步骤，通过超声产生装置至少产生一种光整超声波，并通过超声工具头至少将光整超声波传导至容置体或直接传导至光整加工室中的金属铸件以及磨料；
通过旋转驱动装置驱动超声工具头旋转，同时对光整加工室施加一旋转磁场；
磨料受到光整超声波和旋转磁场的双重作用，光整加工室内的磨料相对自身产生360度的不定向振动，同时使振动中的磨料相对容置体在光整加工室内沿圆周方向旋转；
磨料接触到光整加工室的各个金属铸件的各个表面，对金属铸件的所有表面进行超声光整加工，超声光整加工过程中通过磨料对金属铸件的所有表面提供微量磨削、滚压和研磨压力，以实现改善金属铸件表面的微观几何特征和改善表面层物理力学性能，且实现快速批量超声光整加工；
完成加工，从光整加工室中取出金属铸件，得到无毛刺且表面光滑的金属铸件。
进一步的技术方案中，所述投料步骤中，将多个金属铸件自由放置在光整加工室中，不需要固定金属铸件；
所述磨料投放步骤中，通过送料管向所述光整加工室投放所述磨料，至少使磨料覆盖各金属铸件，磨料的形状包括长条形状、圆球体形状、多面体形状或薄片形状中的至少一种，磨料的最大粒径为0.01-50mm；
所述超声光整步骤，通过超声变幅杆将所述超声产生装置产生的光整超声波传导至所述超声工具头，将超声工具头安装在所述容置体的下方或上方；
控制超声工具头相对磨料高速旋转，超声工具头的旋转速度控制在1000-50000转/分钟；
由至少两个固定在所述超声工具头外缘或固定在所述容置体的底部的磁体组成一磁场发生装置，磁场发生装置中的各磁体沿圆周方向等间隔分布在超声工具头的外圆环区域，相邻的磁体的磁极方向相反，且各磁体的磁极方向分别垂直于光整加工室的底面，磁体选用永磁铁或电磁铁；
超声工具头和磁场发生装置形成一复合光整装置，通过超声工具头或容置体带动磁场发生装置相对磨料旋转，磁场发生装置的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，在光整加工室内形成共存的旋转超声场和旋转磁场；
通过超声工具头将光整超声波传导至容置体，通过容置体将光整超声波传导至光整加工室中的金属铸件和磨料；
将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米；
超声光整加工过程中对金属铸件的作用至少包括降低表面粗糙度值、增加表面轮廓支承率、去除毛刺、改善表面形成变质层、改善表面应力状态；
当旋转和不定向振动中的磨料接触金属铸件表面的毛刺时磨料将毛刺从其根部振断。
进一步的技术方案中，所述超声光整步骤中，
将所述超声工具头安装在所述容置体的下方；
超声工具头的上部通过传动轴承接触容置体的底面，或者，超声工具头的顶面与容置体的底面间隙配合，超声工具头与容置体的底面之间的间隙控制在0.01-1mm；
通过连杆将至少两个磁体固定于超声工具头，各磁体沿圆周方向等间隔分布在超声工具头的外圆环区域而形成一磁场发生装置，相邻的磁体的磁极方向相反，且各磁体的磁极方向分别垂直于光整加工室的底面，磁体选用永磁铁或电磁铁；
控制超声工具头带动各磁体同步高速旋转，超声工具头的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，在光整加工室内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场；
将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米；
所述磨料的最大粒径为0.1-5mm；
在超声光整步骤中向，向光整加工室冷却液。
进一步的技术方案中，所述超声工具头的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，
所述磁体的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，
所述光整超声波的频率控制在20±1KHZ、40±1KHZ、60±1KHZ或80±1KHZ,将光整超声波的功率控制在250-350KW，将光整超声波的振幅50-60微米；
在所述超声光整步骤中，受旋转超声场和旋转磁场作用，磨料在光整加工室内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动，旋转中的磨料带动金属铸件在光整加工室内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动。
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，包括旋转驱动装置、超声产生装置、超声工具头、磁场发生装置和容置体，容置体设置有光整加工室，超声产生装置连接超声工具头；
超声工具头旋转安装在容置体的上方、内部或下方，磁场发生装置设置在容置体上方、内部或下方，超声工具头设置在磁场发生装置的中间位置，以形成一复合光整装置；
旋转驱动装置传动连接超声工具头或容置体，用于驱动超声工具头或容置体旋转，以实现使超声工具头及磁场发生装置相对磨料旋转，并在光整加工室内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场。
进一步的技术方案中，
所述磁场发生装置包含一个以上的磁体，相邻两个磁体之间的磁极方向相反，磁场发生装置中的各磁体间隔分布在所述超声工具头的外缘的圆环区域中，磁体的磁体垂直于磁体垂直于设置所述容置体的底面；容置体选用一转盘，转盘中部掏空形成一所述光整加工室，用于容纳导磁性磨料及金属铸件。
