CN110744142A - 超声微坑加工装置 - Google Patents

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王建青
王耀宇
祝锡晶
邵延君
崔学良
成全
成志婕
周雯雯
傅迎泽
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    • B23P25/003Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool

Abstract

本发明公开了一种超声微坑加工装置,包括支撑系统和超声微坑声学加工系统;支撑系统包括支撑叶轮轮盘(102),支撑叶轮轮盘(102)上径向均匀安装多个支撑叶轮叶片(105),支撑叶轮叶片(105)端部安装滚轮(108);支撑叶轮轮盘(102)固定安装于机床安装杆(101)端部的支撑轮安装轴(101a)上。本发明装置应用超声加工的原理,通过高频振动冲击(20KHz以上)在摩擦副表面形成一定规律排布的微坑阵列结构,加工过程无污染,加工效率极高,加工微坑深度可调,加工后微坑形貌良好,且通过振动冲击切削加工在摩擦副表面产生残余压应力,极大改善摩擦副抗疲劳强度,在改善摩擦副摩擦性能的同时,延长其使用寿命。

Description

超声微坑加工装置
技术领域
本发明属于摩擦副加工领域,特别涉及微坑加工技术,具体为一种超声微坑加工装置。
背景技术
传统摩擦学理论认为:相互接触的两个表面越光滑磨损量越小。但近年来大量研究表明:具有一定微织构(微坑)的表面,往往体现出更好的摩擦性能。因此,为了优化摩擦副工作性能、降低摩擦副摩擦损耗、提高摩擦副使用寿命,研究人员提出多种加工微坑的技术,主要包括电解加工技术、电火花加工技术、激光表面微造型加工技术、压缩刻印加工技术、超声振动冲击加工技术等。实践表明,以上微坑加工技术存在如下问题:电解加工技术所用工具电极制造复杂,加工成本高,电解液对设备等有腐蚀作用,且电解产物的处理和回收困难,容易产生环境污染;电火花加工技术加工效率较低,被加工表面存在热影响区且工具电极在加工过程中存在损耗,并存在环境污染隐患;激光表面微造型加工会对材料产生微观汽化和烧蚀作用,且微坑周围产生熔融物堆积,需进行二次加工处理,使加工周期变长;压缩刻印加工技术加工成本高、加工效率较低,且不适用于大批量微坑的加工;超声振动冲击加工技术加工过程不稳定,微坑形貌难以调节,且需匹配专用机床,投入成本较高。
为此,有必要发明一种全新的微坑加工装置,以解决现有微坑加工技术存在的上述问题。
发明内容
本发明利用超声加工原理,提供和设计一种结构简单、工作平稳、加工成本低、加工效率高、加工过程无污染、加工表面连续性好、易于控制微坑表面形貌、适应范围广泛的超声微坑加工装置。
本发明是采用如下技术方案实现的:
一种超声微坑加工装置,包括支撑系统和超声微坑声学加工系统。
所述支撑系统包括支撑叶轮轮盘,所述支撑叶轮轮盘上径向均匀安装多个支撑叶轮叶片,所述支撑叶轮叶片端部安装滚轮;所述支撑叶轮轮盘固定安装于机床安装杆端部的支撑轮安装轴上。
所述超声微坑声学加工系统包括散热保护壳体,所述散热保护壳体上端安装端盖,所述端盖上安装散热风扇;所述散热保护壳体上部表面位于超声换能器位置处设有散热格栅,所述超声换能器下部安装超声复合变幅杆,所述超声复合变幅杆下部设有杆端法兰盘,所述杆端法兰盘与散热保护壳体的底端面连接;所述超声复合变幅杆端头处安装有刀架,所述刀架上安装有微坑加工刀头;所述散热保护壳体外中部设有外壳法兰盘,所述外壳法兰盘与机床安装杆中部的支撑法兰盘固定连接。
