CN113681445A - 一种高效超声波强化研磨设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效超声波强化研磨设备及方法，该设备包括旋转装夹机构和超声加工机构；所述旋转装夹机构包括同轴旋转夹具和旋转驱动机构，所述同轴旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端连接；所述超声加工机构包括超声加工座、超声波换能器和超声工具头，所述超声加工座上设有竖向贯穿的高效加工腔，该高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°‑35°；在工作状态下，研磨料承放在超声工具头延伸至高效加工腔的底部的端面上，工件的待加工的表面放置在高效加工腔的顶部。本发明具有撞击角度宽泛随机、撞击次数多、撞击平均速度大的优点，可以有效提高强化研磨的加工效率和加工效果。

Description

一种高效超声波强化研磨设备及方法

技术领域

本发明涉及强化研磨设备及方法，具体涉及一种高效超声波强化研磨设备及方法。

背景技术

强化研磨加工是一种基于复合加工方法的抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损的金属材料表面强化加工方法，利用表面冲击或挤压的方式使材料表层发生剧烈塑性变形，诱发晶体内部缺陷发展为位错、亚晶界或晶界，引起表层材料晶粒细化，提升材料表面硬度，同时在材料表层引入残余压应力，抑制表层疲劳裂纹的萌生与发展，提高材料疲劳寿命。

其中，利用超声波进行强化研磨加工的技术己经展现出很多优点，例如工作过程中丸粒几乎无破损，无粉尘污染，且可重复利用，且设备体积小，耗能低，可以做成便携式。例如，申请公布号为CN 110640638 A的发明申请公开了一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备，该超声强化加工设备以超声波为动力源使钢珠研磨粉在收集盒中震动、撞击位于收集盒上方的工件，改进了传统强化研磨加工工艺的不足，且还具有工件表面粗糙度较好、效率更高以及可循环对工件进行多次加工等优点。

但是，上述超声波加工设备仍存在以下不足：

上述超声波加工设备的加工腔体采用收集盒的形式，这种结构的钢珠颗粒撞击工件的效率不足，钢珠撞击工件次数较少，且研磨颗粒回落后存在一定概率掉落到腔体底部非变幅杆区域，在该区域内钢珠颗粒无法重新获取能量而重新参与到加工中，造成加工效率低下。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种高效超声波强化研磨设备，该高效超声波强化研磨设备具有撞击角度宽泛随机、撞击次数多、撞击平均速度大的优点，可以有效提高强化研磨的加工效率和加工效果。

本发明的另一个目的在于提供一种高效超声波强化研磨方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高效超声波强化研磨设备，包括用于对工件进行旋转装夹的旋转装夹机构和用于将研磨料高速撞击在工件的表面的超声加工机构；

所述旋转装夹机构包括同轴旋转夹具和用于驱动同轴旋转夹具组件进行旋转的旋转驱动机构，所述同轴旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端连接；

所述超声加工机构包括超声加工座、超声波换能器和超声工具头，所述超声加工座上设有竖向贯穿的高效加工腔，该高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°；所述超声工具头的一端与超声波换能器连接，另一端延伸至高效加工腔的底部；在工作状态下，研磨料承放在超声工具头延伸至高效加工腔的底部的端面上，工件的待加工的表面放置在高效加工腔的顶部。

上述高效超声波强化研磨设备的工作原理为：

工作时，先将待加工的工件(轴承内圈)装夹在同轴旋转夹具上，此时工件位于超声加工座之上，待加工的表面正对着高效加工腔；启动超声波换能器和旋转驱动机构，开始对工件进行强化加工。其中，超声波换能器发出超声波，由超声工具头将其转换成高频的振动，由于研磨料(钢珠、研磨粉)放置高效加工腔中，并承放在超声工具头的端面上，所以高频的振动直接赋予研磨料巨大的冲击力，使得研磨料可以高速地往上撞击工件的滚道，从而在滚道产生残余压应力。进一步，研磨料往上撞击工件后，反弹落下去，研磨料再次被振动而往上移动，从而再次对工件进行撞击挤压，以此循环，直至强化加工完成。

在研磨料冲击的同时，旋转驱动机构驱动同轴旋转夹具进行转动，使得工件的滚道匀速地从研磨料收集盒的上开口转过，这样研磨料可以依次沿着工件的滚道进行撞击，从而确保整个滚道均匀地附上强化层。

