CN110106331B - 位置可调式的微内孔表面强化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位置可调式的微内孔表面强化系统，储液槽内底部中间位置水平放置有工件，工件的中心开有水平的微内孔，工件的正上方是一个与储液槽固定连接的水平的托盘，托盘上端设有滚珠丝杠，滚珠丝杠其中一端通过联轴器同轴连接步进电机的输出轴，滚珠丝杠的轴向两半段的螺纹的旋向相反，其一半段上连接滑块一，另一半段上连接滑块二，滑块一、滑块二的下端各自固定连接对应的电机一、电机二的壳体，电机一、电机二的输出轴各自固定连接浸没在水中的对应的圆柱凸轮一、圆柱凸轮二，工件的两端和圆柱凸轮一、圆柱凸轮二之间是对应端的一个振动薄片一、振动薄片二；本发明位置可调，在获得高质量超光滑内表面的同时提高强化的效率。

Description

位置可调式的微内孔表面强化系统

技术领域

本发明属于金属零件孔的内表面加工领域，具体涉及微内孔表面的强化系统，适合强化孔径在1mm以下的微内孔。

背景技术

微孔在机械结构中大量存在，通常用于连接、导通等场合。孔的存在导致结构的不连续，因此会产生应力集中，而孔的应力集中往往导致周围常常出现疲劳裂纹，从而影响了产品的使用寿命。因此改善带孔零件的疲劳性能是目前亟待解决的问题。为了提高孔的疲劳寿命，大量的孔强化技术应运而生。目前应用较多的孔强化技术主要是冷挤压和机械喷丸。挤压强化的强化层较深，强化效果优异，但是挤压易造成孔壁的划伤，且对于尺寸超大、微小或形状复杂的零件，实施孔壁挤压难度很大，甚至难以实施。而机械喷丸技术具有工程适用性强，效率高，易实施，且对喷射表面损伤小，但对于深径比较大的微内孔，喷丸技术同样难强化。中国申请号为201320578759.9的文献中公开了一种孔挤压强化装置，其通过驱动装置的作用驱动挤压芯棒轴向运动，设计有开缝的衬套和挤压圆台，使得挤压芯棒在运动过程能将衬套撑开，使撑开的衬套对待加工孔的内壁进行挤压强化，但挤压过程中芯棒极易断裂且需要根据不同的孔制造特定的芯棒。

发明内容

为解决目前微孔内表面难以强化的问题，本发明提供了一种位置可调式的微内孔表面强化系统，自动化控制微内孔的高效强化。

为实现上述目的，本发明所述的位置可调式的微内孔表面强化系统采用的技术方案是：具有一个储液槽和一个水箱，储液槽内底部中间位置水平放置有工件，工件的中心开有水平的微内孔，微内孔贯通工件的两端且内部充满水；工件的正上方是一个与储液槽固定连接的水平的托盘，托盘上端设有滚珠丝杠，滚珠丝杠其中一端通过联轴器同轴连接步进电机的输出轴；滚珠丝杠的轴向两半段的螺纹的旋向相反，其一半段上连接滑块一，另一半段上连接滑块二，滑块一、滑块二的下端各自固定连接对应的电机一、电机二的壳体，电机一、电机二的输出轴各自固定连接浸没在水中的对应的圆柱凸轮一、圆柱凸轮二，圆柱凸轮一、圆柱凸轮二分别在工件的两端，工件的两端和圆柱凸轮一、圆柱凸轮二之间是对应端的一个振动薄片一、振动薄片二，振动薄片一和振动薄片二与工件的端面密封压触；振动薄片一和振动薄片二的纵截面均为C型，其凹面正对着工件的微内孔、其凸面分别与对应端的圆柱凸轮一、圆柱凸轮二的凸轮曲面相接触；步进电机、电机一、电机二均通过控制线连接控制器。

进一步地，所述的水箱经输入泵将水泵进储液槽中，储液槽经输出泵将储液槽中的水泵回水箱中，输入泵和输出泵均通过控制线连接控制器。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明采用容积交变式的结构设计，实现了工件的微内孔的高效强化，与现有喷丸强化装置相比，结构更为简单。并且本发明由电机驱动，位置可调，操作方便，能耗低，可以在获得高质量超光滑内表面的同时提高喷丸强化的效率，并且可以通过调节电机转速，控制强化速率。

2、本发明通过使凸轮带动薄片产生形变，改变微内孔中液体的压力，当液体中的局部压力降低到饱和蒸汽压以下时形成空化泡，在进一步压缩液体后空化泡溃灭，空泡溃灭所产生的冲击波和高速水射流作用在孔内壁，使孔内壁发生一定量的塑性变形，从而达到强化效果；该装置可对直径小于1mm的微深孔进行强化。

3、本发明解决了微内孔表面强化的难题，可高效加工直通微孔，亦可加工阶梯微孔等异型孔，使本装置具有优异的灵活性和通用性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明所述的位置可调式的微内孔表面强化系统的结构示意图；

