CN1373698A - 采用超声振动的微抛光装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用超声振动的微抛光装置,其中抛光头的球接触工件的表面,而抛光头插在一个锥状体中,该锥状体连接于超声振动器,该振动器通过高频发生器送出的振荡高频产生超声,该锥状体受到弹簧的加压,其中,该球接触工件并且被振动,以对工件表面进行抛光,由此使得在表面硬度增加的同时改进了表面的粗糙度,并缩短了加工时间。

Description

采用超声振动的微抛光装置
发明背景
发明领域
本发明涉及采用超声振动的微抛光装置。
先有技术说明
液压缸或气压缸的内表面，或模具等的内表面要求用极精密的微精加工工艺加工出小于1.6S或0.8S的表面粗糙度，这里S是按照最大高度计算法表示的表面粗糙度，表示为“Rmax”。
在这种情况下，首先采用精密镗孔机或研磨机精加工内表面，为了获得这种高级的表面粗糙度，然后用这种精加工方法加工表面，例如用珩磨法、微研磨法、精研法、高级精加工法、超声加工法或超声磨工艺法进行精加工。
珩磨工艺是一种利用珩磨机的精加工方法，其中用称为珩磨头的有棱角的磨石柔和地触及工件表面，从而研磨表面。
精研(研磨)工艺是一种精加工方法，其中将细粉状态的研磨料和润滑材料放置在工件和研磨工具之间，通过其间的相对运动可精制地抛光工件表面。
精研工艺包括两种方法，一种是湿式精研法，另一种是干式精研法。湿式精研法要求将研磨材料和流体的混合物注入到工件内，进行加工。而干式精研法需要使精研工具埋在研磨材料中，然后用布进行擦拭。因此这种精研法是在干燥的环境下进行的。
高级(超级)抛光法的作法是将软磨石的小颗粒用较小的力压到工件的表面上，通过送进和振动磨石而抛光工件表面。
超声加工是一种超声精研抛光法，在这种方法中，将超声振动加在抛光工具上，使精研材料碰撞工件。如图1所示，通过高频振荡器12在超声振动器14上产生超声振动，该高频振荡器连接于电源10。超声振动的振幅可以通过固定装置16的圆锥部分有效地放大，然后输送到抛光工具18，该抛光工具碰撞研磨料20，从而抛光工件22。此时，工件22、工具18和研磨料20均放置在容器24中，进给装置26可使工具18上下移动，从而精加工工件的孔。
如图2所示，抛光过程是，首先精加工工件30的孔32，用力推压作为压力机36的球34，该球的直径稍大于孔32的内径，从而将切削或研磨加工期间形成的表面机加工切痕抛光得像镜面一样。工件30用固定装置(未示出)固定于机床38上。
随着近来工艺技术水平的提高，已强烈要求各种机器装置通过平静的精加工操作而具有光滑表面，达到比表面粗糙度1.5S好得多的在0.8S以下的表面粗糙度，以更好地减少能耗。
换言之，对于精加工金属表面均要求高精度的表面加工方法，这些表面例如为汽车、工业重型设备、各种自动化机器和其它通用机器中所用的液压缸或气压缸的内表面，各种金属轴的外表面，机器的平面或斜面，以及压模、锻模、注射模和压铸模的平面和自由曲面。
在这种表面精加工工艺中，为了达到低于0.8S的高级表面光滑度需要使用高精密的研磨机或珩磨机，这种机器比普通的精密加工装置更为有效，并具有较长的寿命，但存在制造成本增加的缺点。
本发明概要
公开的本发明用于解决上述问题，本发明的目的是提供一种应用超声振动的微抛光装置，以便利用超声能和接触压力进行高精度的机加工，而且可以减少机加工的时间。
为了达到本发明的目的，提供一种应用超声振动的微抛光装置，该抛光装置包括：接触工件表面的抛光头；用于固定该抛光头的固定装置；用于产生要施加到固定装置上的超声振动的超声振动器；用于发生要提供给超声振动器的高频的高频发生装置；和用于推压固定装置的加压装置，使得抛光头可以紧紧地置于工件的表面上。
超声振动器固定在一个机箱上，加压装置具有压力控制装置，用于控制施加在机箱上的压力。
另外，机箱作成为可以根据加压装置的压力在导向装置内浮动。
导向装置可以用驱动(移动)装置和控制装置移动。驱动(移动)装置具有包括滚动丝杠马达(ball screw motor)在内的各种装置。
附图简要说明
下面结合附图进行详细说明，由此可以更加明白本发明的特征和目的，这些附图是：
图1示出了普通超声加工装置的结构；
图2是表示普通抛光操作的原理的视图；
