CN116038236A - 一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置及其方法，包括超声振动装置和滚压头调节装置，超声振动装置包括通过双头螺柱连接的换能器和纵弯振动变幅杆，用于给滚压头提供高频超声振动；滚压头调节装置主要由液压缸、滚压头底座、支撑心轴、滚压头组成。滚压头调节装置中的液压缸与变幅杆通过螺栓进行连接，滚压头底座通过环形压簧固定在液压缸体上，滚压头通过心轴固定在滚压头底座。本发明主要利用超声与液压控制的协同作用对轴承套圈内滚道滚压加工，解决了滚压加工过程中滚压力不易控制、滚压孔径单一以及滚压表面形成的残余应力层分布不均匀等问题，为轴承套圈内滚道表面提供了一种加工表面精度高、表面强化效果好的超声振动辅助滚压装置。

Description

一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置及其方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及超声振动辅助内孔表面滚压的装置及其方法。

背景技术

超声辅助滚压加工作为一种有效的光整强化工艺，在提高工件表面加工质量，增强加工表面的抗疲劳性能方面得到了广泛运用，近年来一些学者在超声滚压强化方面做了一定的工作，并取得了良好的效果。

大连交通大学高心寰等在“GCr15SiMn轴承座圈超声滚压表面抗接触疲劳性能分析”一文中探究了超声滚压对GCr15SiMn轴承座圈表面抗滚动接触疲劳性能的影响，并对超声辅助滚压前后的表面形貌、表面组织进行了对比分析。结果表明超声滚压后的轴承座圈接触疲劳寿命得到了显著提高，比未经超声滚压轴承座圈接触疲劳寿命提高了约3倍，此外超声滚压后表面粗糙度得到了大幅度的降低，表面硬度得到了明显提高。

河南科技大学王晓强等公开号为CN113403596A的发明专利公开了一种基于磁控溅射与超声滚压复合强化轴承套圈表面的方法，该方法先制备打底层，接着利用磁控溅射技术溅射所需的主体涂层，最后用超声波滚压技术进行轴承套圈表面强化，从而制得单层涂层，多次重复涂层和超声滚压则可得到多层涂层。经超声滚压后使得薄膜涂层与基体之间的结合强度有效提高，改善了磁控溅射后涂层结合力弱的缺点，并且涂层的均匀性和致密性显著增强，提高了轴承套圈的摩擦磨损性能。

武汉理工大学尹飞等在公开号为CN114074245A的发明专利中，公开了一种轴承滚圈表面的超声深滚装置，包括工件夹具、超声深滚加工工具、加工工具夹持台、旋转驱动装置和轴向驱动装置。在旋转驱动装置驱动轴承滚圈绕自身轴线旋转的同时，轴向驱动装置驱动超声深滚工具头沿着轴承滚圈外表面的轴向做往复运动，对轴承滚圈外表面进行超声冲击，实现表面均匀强化。

燕山大学张洪旺等在公开号为CN113736967A的发明专利中，公开了一种内孔表面超声滚压工艺，通过机械臂对滚压头施加滚压力，滚压头在孔内部进行横向移动，实现孔内壁的超声滚压加工。

虽然超声滚压工艺在机械加工领域得到了一定的运用，但主要是针对平面、外圆柱面的滚压加工。由于孔内的滚压力难以控制，导致强化均匀性差，此外滚压的孔径也比较单一，因此对内孔表面的滚压强化工艺研究较少，尤其是轴承套圈内滚道的表面滚压强化工艺研究存在空白，亟需开发一套适用于轴承套圈内滚道表面的超声滚压强化装置。在大多数传动结构中，轴承是不可缺少的重要组成部分，轴承套圈尤其是内套圈内滚道是支撑轴的重要加工面，同时在工作过程中受到交变应力的循环作用，容易发生疲劳破坏，因此提出一种针对轴承套圈内滚道面的滚压加工装置，在提高加工表面抗疲劳性能、表面质量以及加工效率等方面具有重要意义。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种超声振动辅助内孔表面滚压的方法及其装置，不仅解决了现有加工方法效率低的问题，还可以有效提高表面性能，改善表面强化的均匀性，进一步提高内滚道表面的加工精度和抗疲劳性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，包括：超声振动装置和滚压头调节装置，其中，超声振动装置包括相互连接的换能器和变幅杆，换能器连接至超声电源；滚压头调节装置连接在振动变幅杆的尾端；滚压头对称布置在滚压头调节装置的两侧，且沿径向方向伸出，该伸出长度可根据加工工件孔径的大小调节， 使滚压头与加工工件内表面接触，并调节工件表面施加的滚压力。

