CN111299959B - 一种超声滚压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种超声滚压装置及方法，涉及金属加工领域，包括旋转夹具和滚压机构，所述滚压机构包括支撑机构、驱动机构和执行机构，所述驱动机构和执行机构共同安装在支撑机构上，所述执行机构包括变幅杆和安装在变幅杆上的滚压头，所述滚压头的工作端凸出变幅杆的外圆周面，所述驱动机构通过变幅杆驱动滚压头工作端振动，所述支撑机构带动执行机构沿旋转夹具轴向往复运动，改变了传统超声滚压的滚压头与变幅杆之间的位置关系，从而实现对大于滚压头部分径向尺寸的工件内孔进行超声滚压，配合测力仪对初始静压力进行测定，更为精确的通过滚压头对工件内孔施加初始静压力，并能够实现对滚压过程中压力的监控。

Description

一种超声滚压装置及方法

技术领域

本公开涉及金属加工领域，特别涉及一种超声滚压装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

表面滚压技术是提高金属表面加工质量，提高工件使用寿命的重要手段。随着对超声技术的引进，超声滚压技术与传统金属表面滚压技术相比有着显著优势。选用合理的超声表面滚压参数加工的金属零部件，可以大大提高其表面光洁度，某些金属材料甚至可以达到镜面效果。超声滚压后的金属材料结构上可以产生自金属表面向金属内部依次成梯度化增大的晶粒细化层。滚压参数合理的情况下某些金属表面可以制备出纳米晶层或亚纳米晶层同时在金属材料内部产生残余压应力。纳米晶层或亚纳米晶层的存在可以提高金属零件的耐磨性和耐腐蚀性，残余压应力的存在可以提高零件的抗疲劳性能；超声滚压加工是利用超声产生的高频冲击力和滚压加工初始时施加的静压力相结合的工作方法。

发明人发现，现有的超声滚压设备均是换能器、变幅杆和滚压头三者中心线在同一直线上，虽然能够实现对外圆面的加工，但是若想对工件的内孔进行滚压，必须满足工件直径大于滚压设备加设备夹具的总长度，如此就对可滚压的工件的内孔尺寸有了很大的限制，对于椭圆度较小的近圆形内孔，难以进行加工；另外，传统的超声滚压时，确定初始静压力值的方式一般有两种，一是需要提前查询所加工材料的压入量与压力值之间的对应关系，然后实际加工时根据机床坐标位移量来间接确定所加静压力的大小，此种方法由于滚压头与实际压入实验时用的压头直径不一致和施加静压力时滚压杆存在变形量导致所加静压力与实际理想的静压力误差较大；二是在滚压杆尾部再增加一套液压系统，通过液压系统加压来确定所施加的静压力值，此种方式增加了滚压装置的复杂程度，不利于滚压设备的保养维修，更重要的是增加了滚压设备的轴向长度，因此更无法满足对小尺寸内孔的滚压。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种超声滚压装置及方法，改变了传统超声滚压的滚压头与变幅杆之间的位置关系，从而实现对大于滚压头部分径向尺寸的工件内孔进行超声滚压，配合测力仪对初始静压力进行测定，更为精确的通过滚压头对工件内孔施加初始静压力，并能够实现对滚压过程中压力的监控，配合施加静压力时变幅杆的形变量，能够对椭圆度较小的内孔实现适应性滚压，扩展了滚压装置的适用范围，节省基础成本。

本公开的第一目的是提供一种超声滚压装置，采用以下技术方案：

包括旋转夹具和滚压机构，所述滚压机构包括支撑机构、驱动机构和执行机构，所述驱动机构和执行机构共同安装在支撑机构上，所述执行机构包括变幅杆和安装在变幅杆上的滚压头，所述滚压头的工作端凸出变幅杆的外圆周面，所述驱动机构通过变幅杆驱动滚压头工作端振动，所述支撑机构带动执行机构沿旋转夹具轴向往复运动，用于对旋转夹具上的转动工件进行超声滚压。

优选的，所述滚压头位于变幅杆远离驱动机构的一端。

进一步地，所述滚压头轴线与转动夹具轴线共面，所述变幅杆用于探入转动工件内孔，对工件内孔壁进行超声滚压。

进一步地，所述支撑机构包括底座和测力仪，所述底座用于配合外部结构带动驱动机构和执行机构移动，调整与旋转夹具的相对位置，从而改变滚压头沿内孔径向对工件内孔壁施加的静压力，所述测力仪用于测取滚压头加载在工件上的静压力值。