进一步的技术方案中，所述超声工具头旋转安装在容置体的下方，所述磁场发生装置设置在容置体的下方；
磁场发生装置中的各所述磁体分别通过连杆固定于超声工具头，以实现超声工具头旋转时带动磁场发生装置旋转；
超声工具头的顶面抵贴于转盘的底面，或者，超声工具头的顶面与转盘的底面间隙配合。
所述超声工具头与所述容置体的底面之间设置有球头轴承；球头轴承的第一传动端部安装于超声工具头的顶部，球头轴承的第二传动端部抵顶或固定于容置体的底面。
进一步的技术方案中，所述旋转驱动装置传动连接容置体，用于驱动容置体旋转，
所述磁场发生装置固定在容置体的上方、侧面、内部或下方，
在容置体旋转时，磁场发生装置相对光整加工室内的所述磨料旋转，在光整加工室中形成一旋转磁场。
进一步的技术方案中，所述超声工具头安装在所述容置体的下方，所述超声工具头的上部伸入到所述光整加工室中。
本发明和现有技术相比所具有的优点是：
1、本发明方法简单，易于实施，本发明能够对任意形状的金属铸件进行光整加工，也不需要装夹和固定金属铸件，只需与导磁性磨料放入容置体中即可，进一步加大金属铸件的种类范围，同时实现批量处理金属铸件。
2.旋转超声工具头发出光整超声波传导至容置体中的导磁性磨料，使容置体内的导磁性磨料产生不定向的振动，同时旋转超声工具头带动磁场发生装置旋转，磁场发生装置相对导磁性磨料旋转时会产生一旋转磁场，在光整超声波及旋转磁场的双重作用下，使导磁性磨料自身产生360度的不定向振动，同时使导磁性磨料沿圆周方向旋转，使导磁性磨料能够接触到放置在容置体中的金属铸件的各个面，能够去除金属铸件的各个面的毛刺，且加大了导磁性磨料与金属铸件的摩擦，提高了零件光整加工的效率，降低人工成本。
3.进行去毛刺加工时，将金属铸件和导磁性磨料一同放置容置体中，导磁性磨料在光整超声波及旋转磁场的作用下，导磁性磨料在绕旋转超声工具头旋转过程中产生360度不定向振动，导磁性磨料碰撞、滑擦、刻划和挤压金属铸件的表面，实现金属铸件的光整加工，本发明能够对任意形状的金属铸件进行光整加工，也不需要装夹和固定金属铸件，只需与导磁性磨料放入容置体中即可，进一步加大金属铸件的种类范围，同时实现批量处理金属铸件。
4.由于光整超声波与磁场对导磁性磨料的复合作用，针对不同的金属铸件的具体情况，对旋转超声工具头、磁场发生装置和磁性磨料中的参数进行调整，使光整加工质量更为稳定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例二的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图2是本发明实施例二的超声光整批量加工设备的仰视图。
图3是本发明实施例三的超声光整批量加工设备的仰视图。
图4是本发明实施例四的超声光整批量加工设备的仰视图。
图5是本发明实施例五的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图6是本发明实施例六的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图7是本发明实施例七的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图8是本发明实施例八的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图9是本发明实施例八的超声光整批量加工设备的仰视图。
图10是本发明实施例九的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图11是本发明实施例十的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图12是本发明实施例十一的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图13是本发明实施例十二的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图14是本发明实施例十三的超声光整批量加工设备的结构示意图。
图中：1、超声工具头11、球头轴承2、容置体24、光整加工室3、磁场发生装置31、磁体、4、复合光整装置41、连杆。
具体实施方式
以下仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
实施例一
一种金属铸件的超声光整批量加工方法，图1至图14所示，包括以下步骤，
投料步骤，将多个金属铸件投入到容体的光整加工室24中；将多个金属铸件自由放置在光整加工室24中，不需要固定金属铸件；因此，本发明能够加工任意形状和大小的金属铸件，只要能够放入光整加工室24中即可。当然，只要使用具有更大体积的光整加工室24，也能加工各种大体积的金属铸件。
磨料投放步骤，向光整加工室24投放具有导磁性的磨料；通过送料管向所述光整加工室24投放所述磨料，至少使磨料覆盖各金属铸件，实施自动投入磨料。
为增加超声光整效果，投入的磨料包括多种形状，磨料的形状包括长条形状、圆球体形状、多面体形状或薄片形状中的至少一种，磨料的最大粒径为0.01-50mm，较佳的，磨料的最大粒径为0.1-5mm。
超声光整步骤，通过超声产生装置至少产生一种光整超声波，并通过超声工具头1至少将光整超声波传导至容置体2或直接传导至光整加工室24中的金属铸件以及磨料；较佳的，通过超声变幅杆将所述超声产生装置产生的光整超声波传导至所述超声工具头1，将超声工具头1安装在所述容置体2的下方或上方。
