CN109318115B - 一种金属表面纳米化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种金属表面纳米化装置，变频器输入高频信号之后，电机带动激波器快速转动，变量泵驱动液压油进入激波器，激波器的阀口快速打开或关闭，直接驱动液压缸带动振动机构上下振动，振动机构里面的小钢球以很高的速度撞击工件的表面，使得工件表面金属发生剧烈的塑形变形，金属材料表面的晶体组织逐渐细化到纳米量级，进而获得金属材料表面的纳米层。本发明采用液压高频振动的方式使表面产生较厚且均匀的纳米层，工作安全性好，容易实现过载保护；此外，液压传动装置的各元件之间仅靠管路连接，没有严格的定位要求，低损耗、通用化，有利于降低制造和维护的成本。

Description

一种金属表面纳米化装置

技术领域

本发明涉及表面研磨技术领域，特别涉及一种金属表面纳米化装置。

背景技术

现有的机械研磨表面纳米化设备是电机通过一种软连接的联轴器带动凸轮旋转，安装在凸轮上的振动箱随之上下振动，从而不断撞击工件表面，最终得到成品。

但因为在快速往复的工作过程中，机械结构的发热量大，设备温度会迅速升高，不得不停止工作，所以此种设备的工作效率低；并且，因为电机的轴和凸轮的轴通过联轴器相连接，电机的轴线和凸轮的轴线不能时刻重合，所以不能用刚性连接，只能用软连接联轴器，故此种设备损耗速度快，此外，最终成品的金属表面纳米化的效果不够理想，有待提高。

为了克服以上缺陷，本案由此而生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属表面纳米化装置，该装置采用液压高频振动的方式使表面产生较厚且均匀的纳米层，工作安全性好，容易实现过载保护；此外，液压传动装置的各元件之间仅靠管路连接，没有严格的定位要求，低损耗、通用化，有利于降低制造和维护的成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属表面纳米化装置，包括电机、联轴器、激波器、底座、液压管、油箱、液压缸、振动机构和小钢球，所述电机和激波器都安装在底座上，电机通过联轴器连接激波器，激波器通过液压管连接油箱和液压缸，其特征在于：所述振动机构包括振动箱盖、振动箱体、摇杆、丝杆和夹具；振动箱盖密封在振动箱体的顶部，振动箱体呈圆筒状，振动箱体的底部中心连接液压缸的活塞杆，振动箱盖呈圆盘状，振动箱盖中心有螺纹孔，用来和丝杠旋合，振动箱盖上形成密封孔，用于抽取振动机构内的空气，最后密封；

所述摇杆是一个圆柱形的短杆，在短杆的一端有一个圆球，而在另一端有一个垂直于短杆轴线的方形孔，用来和丝杠连接并旋转丝杠；

所述的夹具置于振动箱体内，夹具是由两个圆盘组成，两个圆盘一上一下固定在一起，上圆盘中心形成凸台，凸台中心有旋孔，与丝杠旋合，下圆盘在上表面的中部开有一个方形槽，方形槽的大小和厚度比工件的大小和厚度略大，将工件放置在方形槽中，在方形槽的下方设有相通的钢球槽，供小钢球放置。

作为优选方案，所述的激波器是一个三位四通的转阀，包括端盖、通盖、壳体、阀套、套筒、轴承和芯轴；端盖、通盖分别装配在壳体的两端，和壳体封闭形成一装配腔，装配腔供阀套、套筒、轴承和芯轴放置，通盖上开设轴孔，芯轴穿过轴孔并通过联轴器与电机相连，阀套置于芯轴和壳体之间，阀套与端盖之间安装有轴承和套筒，阀套与通盖之间也安装有轴承和套筒；芯轴内设空槽，芯轴轴身开设与空槽相通的槽孔，芯轴轴身的中间部分设有两个轴段，每个轴段由周向均匀分布的矩形过流通孔和曲面凹槽组成，两个轴段之间的角度相错30度，矩形过流通孔与空槽相通，曲面凹槽之间都是相通的；

壳体的一侧开设阀口A、阀口B，壳体的另一侧开设阀口P、阀口T，四个阀口处于同一平面，阀套在对应阀口A、阀口B的位置加工圆形通孔、对应阀口P、阀口T的位置加工矩形通孔；