进一步地，所述驱动机构包括换能器，所述换能器内部设有第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，所述第一压电陶瓷在电场作用下通过换能器带动变幅杆沿轴向振动，所述第二压电陶瓷在电场作用下通过换能器带动变幅杆偏离轴线振动；

第一压电陶瓷实现沿轴向方向的直线往复运动，第二压电陶瓷有两组，布置在变幅杆轴线两侧，通过交替伸缩实现变幅杆的上下摆动，直线往复运动与上下摆动二维运动进行叠加后使得超声滚压头处实现椭圆形运动轨迹。

进一步地，所述变幅杆外部套设有支撑环。

进一步地，所述滚压头轴线与变幅杆轴线呈夹角设置，滚压头一端连接变幅杆，另一端作为工作端，滚压头工作端距离变幅杆轴线的垂直距离大于变幅杆的半径，使变幅杆不与工件接触。

本公开的第二目的是提供一种超声滚压方法，利用如上所述的超声滚压装置，包括以下步骤：

将待滚压的工件装夹到旋转夹具上，内孔与旋转夹具同轴设置；

调整滚压机构的位置，使得滚压头接触内孔壁，调整滚压头对内孔壁的静压力；

启动驱动机构，驱动机构带动滚压头对内孔壁进行超声滚压；

支撑机构带动执行机构沿内孔轴向进给，扩大超声滚压范围，逐渐覆盖内孔壁。

进一步地，在进行滚压前，对工件内孔进行预处理后，工件维持原夹持状态进行后续的滚压处理。

进一步地，调整滚压机构的位置具体包括以下步骤：先校准变幅杆轴线与内孔轴线平行；后沿内孔径向平行调整执行机构的位置；直至滚压头刚好接触内孔壁。

进一步地，驱动机构和支撑机构同时驱动滚压头工作，使得滚压头边滚压边进给。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)通过改变了传统超声滚压的滚压头与变幅杆之间的位置关系，使得滚压头位于变幅杆的末端侧面位置，从而可以实现对大于滚压头部分径向尺寸的所有金属内孔进行超声滚压，大大增加了可进行超声滚压的零部件的孔径范围，因此可以满足更多承力孔部位进行超声滚压，提高孔径的表面光洁度，同时增强孔径的抗疲劳性能从而大大提高零件的使用寿命；

(2)利用支撑机构带动执行机构移动，通过滚压头逐渐对内孔壁施加压力，测力仪进行初始静压力的测量，可以方便快捷准确的确定滚压时的静压力，有利于超声滚压过程中实时掌控压力值大小，可以间接实现对超声滚压过程的监控，有效的掌控超声滚压表面质量；

(3)采用压电陶瓷的组合制成换能器，可以实现滚压头的多个方向运动，从轴向和垂直轴向进行振动，共同使得滚压头端部形成椭圆形运动轨迹；椭圆形运动轨迹可以有效的降低超声滚压过程中工件对滚压头的加工抗力，减少滚压头的磨损，提高滚压头的使用寿命；

(4)通过变幅杆的形变对工件施加静压力，对于椭圆度较小的内孔结构，能够使得变幅杆的形变量大于内孔长轴和短轴的差值，从而利用变幅杆形变量补充对应长轴加工时的余量，实现对椭圆内孔的滚压，提高装置的适用性；

(5)通过对工件表面进行超声滚压，可以大大提高其表面光洁度，超声滚压后的金属材料结构上可以产生自金属表面向金属内部依次成梯度化增大的晶粒细化层，能够制备出纳米晶层或亚纳米晶层同时在金属材料内部产生残余压应力；纳米晶层或亚纳米晶层的存在可以提高金属零件的耐磨性和耐腐蚀性，残余压应力的存在可以提高零件的抗疲劳性能；

(6)解决了传统超声滚压装置难以进行内孔滚压加工的问题，既能通过变幅杆配合滚压头探入内孔内，实现内孔的滚压，还能够对工件的外圆周面进行滚压加工，提高装置的适用性，降低生产成本。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中滚压装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中执行机构配合驱动机构的结构示意图；