较佳的实施方式中，将所述超声工具头1安装在所述容置体2的下方；超声工具头1的上部通过传动轴承接触容置体2的底面。或者，超声工具头1的顶面与容置体2的底面间隙配合，超声工具头1与容置体2的底面之间间隙控制在0.01-1mm。通过超声工具头1将光整超声波传导至容置体2，通过容置体2将光整超声波传导至光整加工室24中的金属铸件和磨料；
并且，将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米；较佳的，将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米。
较佳的，将光整超声波的频率控制在20±1KHZ、40±1KHZ、60±1KHZ或80±1KHZ,将光整超声波的功率控制在250-350KW，将光整超声波的振幅50-60微米。以取得更好的表面超整效果，超声光整加工过程中对金属铸件的作用至少包括降低表面粗糙度值、增加表面轮廓支承率、去除毛刺、改善表面形成变质层、改善表面应力状态；当旋转和不定向振动中的磨料接触金属铸件表面的毛刺时磨料将毛刺从其根部振断。
通过旋转驱动装置驱动超声工具头1旋转，同时对光整加工室24施加一旋转磁场。超声工具头1和磁场发生装置3形成一复合光整装置4，通过超声工具头1或容置体2带动磁场发生装置3相对磨料旋转，在光整加工室24内形成共存的旋转超声场和旋转磁场。
较佳的实施方式中，通过连杆41将至少两个磁体31固定于超声工具头1，各磁体31沿圆周方向等间隔分布在超声工具头1的外圆环区域而形成一磁场发生装置3，相邻的磁体31的磁极方向相反，且各磁体31的磁极方向分别垂直于光整加工室24的底面，磁体31选用永磁铁或电磁铁。控制超声工具头1带动各磁体31同步高速旋转，超声工具头1和磁体31的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，在光整加工室24内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场，相对磨料旋转且磁场方向周期变换的旋转磁场对磨料产生不同方向的作用力。
具体的，控制超声工具头1相对磨料高速旋转，超声工具头1的旋转速度控制在1000-50000转/分钟；较佳的，超声工具头1的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，优选的实施方式中，超声工具头1的旋转速度控制在10000转/分钟以上，在超声波传导至磨料之后，结合磁场作用力，使磨料以自身为中心，产生360度不定向的振动。
具体的，通过相对磨料旋转的磁场发生装置3提供旋转磁场，由至少两个固定在所述超声工具头1外缘的磁体31组成一磁场发生装置3，或者，或由至少两个固定在所述容置体2的底部的磁体31组成一磁场发生装置3，磁场发生装置3中的各磁体31沿圆周方向等间隔分布在超声工具头1的外圆环区域，相邻的磁体31的磁极方向相反，且各磁体31的磁极方向分别垂直于光整加工室24的底面，磁体31选用永磁铁或电磁铁。磁场发生装置3的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，较佳的，磁场发生装置3或磁体31的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，优选的实施方式中磁场发生装置3或磁体31的旋转速度控制在10000转/分钟以上，以产生一磁场方向高速周期变化的旋转磁场，使光整加工室24内的磨料在光整加工室24内沿圆周方向旋转，并能在旋转过程中上下翻滚，使磨料能够接触到金属铸件的所有表面。
磨料受到光整超声波和旋转磁场的双重作用，光整加工室24内的磨料相对自身产生360度的不定向振动，同时使振动中的磨料相对容置体2在光整加工室24内沿圆周方向旋转；受旋转超声场和旋转磁场作用，磨料在光整加工室24内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动，旋转中的磨料带动金属铸件在光整加工室24内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动。
磨料接触到光整加工室24的各个金属铸件的各个表面，对金属铸件的所有表面进行超声光整加工，超声光整加工过程中通过磨料对金属铸件的所有表面提供微量磨削、滚压和研磨压力，以实现改善金属铸件表面的微观几何特征和改善表面层物理力学性能，且实现快速批量超声光整加工；
在超声光整步骤中向，向光整加工室24加入冷却水或冷却油，加入水或冷却油的主要目的是起冷却作用，以降低金属铸件和磨料的温度，防止金属铸件和磨料的温度过高，当然，也可以向光整加工室24中加入冷却油等其它类型的冷却液。加入水或冷却油的另一个目的是增加光整超声波的传导效率，降低光整超声波的衰减，还能将位于光整加工室24中部的金属铸件和磨料全部带入光整加工室24的外圆环区域中，光整加工更加集中，加工效率更高。
完成加工，从光整加工室24中取出金属铸件，得到无毛刺且表面光滑的金属铸件。
实施例二
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，见图1-2，包括超声工具头1、磁场发生装置3、旋转驱动装置和容置体2，容置体2设置有光整加工室24，旋转驱动装置传动连接超声工具头1，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方。当然，超声工具头1也可以旋转安装在容置体2的内部或上方。