本发明的一个优选方案，其中，所述同轴旋转夹具包括第一旋转夹具和第二旋转夹具，所述第一旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端固定连接，所述第二旋转夹具上设有用于穿过工件的内孔的穿夹部，该穿夹部通过螺纹连接结构与第一旋转夹具连接。通过上述结构，可以将工件装夹在第一旋转夹具和第二旋转夹具之间，由第一旋转夹具和第二旋转夹具带动工件进行同步旋转。

本发明的一个优选方案，其中，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机，该旋转驱动电机通过联轴器与同轴旋转夹具连接。

本发明的一个优选方案，其中，还包括用于喷射研磨液的喷射机构，该喷射机构包括高压喷头、输送管道和储放容器，所述高压喷头设置在超声加工座的上方，该高压喷头正对着工件的待加工的表面。

优选地，所述研磨液的组分及质量配比为：20％极压添加剂、5％防腐剂、15％渗透剂、5％PH调节剂、5％表面活性剂、5％PH缓冲剂、5％软化剂、40％水。通过上述结构，在工件的表面附上研磨液，避免工件直接暴露在空气中，防止工件的表面发生氧化、被粉尘污染影响加工质量这样的现象。

一种高效超声波强化研磨方法，包括以下步骤：

往超声加工座的高效加工腔中加入研磨料，研磨料承放在超声工具头的顶部；

将待加工的工件装夹在同轴旋转夹具上，使工件的待加工的表面正对着超声加工座的高效加工腔；其中，所述高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°；

启动旋转驱动机构，同轴旋转夹具带动工件进行旋转；

启动超声波换能器，超声波换能器将电能转换为超声波，再由超声工具头将超声波转换成高频的振动，驱动研磨料高速往上移动，研磨料撞击在旋转的工件上，在工件的表面产生残余压应力，生成强化研磨层。

本发明的一个优选方案，其中，在启动超声波换能器之前，打开高压喷头，通过输送管道将研磨液喷在工件的待加工的表面上。

本发明的一个优选方案，其中，所述研磨料包括钢珠和研磨粉；所述钢珠的直径为3mm；所述研磨粉选用80目的白刚玉。选用上述钢珠，既能保证冲击力度、加工质量，撞击工件表面后又可以保证工件表面粗糙度情况良好。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明中的高效超声波强化研磨设备通过将超声加工座的高效加工腔的内侧壁与竖直方向的夹角的范围设置为25°-35°，扩大了研磨料(钢珠)的撞击角度，增加高撞击次数和撞击平均速度，从而有效提高强化研磨的加工效率和加工效果。

附图说明

图1为本发明中的高效超声波强化研磨设备的侧视图。

图2为本发明中的高效超声波强化研磨设备的立体结构示意图。

图3为本发明中的超声加工座的剖视图。

图4为0s时钢珠在0°、25°、30°的高效加工腔中的运动状态。

图5-9为0.3s时钢珠分别在0°、25°、30°、35°、45°的高效加工腔中的运动状态。

图10-14为0.3s时钢珠分别在0°、25°、30°、35°、45°的高效加工腔中的运动仿真结果。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-2，本实施例中的高效超声波强化研磨设备，包括用于对工件进行旋转装夹的旋转装夹机构、用于将研磨料高速撞击在工件的表面的超声加工机构和用于喷射研磨液的喷射机构(图中未显示)。

所述旋转装夹机构包括同轴旋转夹具和用于驱动同轴旋转夹具组件进行旋转的旋转驱动机构，所述同轴旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端连接；所述同轴旋转夹具包括第一旋转夹具1和第二旋转夹具2，所述第一旋转夹具1与旋转驱动机构的驱动端固定连接，所述第二旋转夹具2上设有用于穿过工件的内孔的穿夹部，该穿夹部通过螺纹连接结构与第一旋转夹具1连接。通过上述结构，可以将工件装夹在第一旋转夹具1和第二旋转夹具2之间，由第一旋转夹具1和第二旋转夹具2带动工件进行同步旋转。