以缸套加工为例,缸套水平放置,通过夹具与机床一端相连,超声微坑装置通过三爪卡盘装夹在机床另一端。工作时,超声微坑装置伸入缸套内部,支撑滚轮同缸套内壁接触,微坑加工刀头贴近缸套内壁。具体工作过程如下:预备阶段,预调脉冲式超声发生器设定单程加工时间和输出频率波形;工作阶段,启动机床,缸套在机床带动下按照一定的转速做旋转运动,之后,接通交流电源,散热扇启动,同时,50Hz交流电信号通过脉冲式超声发生器转换为超声频交变电流传输给超声换能器,超声换能器将超声频交变电流信号转变为同频机械振动,再经超声复合变幅杆放大后,带动刀架和微坑加工刀头沿缸套径向作振动冲击切削,机床另一端则带动超声微坑装置以一定的速度沿缸套轴向进给,从而在缸套表面形成按一定规律排布的微坑阵列,设定时间截止,切断交流电源,机床停止工作,换夹缸套另一端,重复上述操作,直至完成加工。
本发明具有如下优点:
1、本发明装置应用超声加工原理,通过高频振动冲击(20KHz以上)在摩擦副表面形成一定规律排布的微坑阵列结构,加工过程无污染,加工效率极高,加工微坑深度可调,加工后微坑形貌良好,且通过振动冲击切削加工在摩擦副表面产生残余压应力,极大改善摩擦副抗疲劳强度,在改善摩擦副摩擦性能的同时,延长其使用寿命。
2、本发明装置设计了支撑系统,采用接触滚轮结构,结构简单,装配方便。工作时滚轮同缸套内壁接触且滚轮随缸套转动而转动,在起到支撑、使装置工作稳定的同时,有效减少摩擦磨损对滚轮外圈材料和缸套的损伤,极大提高微坑加工精度。
3、本发明装置设有散热系统,工作时可有效为超声换能器散热,保证超声换能器持续稳定工作,提高超声换能器使用寿命,降低维修成本。
4、本发明装置采用脉冲式超声发生器,可调节超声换能器输出频率、输出振幅和微坑装置的工作时间,且支撑轴末端采用圆柱形结构,可适用各种机床安装,极大提高装置的适用范围,应用前景广泛。
本发明设计合理,具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示超声微坑加工装置剖视图。
图2表示超声微坑加工装置等轴测图。
图3表示超声微坑加工装置A处局部放大图。
图4表示超声微坑加工装置B处局部放大图。
图5表示控制系统电路原理图。
图中:101-机床安装杆,101a-支撑轮安装轴,101b-支撑法兰盘,102-支撑叶轮轮盘,102a-轮盘Ⅰ,102b-轮盘Ⅱ,103-平键,104-双头螺柱,105-支撑叶轮叶片,106-锁紧螺钉,107-滚轮轴,108-滚轮,109-轴套,110-轴端挡圈,111-螺母。
201-散热保护壳体,202-端盖,203-散热扇,204-散热格栅,205-外壳法兰盘,206-超声换能器,207-超声复合变幅杆,208-双头螺杆,209-杆端法兰盘,210-刀架,211-刀头,212-紧定螺钉,213-螺钉,214-脉冲式超声发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种超声微坑加工装置,由超声微坑加工系统和控制系统两部分组成。
超声微坑加工系统包括支撑系统和超声微坑声学加工系统。超声微坑声学加工系统采用直联式结构,由超声换能器、超声复合变幅杆、双头螺杆、刀架、微坑加工刀头、紧定螺钉等组成,散热采用风冷式散热结构,由散热保护壳(带法兰)、端盖、散热扇等组成。支撑系统采用接触轮盘结构,由机床安装杆(左部为支撑轮安装轴,中部具有支撑法兰盘,右部作为机床安装轴)、支撑叶轮轮盘、支撑叶轮叶片、滚轮、滚轮轴、双头螺柱、轴套、螺钉、螺母等组成。
