CN1326825A - 表面微坑超声加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面微坑超声加工方法。它采用单个工具头或矩阵工具头或蜂窝状工具头沿摩擦副工作表面径向施加振动频率f>18kH_Z的超声振动,压力大于6N/cm²,在摩擦副工作表面形成深度一致的25%～35%的微坑。本发明能提高微坑加工效率80倍以上;摩擦副工作表面微坑相互独立、分布均匀、深度一致;工具头磨损小;表面微坑加工力很小;生产成本低;耗能少;超声加工设备振动小,加工噪声低。

Description

表面微坑超声加工方法

本发明涉及超声加工方法，尤其涉及摩擦副工作表面微坑超声加工方法。

摩擦副工作表面必须形成深度一致、浅而均匀的微坑储油结构，以储存润滑油，减少摩擦与磨损，保证摩擦副的寿命。表面微坑低频振动加工装置(振动频率f＝100Hz)已获得了国家专利(专利号ZL98216830.6)，激光珩磨也已在发动机气缸孔工作表面微坑加工中取得了进展。但是，现有各种表面微坑加工方法微坑加工效率低、生产成本高，当缸套内径较大、加工时间长或工具磨损大时很难保证摩擦副工作表面的直线度、圆度等形状精度，甚至影响储油结构的一致性和均匀性。

本发明的目的是提供一种高效率、低成本、低耗、工具磨损小，摩擦副工作表面耐磨性高的表面微坑超声加工方法。

为了达到上述目的，本发明采取下列措施：

表面微坑超声加工方法，它采用单个工具头或矩阵工具头或蜂窝状工具头沿摩擦副工作表面径向施加振动频率f＞18kHz的超声振动，压力大于6N/cm²，在摩擦副工作表面形成深度一致的25％～35％的微坑。

本发明的优点：

1)表面微坑超声加工方法可在每秒钟内完成18000个以上微坑的加工，工件转速将达600r/min以上，每只缸套全部工作表面上的所有微坑可在30秒钟内完成，具有极高的加工效率；与其它表面微坑加工方法相比，超声加工方法可提高微坑加工效率80倍以上；

2)采用单个工具头、矩阵工具头和蜂窝状工具头，与工件转速、工具头参数和进给量等参数相匹配，可实现表面微坑最佳结构的加工；

3)摩擦副工作表面微坑相互独立，分布均匀，深度一致；

4)工具头磨损小；

5)表面微坑加工力很小；

6)生产成本低；

7)耗能少；

8)超声加工设备振动小，加工噪声低；

9)以缸套工作表面微坑加工为例，超声加工微坑与镗孔可复合在同一道工序、同一台机床上一次装夹完成，以保证镗孔和超声加工微坑时的缸套轴线重合。

表面微坑超声加工方法可以广泛用于发动机气缸孔、气缸套、活塞环、轴瓦、曲轴、减震器、油缸、导轨等摩擦副零件工作表面微坑加工。

下面结合附图作详细说明。

图1是纵向振动超声加工微坑原理图；

图2是弯曲振动超声加工微坑原理图。

由于超声加工方法制造微坑的效率极高，微坑加工过程中力负载和质量负载是变化的，加工温度、换能器本身的频率特性、外界干扰等因素将会使超声加工声学系统谐振频率在一定范围内发生变化，从而导致工件表面微坑沿周向分布不均匀，影响摩擦副性能。因此，通常采取如下方法：

1)在超声波发生器内设置频率自动跟踪系统。当谐振频率变化时，应在新的谐振点上使能量输出最大，保证工具振幅稳定。

2)建立工件转速与超声加工声学系统谐振频率之间的数学模型，研制二者之间的闭环控制系统和控制软件，转速能实时跟踪谐振频率之间的变化，保证表面微坑沿周向分布的均匀性。

