CN108555317B - 一种基于超声振动冲击的表面织构装置及织构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声振动冲击的表面织构装置，包括超声波发生器和超声振动系统，超声振动系统包括刀头、刀杆、变幅杆和换能器，刀头焊接在刀杆的顶端，刀杆和换能器分别通过螺纹连接在变幅杆的两端，换能器外部套接有换能器外壳，换能器外壳的前端面通过螺栓与变幅杆上的法兰端面固定连接，换能器外壳的后端设置有外壳端盖，外壳端盖通过螺钉和换能器外壳固定连接在一起，换能器外壳通过夹具安装在数控车床的刀架上，工件通过三爪夹盘安装在数控车床上，工件的轴线与刀头刀尖等高。本发明还公开了应用上述基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法。

Description

一种基于超声振动冲击的表面织构装置及织构方法

技术领域

本发明属于表面织构技术领域，涉及一种基于超声振动冲击的表面织构装置，本发明还涉及应用上述基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法。

背景技术

表面织构是指在摩擦表面上加工出一些功能性的微观几何形貌，可以在一定程度上提高粗糙表面的润滑和密封效果，起到减小阻力，降低磨损和功耗等作用。现有的表面织构技术主要有以下几种：

1.激光表面织构技术：激光表面织构技术是一种利用激光在物体表面造型出微米或者纳米级微造型的加工技术，由于其能够对复杂表面进行织构，织构尺寸可控，加工速度快，因此是目前应用最广泛的表面织构技术。但是激光设备相对昂贵，且在实际加工过程中对环境要求较高；一般经过激光加工之后表面会产生凸起，需要后期打磨处理或是化学处理；由于激光能量密度较高，不可避免的对织构周围表面造成连带损伤；而且由于光的可穿透性，激光表面织构技术是不可用于透明或其他有特殊光学性能的材料的。这些难以克服的缺陷也限制了激光表面织构技术在实际应用中的发展。

2.表面喷丸技术：表面喷丸技术是一种利用高压风或压缩空气作动力，将磨料微粒夹杂在高速气流中冲击工件表面以去除材料的精密加工方法。该技术适用于复杂的小型工件，以控制成本和效率，可通过控制丸料的粒度和喷射速度来控制织构效果。由于表面喷丸技术单一的工作方式，实际加工时只能在工件表面产生凹坑形状的织构，不适用对薄板等易变形工件的处理，且该技术产生的表面织构在分布上可控性较小，只能在织构加工前于工件相应范围选择需要表面织构化处理的宏观区域。另外这种加工方法动力消耗大，对环境污染较严重。

3.压刻技术：压刻技术是一种较为传统的表面织构加工方法，该技术利用压刻机把具有高精度，高硬度的微细凸起形貌的压印工具在金属部件表面压制，使工件产生塑性变形来获得与压头形状相对应的凹坑分布，目前有两种压刻技术在实际加工过程中较为常见，一种是凸起在压制刀具上呈阵列均匀排布，一次压刻能产生多个织构；另一种方法是使用单个凸起振动压头同时在工件表面移动，以连续产生织构。该方法能准确并有效的在工件表面加工出表面微织构，但由于这种方法在工件表面产生的织构形状是由压刻工具表面形貌决定的，这就限制了织构形状的可控性。目前压刻技术所采用的工具一般是金刚石压头或其他各种硬度较高的工具，就给定的织构形状而言，要在工件上获得一定形状的织构，首先要得到对应形状的压头，所以成本较高，技术上较难实现。

4.反应离子刻蚀技术：反应离子刻蚀技术是一种利用物理化学反应进行刻蚀的方法，它将离子源中产生的离子引出后加速、聚焦形成离子束，向真空中的工件表面进行冲击，利用其动能进行加工。该技术能够以较快的直写速度进行刻饰，并且是在计算机控制下的无掩膜注入，无显影刻蚀，可以直接制造各种纳米器件结构。就制备小规模高精度微织构而言，反应离子刻蚀技术是比较合适的选择。但在加工过程中，也存在一些问题，譬如加工过程中的损伤问题比较突出，离子束加工精度不易控制，生产过程对所处加工环境要求比较高。另一方面，该技术的初期基础设备较为昂贵，整个生产周期较长且工艺复杂。