如图1、2所示,支撑系统包括支撑叶轮轮盘102,支撑叶轮轮盘102由轮盘Ⅰ102a和轮盘Ⅱ102b构成,轮盘上设有两种直径不同的螺纹孔,共6个螺纹孔,其中3个均布布置用于安装双头螺柱,另外3也是均布布置用于安装锁紧螺钉。轮盘Ⅰ102a和轮盘Ⅱ102b之间通过3个双头螺柱104连接。支撑叶轮叶片105固定端(末端)两侧部设有定位凸台和螺纹孔(安装锁紧螺钉),两个轮盘相对面上对应开设有三对安装凹槽,每个支撑叶轮叶片105固定端(内端)两侧部分别插装于轮盘Ⅰ102a和轮盘Ⅱ102b上开设的一对安装(定位)凹槽后采用锁紧螺钉106实现紧固,即一个锁紧螺钉从轮盘Ⅰ旋入支撑叶轮叶片一侧部的螺纹孔内,另一个锁紧螺钉从轮盘Ⅱ旋入支撑叶轮叶片另一侧部的螺纹孔内。支撑叶轮轮盘和支撑叶轮叶片通过双头螺柱连接并由螺钉紧固,可防止工作时与工件反复接触导致的支撑叶轮叶片收缩造成装置精度下降。支撑叶轮轮盘102上径向均匀安装3个支撑叶轮叶片105,每个支撑叶轮叶片105端部(外端)设有凹槽和轴孔,轴孔需保证一定同轴度。滚轮轴107为螺杆轴,如图3所示,螺杆轴右部有台阶、左部具有螺纹,螺杆轴从叶片右侧的轴孔穿入后,轴承安装于台阶处,螺纹端穿过轴套109后穿出叶片左侧的轴孔,然后通过螺母111锁紧,在轴承上安装滚轮108。支撑叶轮轮盘102中心设有带键槽轴孔,支撑叶轮轮盘通过平键103同机床安装杆101前端的支撑轮安装轴101a连接在一起并由轴端挡圈110定位固定。超声微坑声学加工系统前端设有的支撑系统末端设有三个滚轮,滚轮外侧采用柔性耐磨树脂材料,滚轮同缸套接触方式为线接触,实际工作时至少有一个滚轮与缸套接触起到支撑作用且滚轮会随缸套转动而转动,在起到支撑作用的同时减少工作过程中给滚轮和工件带来的摩擦磨损,使装置工作更加稳定。
具体实施时,机床安装杆设有支撑轮安装轴(位于前部)、法兰盘(位于中部)、机床安装轴(位于后部)三部分,通过焊接方式连接为整体,使得装置更加简单紧凑,从而缩小装置尺寸,焊接时需保证法兰盘和支撑轴端面垂直度。滚轮、滚轮轴、轴套、螺母、支撑叶轮叶片、支撑叶轮轮盘、锁紧螺钉、双头螺柱构成支撑叶轮。支撑叶轮轮盘中心设有带键槽轴孔,支撑叶轮通过平键同机床安装杆前端的支撑轮安装轴连接在一起并由轴端挡圈定位固定。支撑叶轮叶片末端设有安装滚轮的凹槽和轴孔,轴孔需保证一定同轴度。滚轮位于支撑叶轮末端,通过滚轮轴利用螺纹连接与支撑叶轮叶片固定在一起。支撑叶轮叶片前端两侧设有定位凸台和螺纹孔,支撑叶轮轮盘内侧设有定位凹槽,轮盘上设有两种直径不同的螺纹孔,支撑叶轮叶片通过双头螺柱同支撑叶轮轮盘连接在一起,并通过锁紧螺钉锁紧固定。支撑叶轮叶片数量同所加工摩擦副形状有关,如平面摩擦副,叶片数量至少为1,缸套类摩擦副,叶片数量至少为3。滚轮外侧采用柔性耐磨树脂材料。
如图1、2所示,超声微坑声学加工系统包括散热保护壳体201,散热保护壳体201上端安装端盖202,端盖202上设有凹槽,散热风扇203安装入凹槽并通过螺钉213与端盖202固定在一起。散热保护壳体201上部表面位于超声换能器206位置处设有散热格栅204,超声换能器206下部通过双头螺杆208安装超声复合变幅杆207,超声换能器和超声复合变幅杆连接以增大振幅,达到加工所需的振动幅度,同时适应各种深度微坑的加工。超声复合变幅杆207下部设有杆端法兰盘209,杆端法兰盘209与散热保护壳体201的底端面通过螺钉213连接。散热保护壳体201外中部设有外壳法兰盘205,外壳法兰盘205与机床安装杆101中部的支撑法兰盘101b固定连接。如图4所示,超声复合变幅杆207端头处通过螺纹结构安装有刀架210,刀架210端部的槽孔内安装有微坑加工刀头211后通过侧面的紧定螺钉212固定。微坑加工刀头侧面设计为平面,安装入刀架槽孔,通过紧定螺钉压紧固定,避免工作时松动,导致加工微坑形貌发生变化。