所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机7，该旋转驱动电机7通过联轴器与同轴旋转夹具连接。

参见图2-3，所述超声加工机构包括超声加工座3、超声波换能器4、变幅杆5和超声工具头6，所述超声加工座3上设有竖向贯穿的高效加工腔，该高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°；所述超声工具头6的一端通过变幅杆5与超声波换能器4连接，另一端延伸至高效加工腔的底部；在工作状态下，研磨料承放在超声工具头6延伸至高效加工腔的底部的端面上，工件的待加工的表面放置在高效加工腔的顶部。

具体地，所述喷射机构包括高压喷头、输送管道和储放容器，所述高压喷头设置在超声加工座3的上方，该高压喷头正对着工件的待加工的表面。

进一步，所述研磨液的组分及质量配比为：20％极压添加剂、5％防腐剂、15％渗透剂、5％PH调节剂、5％表面活性剂、5％PH缓冲剂、5％软化剂、40％水。通过上述结构，在工件的表面附上研磨液，避免工件直接暴露在空气中，防止工件的表面发生氧化、被粉尘污染影响加工质量这样的现象。

参见图1-3，本实施例中的高效超声波强化研磨方法，包括以下步骤：

往超声加工座3的高效加工腔中加入研磨料，研磨料承放在超声工具头6的顶部；所述研磨料包括钢珠和研磨粉；所述钢珠的直径为3mm；所述研磨粉选用80目的白刚玉。

将待加工的工件装夹在同轴旋转夹具上，使工件的待加工的表面正对着超声加工座3的高效加工腔；其中，所述高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°。

启动旋转驱动机构，同轴旋转夹具带动工件进行旋转。

打开高压喷头，通过输送管道将研磨液喷在工件的待加工的表面上。

启动超声波换能器4，超声波换能器4将电能转换为超声波，再由超声工具头6将超声波转换成高频的振动，驱动研磨料高速往上移动，研磨料撞击在旋转的工件上，在工件的表面产生残余压应力，生成强化研磨层。

参见图1-3，本实施例中的高效超声波强化研磨设备的工作原理为：

工作时，先将待加工的工件(轴承内圈)装夹在同轴旋转夹具上，此时工件位于超声加工座3之上，待加工的表面正对着高效加工腔；启动超声波换能器4和旋转驱动机构，开始对工件进行强化加工。其中，超声波换能器4发出超声波，由超声工具头6将其转换成高频的振动，由于研磨料(钢珠、研磨粉)放置高效加工腔中，并承放在超声工具头6的端面上，所以高频的振动直接赋予研磨料巨大的冲击力，使得研磨料可以高速地往上撞击工件的滚道，从而在滚道产生残余压应力。进一步，研磨料往上撞击工件后，反弹落下去，研磨料再次被振动而往上移动，从而再次对工件进行撞击挤压，以此循环，直至强化加工完成。

在研磨料冲击的同时，旋转驱动机构驱动同轴旋转夹具进行转动，使得工件的滚道匀速地从研磨料收集盒的上开口转过，这样研磨料可以依次沿着工件的滚道进行撞击，从而确保整个滚道均匀地附上强化层。

具体地，本发明的高效加工腔采用凹槽型回转体结构，为倒喇叭扩散型腔体。采用这种结构相比于已有的结构，可以使得钢球撞击工件的碰撞角度更加宽泛随机。另外，在钢珠撞击工件反弹自身能量耗散后，钢珠依靠重力也可以重新回超声工具头6表面，可以重新获得能量进行加工，具有碰撞角度宽泛随机、碰撞次数多、碰撞平均速度大，显著提高加工性能、加工效率的优点。

由于设备以超声波为动力，超声工具头6高频振动，高效加工腔中钢珠的运动速度太快且空间狭小，钢珠碰撞工件的次数、碰撞速度、碰撞工件的角度难以观察和测量，所以采用数值模拟仿真的方法对腔体进行对比和优化。

高效加工腔的底部直径由超声工具头6决定。将高效加工腔的壁面与竖直方向的夹角定义为倾斜角θ，可以看出，当θ为0°时为现有技术中的直筒型腔体，随着θ的增大倒喇叭型腔体的开口越大。当θ超过45°时，倒喇叭型腔体顶部的开口就会很大，开口太大时就会将夹具也包括在高效加工腔的开口范围内，但是夹具并不需要加工而且会造成加工效率低下，所以θ大于45°的情况明显不符合实际需求，因此预选角度0°至45°之间。