图中：1.水箱；2.输出泵；3.输入泵；4.储液槽；5.托盘；6.圆柱凸轮一；7.振动薄片一；8.密封圈一；9.电机一；10.滑块一；11.挡液筒一；12.工件；13.丝杠支架；14.滚珠丝杠；15.控制器；16.挡液筒二；17.滑块二；18.电机二；19.步进电机；20.联轴器；21.液位传感器；22. 圆柱凸轮二；23.振动薄片二；24.密封圈二。

具体实施方式

参见图1，本发明具有一个储液槽4和一个水箱1，水箱1中注满了水，水箱1的上端侧壁开有出水孔，储液槽4的上端侧壁开有进水孔，水箱1的出水孔通过管道连接输入泵3的输入端，输入泵3的输出端通过管道连接储液槽4的进水孔，水箱1经输入泵3将其中的水泵进储液槽4中。水箱1的下端侧壁开有进水孔，储液槽4的下端侧壁开有出水孔，储液槽4的出水孔经管道和输出泵2连接水箱1的进水孔，经输出泵2将储液槽4中的水再泵回水箱1中。输入泵3和输出泵2分别经控制线连接控制器15，由控制器15控制输入泵3和输出泵2交替工作，实现水在水箱1与储液槽4之间的循环。

在储液槽4内部，工件12的正上方是一个水平的托盘5，托盘5的盘口是朝上的敞口，托盘5的底面高于储液槽4中的水位，托盘5通过螺栓与储液槽4的内侧壁固定连接。托盘5上端固定连接一个水平的丝杠支架13，丝杠支架13通过轴承连接一根水平的滚珠丝杠14。滚珠丝杠14的其中一端通过联轴器20同轴连接步进电机19的输出轴，步进电机19的壳体通过螺栓连接于托盘5的顶部侧壁上。步进电机19通过控制线连接控制器15，由控制器15自动控制其启停。

从滚珠丝杠14的轴向中心点将其分为两半段，两半段的丝杠螺纹的旋向相反，互为反向螺纹。滚珠丝杠14的一半段上连接滑块一10，与滑块一10通过螺纹相配合，形成一个丝杠螺母机构。滚珠丝杠14的另一半段上连接滑块二17，与滑块一17通过螺纹相配合，形成另一个丝杠螺母机构。滑块一10和滑块二17结构相同，相对于滚珠丝杠14的轴向中心点对称布置。当滚珠丝杠14旋转时，带动滑块一10和滑块二17以相同的速度，沿滚珠丝杠14的轴向上相向或者背向移动，同时产生靠近轴向中心点或远离中心的水平位移。

滑块一10的下端通过螺栓固定连接电机一9的壳体，滑块二17的下端通过螺栓固定连接电机二18的壳体。电机一9和电机二18的结构相同，相对于滚珠丝杠14的轴向中心点对称布置，其输出轴均垂直向下。电机一9和电机二18都通过各自的控制线连接控制器15，由控制器15自动控制启停。

电机一9的输出轴通过紧定螺钉固定连接圆柱凸轮一6的连接凸台，圆柱凸轮一6在电机一9的下方并且浸没在水中。电机二18的输出轴通过紧定螺钉固定连接圆柱凸轮二22的连接凸台，圆柱凸轮二22在电机二18的下方并且浸没在水中。圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22的结构相同，面对面地对称布置。

在圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22之间是工件12，即圆柱凸轮一6、圆柱凸轮二22分别在工件12的两端。工件12水平放置2在储液槽4的内部底面上。工件12的中心开有水平的微内孔，微内孔贯通工件12的两端，加工时，微内孔内充满水。

在工件12的一端面上密封压触有振动薄片一7，工件12的另一端面上密封压触有振动薄片二23，振动薄片一7和振动薄片二23的结构相同，相对于工件12的轴向中心对称布置。振动薄片一7和振动薄片二23的中心正对着工件12的微内孔，与微内孔具有相同的水平中心线。

振动薄片一7位于工件12的一端面与圆柱凸轮一6之间，并且振动薄片一7与圆柱凸轮一6的凸轮曲面相接触。振动薄片二23位于工件12的另一端面与圆柱凸轮二22之间，振动薄片二23与圆柱凸轮二22的凸轮曲面相接触。

振动薄片一7和振动薄片二23的纵截面均为C型，C型的凹面正对着工件12的微内孔，其凸面分别与对应端的圆柱凸轮一6、圆柱凸轮二22的凸轮曲面相接触。

振动薄片一7和振动薄片二23的上端延伸出水平段，上端均与托盘5的底部紧密贴合，在贴合处用密封圈一8密封。振动薄片一7和振动薄片二23的下端也延伸出水平段，下端均与储液槽4底部紧密贴合，在贴合处用密封圈二24密封。

在电机一9的壳体外部套有圆筒状挡液筒11，在电机二18的壳体外部也套有圆筒状挡液筒16，防止水飞溅至电机一9、电机二18内。

在托盘5的底部安装有液位传感器21，其距离储液槽4底部25cm。液位传感器21用于检测储液槽4中水面的高度，液位传感器21通过信号线连接控制器15，将其检测的高度输入控制器15中。