图3为本公开实施例1、2中换能器内部压电陶瓷的布置示意图；

图4为本公开实施例1、2中超声发生器的结构示意图；

图5为本公开实施例1、2中测力仪信号放大器的结构示意图；

图6为本公开实施例1、2中对工件进行滚压前后的表面粗糙度示意图；

图7为本公开实施例3中椭圆形内孔的形状示意图。

图中，1、机床垫块；2、测力仪测头；3、测力仪信号放大器；4、滚压杆夹具；5、超声滚压杆；51、换能器；511、壳体；512、大直径压电陶瓷片；513、小直径压电陶瓷片；514、通风口；52、变幅杆；521、环形垫铁；53、滚压头；6、超声发生器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中难以通过超声滚压设备对工件内孔进行加工，且施加静压力误差较大，导致超声滚压无法满足需求，针对上述问题，本公开提出了一种超声滚压装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图6所示，提出了一种超声滚压装置。

主要包括旋转夹具和滚压机构，所述滚压机构包括支撑机构、驱动机构和执行机构；

所述支撑机构包括底座和测力仪，在本实施例中，超声滚压装置与现有机床配合，底座为机床垫块1，所述机床垫块上方活动连接测力仪测头2，测力仪测头与测力仪信号放大器3连接；

当然，可以理解的是，机床垫块能够配合外部结构带动驱动机构和执行机构移动，调整与旋转夹具的相对位置，从而改变滚压头沿内孔径向对工件内孔壁施加的静压力，所述测力仪用于测取滚压头加载在工件上的静压力值。

如图1所示，测力仪上方连接有滚压杆夹具4，所述的驱动机构和执行机构共同构成超声滚压杆5，超声滚压杆安装通过滚压杆夹具配合安装在测力仪上；

超声滚压杆由换能器51、变幅杆52和滚压头53三部分组成，换能器与变幅杆一端连接，变幅杆远离换能器的一端设有滚压头；

所述滚压头的工作端凸出变幅杆的外圆周面，所述驱动机构通过变幅杆驱动滚压头工作端振动，所述支撑机构带动执行机构沿旋转夹具轴向往复运动，用于探入旋转夹具上转动工件的内孔，从而对工件内孔壁进行超声滚压。

通过改变了传统超声滚压的滚压头与变幅杆之间的位置关系，使得滚压头位于变幅杆的末端侧面位置，从而可以实现对大于滚压头部分径向尺寸的所有金属内孔进行超声滚压，大大增加了可进行超声滚压的零部件的孔径范围，因此可以满足更多承力孔部位进行超声滚压，提高孔径的表面光洁度，同时增强孔径的抗疲劳性能从而大大提高零件的使用寿命。

具体的，所述滚压头轴线与变幅杆轴线呈夹角设置，滚压头一端连接变幅杆，另一端作为工作端，滚压头工作端距离变幅杆轴线的垂直距离大于变幅杆的半径，使变幅杆不与工件接触；

在本实施例中，所述变幅杆远离换能器的一端设有与其端面呈45度的斜面，变幅杆的45度斜面处活动连接滚压头；当然，可以理解的是，还可以选用其他角度，比如30度、60度等，只要能够实现将滚压头的工作端突出变幅杆外圆周面，避免变幅杆与内孔发生干涉即可。

所述滚压头轴线与转动夹具轴线共面；

作为优选的，所述的滚压头轴线处于水平面或竖直面，方便对滚压头位置进行调节，测取静压力值。

所述换能器51由壳体511和压电陶瓷片组成，所述壳体内设有两种直径大小的三组压电陶瓷片，分别为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；

所述第一压电陶瓷为大直径压电陶瓷片512，设置于换能器靠近变幅杆的一端，所述第二压电陶瓷为小直径压电陶瓷片513，且设有数量一致的两组，分别设置在换能器轴线的两侧，小直径压电陶瓷片直径长为大直径压电陶瓷直径的一半；小直径压电陶瓷片位于换能器内部远离变幅杆的一端；

大直径压电陶瓷片在电场作用下发生形变，从而实现沿轴向方向的直线往复运动，两组小直径压电陶瓷片在电场作用下交替伸缩，实现变幅杆偏离轴线方向的往复摆动，轴线方向往复运动与偏离轴线方向往复摆动，两组二维运动进行叠加后使得超声滚压头处实现类似椭圆形运动轨迹；

由于超声滚压过程，本身带有“移峰填谷”的作用，所以椭圆形运动轨迹有利于减小滚压过程中的加工抗力，减少滚压头的磨损，提高滚压头的使用寿命。

采用压电陶瓷的组合制成换能器，可以实现滚压头的多个方向运动，从轴向和偏离轴线进行振动，共同使得滚压头端部形成椭圆形运动轨迹；椭圆形运动轨迹可以有效的降低超声滚压过程中工件对滚压头的加工抗力，减少滚压头的磨损，提高滚压头的使用寿命。