所述的滚压头调节装置包括：液压缸（5）、滚压头底座（8）、支撑心轴（10）、滚压头（12），滚压头底座通过环形压簧水平向对称固定在液压缸体上，滚压头采用支撑心轴（10）进行支撑并通过螺帽固定在滚压头底座（16）上，变幅杆的底端与液压缸体连接；所述的液压缸体为圆柱式缸体，用于对等直径内圆柱表面加工，或者采用圆台式缸体，用于对锥形圆柱内表面加工。

所述的变幅杆为纵弯超声振动变幅杆，包括圆柱段和圆台段，其中圆柱段和圆台底部的直径相同，圆台段底端开有螺纹孔，用于与液压缸体的连接，液压缸体顶端开有与螺纹孔相对应的光孔，两者通过螺纹孔、光孔，借助螺栓固定。

在液压缸与变幅杆之间，在螺帽与滚压头底座、支撑心轴与滚压头底座之间均安装有密封垫片；所述的支撑心轴是中间粗、两端细并且两端带有螺纹的轴。

所述的液压缸体两侧开有对称的凹槽，凹槽底部开有均匀分布的沉头孔，滚压头调节装置的滚压头底座通过环形压簧固定在液压缸体上并与T型柱销（14）相接触， T型柱销与沉头孔之间密封；沉头孔贯穿滚压头底座（8），T型柱销的自由端伸入液压缸内，其在液压缸内液压的作用下可以伸出或者缩短，带动滚压头（12）沿径向方向运动，进而满足不同孔径工件的滚压加工。

滚压头底座在液压缸内油压的作用下可以沿缸体径向向外移动，从而带动滚压头底座端部的滚压头向外移动，在控制油压和超声振幅的情况下实现滚压力大小的实时控制，同时滚压头底座在缸体凹槽能在一定范围进行径向移动，因此可以实现一定范围内不同直径轴承内圈滚道表面的滚压。一方面，在纵弯超声高频振动的作用下，将导致工件表面的残余压应力层进一步增加，表面层晶粒进一步细化，表面抗疲劳性能得到提高，同时表面粗糙度也会显著降低。另一方面，工作过程中圆柱滚子会绕自身轴线进行旋转，可以有效降低滚压头磨损，保证了加工精度，同时滚压头采取对称布置，可以提高加工效率，保持工作时的稳定性，在滚压加工薄壁内孔时还可以起到支撑作用，防止工件变形。

基于上述超声振动辅助内孔表面滚压的装置的超声振动辅助内孔表面滚压的方法，步骤如下：

（1）将工件（23）通过夹具固定在车床上，工件要加工的作用面为内圆柱表面或者锥形孔内表面圆柱；

（2）超声振动装置利用法兰盘通过螺栓连接固定在支撑架上，支撑架固定在机床工作台上，调整支撑架高度，进而调整工件的中心线与变幅杆所在的中心线重合；

（3）将滚压头伸进工件加工孔的内部；

（4）启动油泵，通过进油口向液压缸内部注入液压油，通过油压调节滚压头沿径向方向的伸出长度，使得滚压头与轴承套圈内表面接触并产生预压力，通过观察油表数值判断预压力是否达到预订值；

（5）当静压力达到预定值后，启动机床，让工件开始旋转，同时开启超声电源，超声电源发出超声频电流信号传递给换能器，换能器利用压电陶瓷的逆压电效应发出高频机械振动，变幅杆将换能器产生的机械振动进一步放大后，传递到滚压头，使之产生高频轴向和径向振动，滚压头振动的同时随工作台沿工件轴向做进给运动，轴向振动利于降低表面粗糙度，径向振动利于提高加工表面塑性变形层，同时起到提高表面光洁度和疲劳性能的效果；

（6）加工完成后，关闭超声电源，通过出油口卸掉油压，撤出滚压头，将工具头移出，停止机床。

有益效果

（1）滚压头底座在油压的作用下可以沿缸体径向向外移动，从而带动滚压头向外移动，进而实现滚压力大小的实时控制，同时滚压头底座能在液压缸体凹槽能在一定范围进行径向移动，因此可以实现不同直径内孔表面的滚压。

（2）在超声高频振动的作用下，将导致工件表面的残余压应力层进一步增加，表面层晶粒将进一步细化，表面抗疲劳性能得到进一步提高，同时表面加工精度得到提高。

（3）滚压头采用中间粗、两端细，并且两端带螺纹的心轴进行支撑并通过螺帽固定在滚压头底座上，因此滚压头易于安装和更换，并且滚压头采取对称结构，滚压加工效率和精度都得到了提高，还有利于保持工作时的稳定性，在滚压加工薄壁内孔时还可以起到支撑的作用，防止工件变形。

（4）液压缸体为圆柱式缸体，用于对等直径内圆柱表面加工，或者采用圆台式缸体，用于对锥形圆柱内表面加工。

（5）本发明利用超声与液压控制的协同作用对工件内孔表面滚压加工，解决了滚压加工过程中滚压力不易控制、滚压孔径单一以及滚压表面形成的残余应力层分布不均匀等问题，为轴承套圈内滚道表面提供了一种加工表面精度高、表面强化效果好的超声振动辅助滚压装置。

