CN113073183A - 一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法，包括立式加工中心机床、超声执行机构、超声波发生器以及空气压缩机，所述超声波发生器经电缆线与超声执行机构相连接，用以为加工系统提供能量，所述空气压缩机经管线与超声执行机构相连接，用以提供初始静压力并通过压力表进行调节，所述超声执行机构包括由上至下安装在立式加工中心机床主轴上的超声波换能器、变幅杆和工具头。本发明设计合理，设计合理，通过超声执行机构产生超高频机械振动，并耦合空气压缩机提供的静载荷共同作用于工具头上，在立式加工中心机床主轴的带动下与工件表面接触并作横向往复运动，能够有效降低工件的表面粗糙度，细化表层晶粒组织，提高工件的表面完整性。

Description

一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法。
背景技术
机械零件的磨损、腐蚀和疲劳断裂等失效往往起源于材料表面，零件的使用性能和耐久性很大程度上取决于材料的表面完整性，因此材料表面完整性的改善与提高是材料延寿的关键内容和核心技术。超声滚压作为一种新型绿色表面改性技术，可以显著降低工件的表面粗糙度、提高显微硬度并引入深层残余压应力，在提高材料表面完整性方面具有很大的潜力。但是目前，现有的提高金属材料表面完整性的形变强化技术主要有滚压和喷丸强化这两种技术。然而，这两种工艺都存在一定的局限性，例如滚压技术需要一定的压力才能实现对工件的表面强化，这个压力大约在1000~3000N，会对机床的刚性和精度造成损伤；喷丸强化后工件表面较为粗糙，形成的塑性变形层深度较小。此外，现有的超声滚压设备多用于回转件的加工，难以实现平面类零件的表面改性处理。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置及方法，有效提高工件的表面完整性，强化效果明显。
本发明是这样构成的，它包括立式加工中心机床、超声执行机构、超声波发生器以及空气压缩机，所述超声波发生器经电缆线与超声执行机构相连接，用以为加工系统提供能量，所述空气压缩机经管线与超声执行机构相连接，用以提供初始静压力并通过压力表进行调节，所述超声执行机构包括由上至下安装在立式加工中心机床主轴上的超声波换能器、变幅杆和工具头。
进一步的，所述工具头为球形滚压头且与工件表面保持垂直接触。
进一步的，所述工具头采用润滑介质进行冷却润滑，所述工具头通过导管与立式加工中心机床内的蓄油箱相连，润滑介质由工具头左侧上方的进油口流入经工具头右侧上方的出油口流出。
进一步的，所述超声波换能器为压电式陶瓷换能器。
进一步的，所述变幅杆为阶梯形锥度变幅杆，用以降低阶梯处的应力集中，提高传递效率。
进一步的，所述工具头下方设置有基座，所述基座与工具头之间放置有工件。
进一步的，所述空气压缩机提供的初始静压力为0.2~0.4MPa。
进一步的，一种基于超声滚压技术的表面改性方法，包括步骤如下：
步骤S1：将工件装夹在立式加工中心机床的基座上；
步骤S2：调整超声执行机构的位置，使工具头与工件良好接触；
步骤S3：启动空气压缩机，并通过压力表进行调整所需提供的初始静压力；
步骤S4：启动超声波发生器，并调整超声振动频率以及供给电流，产生超声频机械振动；
步骤S5：启动立式加工中心机床，调整走刀距离、进给速度以及工具头的压入深度，带动超声执行机构在工件表面作横向往复运动，实现表面改性处理。
进一步的，所述空气压缩机提供的初始静压力为0.2~0.4MPa。
进一步的，超声波发生器性能参数为：振动频率20~22KHz，供给电流0.6~1.0A。
进一步的，立式加工中心机床进给速度为1000~2000mm/min，单次走刀距离为0.1mm，压入深度为0.08~0.12mm，表面处理次数为2~3次。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置通过超声波发生器、超声波换能器及变幅杆产生超高频机械振动，并与空气压缩机提供的静载荷共同作用于工具头上，超声执行机构在立式加工中心机床主轴的带动下与工件表面接触并作横向往复运动，实现对平面类零件的表面改性处理， 本发明的冲击强化作用可以使工件表面产生强烈的塑性变形，不仅使工件表面的“波峰”压入“波谷”，降低了表面粗糙度，而且使得表层晶粒组织得到细化，有效提高了表面完整性；本发明结合了超声振动，无需对工件施加很大的工作压力，减小了对机床主轴精度和刚度的损伤；本发明适用于加工平面类零件，扩展了超声滚压设备的加工领域，并且结构简单，操作方便，使用维护成本低廉，表面强化效果显著；
该设备结构简单，操作方便，使用维护成本低廉，能够有效提高工件的表面完整性，强化效果明显。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构示意图；
图2是本发明实施例进行表面强化试验的流程图；
图3是本发明实施例对工件进行处理前的表面粗糙度示意图；
图4是本发明实施例对工件进行处理后的表面粗糙度示意图；
图5是本发明实施例对工件进行处理前的表面微观组织示意图；
图6是本发明实施例对工件进行处理后的表面微观组织示意图；
图中：1-立式加工中心机床主轴，2-超声执行机构，3-超声波发生器，4-超声波换能器，5-变幅杆，6-进油口，7-出油口，8-空气压缩机，9-工具头，10-工件，11-基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1：如图1~2所示，在本实施例中，提供一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，包括立式加工中心机床、超声执行机构2、超声波发生器3以及空气压缩机8，所述超声波发生器经电缆线与超声执行机构相连接，用以为加工系统提供能量，所述空气压缩机经管线与超声执行机构相连接，用以提供初始静压力并可以通过压力表进行调节；