5.超声表面织构技术：超声表面织构技术是通过换能器将超声波发生器发出的电信号转换为机械振动，并通过变幅杆放大驱动工具头在零件表面形成微结构加工技术。该方法织构过程中负载、造型温度的变化以及外界干扰等因素会使超声加工设备发生变化，进一步影响表面织构的结构及分布，因此目前还没有成熟可靠的超声表面织构设备。另外，现有超声织构方法加工的表面织构的形貌大小及分布不能灵活控制、无法对不规则表面如圆弧面等进行织构。

各种技术的发展为表面织构提供了强有力的工具，但其中大部分技术的工艺较为复杂、加工效率低，加工过程易对织构表面造成连带损伤、织构形貌的大小及分布不能灵活控制，加工表面较为单一。另外，现有技术加工出的表面微织构的深度较小，表面覆盖率较低，无法满足实际生产要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声振动冲击的表面织构装置，解决了现有织构技术存在的加工效率低、织构尺寸和分布难以灵活控制、织构过程对工件表面造成连带损伤以及加工表面单一的问题。

本发明的另一目的是提供应用上述基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于超声振动冲击的表面织构装置，包括超声波发生器和超声振动系统，超声振动系统包括刀头、刀杆、变幅杆和换能器，刀头固定在刀杆的顶端，刀杆和换能器分别通过螺纹连接在变幅杆的两端，超声振动系统通过夹具安装在数控车床的刀架上，工件通过三爪夹盘安装在数控车床上，工件的轴线与刀头的刀尖等高。

本发明的特点还在于，

换能器外部套接有换能器外壳，换能器外壳的前端面通过螺栓与变幅杆上的法兰端面固定连接，换能器外壳的后端设置有外壳端盖，外壳端盖通过螺钉和换能器外壳固定连接在一起。

法兰端面位于变幅杆上振幅为零的驻波节点处。

刀杆和变幅杆的固有频率和超声波发生器的激振频率相匹配，使得刀杆和变幅杆在工作中处于共振状态。

超声波发生器的输出频率范围为20kHz～40kHz，输出功率≤2kW。

本发明的另一技术方案是，应用一种基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据所需表面微织构尺寸参数的计算式，计算出织构过程中所需的加工参数：超声振动频率f、振幅a、工件转速n、刀尖圆弧半径r_ε以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ。

步骤2，通过转动数控车床的刀架来调整刀头的位置，使刀头正对被加工工件的表面，根据步骤1的计算结果，调整刀头与工件之间的距离为Δ；

步骤3，启动数控车床，通过车床主轴电机带动工件作转速为n的旋转运动，根据步骤1的计算结果，设定超声振动系统的振动频率f和振幅a，启动超声波发生器驱动刀头产生高频往复机械振动；

步骤4，通过刀架带动超声振动系统以进给量s作进给运动，依靠刀头的高频往复振动冲击在工件表面形成规则排布的表面微织构。

本发明的另一技术方案的特点还在于，

步骤1中，表面微织构的尺寸参数包括织构的深度H、长度l、宽度w和周向间距d，计算式为：

以刀尖的初始位置为原点，以刀头随车床刀架沿平行于主轴中心线的纵向进给方向为Z轴，以刀头沿垂直于主轴中心线的横向进给方向为X轴建立直角坐标系，则对回转体外表面织构过程中，刀尖沿各个轴的运动方程可表示如下：

刀尖沿X轴的往复振动方程可表示为：

x(t)＝a sin(2πft)

刀尖沿Y轴的相对于回转工件表面的周向运动方程为：

y(t)＝2πRnt/60

刀尖沿Z轴的运动方程可表示为：

z(t)＝snt/60

式中，s为进给量，n为工件转速，a和f分别为超声振动系统刀尖处的振幅和振动频率；不考虑刀头和工件的弹性变形及磨损，则表面微织构尺寸参数的表达式如下：

织构的深度H为：

H＝a-Δ

织构的长度l为：

织构的宽度w为：

织构的周向间距d为：

式中，Δ为初始时刻刀尖到工件表面的偏移距离，r_ε为刀尖圆弧半径，R为工件半径。

步骤2中，刀头刀尖与工件表面的偏移距离Δ的范围为0～100μm。

步骤3中，超声振动系统的振动波形为正弦波。

步骤3中，刀头刀尖处高频往复机械振动的双振幅范围为10μm～100μm。

本发明的有益效果是：

1.本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置，所使用超声振动系统的双振幅可达到100μm，通过调整刀头与被加工工件表面之间的距离，可以加工出深度为0～100μm的表面微织构，织构深度较现有技术有很大提升；通过控制轴向间距与周向间距，表面微织构的覆盖率可以在很大范围内进行调整；

