CN109202552A - 一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，涉及抗疲劳加工领域，所述加工方法包括：在对工件材料进行加工时，利用超声振动直接驱动磨料悬浮液中的磨粒以一定的速度冲击工件表面，并同时控制磨头沿Z轴方向的进给速度和数控铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而完成对工件的磨削加工，从而实现“边击打边磨削”的加工方式。采用本发明提供的方法能够改善零件的表面质量和提高零件的表面硬度，并在零件表层引入合理分布的残余压应力，从而起到抗疲劳强化的作用。因此，这一加工方法为解决航空关键结构件疲劳失效问题提供了一种新的方案。

Description

一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法
技术领域
本发明适用于抗疲劳加工技术领域，具体应用于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工工艺中。
背景技术
进入21世纪以来，随着科学技术的不断进步，现代制造业和航空工业进入了蓬勃发展的全新时代，并对零件可靠性、安全性和延长寿命的要求越来越高，而疲劳失效问题成为制约其发展的重大难题。据统计，在机械零部件的失效中，疲劳失效占50％～90％，在航空关键结构件的失效中，疲劳失效占到了80％以上，特别是叶片、轴承、盘轴类零件和对接螺栓等关键部件。因此，抗疲劳制造技术成为了航空制造业急需解决的问题。
目前，解决此类问题的方法主要有：喷丸强化、激光冲击强化、挤压强化和滚压强化等。在喷丸强化中，喷丸机将高速弹丸流喷射到零件表面，使零件表层发生塑性变形，并在形成的强化层内产生较高的残余压应力，进而达到表面强化和提高零件疲劳强度的目的。
本发明提出了一种特殊的加工工艺，即基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工。在这一加工工艺下，工件受到磨料悬浮液中磨粒超声高频振动冲击作用的同时，又受到超声变幅杆上磨头的磨削作用，进而实现对工件“边击打边磨削”的加工。而且，采用这一加工方法不仅可以改善零件的表面质量、提高零件的表面硬度和改变零件表层的残余应力状态，还可以提高零件的疲劳强度和延长疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的为改善零件表面的加工质量和提高零件的疲劳强度，而提供了一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，该方法主要包括：
(1)将待加工工件装夹到含磨粒的磨料悬浮液水槽中，使工件和磨头的前端完全浸没在磨料悬浮液里，并通过垫斜楔块使工件与水平面成一倾斜角度θ；再利用超声换能器通过磨头对磨料悬浮液施加超声振动，这主要是使磨料悬浮液中的磨粒在超声振动作用下产生高频机械振动，并不断冲击工件表面，从而进一步提高加工表面质量；
(2)设置数控铣床的转速和进给速度，并调整超声变幅杆上磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而对已被击打的工件表面进行加工。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，所述加工方法包括：对工件材料进行加工时，利用超声振动直接驱动磨料悬浮液中的磨粒以一定的速度撞击工件表面，并同时控制磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而对已被击打的工件表面进行磨削加工，从而实现“边击打边磨削”的加工方式。
一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，实现该方法的加工装置主要包括数控铣床、水槽、超声振动系统、待加工工件、斜楔块和磨料悬浮液等；所述超声振动系统由超声波发生器、碳刷、铜环、换能器、变幅杆和磨头等组成。
本发明还提供了一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工装置，所述抗疲劳加工装置采用上述的加工方法，主要包括如下步骤：
(1)将超声变幅杆安装到三轴数控铣床的主轴上，再在超声变幅杆前端装夹磨头，其可沿铣床Z轴方向进给；
(2)将装有磨料悬浮液的水槽装在数控铣床的工作台上，待加工工件则固定于装有磨料悬浮液的水槽底部的夹具上，并使磨料悬浮液的水位漫过待加工工件，另外，需通过垫斜楔块使待加工工件与水平面成一定的倾斜角度θ；
(3)超声换能器通过磨头对含磨粒的磨料悬浮液施加高频超声振动，振动方向与超声换能器轴线方向一致；
(4)设定数控铣床的转速和进给速度，并控制超声变幅杆上磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而完成对工件材料的磨削加工；
可选的，所述待加工工件与水平面成一定的倾斜角度θ，这一夹角θ可通过使用不同形状的斜楔块来进行调整，以便达到最佳的加工效果。
可选的，所述磨料悬浮液中的磨粒为金刚石磨粒。
可选的，所述待加工工件材料为钛合金材料。
可选的，所述磨头为金刚石磨头。