磁场发生装置3设置在容置体2下方。当然，磁场发生装置3也可以安装在容置体2的内部或上方。
超声工具头1设置在磁场发生装置3的中间位置，磁场发生装置3固定于超声工具头1并组合形成一复合光整装置4，在超声工具头1带动磁场发生装置3旋转时，并在光整加工室24内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场。
磁场发生装置3包含一个以上的磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，磁场发生装置3中的各磁体31间隔分布在超声工具头1的外缘的圆环区域中，磁体31的磁极垂直于磁体31垂直设置。沿磁场发生装置3旋转的圆周方向，磁场发生装置3的相邻两个磁体31之间的夹角为60-180度，优选角度为90-120度。其中，磁体31可选用永磁体31或电磁体31。各磁体31沿圆周方向等角度间隔设置。具体地，磁场发生装置3设置有两个磁体31，磁体31间的夹角为180度；
超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，磁场发生装置3中的各磁体31分别固定在超声工具头1。具体地，超声工具头1与容置体2底面间隙配合，磁场发生装置3中的磁体31分别通过连杆41连接在超声工具头1上。
其中磨料选用为导磁性磨料，导磁性磨料的形状设置为球型、片状、圆形、三角形或多边形。
容置体2选用一转盘，转盘中部掏空形成一光整加工室24，用于放置磨料及金属铸件；超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，磁场发生装置3设置在容置体2的下方；磁场发生装置3中的各磁体31分别通过连杆41固定于超声工具头1；超声工具头1的顶面抵贴于转盘的底面，或者，超声工具头1的顶面与转盘的底面间隙配合。光整加工室24内放置有导磁性磨料与金属铸件，超声工具头1与转盘的底面无论是处于抵贴状态还是间隙配合，都可以把超声工具头1发出的超声波传导至光整加工室24内的导磁性磨料中。旋转驱动装置对超声工具头1传动旋转，超声工具头1带动磁场发生装置3旋转，旋转的磁场发生装置3从而形成一个旋转磁场，导磁性磨料被磁化，旋转磁场对导磁性磨料产生吸引力，在旋转磁场产生的旋转作用力的情况下，带动导磁性磨料随着旋转，同时超声波使导磁性磨料产生振动，导磁性磨料在超声波及旋转磁场的作用下，对金属铸件的表面进行打磨，滑擦，从而完成对金属铸件的光整加工。
使用时，把约5公斤的金属铸件与适量的导磁性磨料放进容置体2中，导磁性磨料可采用含铁、钴、镍成分的金属材料，导磁性磨料的形状不作特别的限定，本实施例中选用含铁成分的小针。
启动电源，超声工具头1的参数设定为：功率300KW,频率20KHZ,振幅50-60微米，发出至少一个方向的超声波，超声波作用于容置体2中的导磁性磨料进行振动，同时超声工具头1的旋转带动磁场发生装置3进行旋转，从而产生了一个旋转的磁场，磁场中的磁力作用下，导磁性磨料被磁化，从而产生金属铸件表面的研磨压力，并沿磁力线方向紧密有序地排列形成“磁刷”,在超声波作用下，“磁刷”的排列呈现360度不同方向对金属铸件产生的作用力，导磁性磨料和金属铸件之间就会产生复杂的相对运动。在研磨压力和相对运动的作用下，导磁性磨料对金属铸件产生微量磨削、滚压等作用,从而改变金属铸件表面的微观几何特征(降低表面粗糙度值,增加表面轮廓支承率,去除毛刺等),改善表面层物理力学性能(表面形成变质层,改善表面应力状态等),提高表面质量,改善表面完整性,进而提高工件及产品的使用性能和寿命,实现金属铸件的光整加工。
本发明的旋转超声光整设备，由于金属铸件及导磁性磨料均放置于容置体2，开启设备即可对金属铸件进行光整加工，同时对金属铸件的种类或形状作没有作特别限定，实现对金属铸件的批量化处理，操作简单。
在超声波和磁场的双重作用下，加快了导磁性磨料对金属铸件的光整效率，同时进一步降低人工成本。
针对不同的金属铸件，对超声工具头1、磁场发生装置3和导磁性磨料进行相应的调整即可进行光整加工，使光整加工的质量更为稳定和更有保证。
实施例三
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图3，磁场发生装置3设置有三个磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，相邻的磁体31间的夹角为120度，磁体31沿圆周旋转方向间隔分布，磁体31分别通过连杆41与超声工具头1连接。旋转驱动装置驱动超声工具头1旋转，超声工具头1带动磁场发生装置3旋转，从而形成一旋转磁场。磁体31数量的增加，可使磁场发生装置3中的磁力分布更为密集，磁场的分布范围更广，形成旋转磁场的磁场方向的变化频率更快，磨料不定向振动时的方向变化更快，磁场发生装置3对导磁性磨料的作用效果更为明显，从而加强了导磁性磨料对金属铸件的光整加工更为充分，光整效果更好。
实施例四