2.本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置，所提供的表面织构装置去除工件表面材料主要是依靠刀头瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会对工件表面造成连带损伤。同时超声振动冲击后工件表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，对工件表面产生强化效果；

3.本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置，结构简单，便于拆装，适用于回转体外表面、端面和内表面的织构加工，解决了现有织构技术加工表面较为单一的问题。所采用的超声波发生器功率大，工作状态稳定，具有很好的可靠性和可控性；

4.本发明所提供的一种基于超声振动冲击的表面织构方法，可以通过调整振动参数和加工参数实现表面微织构的尺寸调控；通过更换刀头可加工出不同形状的表面微织构，具有良好的织构多样性。

附图说明

图1是本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例1被加工工件的周向截面图；

图3是本发明实施例1被加工工件的轴向截面图；

图4是本发明实施例1被加工工件表面形貌的局部放大图；

图5是本发明实施例2的加工示意图。

图中，1.刀头，2.刀杆，3.变幅杆，4.夹具，5.换能器外壳，6.换能器，7.超声波发生器，8.外壳端盖，9.刀架，10.工件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其结构如图1所示，一种基于超声振动冲击的表面织构装置，包括超声波发生器7和超声振动系统，超声振动系统包括刀头1、刀杆2、变幅杆3和换能器6，刀头1固定在刀杆2的顶端，刀杆2和换能器6分别通过螺纹连接在变幅杆3的两端，超声振动系统通过夹具4安装在数控车床的刀架9上，工件10通过三爪夹盘安装在数控车床上，工件10的轴线与刀头1的刀尖等高。

换能器6外部套接有换能器外壳5，换能器外壳5的前端面通过螺栓与变幅杆3上的法兰端面固定连接，换能器外壳5的后端设置有外壳端盖8，外壳端盖8通过螺钉和换能器外壳5固定连接在一起。

法兰端面位于变幅杆3上振幅为零的驻波节点处。

刀杆2和变幅杆3的固有频率和超声波发生器7的激振频率相匹配，使得刀杆2和变幅杆3在工作中处于共振状态。

超声波发生器7的输出频率范围为20kHz～40kHz，输出功率≤2kW。

本发明应用一种基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据所需表面微织构尺寸参数的计算式，计算出织构过程中所需的加工参数：超声振动频率f、振幅a、工件转速n、刀尖圆弧半径r_ε以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ。

步骤2，通过转动移动数控车床的刀架9来调整刀头1的位置，使刀头1正对被加工工件10的表面，根据步骤1的计算结果，调整刀头1与工件10之间的距离为Δ；

步骤3，启动数控车床，通过车床主轴电机带动工件10作转速为n的旋转运动，根据步骤1的计算结果，设定超声振动系统的振动频率f和振幅a，启动超声波发生器7驱动刀头1产生高频往复机械振动；

步骤4，通过刀架9带动超声振动系统以进给量s作进给运动，依靠刀头1的往复振动冲击在工件10的表面形成规则排布的表面微织构。

步骤1中，表面微织构的尺寸参数包括织构的深度H、长度l、宽度w和周向间距d，计算式为：

以刀尖的初始位置为原点，以刀头随车床刀架沿平行于主轴中心线的纵向进给方向为Z轴，以刀头沿垂直于主轴中心线的横向进给方向为X轴建立坐标系，则对回转体外表面织构过程中，刀尖沿各个轴的运动方程可表示如下：

刀尖沿X轴的往复振动方程可表示为：

x(t)＝a sin(2πft)

刀尖沿Y轴的相对于回转工件表面的周向运动方程为：

y(t)＝2πRnt/60

刀尖沿Z轴的运动方程可表示为：

z(t)＝snt/60

式中，s为进给量，n为工件转速，a和f分别为超声振动系统刀尖处的振幅和振动频率；不考虑刀头和工件的弹性变形及磨损，则表面微织构的尺寸参数可表示如下：

织构的深度H为：

H＝a-Δ

织构的长度l为：

织构的宽度w为：

织构的周向间距d为：

式中，Δ为初始时刻刀尖到工件表面的偏移距离，r_ε为刀尖圆弧半径，R为工件半径。

步骤2中，刀头1的刀尖与工件10表面的偏移距离Δ范围为0～100μm。

步骤3中，超声振动系统的振动波形为正弦波。

步骤3中，刀头1刀尖处高频往复机械振动的双振幅范围为10μm～100μm。

本发明一种基于超声振动冲击的表面织构装置，换能器外壳5通过夹具4安装在刀架9上，加工过程中随刀架9沿进给方向运动，工件10通过三爪夹盘安装在车床上，加工过程中绕车床主轴作旋转运动。