本发明的优点是工件表面在受到磨料悬浮液中磨粒高频振动冲击作用的同时，又受到超声换能器上磨头的磨削作用，从而利用“边击打边磨削”的方式对工件材料进行加工。这一加工方式的优势在于不仅可以在零件表层引入合理分布的残余压应力和改善零件的表面质量，还能够提高零件的疲劳强度和延长疲劳寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明现有的技术方案，下面对实施中所要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工实施原理图。
具体实施方式
本发明的目的是提供了一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，能够实现对工件材料进行“边击打边磨削”的加工，这一加工方法能够改善零件表面的加工质量和在零件表层引入合理分布的残余压应力，从而提高零件疲劳强度。
为使本发明的目的、特征和优点能够明显易懂，下面将结合附图和具体实施方式对本发明现有的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出了一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，实现该方法的加工装置主要包括数控铣床、水槽、超声振动系统、待加工工件、斜楔块和磨料悬浮液等；所述超声振动系统由超声波发生器、碳刷、铜环、换能器、变幅杆和磨头等组成。
所述抗疲劳加工装置采用上述的加工方法，具体实施方式如图1所示，包括以下步骤：
(1)将超声变幅杆安装到三轴数控铣床的主轴上，再在超声变幅杆前端装夹磨头，其可沿铣床Z轴方向进给；
(2)将装有磨料悬浮液的水槽装在数控铣床的工作台上，待加工工件则固定于装有磨料悬浮液的水槽底部的夹具上，并使磨料悬浮液的水位漫过待加工工件，另外，需通过施加斜楔块使待加工工件与水平面成一定的倾斜角度θ；
(3)超声换能器通过磨头对含磨粒的磨料悬浮液施加高频超声振动，振动方向与超声换能器轴线方向一致；
(4)设定数控铣床的转速和进给速度，并调整超声变幅杆上磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而完成对工件材料的磨削加工；
进一步，所述待加工工件与水平面成一定的倾斜角度θ，这一夹角θ可通过使用不同形状的斜楔块来进行调整，以便达到最佳的加工效果。
基于本发明的思想，任何简单的变形、修改或者其他本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的，均落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，其特征在于，所述加工方法包括：对工件材料进行加工时，利用超声变幅杆上磨头的周期性振动直接驱动磨料悬浮液中的磨粒以一定的速度冲击工件表面，并同时控制磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而完成对工件的磨削加工，从而实现“边击打边磨削”的加工方式。
2.一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，其特征在于，实现该方法的加工装置主要包括数控铣床、水槽、超声振动系统、待加工工件、斜楔块和磨料悬浮液等；所述超声振动系统由超声波发生器、碳刷、铜环、换能器、变幅杆和磨头等组成。
3.一种基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工装置，其特征在于，所述抗疲劳加工装置采用权利要求1所述加工方法，主要包括以下步骤：
(1)将超声变幅杆安装到三轴数控铣床的主轴上，再在超声变幅杆前端装夹磨头，其可沿铣床Z轴方向进给；
(2)将装有磨料悬浮液的水槽装在数控铣床的工作台上，待加工工件则固定于装有磨料悬浮液的水槽底部的夹具上，并使磨料悬浮液的水位漫过待加工工件，另外，需通过垫斜楔块使工件与水平面成一定的倾斜角度θ；
(3)超声换能器通过磨头对含磨粒的磨料悬浮液施加高频超声振动，振动方向与超声换能器轴线方向一致；
(4)设定数控铣床的转速和进给速度，并控制超声变幅杆上磨头沿Z轴方向的进给速度和铣床工作台沿X轴方向的进给速度，使其合成速度沿工件倾斜方向，进而完成对工件材料的磨削加工。
4.根据权利要求3所述的基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，其特征在于，所述待加工工件与水平面成一定的倾斜角度θ，这一夹角θ可以通过使用不同形状的斜楔块来进行调整，以便达到最佳的加工效果。
5.根据权利要求3所述的基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，其特征在于，所述磨料悬浮液中的磨粒为金刚石磨粒。
6.根据权利要求3所述的基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工装置，其特征在于，所述待加工工件材料为钛合金材料。
7.根据权利要求3所述的基于超声辅助磨料冲击的抗疲劳加工方法，其特征在于，所述磨头为金刚石磨头。
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