本发明工作时，将工件12水平放置于储液槽4底部中间位置，将振动薄片一7、振动薄片二23放置在距离工件12端面的1cm处，是为了方便加水过程中水能渗满工件12的微内孔。将托盘5及关联部件一起置于储液槽4内部，拧紧储液槽4和托盘5之间的螺栓，使托盘5固定，并使工件12在竖直方向上夹紧。

控制器15开启输入泵3，将水箱1内的水泵入储液槽4中，直至储液槽4中的液面高度升至距底面25cm高度的液位传感器21所能感知的高度，液位传感器21反馈信号给控制，此时控制器15关闭输入泵3，储液槽4中的液面不再升高。

控制器15发出信号，启动步进电机19，使振动薄片一7、振动薄片二23以2cm/s的速度向工件12的端面方向水平移动，直至振动薄片一7、振动薄片二23与工件12两端面紧密贴合，并将工件12在水平方向上夹紧。10s后控制器15发出信号，步进电机19停止转动。

之后控制器15发出信号，启动电机一9和电机二18，电机一9和电机二18分别驱动圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22水平周期性地旋转，圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二2以200r/min的速度做周期往复旋转运动，导致振动薄片一7和振动薄片二23周期性受迫变形，使工件12的微内孔中产生压力交变，得到强化。

5min后，强化结束，控制器15发出信号，关闭电机一9和电机二18，开启输出泵2，30s后储液槽4内的水全部泵入水箱1中，控制器15发出信号关闭输出泵2。控制器15发出信号启动步进电机19，使圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22从水平方向同步脱离振动薄片一7、振动薄片二23，使工件12解除夹紧状态。最后拧开储液槽4和托盘5之间的螺栓，取出托盘5及关联部件，取出加工完成的工件12。

当加工轴向尺寸不同的工件12时，需要调节圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22之间水平间距，此时，控制器15控制步进电机19旋转，驱动滑块一10和滑块二17在水平方向移动，带动电机一9和电机二18同步移动，可根据工件12的轴向尺寸调整圆柱凸轮一6和圆柱凸轮二22之间的位置，确保振动薄片一7、振动薄片二23与圆柱凸轮一6、圆柱凸轮二22的接触。

Claims (8)

1.一种位置可调式的微内孔表面强化系统，具有一个储液槽（4）和一个水箱（1），其特征是：储液槽（4）内底部中间位置水平放置有工件（12），工件（12）的中心开有水平的微内孔，微内孔贯通工件（12）的两端且内部充满水；工件（12）的正上方是一个与储液槽（4）固定连接的水平的托盘（5），托盘（5）上端设有滚珠丝杠（14），滚珠丝杠（14）其中一端通过联轴器（20）同轴连接步进电机（19）的输出轴；滚珠丝杠（14）的轴向两半段的螺纹的旋向相反，其一半段上连接滑块一（10），另一半段上连接滑块二（17），滑块一（10）、滑块二（17）的下端各自固定连接对应的电机一（9）、电机二（18）的壳体，电机一（9）、电机二（18）的输出轴各自固定连接浸没在水中的对应的圆柱凸轮一（6）、圆柱凸轮二（22），圆柱凸轮一（6）和圆柱凸轮二（22）分别在工件（12）的两端，工件（12）的两端和圆柱凸轮一（6）、圆柱凸轮二（22）之间是对应端的一个振动薄片一（7）、振动薄片二（23），振动薄片一（7）和振动薄片二（23）与工件（12）的端面密封压触；振动薄片一（7）和振动薄片二（23）的纵截面均为C型，其凹面正对着工件（12）的微内孔、其凸面分别与对应端的圆柱凸轮一（6）、圆柱凸轮二（22）的凸轮曲面相接触；步进电机（19）、电机一（9）、电机二（18）均通过控制线连接控制器（15）。

2.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：水箱（1）经输入泵（3）将水泵进储液槽（4）中，储液槽（4）经输出泵（2）将储液槽（4）中的水泵回水箱（1）中，输入泵（3）和输出泵（2）均通过控制线连接控制器（15）。

3.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：托盘（5）的底面高于储液槽（4）中的水位。

4.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：托盘（5）上端固定连接一个水平的丝杠支架（13），丝杠支架（13）通过轴承连接滚珠丝杠（14）。

5.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：圆柱凸轮一（6）和圆柱凸轮二（22）的结构相同，面对面地对称布置；振动薄片一（7）和振动薄片二（23）的结构相同，相对于工件（12）的轴向中心对称布置。

6.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：

振动薄片一（7）和振动薄片二（23）的上端延伸出与托盘（5）的底部紧密贴合的水平段、下端延伸出与储液槽（4）底部紧密贴的水平段。

7.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是： 电机一（9）、电机二（18）的壳体外部各套有一个挡液筒。

8.根据权利要求1所述的位置可调式的微内孔表面强化系统，其特征是：

在托盘（5）的底部设有检测储液槽（4）中水面高度的液位传感器（21），液位传感器（21）通过信号线连接控制器（15）。

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