当电机通过联轴器带动芯轴转动时，阀口T和阀口P对应的芯轴上的矩形过流孔和曲面凹槽不断变化，而阀口A相通曲面凹槽，阀口B通过槽孔与空槽相通；激波器的快速转动有三种状态：

其一，激波器的四个阀口不相通；阀口T当芯轴转动到任一矩形过流通孔和曲面凹槽中间时，阀口P同样也正好对应在某一矩形过流通孔和曲面凹槽中间，此时，四个阀口都不相通；

其二，激波器的阀口P和阀口B相通，阀口T和阀口A相通；当阀口P对应矩形过流通孔时，阀口T正好对应曲面凹槽，阀口B对应矩形过流通孔，阀口A对应曲面凹槽，这样阀口P和阀口B通过矩形过流通孔和芯轴内部的空槽相连通，阀口T和阀口A通过芯轴外部曲面凹槽相通；

其三，激波器的阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通；当阀口P对应曲面凹槽时，阀口T正好对应矩形过流通孔，阀口B对应矩形过流通孔，阀口A对应曲面凹槽，这样阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通。

作为优选方案，所述通盖的轴孔与芯轴之间置有油封盖，油封盖固定于通盖上。

作为优选方案，所述端盖呈圆形，端盖设有密封槽，密封槽安装密封圈和壳体装配。

作为优选方案，还包括液压变量泵、电磁溢流阀和变频器，所述变频器安装在电机上，液压变量泵和电磁溢流阀依次连接在油箱和激波器的阀口T之间，而电磁溢流阀的回油口通过液压管连接油箱。

作为优选方案，所述振动机构的下方设有工作台，工作台的上端抵靠振动机构，上端面的外轮廓呈方形，且中部开设一圆腔，液压缸的活塞杆通过圆腔和振动箱体底部固定，工作台的上端四周用角钢连接工作台的下端，下端的中间有一个凸座，液压缸固定于凸座。

作为优选方案，所述液压缸的活塞杆上套置有弹簧。

本发明的工作步骤如下：打开电机，电机带动激波器旋转，油箱开始给系统供油，激波器的旋转使得各个阀口不停的打开或关闭，激波器一直工作在全开口状态下，激波器带动液压缸快速往复运动，液压缸带动振动机构上下快速振动，使得小钢球以极高的动能撞击工件，使得工件表面形成较厚的纳米层，实现了金属表面纳米化。

采用上述方案后，本发明的增益效果在于：

1.本发明工作安全性好，容易实现过载保护。

2.本发明设计、制造、维护方便，液压元件已经实现了标准化、系列化、通用化，有利于降低制造和维护的成本。

3.本发明的安装灵活，液压传动的各元件之间仅靠管路连接，没有严格的定位要求，可以根据具体情况灵活决定。

4.本发明采用液压高频振动的方式让小钢球拥有极高的动能，撞击工件可以产生较厚的而且均匀的纳米层，纳米化的效果好。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的振动机构剖面示意图；

图3是本发明的激波器三维结构剖面示意图；

图4是本发明的工作台三维结构示意图；

图5是本发明的部分装置三维结构示意图；

图6是本发明的液压原理示意图。

标号说明

1.油箱；2.液压变量泵；3.电磁溢流阀；4.变频器；5.电机；6.联轴器；7.激波器；8.底座；9.液压管；10.摇杆；11.丝杠；12密封孔；13.振动箱盖；14.螺栓；15.振动箱体；16.夹具；17.螺栓；18.工件；19.小钢球；20.弹簧；21.液压缸；22.螺栓；23.工作台；24.壳体；25.阀套；26.套筒；27.轴承；28.端盖；29.密封圈；30.套筒；31.轴承；32.密封圈；33.通盖34.芯轴；35.旋转密封圈；36.油封盖；37.螺栓；341.轴端挡圈卡槽；342.均压槽；343.圆形通孔；344.曲面凹槽；345.矩形过流通孔；346.曲面凹槽；347.矩形过流通孔；348.圆形通孔；349.轴端挡圈卡槽；3410.键槽。

