CN114952444A - 一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声强化研磨加工技术领域，尤其是涉及一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置及方法。用于超声强化研磨加工设备的冷却装置包括储水箱、冷却箱、集水池和循环泵；所述储水箱的出口与集水池的进口连通，所述集水池的出口与冷却箱的进口连通，冷却箱的出口与储水箱的进口连通；所述循环泵设置在由储水箱、冷却箱和集水池形成的循环系统上；所述集水箱内设置有超声强化研磨机构。该装置使超声强化研磨加工设备具有降温功能，提高了加工效率和使用的便捷性，也提高了该加工设备的可靠性，在一定程度上降低了使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及超声强化研磨加工技术领域，尤其是涉及一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置及方法。
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，现有技术中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，现有的超声强化研磨加工设备因高温影响而导致其在使用过程中不能连续对轴承进行加工，导致加工过程费时费力，影响了超声强化研磨加工的效率和便捷性，同时还影响了加工的可靠性，增加了加工过程的使用成本。
发明内容
本发明的第一目的在于提供了一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，该冷却装置能够解决现有技术中存在的因高温导致的加工效率低的问题；
本发明的第二目的在于提供一种用于超声强化研磨加工设备的冷却方法，该方法采用如以上所述的冷却装置对超声强化研磨加工设备的冷却。
本发明提供一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其包括储水箱、冷却箱、集水池和循环泵；
所述储水箱的出口与集水池的进口连通，所述集水池的出口与冷却箱的进口连通，冷却箱的出口与储水箱的进口连通；
所述循环泵设置在由储水箱、冷却箱和集水池形成的循环系统上；
所述集水箱内设置有超声强化研磨机构。
优选的，所述储水箱和集水池之间通过进水管连通，所述集水箱和冷却箱之间通过出水管连通。
优选的，所述进水管与集水箱的连接处，以及出水管与集水箱的连接处均设置有单向阀。
优选的，所述循环泵包括第一水泵和第二水泵；
所述进水管上设置有第一水泵，所述出水管上设置有第二水泵。
优选的，所述集水箱内设置有隔板，所述隔板将集水池分割成上下两部分。
优选的，所述集水箱内设置有温度传感器。
优选的，所述超声强化研磨机构包括驱动电机、旋转夹具、超声加工座、超声工具头、变幅杆、连接块和声波换能器；
所述旋转夹具和驱动电机的驱动端固定连接；
所述旋转夹具和超声加工座位于同一轴心，所述超声加工座8下表面与超声工具头固定连接；
所述超声工具头下端和变幅杆上端固定连接，所述变幅杆下端与连接块固定连接，所述声波换能器上端与集水池下表面固定连接；
所述隔板通过圆孔套设在变幅杆顶部，所述连接块上表面固定连接有温度传感器。
优选的，所述储水箱底部设置由固定架。
优选的，所述固定架上表面设置有固定板，固定板与储水箱连接。
一种用于超声强化研磨加工设备的冷却方法，该方法采用如以上所述的冷却装置对超声强化研磨加工设备进行冷却，其包括以下步骤：
强化研磨设备在正常工作时由于震动产生的热量，经过计算该热量是呈线性向外界释放，设定时间内该设备所释放的热量基本不变，该热量可以表示为Q1＝c1m1ΔT；
其中，c1表示超声工具头所用材料的比热容，m1表示超声工具头的质量，ΔT表示超声工具头的温度差；
该时段水泵处于正常工作，处于进水管和出水管的温度传感器分别记录该时段的水温T1、T2，此时由水带走的热量可以表示为
Q2＝c2m2(T2-T1)；
其中，c2表示水的比热容，m2表示集水池中水的质量，T1表示进水管中水的温度，T2表示出水管中水的温度；
根据上述方法需保证在正常工作时水循环吸收的热量大于强化研磨设备产生的热量，即Q2＞Q1，整合上述公式可以表示为
基于上述公式，通过监控出水管的水温来控制出水管单向阀的闭合，此时进水管持续向集水池蓄水，当集水池水位达到指定水位时，出水口单向阀打开，水泵开始工作，进一步将集水池中的抽出，传感器进一步处理接收的数据，循环往复，实现超声强化研磨加工设备的自动冷却。
有益效果：
当超声强化研磨加工设备工作时，当加工温度较高时，通过循环泵进行冷却水循环，降低加工温度。该装置使超声强化研磨加工设备具有降温功能，提高了加工效率和使用的便捷性，也提高了该加工设备的可靠性，在一定程度上降低了使用成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式提供的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置的立体结构示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置剖视图；