具体实施时,超声微坑声学加工系统安装时从散热保护壳下端装入并保持一定的同轴度。超声微坑声学加工系统外部设有散热保护壳,上端设有散热扇,在保护超声换能器的同时,起到为超声换能器散热的功能,延长超声换能器使用寿命。散热保护壳上端设有螺纹孔,通过螺钉同端盖连接在一起。端盖上设有凹槽,散热扇安装入凹槽并通过螺纹连接同端盖固定在一起。散热保护壳中部设有法兰盘,通过螺钉同机床安装杆的法兰部分固定在一起。散热保护壳下端设有螺纹孔,通过螺钉同超声复合变幅杆小端的杆端法兰盘连接,将超声微坑声学加工系统固定在散热保护壳内。超声换能器下端设有螺纹孔,通过双头螺杆同超声复合变幅杆连接在一起,并进行胶装。超声复合变幅杆下端通过螺纹连接同刀架固定在一起。刀架下端设有槽孔,侧面设有螺纹孔,微坑加工刀头安装到槽孔,通过侧面紧定螺钉固定。微坑加工刀头有多种可供选择,根据刀尖形状可分为球形微坑加工刀头、椭球形微坑加工刀头、矩形微坑加工刀头、菱形微坑加工刀头、星形微坑加工刀头等类型。
超声微坑加工装置的控制系统包括:交流电源U1和脉冲式超声发生器214,超声换能器206由脉冲式超声发生器214驱动。电路原理如图5所示,脉冲式超声发生器214由整流滤波模块a、驱动电路及控制模块b、高频逆变模块c、阻抗匹配模块d、电容器储能模块e等组成。脉冲式超声发生器214前端接交流电源U1,后端接超声换能器206。超声微坑声学加工系统外接脉冲式超声发生器,通过控制脉冲式超声发生器输出波形,以控制超声换能器振动频率和振动幅度,从而降低匹配机床所需转速,同时可满足不同深度的微坑加工,使装置适应范围更广。
工作时,以某型号发动机缸套加工为例,缸套水平放置,通过夹具与机床一端相连,超声微坑加工装置利用机床安装杆的右部作为机床安装轴,通过三爪卡盘装夹在机床另一端。工作时,超声微坑加工装置伸入缸套内部,支撑滚轮同缸套内壁接触,微坑加工刀头贴近缸套内壁。具体工作过程如下:预备阶段,预调脉冲式超声发生器,设定单程加工时间和输出频率波形;工作阶段,启动机床,缸套在机床带动下按照一定的转速做旋转运动,之后,接通交流电源,散热扇启动,同时,50Hz交流电信号通过脉冲式超声发生器转换为超声频交变电流传输给超声换能器(压电式),超声换能器将超声频交变电流信号转变为同频机械振动,再经超声复合变幅杆放大后,带动刀架和微坑加工刀头沿缸套径向作振动冲击切削,机床另一端则带动超声微坑装置以一定的速度沿缸套轴向进给,从而在缸套表面形成按一定规律排布的微坑阵列,设定时间截止,切断交流电源,机床停止工作,换夹缸套另一端,重复上述操作,直至完成加工。
本发明装置实际应用时注意以下几点:
(1)、机床安装杆由支撑轮安装轴、支撑法兰盘、机床安装轴三部分组成,通过焊接的方式连接在一起,焊接时需保证平行度,支撑轴与散热保护壳连接时,需保证两者之间垂直度要求。
(2)、微坑加工刀头端部侧面插入刀架槽口部分加工时需保证一定平行度要求。
(3)、超声微坑声学加工系统中微坑加工刀头安装时,务必保证用紧定螺钉锁紧,超声微坑声学加工系统与散热保护壳连接时,需保证两者一定的同轴度要求。
(4)、根据不同的微坑加工要求,更换不同的微坑加工刀头以适应各种需求。