附图说明

图1为超声振动辅助滚压装置的结构示意图；

图2为纵弯超声振动变幅杆的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为圆柱式液压缸体5结构示意图；

图5为图4的仰视图；

图6为滚压头底座8的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为圆台式液压缸体的结构示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为超声振动辅助滚压装置加工轴承套圈原理图；

图11为超声振动辅助滚压加工效果图。

附图主要标记的说明：1-换能器、2-纵弯超声振动变幅杆、3-法兰盘、4-环形密封垫、5-液压缸体、6-螺栓、7-进油口、8-滚压头底座、9-环形压簧、10-支撑心轴、11-螺帽、12-滚压头、13-垫片、14-T型柱销、15-O型密封圈、16-滚压头底座、17-出油口、18-螺纹孔、19-光孔、20-超声电源、21-支撑架、22-夹具、23-工件。

具体实施方式

下面结合附图对所发明的一种加工内孔表面的滚压装置进行进一步的说明，让相关人员能够更好地理解和使用它。

实施例1

如图1-9所示，一种超声振动辅助滚压轴承套圈内滚道的装置，主要包括超声振动装置和滚压头调节装置，其中，超声振动装置主要由换能器1、纵弯超声振动变幅杆2组成，变幅杆的底端与液压缸体通过螺栓6进行连接。

变幅杆为纵弯超声振动变幅杆，包括圆柱段和圆台段，其中圆柱段和圆台底部的直径相同。圆台段底端开有螺纹孔18，用于与液压缸体5的连接，液压缸体顶端开有与螺纹孔18相对应的光孔19，两者通过螺纹孔18、光孔19，借助螺栓固定。液压缸5与变幅杆2之间通过环形密封垫4进行密封。

滚压头调节装置主要由液压缸5、滚压头底座8、支撑心轴10、滚压头12组成，滚压头底座8通过环形压簧9水平向对称固定在液压缸体上，滚压头12采用支撑心轴10进行支撑并通过螺帽11固定在滚压头底座16上，同时分别在螺帽与底座、支撑心轴与底座之间装有垫片13。

液压缸体两侧开有对称的凹槽，凹槽底部开有均匀分布的沉头孔，滚压头调节装置的滚压头底座通过环形压簧固定在液压缸体上并与T型柱销14相接触，因此，滚压头在液压缸体两侧对称布置。T型柱销与沉头孔之间通过O型密封圈15进行密封。沉头孔贯穿滚压头底座8，T型柱销14的自由端伸入液压缸内，其在液压缸内液压的作用下可以伸出或者缩短，带动滚压头12在垂直于变幅杆的方向运动，进而满足不同孔径内表面的滚压加工。

超声振动系统的变幅杆采用纵弯超声振动变幅杆，纵弯超声振动变幅杆的设计可以通过两种方式实现：一是结合纵向振动和弯曲振动变幅杆的设计原理，通过纵向振动和弯曲振动方程得到纵弯复合超声振动方程，在边界条件的限定下得出纵弯变幅杆的具体结构、尺寸，然后通过相位和振幅的调节实现纵向振动和弯曲振动的复合；二是通过纵向和弯曲振动两种陶瓷的组合使用使换能器产生纵弯振动，从而实现纵弯超声振动的产生。相对于传统的单一振动变幅杆，采用纵弯振动变幅杆可以有效改善工件加工表面完整性，利用纵向振动在提高加工精度的同时还能通过弯曲振动进一步增加工件表面的残余压应力层，细化表层晶粒，极大的提高工件的抗疲劳性能。

滚压头12采用支撑心轴10进行支撑，心轴是中间粗、两端细并且两端带有螺纹的轴，支撑心轴通过螺帽固定在滚压头底座上。滚压头提供给工件加工内表面的滚压力是通过控制油压和超声振幅的大小来调整的，同时通过调整油压还可以控制滚压头伸出的长度，从而实现不同孔径工件（轴承套圈）的滚压加工，同样也适用于不同直径孔内圆柱表面的加工（等直径内孔表面的加工）。

将液压缸的形式由圆柱形缸体变换为圆台式缸体即可实现锥形内圆柱表面（锥形孔内表面）的加工，如图5所示。

上述一种超声振动辅助滚压轴承套圈内滚道装置的工作方法，加工原理如图10所示，具体包括以下步骤：

（1）将工件23通过夹具22固定在车床上，工件要加工的作用面为内圆柱表面或者锥形孔内表面圆柱，在该实施例中，加工的工件为轴承套圈。

（2）超声滚压装置利用法兰盘3通过螺栓连接固定在支撑架21上，支撑架固定在机床工作台上（车床中心高度确定），调整支撑架21高度，进而调整工件的中心线与变幅杆所在的中心线重合。