本发明采用超声加工方法实施表面微坑超高速加工，即使用单个工具头、矩阵工具头或蜂窝状工具头沿摩擦副工作表面径向施加超声振动(振动频率f＞18kH_z)和一定的压力(大于6N/cm²)，可在摩擦副工作表面形成深度一致的微坑。为了形成有规律的数以万计的微坑，必须使工件回转，工具头沿工件轴向进给。工件转速、工具头进给量、工具头数量、工具头直径、振动频率、振幅等参数必须合理匹配，以形成25％～35％的凹坑面。

摩擦副工件回转时，工具头沿工件轴向进给。工件转速大于600r/min、工具头进给量为0.1～3mm/r、工具头数量为1～36个、工具头直径为0.01～3.5mm、振动频率大于18kH_z、振幅为6～28μm。

机床的工作参数与缸套微坑各参数之间的关系由下面的关系式确定： $N=\frac{60\mathrm{fma}}{\mathrm{\πD}}$ s＝na式中：a——微坑间距，mm

  α——有微坑的工作面积与整个工作表面面积之比，α＝(25～35)％

  N——机床转速，rpm

  f——振动频率，Hz

  m——横向并排工具头个数

  D——工件的内径，mm

  s——轴向进给量，mm

  n——纵向并排工具头个数

微坑孔口直径的取值可根据活塞环的宽度而定，一般可取活塞环宽度的(30～70)％，对于给定的柴油机工作参数，a、h等的最佳取值必须通过理论研究及实验确定，由于超声加工微坑方法的应用，使得改变这些参数变得较为容易实现。由微坑的分布及结构参数可得出缸套微坑数量M及储油量Q的近似计算公式： $M=l\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{D}^2+{\mathrm{\α}}^2}/{\mathrm{\α}}^2$ $Q=\mathrm{\πphl}(3d^2+4h^2)\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{D}^2+{\mathrm{\α}}^2}/\left(24{\mathrm{\α}}^2\right)$ 式中：

M——工作表面的微坑数量

l——有微坑的缸套工作表面长度，mm

Q——工作表面储油量，g

ρ——润滑油的密度，g/cm³

h——微坑的深度，mm

d——微坑孔口直径，mm改变结构参数d、h、a及工作表面长度l，可获得不同的储油量。

如图1所示，采用二分之一波长或四分之一波长纵向振动换能器4和变幅杆3，工具头1安装在变幅杆输出端上，并使换能器、变幅杆和工具头进入缸套2内孔。为了形成有规律的数以万计的独立微坑，必须使缸套高速回转，工具头沿缸套轴向进给。为了使换能器、变幅杆在加工微坑时能进入缸套内，可以提高超声加工声学系统谐振频率，如谐振频率f＝50kH_z，以缩短超声加工装置轴向尺寸。换能器罩5用于保护换能器，杆6用于固定声学系统。

如图2所示，工具头1进入缸套2内，而换能器4和变幅杆3不进入缸套内。换能器和变幅杆均作纵向振动，弯曲振动刀杆7将变幅杆的纵向振动转换为弯曲振动，刀杆带动工具头振动。为了提高弯曲振动刀杆的刚度，采用可调节节点压块8在刀杆位移节点处压紧刀杆。

超声加工微坑时，工件要有较高的转速(600r/min以上)，工具头进给量为0.1～3mm/r，应有效控制机床主轴的起动与停止，克服机床主轴、工件及夹具的转动惯量以及超声加工装置的运动惯性。

超声加工微坑后，可用光整加工方法除去微坑周边隆起的材料和毛刺，降低非微坑处表面的粗糙度。

Claims (2)

1.一种表面微坑超声加工方法，其特征在于采用单个工具头或矩阵工具头或蜂窝状工具头沿摩擦副工作表面径向施加振动频率f＞18kHz的超声振动，压力大于6N/cm²，在摩擦副工作表面形成深度一致的25％～35％的微坑。

2.根据权利要求1所述的一种表面微坑超声加工方法，其特征在于摩擦副工件回转时，工具头沿工件轴向进给，工件转速大于600r/min、工具头进给量为0.1～3mm/r、工具头数量为1～36个、工具头直径为0.01～3.5mm、振动频率大于18kHz、振幅为6～28μm。

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