超声振动系统的作用是通过换能器6将超声波发生器7输出的高频电信号转变为机械振动，并通过变幅杆3和刀杆2的振幅放大作用使刀头1产生一定振幅的高频振动。整个振动系统的连接部分应紧密接触，以防止超声波传递过程中的能量损失。

刀头1的形状根据所需表面微织构的截面形状确定，刀头1的材料根据工件10的材料加以确定。

变幅杆3上加工有法兰端面，用于超声振动系统与夹具4及换能器外壳5之间的连接，法兰端面位于变幅杆上振幅为零的驻波节点处，保证织构过程中超声振动系统与夹具4及换能器外壳5之间相对静止。

实施例1

本发明应用一种基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法，在对回转体外表面进行织构时，如图2和图3所示，工件10通过车床主轴电机带动作旋转运动，超声振动系统随刀架9沿平行于主轴中心线的方向作纵向进给运动，超声波发生器7将交流电转换成超声频的正弦电振荡信号并通过导线将其传输到换能器6，换能器6将电振荡信号转换成超声频机械振动，之后变幅杆3将换能器6的超声频机械振动放大后传递给刀杆2，刀杆2带动刀头1沿垂直于被加工工件表面的方向作往复超声频机械振动，依靠刀头1的振动冲击在回转工件外表面形成具有一定形状和一定尺寸参数的表面微织构。

表面微织构的截面形状可以通过改变刀头1的形状加以调整。

表面微织构的尺寸参数包括织构的深度H、长度l、宽度w和周向间距d。

表面微织构的尺寸参数可以通过控制超声振动频率f、振幅a、工件转速n、刀尖圆弧半径r_ε以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ等参数加以调整。

具体包括以下步骤：

步骤1，根据所需表面微织构的尺寸参数计算出织构过程中所需的加工参数：超声振动频率f(Hz)、振幅a(mm)、工件转速n(r/min)、刀尖圆弧半径r_ε(mm)以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ；

步骤2，通过转动数控车床的刀架9来调整刀头1的位置，使刀头1正对于工件10的外表面，根据步骤1中所求得的刀尖到工件表面的偏移距离Δ，调整刀头1与工件10之间的距离为Δ；

步骤3，启动车床，通过车床主轴电机带动工件10作转速为n的旋转运动；根据步骤1的计算结果，设定超声波发生器7输出的振动频率f和振幅a，振动波形为正弦波；启动超声波发生器7驱动刀头产生高频往复机械振动；

步骤4，通过刀架9带动超声振动系统以进给量s沿平行于主轴中心线的方向作纵向进给运动，在此过程中，依靠刀头的往复振动冲击在工件表面形成如图4所示的规则排布的表面微织构。

实施例2

本发明应用一种基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法，在对回转体端面进行织构时，如图5所示，工件10通过车床主轴电机带动作旋转运动，超声振动系统随刀架9沿垂直于主轴中心线的方向作横向进给运动，超声波发生器7将交流电转换成超声频的正弦电振荡信号并通过导线将其传输到换能器6，换能器6将电振荡信号转换成超声频机械振动，之后变幅杆3将换能器6的超声频机械振动放大后传递给刀杆2，刀杆2带动刀头1沿垂直于回转体端面的方向作往复超声频机械振动，依靠刀头1的振动冲击在回转工件端面形成具有一定形状和一定尺寸参数的表面微织构。

表面微织构的截面形状可以通过改变刀头1的形状加以调整。

表面微织构的尺寸参数包括织构的深度H、长度l、宽度w和周向间距d。

表面微织构的尺寸参数可以通过控制超声振动频率f、振幅a、工件转速n、刀尖圆弧半径r_ε以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ等参数加以调整。

具体包括以下步骤：

步骤1，根据所需表面微织构的尺寸参数计算出织构过程中所需的加工参数：超声振动频率f(Hz)、振幅a(mm)、工件转速n(r/min)、刀尖圆弧半径r_ε(mm)以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ；