图3为本发明具体实施方式提供的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置主视图；
图4为本发明具体实施方式提供的超声强化研磨机构的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式提供的隔板与变幅杆配合的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式提供的用于超声强化研磨加工设备的冷却方法流程示意图。
附图标记说明：
1：固定架；2.：固定板；3：储水箱；4：第一水泵；5：进水管；6：单向阀；7：集水池；8：超声加工座；9：旋转夹具；10：驱动电机；11：声波换能器；12：出水管；13.：第二水泵；14：冷却箱；15：超声工具头；16：变幅杆；17：连接块；18：橡胶环；19：隔板；20：温度传感器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，本实施方式提供了一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其包括储水箱3、冷却箱14、集水池7和循环泵。
储水箱3的出口与集水池7的进口连通，集水池7的出口与冷却箱14的进口连通，冷却箱14的出口与储水箱3的进口连通。
循环泵设置在由储水箱3、冷却箱14和集水池7形成的循环系统上。
集水箱3内设置有超声强化研磨机构。
当超声强化研磨加工设备工作时，当加工温度较高时，通过循环泵进行冷却水循环，降低加工温度。该装置使超声强化研磨加工设备具有降温功能，提高了加工效率和使用的便捷性，也提高了该加工设备的可靠性，在一定程度上降低了使用成本。
用于超声强化研磨加工设备的冷却装置具体结构为：
用于超声强化研磨加工设备的冷却装置包括储水箱3、冷却箱14和集水池7。
储水箱3底部设置固定架1，且固定架1上表面的固定板2与储水箱3相接。
储水箱3顶部固定连接有第一水泵4，第一水泵4与进水管5通过圆形通孔固定连接。
进水管5通过单向阀6和集水池7底部固定连接。
集水池7包括超声强化研磨机构、隔板19、温度传感器20。超声强化研磨机构包括驱动电机10、旋转夹具9、超声加工座8、超声工具头15、变幅杆16、连接块17、橡胶环18和声波换能器11。
旋转夹具9和驱动电机10的驱动端固定连接，旋转夹具9和超声加工座8位于同一轴心，超声加工座8下表面与超声工具头15固定连接，超声工具头15下端和变幅杆16上端固定连接，变幅杆16下端与连接块17固定连接，声波换能器11上端与集水池7下表面固定连接，且声波换能器11和集水池7之间设置有橡胶环18，隔板19通过圆孔置于变幅杆16顶部，连接块17上表面固定连接有温度传感器20。
储水箱3底部设置有固定块，出水管12通过圆形通孔与单向阀6固定连接，第二水泵13通过圆形通孔和出水管12固定连接，冷却箱14与集水池7表面固定连接。
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。
强化研磨设备在工作的过程会产生一定的热量，从而导致其在使用过程中不能连续对轴承进行加工，该种用于超声强化研磨加工设备的冷却方法主要通过水循环带走加工过程中产生的热量，保证其在正常工作时水循环吸收的热量大于强化研磨设备产生的热量，以保证该设备的正常运行。
如图6所示，一种用于超声强化研磨加工设备的冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
强化研磨设备在正常工作时由于震动产生的热量，经过计算该热量是呈线性向外界释放，设定时间内该设备所释放的热量基本不变，该热量可以表示为Q1＝c1m1ΔT；
其中，c1表示超声工具头所用材料的比热容，m1表示超声工具头的质量，ΔT表示超声工具头的温度差；
该时段水泵处于正常工作，处于进水管和出水管的温度传感器分别记录该时段的水温T1、T2，此时由水带走的热量可以表示为Q2＝c2m2(T2-T1)；
其中，c2表示水的比热容，m2表示集水池中水的质量，T1表示进水管中水的温度，T2表示出水管中水的温度；
根据上述方法需保证在正常工作时水循环吸收的热量大于强化研磨设备产生的热量，即Q2＞Q1，整合上述公式可以表示为
基于上述公式，通过监控出水管的水温来控制出水管单向阀的闭合，此时进水管持续向集水池蓄水，当集水池水位达到指定水位时，出水口单向阀打开，水泵开始工作，进一步将集水池中的抽出，传感器进一步处理接收的数据，循环往复，实现超声强化研磨加工设备的自动冷却。
综上所述，本申请与现有技术相比，本发明提供了用于超声强化研磨加工设备的冷却装置及方法，具备以下有益效果：
1.该用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，通过设置有储水箱、冷却箱和集水池，当超声强化研磨加工设备工作时，当温度传感器检测到加工温度较高时，此时与进水管相连的水泵启动，水泵把水箱内冷却水输送到进水管内，之后进水管内冷却水通过单向阀进入集水池，隔板用于隔绝加工过程中产生的废渣，避免堵塞循环水管，冷却水对超声夹具头进行快速降温，避免对加工设备造成破坏，当温度传感器检测到加工温度较高时，此时与出水管相连的水泵打开，之后携带热量的冷却水通过单向阀、出水管进入冷却箱，冷却箱内部设置有冷却道，能够在一定程度阻碍带有温度的冷却水流动，且在冷却箱内设置多层冷却道，通过空气的流动从而带走冷却水的热量，之后降温后的冷却水再通过水管进入储水箱中，使冷却水循环使用。