需要特别指出的是，在本实施例中，所述壳体尾部侧面设有通风口514；

由于压电陶瓷片在工作过程中不仅会产生轴向的伸缩，还会像电阻一样将一部分电能转化为热能，长时间的工作会导致压电陶瓷温度过高，当温度高过压电陶瓷的居里温度时，压电陶瓷的压电效应将会消失，因此设置通风口向内部吹压缩空气有利于对工作过程中的压电陶瓷进行散热，使压电陶瓷在工作过程中保持振幅稳定，从而提高滚压过程的加工均匀性；

当然，可以理解的是，可以通过管路将通风口接入外部气压源，使得较低温度的气体进入壳体内部。

所述机床垫块的纵切面为“凸”字型，所述机床垫块上的螺栓孔位置与机床刀架螺栓孔位置相对应；

此处垫块可以根据机床刀架尺寸进行定做，因此可以实现换用一个垫块即可以在一台机床上进行超声滚压，而不必要再单独购买超声滚压设备。此种改装具有很强的通用性，因此可以大大降低设备成本。

所述变幅杆外部套设有支撑环结构，在本实施例中，所述的支撑环为环形垫铁521，可以将固定滚压杆的螺丝压紧在环形垫铁上，防止损坏变幅杆；

在工作时可以保证振动传递的平稳性。

对于所述的滚压头53，其工作端为尖部，在本实施例中，工作端定有直径为1～3mm的球形人造金刚石，金刚石具有高硬度和高耐磨性的特点，可以满足大部分金属材料的加工要求；

当然，也可以根据需求采用跟其他材料的滚压头。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图6所示提供一种超声滚压方法，利用如实施例1所述的超声滚压装置。

采用以下步骤：

将待滚压的工件装夹到旋转夹具上，内孔与旋转夹具同轴设置；

超声滚压前将内孔表面粗糙度加工至Ra6.4以下，然后工件不动，卸下机床车刀架，在原有车床刀架位置处安装滚压机构；

调整滚压机构的位置，先校准滚压杆中轴线与内孔中心线在同一高度且二者相平行，然后通过机床手轮移动滚压头至刚好与工件内孔边缘接触；

开启测力仪进行测力，同时移动滚压头对工件表面进行静压力加载，通过测力仪读出加载的静压力大小，静压力范围在50～300N，直至静压力达到预设工艺值；

启动驱动机构，超声发生器6接入驱动机构，驱动机构带动滚压头对内孔壁进行超声滚压；

支撑机构带动执行机构沿内孔轴向进给，扩大超声滚压范围，逐渐覆盖内孔壁。

滚压前后的工件表面粗糙度情况如图6所示。

需要指出的是，在进给过程中，滚压头进给速度选用10m/min～80m/min，超声发生器发射频率在35kHz～40kHz；

在滚压过程中，采用单向进给，即沿内孔轴向进给，滚压区域逐渐覆盖内孔壁后，调整滚压头位置，使得滚压头、变幅杆与内孔壁均不接触，从内孔中撤出滚压头。

静压力加载过程中，工件要保持静止且初始的静压力加载点应尽可能靠近内孔的边缘，静压力加载点在载荷加载过程中可能会使内孔位置局部凹陷，因此工件在进行超声滚压前内孔位置在长度方向应留有1mm～5mm余量，以便于超声滚压后去除静压力过载点。

当然，可以理解是，在利用实施例1中的超声滚压装置进行外圆周面的加工时，依据现有的外圆周面加工方式操作即可，在此不再赘述；

解决了传统超声滚压装置难以进行内孔滚压加工的问题，既能通过变幅杆配合滚压头探入内孔内，实现内孔的滚压，还能够对工件的外圆周面进行滚压加工，提高装置的适用性，降低生产成本。

利用支撑机构带动执行机构移动，通过滚压头逐渐对内孔壁施加压力，测力仪进行初始静压力的测量，可以方便快捷准确的确定滚压时的静压力，有利于超声滚压过程中实时掌控压力值大小，可以间接实现对超声滚压过程的监控，有效的掌控超声滚压表面质量。

实施例3

在本申请的另一典型实施例中，如图1-图7所示，提供一种超声滚压方法。

区别于实施例2中对工件内孔进行加工，在本实施例中，通过变幅杆施加静压力时的形变，实现对椭圆内孔的滚压，具体包括以下步骤：

将待滚压的工件装夹到旋转夹具上，椭圆内孔的中心与旋转夹具同轴设置；

调整滚压机构的位置，先校准滚压杆中轴线与椭圆内孔中心线在同一高度且二者相平行，然后通过机床手轮移动滚压头至刚好与工件内孔边缘接触；

开启测力仪进行测力，同时移动滚压头对工件表面进行静压力加载，使得变幅杆产生偏移轴线的形变量，通过测力仪读出加载的静压力大小，静压力范围在50～300N，直至静压力达到预设工艺值；