所述超声执行机构包括由上至下安装在立式加工中心机床主轴1上的超声波换能器4、变幅杆5和工具头9。
上述的超声波换能器用于将高频交流电信号转化为同频率的机械振动；上述的变幅杆用于扩大上一步所获得的机械振动并传递到与工件接触的工具头上，实现对工件表面的改性处理。
在本实施例中，所述工具头可以采用直径14mm的球形滚压头，且与工件表面保持垂直接触。
上述的工具头采用润滑介质进行冷却润滑，所述工具头通过导管与立式加工中心机床内的蓄油箱相连，润滑介质由工具头左侧上方的进油口5流入经工具头右侧上方的出油口6流出，用以保证工具头的加工稳定性。
在本实施例中，超声波换能器为压电式陶瓷换能器。
在本实施例中，所述变幅杆为阶梯形锥度变幅杆，用以降低阶梯处的应力集中，提高传递效率。
在本实施例中，所述工具头9下方设置有基座11，所述基座与工具头之间放置有工件10；所述工件为平面立方体金属材料，工件的全长范围内平面度公差不大于0.01mm，表面粗糙度不大于Ra1.6μm。
在本实施例中，超声滚压技术的表面改性方法，包括以下步骤：
步骤S1：将工件装夹在立式加工中心的基座上；
步骤S2：调整超声执行机构的位置，使工具头与工件良好接触；
步骤S3：启动空气压缩机，并通过压力表进行调整所需提供的初始静压力；
步骤S4：启动超声波发生器，并调整超声振动频率以及供给电流，产生超声频机械振动；
步骤S5：启动立式加工中心机床，调整走刀距离、进给速度以及工具头的压入深度，带动超声执行机构在工件表面作横向往复运动，实现表面改性处理。
在步骤S1中，工件为立方体金属样品；优选地，该金属样品为硬度较高的金属，例如钛合金、不锈钢、铜合金、铝合金等；进一步的，该金属样品还可以为铍铜合金。
上述的所述的超声波发生器性能参数为：振动频率20~22KHz，供给电流0.6~1.0A。
上述的立式加工中心进给速度为1000~2000mm/min，单次走刀距离为0.1mm，压入深度为0.08~0.12mm，表面处理次数为2~3次；优选的，在步骤S5中，进给速度为1500mm/min，压入深度为0.08mm，表面处理次数为3次。
在步骤S3中，所述空气压缩机提供的初始静压力为0.2~0.4Mpa；优选的，初始静压力可以是0.3 Mpa。
实施例2：用线切割的方法切下一段金属样品，在电子显微镜下观察其表面形貌并测量表面粗糙度Ra，其表面微观形貌如图3所示，未经超声滚压处理前，工件表面加工痕迹密集，缺陷较多，极不平整，表面粗糙度较高；经过超声滚压处理后，如图4所示，工件表面变得连续、平整、均匀，表面粗糙度大幅降低。同时，如图5所示，在光学显微镜下观察其表面的金相组织，其微观组织；如图6所示，经过超声滚压处理后的金属样品表层结构得到明显细化，原始粗大的晶粒转变成微小的颗粒状，原本清晰可见的晶界被破坏甚至隐没，晶界之间变得模糊难以分辨，同时能够观察到一定的流线型组织，这对于提高金属样品的硬度及强度很有帮助。由此可见，利用超声滚压技术，可以有效改善金属材料的表面完整性，提高其使用性能。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，包括立式加工中心机床、超声执行机构、超声波发生器以及空气压缩机，所述超声波发生器经电缆线与超声执行机构相连接，用以为加工系统提供能量，所述空气压缩机经管线与超声执行机构相连接，用以提供初始静压力并通过压力表进行调节，所述超声执行机构包括由上至下安装在立式加工中心机床主轴上的超声波换能器、变幅杆和工具头。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，所述工具头为球形滚压头且与工件表面保持垂直接触。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，所述工具头采用润滑介质进行冷却润滑，所述工具头通过导管与立式加工中心机床内的蓄油箱相连，润滑介质由工具头左侧上方的进油口流入经工具头右侧上方的出油口流出。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，所述超声波换能器为压电式陶瓷换能器。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，所述变幅杆为阶梯形锥度变幅杆，用以降低阶梯处的应力集中，提高传递效率。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性立式装置，其特征在于，所述工具头下方设置有基座，所述基座与工具头之间放置有工件。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声滚压技术的表面改性方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤S1：将工件装夹在立式加工中心机床的基座上；
步骤S2：调整超声执行机构的位置，使工具头与工件良好接触；
步骤S3：启动空气压缩机，并通过压力表进行调整所需提供的初始静压力；
步骤S4：启动超声波发生器，并调整超声振动频率以及供给电流，产生超声频机械振动；
步骤S5：启动立式加工中心机床，调整走刀距离、进给速度以及工具头的压入深度，带动超声执行机构在工件表面作横向往复运动，实现表面改性处理。
8.根据权利要求7所述的一种基于超声滚压技术的表面改性方法，其特征在于，所述空气压缩机提供的初始静压力为0.2~0.4MPa。
9.根据权利要求7所述的一种基于超声滚压技术的表面改性方法，其特征在于，超声波发生器性能参数为：振动频率20~22KHz，供给电流0.6~1.0A。
10.根据权利要求7所述的一种基于超声滚压技术的表面改性方法，其特征在于，立式加工中心机床进给速度为1000~2000mm/min，单次走刀距离为0.1mm，压入深度为0.08~0.12mm，表面处理次数为2~3次。
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