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图4，磁场发生装置3设置有四个磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，相邻的磁体31间的夹角为90度，磁体31沿圆周旋转方向间隔分布，磁体31分别通过连杆41与超声工具头1连接。旋转驱动装置驱动超声工具头1旋转，超声工具头1带动磁场发生装置3旋转，从而形成一旋转磁场。磁体31数量的增加，可使磁场发生装置3中的磁力分布更为密集，磁场的分布范围更广，形成旋转磁场的磁场方向的变化频率更快，磨料不定向振动时的方向变化更快，磨料的旋转和不定向振向频率随随之加快，磁场发生装置3对导磁性磨料的作用效果更为明显，从而加强了导磁性磨料对金属铸件的光整加工更为充分，光整效果更好。
实施例五
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图5，超声工具头1旋转安装在容置体2的底面下方，磁场发生装置3设置在容置体2底面的下方。
具体的，超声工具头1与容置体2之间设置有球头轴承11；球头轴承11的第一传动端部安装于超声工具头1的顶部，球头轴承11的第二传动端部抵顶或固定于容置体2。或者球头轴承11的第二传动端部与容置体2的底面间隙配合，超声工具头1与容置体2的底面之间的间隙控制在0.01-1mm。
超声工具头1的上部固定有连杆41，连杆41的一端连接超声工具头1，另一端连接磁场发生装置3，超声工具头1通过旋转驱动装置驱动旋转，并通过连杆41传动连接于磁场发生装置3，使磁场发生装置3旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1发出的超声波通过球头轴承11传导至光整加工室24内的导磁体31磨料，超声波通过球头轴承11的传播有助于减少超声波的能量衰减，使传播作用于导磁性磨料的能量更充足，有助于减短加工时间。
实施例六
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图6，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，超声工具头1从容置体2的下方向上延伸至光整加工室24内，超声工具头1的上部伸入在光整加工室24中。
磁场发生装置3设置在光整加工室24内；具体地，磁场发生装置3通过连杆41连接于超声工具头1在容置体2内的一端，超声工具头1通过旋转驱动装置驱动旋转，并通过连杆41传动连接于磁场发生装置3，使磁场发生装置3旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1延伸至容置体2内，更有助于超声波的传导，同时减少超声波在传播过程中能量的衰减，使超声波的作用效果更为明显。
实施例七
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及功效与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图7，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，超声工具头1从容置体2的下方向上延伸至光整加工室24内，超声工具头1的上部伸入在光整加工室24中，磁场发生装置3设置在容置体2的底面下方。
磁场发生装置3通过连杆41连接于超声工具头1在容置体2的底面下方的一端，超声工具头1通过旋转驱动装置驱动旋转，并通过连杆41传动连接于磁场发生装置3，使磁场发生装置3旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1延伸至容置体2内，更有助于超声波的传导，同时减少超声波在传播过程中能量的衰减，使超声波的作用效果更为明显。
实施例八
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，见图8-9所示，包括超声工具头1、磁场发生装置3、旋转驱动装置和容置体2，容置体2设置有光整加工室24，旋转驱动装置传动连接容置体2，以实现驱动容置体2旋转，超声工具头1安装在容置体2的上方、内部或下方，磁场发生装置3固定在容置体2的上方、侧面、内部或下方，在容置体2旋转时，并在光整加工室24内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场。超声工具头1设置在磁场发生装置3的中间位置，且超声工具头1设置在容置体2的旋转中心。
磁场发生装置3包含一个以上的磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，磁场发生装置3中的各磁体31间隔分布在超声工具头1的外缘的圆环区域中，磁体31的磁极垂直于磁体31垂直设置。沿磁场发生装置3旋转的圆周方向，磁场发生装置3的相邻两个磁体31之间的夹角为60-180度，优选角度为90-120度。其中，磁体31可选用永磁体31或电磁体31。各磁体31沿圆周方向等角度间隔设置。具体地，磁场发生装置3设置有两个磁体31，磁体31间的夹角为180度；
超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，磁场发生装置3中的各磁体31分别固定在容置体2的底面。具体地，超声工具头1与容置体2底面间隙配合，磁场发生装置3中的磁体31分别设置在容置体2的底面下方并固定在容置体2的底面。
其中磨料选用为导磁性磨料，导磁性磨料的形状设置为球型、片状、圆形、三角形或多边形。