启动驱动机构，超声发生器6接入驱动机构，驱动机构带动滚压头对内孔壁进行超声滚压；

在对长轴对应部分进行加工时，变幅杆偏移轴线的角度减小，趋近于轴线位置，从而补充长轴部分的余量，达到对椭圆孔的加工目的；

支撑机构带动执行机构沿内孔轴向进给，扩大超声滚压范围，逐渐覆盖内孔壁。

通过变幅杆的形变对工件施加静压力，对于椭圆度较小的内孔结构，能够使得变幅杆的形变量大于内孔长轴和短轴的差值，从而利用变幅杆形变量补充对应长轴加工时的余量，实现对椭圆内孔的滚压，提高装置的适用性。

在改变变幅杆形变量的同时也改变了施加在内孔壁上的静压力，因此，为了保证滚压效果，需要控制椭圆孔长轴和短轴的差值不能过大，即椭圆孔趋近于圆；在本实施例中，椭圆度r≤0.06mm。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声滚压装置，其特征在于，包括旋转夹具和滚压机构，所述滚压机构包括支撑机构、驱动机构和执行机构，所述驱动机构和执行机构共同安装在支撑机构上，所述执行机构包括变幅杆和安装在变幅杆上的滚压头，所述滚压头的工作端凸出变幅杆的外圆周面，所述驱动机构通过变幅杆驱动滚压头工作端振动，所述支撑机构带动执行机构沿旋转夹具轴向往复运动，用于对旋转夹具上的转动工件进行超声滚压；

所述驱动机构包括换能器，所述换能器内部设有第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，所述第一压电陶瓷在电场作用下通过换能器带动变幅杆沿轴向振动，所述第二压电陶瓷在电场作用下通过换能器带动变幅杆偏离轴线振动；

变幅杆通过产生偏移轴线的形变对工件的椭圆内孔壁施加静压力，使得变幅杆的形变量大于内孔长轴和短轴的差值，利用变幅杆形变量补充对应长轴加工时的余量，实现对椭圆内孔的滚压，所述椭圆内孔的椭圆度r≤0.06mm。

2.如权利要求1所述的超声滚压装置，其特征在于，所述滚压头轴线与转动夹具轴线共面，所述变幅杆用于探入转动工件内孔，对工件内孔壁进行超声滚压。

3.如权利要求1所述的超声滚压装置，其特征在于，所述支撑机构包括底座和测力仪，所述底座用于配合外部结构带动驱动机构和执行机构移动，调整驱动机构和执行机构与旋转夹具的相对位置，从而改变滚压头沿工件径向对工件施加的静压力，所述测力仪用于测取滚压头加载在工件上的静压力值。

4.如权利要求1所述的超声滚压装置，其特征在于，所述变幅杆外部套设有支撑环。

5.如权利要求4所述的超声滚压装置，其特征在于，所述滚压头轴线与变幅杆轴线呈夹角设置，滚压头一端连接变幅杆，另一端作为工作端，滚压头工作端距离变幅杆轴线的垂直距离大于变幅杆的半径，使变幅杆不与工件接触。

6.一种超声滚压方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的超声滚压装置，包括以下步骤：

将待滚压的工件装夹到旋转夹具上，椭圆内孔的中心与旋转夹具同轴设置；

调整滚压机构的位置，使得滚压头接触内孔壁，调整滚压头对内孔壁的静压力；启动驱动机构，驱动机构带动滚压头对内孔壁进行超声滚压；

支撑机构带动执行机构沿内孔轴向进给，扩大超声滚压范围，逐渐覆盖内孔壁。

7.如权利要求6所述的超声滚压方法，其特征在于，在进行滚压前，对工件内孔进行预处理后，工件维持原夹持状态进行后续的滚压处理。

8.如权利要求6所述的超声滚压方法，其特征在于，调整滚压机构的位置具体包括以下步骤：

先校准变幅杆轴线与椭圆内孔中心线平行；

后沿内孔径向平行调整执行机构的位置；

直至滚压头刚好接触内孔壁。

9.如权利要求6所述的超声滚压方法，其特征在于，驱动机构和支撑机构同时驱动滚压头工作，使得滚压头边滚压边进给。

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