选用EDEM作为建模仿真的平台进行研磨料动力学仿真。在EDEM仿真软件中建立三维模型，利用离散元方法求解出超声强化研磨加工过程中研磨料颗粒在高效加工腔中的运动位置和运动状态，将颗粒的接触碰撞信息提取导出，完成超声强化研磨加工的动态冲击过程的仿真计算，并对加研磨料颗粒分布结果提取并进行分析。

建立高效加工腔模型，建模完成后在超声工具头6的面上进行添加颗粒。颗粒通过颗粒工厂进行添加，在平行且位于超声工具头6输出面上方，添加一个与超声工具头6输出面相同大小的圆形平面，类型为Virtual，而后在所建的平面上添加颗粒工厂，设定生成颗粒数固定为40颗，生成速率40000颗每秒，在0.001s的时间内生成完毕，超声强化研磨加工中驱动为超声工具头6的超声机械振动，在超声工具头6上设定振幅为80μm，频率为20KHz声机械振动。设置完成后开始运算，分别模拟倾斜角度为0°、25°、30°、35°和45°的高效加工腔中钢珠的运动情况，如图4-9。

研磨料颗粒初始平铺在超声工具头6表面，超声振动开始施加后，颗粒起振，碰撞到顶部工件后反弹散射开。对于倾斜角为0°的高效加工腔，研磨颗粒回落后存在一定概率掉落到腔体底部非超声工具头6区域，在该区域内研磨料颗粒无法重新获取能量而重新参与到加工中，这将不利于研磨料颗粒的对顶部轴承工件的冲击作用。对于倒喇叭型腔体，颗粒与壁面碰撞后自身能量耗散后，颗粒依靠重力或碰撞反弹力可以重新回到超声工具头6表面，以重新获得能量输入。

多次碰撞后接近稳定运动状态后，在EDEM中将研磨料颗粒的运动仿真结果输出，输出内容为颗粒的位置矢量和速度矢量。整个仿真时间为0.3秒，将颗粒碰撞工件时速度矢量与碰撞点且平面的夹角定义为碰撞角度，具体结果输出为：

参见图10，为倾斜角为0°时高效加工腔内研磨料里的运动情况，该型腔体在仿真周期内检测到的颗粒与顶部工件碰撞次数为106次，最大碰撞速度为20.1m/s，腔体中颗粒碰撞角度在50°-65°区间内呈现集中分布趋势，该区域占比达56.88％，碰撞角度在其他区域分布较为零散。

参见图11，为倾斜角为25°时高效加工腔内研磨料里的运动情况，该型腔体在仿真周期内检测到的颗粒与顶部工件碰撞次数为216次，最大碰撞速度为22.6m/s，腔体中颗粒碰撞角度主要分布在55°-70°区间，该区域占比达50％，在图中可以看到曲线较为顺滑，没有太大波动，总体来说碰撞角度在其他区间的分布也较为平均，随机性良好。

参见图12，为倾斜角为35°时高效加工腔内研磨料里的运动情况，该型腔体在仿真周期内检测到的颗粒与顶部工件碰撞次数为223次，最大碰撞速度为21.7m/s，腔体中颗粒碰撞角度在50°-75°区间的分布较多，占比达71.74％，曲线走势平滑，在各个角度的分布很均匀，随机性良好。

参见图13，为倾斜角为30°时高效加工腔内研磨料的运动情况，该型腔体在仿真周期内检测到的颗粒与顶部工件碰撞次数为229次，最大速度为22.1m/s，且同样具有较广的碰撞角度分布区间，碰撞角度分布较均匀，具有宽泛的随机性。

参见图14，为倾斜角为45°时高效加工腔内研磨料的运动情况，该型腔体在仿真周期内检测到的颗粒与顶部工件碰撞次数为163次，最大碰撞速度为19.5m/s腔体中研磨料颗粒的碰撞角度多集中在50°～65°之间，占比为65.6％，碰撞角度在其他区域分布也是较为零散。

由上述结果可以看出，当高效加工腔的倾斜角度变小时，钢珠的撞击速度就会变大一点，撞击角度的分布范围就会变小一点；当高效加工腔的倾斜角度越大时，钢珠的撞击速度就会速度变小一点，撞击角度的分布范围就会变大一点。