具体实施例

本发明揭示的一种金属表面纳米化装置，参阅图1-19，

包括电机5、联轴器6、激波器7、底座8、液压管9、油箱1、液压缸21、振动机构和小钢球19。

所述的激波器7是一个完成三位四通功能的转阀，如图3所示，激波器7主要由壳体24、阀套25、套筒26、轴承27、端盖28、密封圈29、套筒30、轴承31、密封圈32、通盖33、芯轴34、旋转密封圈35组成。

如图18、19所示，壳体24内部是一个圆形的通孔；如图7，用来和阀套25配合；端盖28、通盖33分别装配在壳体24的两端，如图3、12、13，壳体24两端分别和端盖28以及通盖33相配合的地方周向均布6个螺纹孔，端盖28呈圆形，里面安装密封圈和壳体24装配，端盖的外部周向布置6个螺纹孔，可以用螺栓34连接端盖28和壳体24、壳体24和通盖33；端盖28、通盖33和壳体24封闭形成一装配腔，装配腔供阀套25、套筒26,30、轴承27,31和芯轴34放置，阀套25与端盖28之间安装有轴承27和套筒26，阀套25与通盖33之间也安装有轴承27和套筒30，如图7；

如图7、12、13，壳体24的一侧开设阀口A、阀口B，壳体24的另一侧开设阀口P、阀口T，四个阀口处于同一平面，阀套25是一个圆筒，圆筒的两端部分内径大，而在圆筒的中间部分的内径小，如图14、图15、图16，阀套25在对应阀口A、阀口B的位置加工圆形通孔、对应阀口P、阀口T的位置加工矩形通孔；而且在矩形孔向两端的部分都有两个对称的圆形的通孔和两个在阀套25的外径上加工的环形槽。

阀口A、阀口B、阀口P、阀口T是外面直径大里面直径小的圆孔，在直径变化的地方有一个台阶，圆孔用来和液压管9连接，在壳体24的底部两侧伸出均为矩形的底座凸台，底座凸台上加工圆孔，两侧的圆孔相对称，用来和底座8对应位置的螺纹孔通过螺栓相连接。

通盖29除了27的特征以外，增加了中间的轴孔，芯轴34的一端有键槽，穿过轴孔并通过联轴器6和电机5相连，如图3。

通盖33的轴孔与芯轴34之间置有油封盖36，油封盖36是一个中间有圆孔的圆形盖子，四周均布4个螺纹孔，与通盖33用螺栓相连，作用是油封盖36和通盖33装配成一个密封槽，密封槽里面安装旋转密封圈35。

芯轴34是一个圆柱体，置于阀套25中，如图11，芯轴34内设空槽，芯轴34轴身开设与空槽相通的槽孔343,348，如图8、图9、图10，在轴端挡圈卡槽341所在轴段安装轴承27和套筒26，然后将轴端挡圈置于轴端挡圈卡槽341中限制轴承27和套筒26的轴向位移，和轴端挡圈卡槽341相同，轴端挡圈卡槽349所在轴段安装轴承31和套筒30。如图8所示，在轴的最大外径处加工有均压槽342，一共有4处均压槽部分，每处有5条均压槽。芯轴34轴身的中间部分有两个轴段周向均匀分布矩形过流通孔345,347和曲面凹槽344,346，两个轴段均是由矩形过流通孔345,347和曲面凹槽344,346组成，这两部分结构相同，两个轴段之间的角度相错30度，矩形过流通孔345,347与空槽相通，曲面凹槽344,346之间也都是相通的；当电机5通过联轴器6带动芯轴34转动时，阀口T和阀口P对应的芯轴34上的矩形过流通孔和曲面凹槽不断变化，而阀口A相通曲面凹槽346，阀口B通过槽孔343与空槽相通。

激波器7的外观除了阀口A、阀口B、阀口P、阀口T外，其余的部分是密封的，而且这四个阀口是处于同一平面的，在激波器7的两侧布置的，目的是激波器7工作时两侧受内部液体压力均匀。如图3，激波器7的快速转动有三种状态，