容置体2选用一转盘，转盘中部掏空形成一光整加工室24，用于放置导磁性磨料及金属铸件；超声工具头1安装在容置体2的下方，磁场发生装置3固定在容置体2上；磁场发生装置3中的各磁体31分别固定在容置体2的底面；超声工具头1的顶面抵贴于转盘的底面，或者，超声工具头1的顶面与转盘的底面间隙配合。光整加工室24内放置有导磁性磨料与金属铸件，超声工具头1与转盘的底面无论是处于抵贴状态还是间隙配合，都可以把超声工具头1发出的超声波传导至光整加工室24内的导磁性磨料中。旋转驱动装置对容置体2传动旋转，容置体2带动磁场发生装置3旋转，旋转的磁场发生装置3从而形成一个旋转磁场，导磁性磨料被磁化，旋转磁场对导磁性磨料产生吸引力，在旋转磁场产生的旋转作用力的情况下，带动导磁性磨料随着旋转，同时超声波使导磁性磨料产生振动，导磁性磨料在超声波及旋转磁场的作用下，对金属铸件的表面进行打磨，滑擦，从而完成对金属铸件的光整加工。
使用时，把约5公斤的金属铸件与适量的导磁性磨料放进容置体2中，导磁性磨料可采用含铁、钴、镍成分的金属材料，导磁性磨料的形状不作特别的限定，本实施例中选用含铁成分的小针。
启动电源，超声工具头1的参数设定为：功率300KW,频率20KHZ,振幅50-60微米，发出至少一个方向的超声波，超声波作用于容置体2中的导磁性磨料进行振动，同时容置体2的旋转带动磁场发生装置3进行旋转，从而产生了一个旋转的磁场，磁场中的磁力作用下，导磁性磨料被磁化，从而产生金属铸件表面的研磨压力，并沿磁力线方向紧密有序地排列形成“磁刷”,在超声波作用下，“磁刷”的排列呈现360度不同方向对金属铸件产生的作用力，导磁性磨料和金属铸件之间就会产生复杂的相对运动。在研磨压力和相对运动的作用下，导磁性磨料对金属铸件产生微量磨削、滚压等作用,从而改变金属铸件表面的微观几何特征(降低表面粗糙度值,增加表面轮廓支承率,去除毛刺等),改善表面层物理力学性能(表面形成变质层,改善表面应力状态等),提高表面质量,改善表面完整性,进而提高工件及产品的使用性能和寿命,实现金属铸件的光整加工。
本发明的旋转超声光整设备，由于金属铸件及导磁性磨料均放置于容置体2，开启设备即可对金属铸件进行光整加工，同时对金属铸件的种类或形状作没有作特别限定，实现对金属铸件的批量化处理，操作简单。
在超声波和磁场的双重作用下，加快了导磁性磨料对金属铸件的光整效率，同时进一步降低人工成本。
针对不同的金属铸件，对超声工具头1、磁场发生装置3和导磁性磨料进行相应的调整即可进行光整加工，使光整加工的质量更为稳定和更有保证。
较佳的实施方式中，磁场发生装置3设置有三个磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，相邻的磁体31间的夹角为120度，磁体31沿圆周旋转方向间隔分布，磁体31分别固定在容置体2的底面。旋转驱动装置驱动容置体2旋转，容置体2带动磁场发生装置3旋转，从而形成一旋转磁场。磁体31数量的增加，可使磁场发生装置3中的磁力分布更为密集，磁场的分布范围更广，磁场发生装置3对导磁性磨料的作用效果更为明显，从而加强了导磁性磨料对金属铸件的光整加工更为充分，光整效果更好。
另一较佳的实施方式中，磁场发生装置3设置有四个磁体31，相邻两个磁体31之间的磁极方向相反，相邻的磁体31间的夹角为90度，磁体31沿圆周旋转方向间隔分布，磁体31分别固定在容置体2的底面。旋转驱动装置驱动容置体2旋转，容置体2带动磁场发生装置3旋转，从而形成一旋转磁场。磁体31数量的增加，可使磁场发生装置3中的磁力分布更为密集，磁场的分布范围更广，磁场发生装置3对导磁性磨料的作用效果更为明显，从而加强了导磁性磨料对金属铸件的光整加工更为充分，光整效果更好。
实施例九
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例八相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图10，超声工具头11旋转安装在容置体2底面的下方，超声工具头11与容置体2间隙配合，磁场发生装置3设置在容置体2内并固定在容置体2内，具体的，磁场发生装置3的各磁体31固定在光整加工室24的底面，旋转驱动装置驱动容置体2旋转，磁场发生装置3随之旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。磁场发生装置3设置在容置体内，直接与导磁性磨料接触，使作用于导磁性磨料的磁力更强。
实施例十
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例八相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图11，超声工具头1旋转安装在容置体2底面的下方，超声工具头1与容置体2间隙配合，磁场发生装置3设置在容置体2的下方，磁场发生装置3的各磁体31固定连接于容置体2的底面；超声工具头1与容置体2之间设置有球头轴承11；球头轴承11的第一传动端部安装于超声工具头1的顶部；球头轴承11的第二传动端部固定于容置体2，或者球头轴承11的第二传动端部与容置体2的底面间隙配合。旋转驱动装置驱动容置体2旋转，磁场发生装置3随之旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。
超声工具头1发出的超声波通过球头轴承11传导至光整加工室24内的导磁体31磨料，超声波通过球头轴承11的传播有助于减少超声波的能量衰减，使传播作用于导磁性磨料的能量更充足，有助于减短加工时间。
实施例十一