钢珠撞击速度大意味这撞击力度大，而撞击角度分布范围广、随机性好则意味着撞击时对工件表面的切向分力越大，更有利于产生强化研磨工艺的微切削效果，从而使工件表面得到抗磨延寿的微织构层。这两个参数此消彼长，为互补关系。

结合仿真结果，在仿真周期为0.3s时间内，倾斜角度为25°、30°、35°时，钢珠撞击工件的次数分别为216、229、223，次数最多的229和最少的216相差6％；钢珠撞击工件的最大速度分别为22.6m/s、22.1m/s、21.7m/s，最大速度22.6m/s和最小速度21.7m/s相差3％。

在此范围时内撞击次数和最大撞击速度的差别都不大，考虑到撞击速度和撞击角度的互补关系，可以发现高效加工腔的倾斜角度在25°-35°之间时，都具有良好且相似的加工效果。倾斜角度在此区间时，与先有技术中直筒型高效加工腔相比，相同时间内平均碰撞次数提高了110％，最大撞击速度提高了10.1％，碰撞角度宽泛随机。

进一步的，前面指出，超声强化研磨设备所用的超声工具头6直径为25mm，所以高效加工腔的倾斜角度在25°-35°之间变化时，腔体的结构变化已不甚明显，所以本实施例中将超声强化研磨设备所用高效加工腔的倾斜角度范围定为25°-35°。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效超声波强化研磨设备，包括用于对工件进行旋转装夹的旋转装夹机构和用于将研磨料高速撞击在工件的表面的超声加工机构；其特征在于，

所述旋转装夹机构包括同轴旋转夹具和用于驱动同轴旋转夹具组件进行旋转的旋转驱动机构，所述同轴旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端连接；

所述超声加工机构包括超声加工座、超声波换能器和超声工具头，所述超声加工座上设有竖向贯穿的高效加工腔，该高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°；所述超声工具头的一端与超声波换能器连接，另一端延伸至高效加工腔的底部；在工作状态下，研磨料承放在超声工具头延伸至高效加工腔的底部的端面上，工件的待加工的表面放置在高效加工腔的顶部。

2.根据权利要求1所述的高效超声波强化研磨设备，其特征在于，所述同轴旋转夹具包括第一旋转夹具和第二旋转夹具，所述第一旋转夹具与旋转驱动机构的驱动端固定连接，所述第二旋转夹具上设有用于穿过工件的内孔的穿夹部，该穿夹部通过螺纹连接结构与第一旋转夹具连接。

3.根据权利要求1所述的高效超声波强化研磨设备，其特征在于，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机，该旋转驱动电机通过联轴器与同轴旋转夹具连接。

4.根据权利要求1所述的高效超声波强化研磨设备，其特征在于，还包括用于喷射研磨液的喷射机构，该喷射机构包括高压喷头、输送管道和储放容器，所述高压喷头设置在超声加工座的上方，该高压喷头正对着工件的待加工的表面。

5.根据权利要求4所述的高效超声波强化研磨设备，其特征在于，所述研磨液的组分及质量配比为：20％极压添加剂、5％防腐剂、15％渗透剂、5％PH调节剂、5％表面活性剂、5％PH缓冲剂、5％软化剂、40％水。

6.一种高效超声波强化研磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

往超声加工座的高效加工腔中加入研磨料，研磨料承放在超声工具头的顶部；

将待加工的工件装夹在同轴旋转夹具上，使工件的待加工的表面正对着超声加工座的高效加工腔；其中，所述高效加工腔的内侧壁自下而上往外倾斜，该内侧壁与竖直方向的夹角的范围为25°-35°；

启动旋转驱动机构，同轴旋转夹具带动工件进行旋转；

启动超声波换能器，超声波换能器将电能转换为超声波，再由超声工具头将超声波转换成高频的振动，驱动研磨料高速往上移动，研磨料撞击在旋转的工件上，在工件的表面产生残余压应力，生成强化研磨层。

7.根据权利要求6所述的高效超声波强化研磨方法，其特征在于，在启动超声波换能器之前，打开高压喷头，通过输送管道将研磨液喷在工件的待加工的表面上。

8.根据权利要求6所述的高效超声波强化研磨方法，其特征在于，所述研磨料包括钢珠和研磨粉；所述钢珠的直径为3mm；所述研磨粉选用80目的白刚玉。

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