其一，激波器7的四个阀口不相通；阀口T当芯轴34转动到任一矩形过流通孔345和曲面凹槽344中间时，阀口P同样也正好对应在某一矩形过流通孔347和曲面凹槽346中间，此时，四个阀口都不相通；

其二，激波器7的阀口P和阀口B相通，阀口T和阀口A相通；当阀口P对应矩形过流通孔347时，阀口T正好对应曲面凹槽344，阀口B对应矩形过流通孔345，阀口A对应曲面凹槽346，这样阀口P和阀口B通过矩形过液通孔和芯轴内部的圆孔相连通，阀口T和阀口A通过芯轴外部曲面凹槽相通。

其三，激波器7的阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通；当阀口P对应曲面凹槽346时，阀口T正好对应矩形过流通孔345，阀口B对应矩形过流通孔345，阀口A对应曲面凹槽346，这样阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通。

所以说激波器7是一个三位四通的转阀。

所述振动机构包括振动箱盖13、振动箱体15、摇杆10、丝杆11和夹具16；振动箱盖13密封在振动箱体15的顶部；

所述振动箱盖13，如图2和图5所示，是一个圆盘状的盖子，振动箱盖13中心有螺纹孔，用来和丝杠11旋合，振动箱盖13中心螺纹与丝杠旋合的地方形成凸台，凸台上有六个螺纹孔，当取下摇杆之后，凸台用密封盖密封，并用螺栓固定密封盖。在振动箱盖13的外圈均布有6个螺纹孔，振动箱体15的上面有一个环形的圆台，均布6个螺纹孔，螺纹孔的位置和振动箱盖13的外圈的6个螺纹孔的位置的相对应的，可采用螺栓14来和振动箱体15连接。振动箱盖13上形成密封孔12，所述的密封孔12是一个圆柱状凸台上加工的螺纹孔，而且是通孔，用来和真空泵相连接，抽取振动机构内的空气，并且密封。

所述振动箱体15，如图2和图5所示，是一个圆筒状，底部有一个方形的底座，底座的面积和下面的工作上面的外轮廓面积是相同，在底座下方的中心有螺纹孔，用来和液压缸21的活塞杆的头部旋合。液压缸21的活塞杆上套置有弹簧20，防止振动箱体15和工作台23相撞。

在振动箱盖13的内表面和振动箱体15贴合之处设有密封槽，作用是安装密封条，密封效果更佳。

所述摇杆10是一个圆柱形的短杆，在短杆的一端有一个圆球，而在另一端有一个垂直于短杆轴线的方形孔，用来和丝杠11连接并旋转丝杠11，可参考图5。

所述的夹具16置于振动箱体15内，夹具是由两个圆盘组成，上圆盘中心形成凸台，凸台中心有旋孔，与丝杠11旋合，上圆盘的外圈均布有6个螺纹孔。下圆盘上表面的外圈均布与上圆盘的螺纹孔相对应的6个螺纹孔，用螺栓17把上下圆盘固定，进而将工件18固定在夹具16中，下圆盘在上表面的中部开有一个方形槽，方形槽的大小和厚度比工件的大小和厚度略大，正好将工件放入，在方形槽的下方设有相通的钢球槽，供小钢球19放置，让小钢球19可以撞击到工件18的下表面。

所述工件18是一个正方形的薄板，放置在夹具16的方形槽内。

所述振动机构的下方设有工作台23，如图4所示，工作台23的上端是一个外方内圆的结构件，用来支撑振动机构，液压缸21的活塞杆通过工作台23中间的圆腔和振动箱体15底部的螺纹孔相连接。四周用角钢连接下端的方形板，下面的方形板中间有一个方形的凸座，凸座的四个角有4个螺纹孔，采用螺栓22将液压缸固定在工作台。

所述的底座8是一个矩形的板，在板上设有电机5和激波器7上相对应的螺纹孔，电机5和激波器7固定在底座8上。

该装置还包括液压变量泵2、电磁溢流阀3和变频器4，所述变频器4安装在电机5上，液压变量泵2和电磁溢流阀3依次连接在油箱1和激波器7的阀口T之间，而电磁溢流阀3的回油口通过液压管9连接油箱1。