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图12，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，超声工具头1从容置体2的下方向上延伸至光整加工室24内，超声工具头1的上部露出在光整加工室24内。
磁场发生装置3固定在容置体2的底面；旋转驱动装置驱动容置体2旋转，磁场发生装置3跟随容置体2旋转，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1延伸至容置体2内，更有助于超声波的传导，同时减少超声波在传播过程中能量的衰减，使超声波的作用效果更为明显。磁体固定在容置体的底面上，使磁体于导磁性磨料的距离更为接近，作用于导磁性磨料的磁场强度更大。
实施例十二
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图13，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，超声工具头1从容置体2的下方向上延伸至光整加工室24内，超声工具头1的上部露出在光整加工室24内，磁场发生装置3固定在容置体2内，具体的，磁场发生装置3的各磁体31固定在光整加工室24的底面，容置体2通过旋转驱动装置驱动旋转，磁场发生装置3跟随容置体2旋转光整加工室24的底面，从而形成一个旋转磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1延伸至容置体2内，更有助于超声波的传导，同时减少超声波在传播过程中能量的衰减，使超声波的作用效果更为明显。磁场发生装置3设置在容置体内，直接与导磁性磨料接触，使作用于导磁性磨料的磁力更强。
实施例十三
一种金属铸件的超声光整批量加工设备，本实施例的主要结构、原理以及效果与实施例一相同，这里不再赘述，其不同之处在于，见图14，超声工具头1旋转安装在容置体2的下方，超声工具头1从容置体2的下方向上延伸至光整加工室24内，超声工具头1的上部露出在光整加工室24内。
磁场发生装置3设置在容置体2内，具体的磁场发生装置3的各磁体31旋转安装在光整加工室24内。
具体的，光整加工室24内设置有连杆41，连杆41一端连接磁场发生装置3，另一端连接超声波工具头1，容置体2通过旋转驱动装置驱动旋转时，磁场发生装置3与容置体2发生相对旋转，从而形成一个相对旋转的磁场带动导磁性磨料旋转。超声工具头1延伸至容置体2内，更有助于超声波的传导，同时减少超声波在传播过程中能量的衰减，使超声波的作用效果更为明显。磁场发生装置3设置在容置体内，直接与导磁性磨料接触，使作用于导磁性磨料的磁力更强。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种金属铸件的超声光整批量加工方法，其特征在于：包括以下步骤，
投料步骤，将多个金属铸件投入到容置体(2)的光整加工室(24)中；
磨料投放步骤，向光整加工室(24)投放具有导磁性的磨料；
超声光整步骤，通过超声产生装置至少产生一种光整超声波，并通过超声工具头(1)至少将光整超声波传导至容置体(2)或直接传导至光整加工室(24)中的金属铸件以及磨料；
通过旋转驱动装置驱动超声工具头(1)旋转，同时对光整加工室(24)施加一旋转磁场；
磨料受到光整超声波和旋转磁场的双重作用，光整加工室(24)内的磨料相对自身产生360度的不定向振动，同时使振动中的磨料相对容置体(2)在光整加工室(24)内沿圆周方向旋转；
磨料接触到光整加工室(24)的各个金属铸件的各个表面，对金属铸件的所有表面进行超声光整加工，超声光整加工过程中通过磨料对金属铸件的所有表面提供微量磨削、滚压和研磨压力，以实现改善金属铸件表面的微观几何特征和改善表面层物理力学性能，且实现快速批量超声光整加工；
完成加工，从光整加工室(24)中取出金属铸件，得到无毛刺且表面光滑的金属铸件。
2.根据权利要求1所述的一种金属铸件的超声光整批量加工方法，其特征在于：所述投料步骤中，将多个金属铸件自由放置在光整加工室(24)中，不需要固定金属铸件；
所述磨料投放步骤中，通过送料管向所述光整加工室(24)投放所述磨料，至少使磨料覆盖各金属铸件，磨料的形状包括长条形状、圆球体形状、多面体形状或薄片形状中的至少一种，磨料的最大粒径为0.01-50mm；
所述超声光整步骤，通过超声变幅杆将所述超声产生装置产生的光整超声波传导至所述超声工具头(1)，将超声工具头(1)安装在所述容置体(2)的下方或上方；
控制超声工具头(1)相对磨料高速旋转，超声工具头(1)的旋转速度控制在1000-50000转/分钟；
由至少两个固定在所述超声工具头(1)外缘或固定在所述容置体(2)的底部的磁体(31)组成一磁场发生装置(3)，磁场发生装置(3)中的各磁体(31)沿圆周方向等间隔分布在超声工具头(1)的外圆环区域，相邻的磁体(31)的磁极方向相反，且各磁体(31)的磁极方向分别垂直于光整加工室(24)的底面，磁体(31)选用永磁铁或电磁铁；
超声工具头(1)和磁场发生装置(3)形成一复合光整装置(4)，通过超声工具头(1)或容置体(2)带动磁场发生装置(3)相对磨料旋转，磁场发生装置(3)的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，在光整加工室(24)内形成共存的旋转超声场和旋转磁场；
通过超声工具头(1)将光整超声波传导至容置体(2)，通过容置体(2)将光整超声波传导至光整加工室(24)中的金属铸件和磨料；