该装置使超声强化研磨加工设备具有降温功能，提高了加工效率和使用的便捷性，也提高了该加工设备的可靠性，在一定程度上降低了使用成本。
2.该用于超声强化研磨加工设备的水冷装置，通过设置橡胶环、单向阀和固定板，橡胶环能够有效地减小超声强化研磨机构和集水池之间的震动，确保装置连接的稳定，单向阀能够有效控制冷却水的流动方向，加快冷却水的循环，固定板用于固定储水箱与固定架，能够防止装置移动，确保了一定的安全性。
3.该用于超声强化研磨加工设备的冷却方法，通过计算超声工具头在一定时间内释放的热量Q1＝c1m1ΔT，来通过水循环的方式计算出冷却水所带走的热量Q2＝c2m2(T2-T1)，以保证Q2＞Q1，即
进而保证超声强化研磨加工设备处于低温状态下工作，能够保证加工设备的可靠性。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明使超声强化研磨加工设备具有降温功能，提高了加工过程的稳定性和安全性，在一定程度上提高了加工效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，包括储水箱、冷却箱、集水池和循环泵；
所述储水箱的出口与集水池的进口连通，所述集水池的出口与冷却箱的进口连通，冷却箱的出口与储水箱的进口连通；
所述循环泵设置在由储水箱、冷却箱和集水池形成的循环系统上；
所述集水箱内设置有超声强化研磨机构。
2.根据权利要求1所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述储水箱和集水池之间通过进水管连通，所述集水箱和冷却箱之间通过出水管连通。
3.根据权利要求2所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述进水管与集水箱的连接处，以及出水管与集水箱的连接处均设置有单向阀。
4.根据权利要求2所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述循环泵包括第一水泵和第二水泵；
所述进水管上设置有第一水泵，所述出水管上设置有第二水泵。
5.根据权利要求1所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述集水箱内设置有隔板，所述隔板将集水池分割成上下两部分。
6.根据权利要求5所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述集水箱内设置有温度传感器。
7.根据权利要求6所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述超声强化研磨机构包括驱动电机、旋转夹具、超声加工座、超声工具头、变幅杆、连接块和声波换能器；
所述旋转夹具和驱动电机的驱动端固定连接；
所述旋转夹具和超声加工座位于同一轴心，所述超声加工座8下表面与超声工具头固定连接；
所述超声工具头下端和变幅杆上端固定连接，所述变幅杆下端与连接块固定连接，所述声波换能器上端与集水池下表面固定连接；
所述隔板通过圆孔套设在变幅杆顶部，所述连接块上表面固定连接有温度传感器。
8.根据权利要求1所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述储水箱底部设置由固定架。
9.根据权利要求8所述的用于超声强化研磨加工设备的冷却装置，其特征在于，所述固定架上表面设置有固定板，固定板与储水箱连接。
10.一种用于超声强化研磨加工设备的冷却方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-9任意一项所述的冷却装置对超声强化研磨加工设备进行冷却，其包括以下步骤：
强化研磨设备在正常工作时由于震动产生的热量，经过计算该热量是呈线性向外界释放，设定时间内该设备所释放的热量基本不变，该热量可以表示为Q1＝c1m1ΔT；
其中，c1表示超声工具头所用材料的比热容，m1表示超声工具头的质量，ΔT表示超声工具头的温度差；
该时段水泵处于正常工作，处于进水管和出水管的温度传感器分别记录该时段的水温T1、T2，此时由水带走的热量可以表示为Q2＝c2m2(T2-T1)；
其中，c2表示水的比热容，m2表示集水池中水的质量，T1表示进水管中水的温度，T2表示出水管中水的温度；
根据上述方法需保证在正常工作时水循环吸收的热量大于强化研磨设备产生的热量，即Q2＞Q1，整合上述公式可以表示为
基于上述公式，通过监控出水管的水温来控制出水管单向阀的闭合，此时进水管持续向集水池蓄水，当集水池水位达到指定水位时，出水口单向阀打开，水泵开始工作，进一步将集水池中的抽出，传感器进一步处理接收的数据，循环往复，实现超声强化研磨加工设备的自动冷却。
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