（3）将滚压头12伸进轴承套圈内部。

（4）启动油泵，通过进油口向液压缸内部注入液压油，通过油压调节滚压头沿径向方向的伸出长度，使得滚压头与轴承套圈内表面接触并产生预压力，通过观察油表数值判断预压力是否达到预订值。

（5）当静压力达到预定值后，启动机床，让工件开始旋转，同时开启超声电源20，超声电源发出超声频电流信号传递给换能器1，换能器利用压电陶瓷的逆压电效应发出高频机械振动，变幅杆2将换能器产生的机械振动进一步放大，最后传递到滚压头12，使之产生高频轴向和径向振动，滚压头振动的同时随工作台沿工件轴向做进给运动，轴向振动利于降低表面粗糙度，径向振动利于提高加工表面塑性变形层，因此可以同时起到提高表面光洁度和疲劳性能的效果，如图7为超声振动辅助滚压加工效果图。

（6）加工完成后，关闭超声电源，通过出油口17卸掉油压，撤出滚压头12，将工具头移出，停止机床。

本发明实施例所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的简单例举，本发明的保护范围应不仅限于实施例所称述的具体形式，凡是根据本发明做的简单修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，包括超声振动装置和滚压头调节装置，其中，超声振动装置包括通过双头螺柱连接的换能器（1）和变幅杆（2），换能器（1）连接至超声电源；滚压头调节装置连接在振动变幅杆的尾端；

滚压头对称布置在滚压头调节装置的两侧，且沿径向方向伸出，该伸出长度可根据加工工件孔径的大小调节， 使滚压头与加工工件内表面接触，并调节工件表面施加的滚压力。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，滚压头调节装置包括：液压缸（5）、滚压头底座（8）、支撑心轴（10）、滚压头（12），滚压头底座通过环形压簧水平向对称固定在液压缸体上，滚压头采用支撑心轴（10）进行支撑并通过螺帽固定在滚压头底座（16）上，变幅杆的底端与液压缸体连接；所述的液压缸体为圆柱式缸体，用于对等直径内圆柱表面加工，或者采用圆台式缸体，用于对锥形圆柱内表面加工。

3.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，所述的等直径内圆柱表面为轴承套圈内滚道面。

4.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，所述的变幅杆为纵弯超声振动变幅杆，包括圆柱段和圆台段，其中圆柱段和圆台底部的直径相同，圆台段底端开有螺纹孔，用于与液压缸体的连接，液压缸体顶端开有与螺纹孔相对应的光孔，两者通过螺纹孔、光孔，借助螺栓固定。

5.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，在液压缸与变幅杆之间，在螺帽与滚压头底座、支撑心轴与滚压头底座之间均安装有密封垫片；所述的支撑心轴是中间粗、两端细并且两端带有螺纹的轴。

6.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置，其特征在于，液压缸体两侧开有对称的凹槽，凹槽底部开有均匀分布的沉头孔，滚压头调节装置的滚压头底座通过环形压簧固定在液压缸体上并与T型柱销（14）相接触， T型柱销与沉头孔之间密封；沉头孔贯穿滚压头底座（8），T型柱销的自由端伸入液压缸内，其在液压缸内液压的作用下可以伸出或者缩短，带动滚压头（12）沿径向方向运动，进而满足不同孔径工件的滚压加工。

7.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助内孔表面滚压的装置的超声振动辅助内孔表面滚压的方法，其特征在于， 步骤如下：

（1）将工件（23）通过夹具固定在车床上，工件要加工的作用面为内圆柱表面或者锥形孔内表面圆柱；

（2）超声振动装置利用法兰盘通过螺栓连接固定在支撑架上，支撑架固定在机床工作台上，调整支撑架高度，进而调整工件的中心线与变幅杆所在的中心线重合；

（3）将滚压头伸进工件加工孔的内部；

（4）启动油泵，通过进油口向液压缸内部注入液压油，通过油压调节滚压头沿径向方向的伸出长度，使得滚压头与轴承套圈内表面接触并产生预压力，通过观察油表数值判断预压力是否达到预订值；

（5）当静压力达到预定值后，启动机床，让工件开始旋转，同时开启超声电源，超声电源发出超声频电流信号传递给换能器，换能器利用压电陶瓷的逆压电效应发出高频机械振动，变幅杆将换能器产生的机械振动进一步放大后，传递到滚压头，使之产生高频轴向和径向振动，滚压头振动的同时随工作台沿工件轴向做进给运动，轴向振动利于降低表面粗糙度，径向振动利于提高加工表面塑性变形层，同时起到提高表面光洁度和疲劳性能的效果；

（6）加工完成后，关闭超声电源，通过出油口卸掉油压，撤出滚压头，将工具头移出，停止机床。

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