将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米；
超声光整加工过程中对金属铸件的作用至少包括降低表面粗糙度值、增加表面轮廓支承率、去除毛刺、改善表面形成变质层、改善表面应力状态；
当旋转和不定向振动中的磨料接触金属铸件表面的毛刺时磨料将毛刺从其根部振断。
3.根据权利要求1所述的一种金属铸件的超声光整批量加工方法，其特征在于：所述超声光整步骤中，
将所述超声工具头(1)安装在所述容置体(2)的下方；
超声工具头(1)的上部通过传动轴承接触容置体(2)的底面，或者，超声工具头(1)的顶面与容置体(2)的底面间隙配合，超声工具头(1)与容置体(2)的底面之间的间隙控制在0.01-1mm；
通过连杆(41)将至少两个磁体(31)固定于超声工具头(1)，各磁体(31)沿圆周方向等间隔分布在超声工具头(1)的外圆环区域而形成一磁场发生装置(3)，相邻的磁体(31)的磁极方向相反，且各磁体(31)的磁极方向分别垂直于光整加工室(24)的底面，磁体(31)选用永磁铁或电磁铁；
控制超声工具头(1)带动各磁体(31)同步高速旋转，超声工具头(1)的旋转速度控制在1000-50000转/分钟，在光整加工室(24)内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场；
将光整超声波的频率控制在15-100KHZ、功率控制在100-500KW、振幅30-100微米；
所述磨料的最大粒径为0.1-5mm；
在超声光整步骤中向，向光整加工室(24)加入冷却液。
4.根据权利要求2或3所述的一种金属铸件的超声光整批量加工方法，其特征在于：所述超声工具头(1)的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，
所述磁体(31)的旋转速度控制在8000-20000转/分钟，
所述光整超声波的频率控制在20±1KHZ、40±1KHZ、60±1KHZ或80±1KHZ,将光整超声波的功率控制在250-350KW，将光整超声波的振幅50-60微米；
在所述超声光整步骤中，受旋转超声场和旋转磁场作用，磨料在光整加工室(24)内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动，旋转中的磨料带动金属铸件在光整加工室(24)内的外圆环区域中沿圆周方向旋转和振动。
5.一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：包括旋转驱动装置、超声产生装置、超声工具头(1)、磁场发生装置(3)和容置体(2)，容置体(2)设置有光整加工室(24)，超声产生装置连接超声工具头(1)；
超声工具头(1)旋转安装在容置体(2)的上方、内部或下方，磁场发生装置(3)设置在容置体(2)上方、内部或下方，超声工具头(1)设置在磁场发生装置(3)的中间位置，以形成一复合光整装置(4)；
旋转驱动装置传动连接超声工具头(1)或容置体(2)，用于驱动超声工具头(1)或容置体(2)旋转，以实现使超声工具头(1)及磁场发生装置(3)相对磨料旋转，并在光整加工室(24)内形成共存的旋转超声场和磁场方向周期变换的旋转磁场。
6.根据权利要求5所述的一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：所述磁场发生装置(3)包含一个以上的磁体(31)，相邻两个磁体(31)之间的磁极方向相反，磁场发生装置(3)中的各磁体(31)间隔分布在所述超声工具头(1)的外缘的圆环区域中，磁体(31)的磁体垂直于磁体(31)垂直于设置所述容置体(2)的底面；容置体(2)选用一转盘，转盘中部掏空形成一所述光整加工室(24)，用于容纳导磁性磨料及金属铸件。
7.根据权利要求6所述的一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：所述超声工具头(1)旋转安装在容置体(2)的下方，所述磁场发生装置(3)设置在容置体(2)的下方；
磁场发生装置(3)中的各所述磁体(31)分别通过连杆(41)固定于超声工具头(1)，以实现超声工具头(1)旋转时带动磁场发生装置(3)旋转；
超声工具头(1)的顶面抵贴于转盘的底面，或者，超声工具头(1)的顶面与转盘的底面间隙配合。
8.根据权利要求7所述的一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：所述超声工具头(1)与所述容置体(2)的底面之间设置有球头轴承(11)；球头轴承(11)的第一传动端部安装于超声工具头(1)的顶部，球头轴承(11)的第二传动端部抵顶或固定于容置体(2)的底面。
9.根据权利要求5至8之一所述的一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：所述旋转驱动装置传动连接容置体(2)，用于驱动容置体(2)旋转，
所述磁场发生装置(3)固定在容置体(2)的上方、侧面、内部或下方，
在容置体(2)旋转时，磁场发生装置(3)相对光整加工室(24)内的所述磨料旋转，在光整加工室(24)中形成一旋转磁场。
10.根据权利要求5至8之一所述的一种金属铸件的超声光整批量加工设备，其特征在于：所述超声工具头(1)安装在所述容置体(2)的下方，所述超声工具头(1)的上部伸入到所述光整加工室(24)中。
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