采用上述方案后，本发明的装配步骤具体如下：

Ⅰ.将工件18用螺栓17固定在夹具16中，然后把夹具16和丝杠11的下端旋合，将小钢球19放入振动机构内，然后丝杠11和振动箱盖13旋合，然后将振动箱盖13用螺栓14与振动箱体15紧固，在丝杠11的上端装上摇杆10，用摇杆10将丝杠11旋到指定深度，取下摇杆10，然后再用密封盖将振动箱盖13中心螺纹与丝杠11旋合的地方密封，密封之后固定密封盖。用真空泵通过密封孔12抽取振动机构内的空气，然后密封。作用是在工作过程中由于小钢球19撞击工件18表面发热，防止工件18表面氧化，所以抽真空。

Ⅱ.将液压缸21的活塞杆的上端螺纹与振动箱体15的底部的螺纹孔旋合，将弹簧20套在液压缸21的活塞杆上。

Ⅲ.将液压缸21的底部通过螺栓22固定在工作台23的底部。

Ⅳ.将电机5和激波器7的芯轴34用联轴器6联接，并且将电机5和激波器7连接底座8。

Ⅴ.将变频器3连接电机5。将油箱1和液压变量泵2、电磁溢流阀3、激波器7和液压缸21用液压管9按照图6连接。其中，油箱1和液压变量泵2和电磁溢流阀3连接，电磁溢流阀3接激波器7后面的阀口T，起到供油管路的作用，用以给激波器7供油，而电磁溢流阀3的回油口以及激波器的后面的阀口P连接油箱，起到回油的作用。将激波器7的正面的阀口A和液压缸21的无杆腔阀口用液压管9连接，将激波器7的正面的阀口B和液压缸21的有杆腔阀口用液压管9连接。最终形成的系统结构如图1所示。

本发明的工作步骤如下：

打开电机5，电机5带动激波器7旋转，然后打开液压变量泵2，油箱1开始给系统供油，用变频器4将信号输入电机5，电机5达到相应的转速，电机5带动激波器7快速旋转，激波器7的快速旋转使得各个阀口不停的打开或关闭，激波器7一直工作在全开口状态下，激波器7带动液压缸21的活塞杆的快速往复运动，液压缸21的活塞杆带动振动箱体15上下快速振动，使得小钢球19以极高的动能撞击工件18，使得工件18表面形成较厚的纳米层，实现了金属表面纳米化。

工作结束时，将变频器4的频率信号逐渐减小，使得电机5的转速下降，然后关闭液压变量泵2，接着关闭电机5，使得该装置逐渐停止运行。等到该装置冷却后，将密封孔12打开，将振动箱盖13上表面中心的密封盖取下，打开振动箱盖13，然后打开夹具16，取出工件18，为下一次工件的装夹做准备。

本发明的增益效果在于：

一、本发明工作安全性好，容易实现过载保护；

二、本发明设计、制造、维护方便，液压元件已经实现了标准化、系列化、通用化，有利于降低制造和维护的成本；

三、本发明的安装灵活，液压传动装置的各元件之间仅靠管路连接，没有严格的定位要求，可以根据具体情况灵活决定；

四、本发明的激波器一直工作在全开口状态，动态特性好，响应速度快，激波器可以达到很高的频率，振动机构的振动频率同样达到很高。可以无极调速，容易在不同的振动频率之间切换，以适应不同的金属材料，达到最佳的振动效果。本发明采用液压高频振动的方式让小钢球拥有极高的动能，撞击工件可以产生较厚的而且均匀的纳米层，纳米化的效果好。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (6)

1.一种金属表面纳米化装置，包括电机、联轴器、激波器、底座、液压管、油箱、液压缸、振动机构和小钢球，所述电机和激波器都安装在底座上，电机通过联轴器连接激波器，激波器通过液压管连接油箱和液压缸，其特征在于：所述振动机构包括振动箱盖、振动箱体、摇杆、丝杆和夹具；振动箱盖密封在振动箱体的顶部，振动箱体呈圆筒状，振动箱体的底部中心连接液压缸的活塞杆，振动箱盖呈圆盘状，振动箱盖中心有螺纹孔，用来和丝杠旋合，振动箱盖上形成密封孔，用于抽取振动机构内的空气，最后密封；