步骤2，通过移动数控车床的刀架9来调整刀头1的位置，使刀头1正对于工件10的端面，根据步骤1的计算结果，调整刀头1与工件10之间的距离为Δ；

步骤3，启动车床，通过车床主轴电机带动工件10作转速为n的旋转运动；根据步骤1的计算结果，设定超声振动系统的振动频率f和振幅a，振动波形为正弦波；启动超声波发生器7驱动刀头产生高频往复机械振动；

步骤4，通过刀架9带动超声振动系统以进给量s沿垂直于主轴中心线的方向作横向进给运动，在此过程中，依靠刀头1的高频往复振动冲击在工件10的端面形成呈断续涡状线排布的表面微织构。

Claims (7)

1.一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，包括超声波发生器(7)和超声振动系统，所述超声振动系统包括刀头(1)、刀杆(2)、变幅杆(3)和换能器(6)，所述刀头(1)固定在刀杆(2)的顶端，所述刀杆(2)和换能器(6)分别通过螺纹连接在变幅杆(3)的两端，所述超声振动系统通过夹具(4)安装在数控车床的刀架(9)上，工件(10)通过三爪夹盘安装在数控车床上，所述工件(10)的轴线与刀头(1)的刀尖等高，所述刀杆(2)和变幅杆(3)的固有频率和超声波发生器(7)的激振频率相匹配，使得刀杆(2)和变幅杆(3)在工作中处于共振状态，所述超声波发生器(7)的输出频率范围为20kHz～40kHz，输出功率≤2kW；

应用所述一种基于超声振动冲击的表面织构装置进行织构的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据所需表面微织构的尺寸参数的计算式，计算出织构过程中所需的加工参数：超声振动频率f、振幅a、工件转速n、刀尖圆弧半径r_ε以及刀尖到工件表面的偏移距离Δ；

步骤2，通过转动数控车床的刀架(9)来调整刀头(1)的位置，使刀头(1)正对被加工工件(10)的表面，根据步骤1的计算结果，调整刀头(1)的刀尖到工件(10)表面的偏移距离为Δ；

步骤3，启动数控车床，通过车床主轴电机带动工件(10)作转速为n的旋转运动，根据步骤1的计算结果，设定超声振动系统的超声振动频率f和振幅a，启动超声波发生器(7)驱动刀头(1)产生高频往复机械振动；

步骤4，通过刀架(9)带动超声振动系统以进给量s作进给运动，依靠刀头(1)的往复振动冲击在工件(10)表面形成规则排布的表面微织构。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述换能器(6)外部套接有换能器外壳(5)，所述换能器外壳(5)的前端面通过螺栓与变幅杆(3)上的法兰端面固定连接，所述换能器外壳(5)的后端设置有外壳端盖(8)，所述外壳端盖(8)通过螺钉和换能器外壳(5)固定连接在一起。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述法兰端面位于变幅杆(3)上振幅为零的驻波节点处。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述步骤1中，表面微织构的尺寸参数包括织构的深度H、长度l、宽度w和周向间距d，计算式为：

以刀尖的初始位置为原点，以刀头随车床刀架沿平行于主轴中心线的纵向进给方向为Z轴，以刀头沿垂直于主轴中心线的横向进给方向为X轴建立坐标系，则对回转体外表面织构过程中，刀尖沿各个轴的运动方程可表示如下：

刀尖沿X轴的往复振动方程可表示为：

x(t)＝asin(2πft)

刀尖沿Y轴的相对于回转工件表面的周向运动方程为：

y(t)＝2πRnt/60

刀尖沿Z轴的运动方程可表示为：

z(t)＝snt/60

式中，s为进给量，n为工件转速，f为超声振动频率，a为振幅；不考虑刀头和工件的弹性变形及磨损，则表面微织构的尺寸参数可表示如下：

织构的深度H为：

H＝a-Δ

织构的长度l为：

织构的宽度w为：

织构的周向间距d为：

式中，Δ为刀尖到工件表面的偏移距离，r_ε为刀尖圆弧半径，R为工件半径。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述步骤2中，刀头(1)的刀尖到工件表面的偏移距离Δ范围为0～100μm。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述步骤3中，超声振动系统的振动波形为正弦波。

7.根据权利要求5所述的一种基于超声振动冲击的表面织构装置，其特征在于，所述步骤3中，刀头(1)刀尖处高频往复机械振动的双振幅范围为10μm～100μm。

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