(5)、超声微坑声学加工系统采用直联式结构,工作过程可减少利用其他装置传递振动导致能量损耗,从而使能量利用率大幅提高。
(6)、超声微坑装置中支撑叶轮末端装有滚轮,加工缸套类摩擦副时,滚轮同缸套内壁接触,实际工作时至少有一个滚轮与缸套接触起到支撑作用且滚轮随缸套转动而转动,该结构不仅可改善滚轮外侧材料和缸套内壁摩擦磨损情况,而且可避免因摩擦磨损导致装置加工精度产生误差。
(7)、脉冲式超声发生器可控制输出给超声换能器的信号,改变超声换能器振动频率,加工缸套类摩擦副时,可控制匹配机床转速,从而增大本装置适用范围。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照本发明实施例进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明的技术方案的精神和范围,其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (6)

1.一种超声微坑加工装置,其特征在于:包括支撑系统和超声微坑声学加工系统;
所述支撑系统包括支撑叶轮轮盘(102),所述支撑叶轮轮盘(102)上径向均匀安装多个支撑叶轮叶片(105),所述支撑叶轮叶片(105)端部安装滚轮(108);所述支撑叶轮轮盘(102)固定安装于机床安装杆(101)端部的支撑轮安装轴(101a)上;
所述超声微坑声学加工系统包括散热保护壳体(201),所述散热保护壳体(201)上端安装端盖(202),所述端盖(202)上安装散热风扇(203);所述散热保护壳体(201)上部表面位于超声换能器(206)位置处设有散热格栅(204),所述超声换能器(206)下部安装超声复合变幅杆(207),所述超声复合变幅杆(207)下部设有杆端法兰盘(209),所述杆端法兰盘(209)与散热保护壳体(201)的底端面连接;所述超声复合变幅杆(207)端头处安装有刀架(210),所述刀架(210)上安装有微坑加工刀头(211);所述散热保护壳体(201)外中部设有外壳法兰盘(205),所述外壳法兰盘(205)与机床安装杆(101)中部的支撑法兰盘(101b)固定连接。
2.根据权利要求1所述的超声微坑加工装置,其特征在于:所述支撑叶轮轮盘(102)包括轮盘Ⅰ(102a)和轮盘Ⅱ(102b),所述轮盘Ⅰ(102a)和轮盘Ⅱ(102b)之间通过多个双头螺柱(104)连接,所述支撑叶轮叶片(105)固定端两侧部分别插装于轮盘Ⅰ(102a)和轮盘Ⅱ(102b)上开设的一对安装凹槽后采用锁紧螺钉(106)实现紧固,即一个锁紧螺钉从轮盘Ⅰ旋入支撑叶轮叶片一侧部,另一个锁紧螺钉从轮盘Ⅱ旋入支撑叶轮叶片另一侧部。
3.根据权利要求1或2所述的超声微坑加工装置,其特征在于:所述支撑叶轮叶片(105)活动端通过滚轮轴(107)安装滚轮(108)。
4.根据权利要求3所述的超声微坑加工装置,其特征在于:所述刀架(210)端部的槽孔内安装微坑加工刀头(211)后通过侧面的紧定螺钉(212)固定。
5.根据权利要求4所述的超声微坑加工装置,其特征在于:所述超声换能器(206)下部通过双头螺杆(208)安装超声复合变幅杆(207)。
6.根据权利要求1所述的超声微坑加工装置,其特征在于:所述超声换能器(206)由脉冲式超声发生器(214)驱动,所述脉冲式超声发生器(214)前端接交流电源U1,后端接超声换能器(206)。
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