所述摇杆是一个圆柱形的短杆，在短杆的一端有一个圆球，而在另一端有一个垂直于短杆轴线的方形孔，用来和丝杠连接并旋转丝杠；

所述的夹具置于振动箱体内，夹具是由两个圆盘组成，两个圆盘一上一下固定在一起，上圆盘中心形成凸台，凸台中心有旋孔，与丝杠旋合，下圆盘在上表面的中部开有一个方形槽，方形槽的大小和厚度比工件的大小和厚度略大，将工件放置在方形槽中，在方形槽的下方设有相通的钢球槽，供小钢球放置；

所述的激波器是一个三位四通的转阀，包括端盖、通盖、壳体、阀套、套筒、轴承和芯轴；端盖、通盖分别装配在壳体的两端，和壳体封闭形成一装配腔，装配腔供阀套、套筒、轴承和芯轴放置，通盖上开设轴孔，芯轴穿过轴孔并通过联轴器与电机相连，阀套置于芯轴和壳体之间，阀套与端盖之间安装有轴承和套筒，阀套与通盖之间也安装有轴承和套筒；芯轴内设空槽，芯轴轴身开设与空槽相通的槽孔，芯轴轴身的中间部分设有两个轴段，每个轴段由周向均匀分布的矩形过流通孔和曲面凹槽组成，两个轴段之间的角度相错30度，矩形过流通孔与空槽相通，曲面凹槽之间都是相通的；

壳体的一侧开设阀口A、阀口B，壳体的另一侧开设阀口P、阀口T，四个阀口处于同一平面，阀套在对应阀口A、阀口B的位置加工圆形通孔、对应阀口P、阀口T的位置加工矩形通孔；

当电机通过联轴器带动芯轴转动时，阀口T和阀口P对应的芯轴上的矩形过流孔和曲面凹槽不断变化，而阀口A相通曲面凹槽，阀口B通过槽孔与空槽相通；激波器的快速转动有三种状态：

其一，激波器的四个阀口不相通；当芯轴转动时，阀口T对应到任一矩形过流通孔和曲面凹槽中间时，阀口P同样也正好对应在某一矩形过流通孔和曲面凹槽中间，此时，四个阀口都不相通；

其二，激波器的阀口P和阀口B相通，阀口T和阀口A相通；当阀口P对应矩形过流通孔时，阀口T正好对应曲面凹槽，阀口B对应矩形过流通孔，阀口A对应曲面凹槽，这样阀口P和阀口B通过矩形过流通孔和芯轴内部的空槽相连通，阀口T和阀口A通过芯轴外部曲面凹槽相通；

其三，激波器的阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通；当阀口P对应曲面凹槽时，阀口T正好对应矩形过流通孔，阀口B对应矩形过流通孔，阀口A对应曲面凹槽，这样阀口P和阀口A相通，阀口T和阀口B相通。

2.如权利要求1所述的一种金属表面纳米化装置，其特征在于：所述通盖的轴孔与芯轴之间置有油封盖，油封盖固定于通盖上。

3.如权利要求1所述的一种金属表面纳米化装置，其特征在于：所述端盖呈圆形，端盖设有密封槽，密封槽安装密封圈和壳体装配。

4.如权利要求1所述的一种金属表面纳米化装置，其特征在于：还包括液压变量泵、电磁溢流阀和变频器，所述变频器安装在电机上，液压变量泵和电磁溢流阀依次连接在油箱和激波器的阀口T之间，而电磁溢流阀的回油口通过液压管连接油箱。

5.如权利要求1所述的一种金属表面纳米化装置，其特征在于：所述振动机构的下方设有工作台，工作台的上端抵靠振动机构，上端面的外轮廓呈方形，且中部开设一圆腔，液压缸的活塞杆通过圆腔和振动箱体底部固定，工作台的上端四周用角钢连接工作台的下端，下端的中间有一个凸座，液压缸固定于凸座。

6.如权利要求1所述的一种金属表面纳米化装置，其特征在于：所述液压缸的活塞杆上套置有弹簧。

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