图3示出了利用本发明超声振动的微抛光装置的结构；
图4示出了用本发明微抛光装置抛光汽缸内表面的状态；
图5示出了用本发明装置抛光一个杆的外表面的状态；
图6是测试本发明装置所用的实验样品；
图7是曲线图，示出了用本发明微抛光装置进行抛光处理时传送的压力和表面硬化深度之间的关系；
图8示出了本发明另一实施例的微抛光装置的结构；和
图9示出了图8所示抛光头的结构。
本发明的详细说明
下面参考附图详细说明优选实施例，从这些优选实施例中可以明显看出本发明的目的和各个方面。
图3示出了本发明的采用超声振动的微抛光装置的结构。该微抛光装置包括：接触工件表面的抛光头40；固定抛光头40的固定装置42；产生超声振动的超声振动器44，该超声振动要施加在固定装置42上；用于产生高频的高频发生装置46，该高频要提供给超声振动器44。加压装置48，用于推压固定装置42，使抛光头40紧压在工件表面上。
超声振动器44固定在机箱50内，加压装置48装有用于控制加在机箱50上的压力的压力控制装置52。此时，机箱50做成可以根据加压装置48的压力在导向装置54内活动，装在机箱50内的超声振动器44可以由冷却装置(未示出)进行水冷或气冷。
导向装置54可以用驱动(移动)装置和控制装置移动。该驱动(移动)装置可由包含滚动丝杠马达在内的各种装置构成。
抛光头40构造成具有可与工件直接接触的球55以及供球55插入的配合部件56。该球55固定在配合部件56上。该球55在抛光软性材料时通常用钢制作，但抛光硬材料时用超轻合金制作。抛光头40可以只用铬-钼钢(例如SCM4)、高合金钢(例如SKD11)制作。球55可以用工具钢(SKD、SKH、SKS等)、超轻合金钢、陶瓷工具、CBN、人造金刚石等制作。该球55可以根据抛光材料和条件选择地用各种材料制作。
抛光头40的配合部件56嵌入在固定装置42内。
固定装置42可称作为锥状体，可拧在超声振动器44的底部。固定装置42可与超声振动器44形成一体。抛光头40用螺栓(未示出)固定在固定装置42上。
超声振动器44具有周知的结构，使得连接于高频发生装置46的线圈绕在其外表面上。超声振动器在结构上用压电陶瓷制作。
超声振动器44接收高频发生装置46的高频，从而产生16,000至100,000,000周/秒的超声振动。
高频发生装置46是磁控管或其它的已知高频发生装置，它连接于电源(未示出)。
加压装置48具有一压缩弹簧，该弹簧装在圆筒形导向装置54内，并以弹性推压机箱50。压缩弹簧的压力可传送到抛光头40的球55上。
加压装置用于保持在材料和抛光工具(抛光球)之间的压力恒定，同时也用作其它装置，像弹簧、气动压力、工具的贴合性(compliance value ofa tool)，或迫使抛光工具(抛光球)嵌入工件表面的装置。
加压装置48装在导向装置54的底部上，具有一个适合于控制加压装置48弹性的螺钉。压力控制装置52作成可以控制加压装置(弹簧48)的弹性，方法是，通过拧动装在安装弹簧的底板58上的螺钉改变加压装置的长度。
在按本发明制作的采用超声振动的微抛光装置中，利用驱动装置或移动装置(未示出)可以使导向装置54移动，从而可使抛光头40的球与要抛光的加工表面接触，可以手动地或自动地控制压力控制装置52，从而调节推动机箱50的弹簧48的弹力，即调节抛光头40的球54作用在工件表面上的压力。当高频发生装置46通电时，超声振动器44便产生超声振动，从而使抛光头40振动，由此可抛光工件的表面。
采用如此构成的本发明的微抛光装置可以在短时间内获得0.05S的表面粗糙度，同时还额外地产生表面硬化作用。
图4示出了用本发明装置抛光汽缸内表面的情形，而图5示出了抛光一个杆的外表面的情形。如图所示，抛光装置正在抛光工件表面，沿箭头P的方向加压，并沿箭头s的方向移动。
本发明的微抛光装置可用于加工各种表面，像自由曲面、平表面和制动盘的两个表面。该微抛光装置也可以加装在加工中心或机器人上，作其它用处。
在抛光过程中，决定表面精加工水平的基本因素是球55加在工件表面上的接触压力、接触面积、从加工工具到工件表面的压力传递以及工件的尺寸、移动速度和转动速度。超声振动的频率、加工工具的形状等等也影响表面的精加工水平。
接触压力决定已精加工表面的硬度和硬化效率。
图7是曲线图，示出传送的压力(F)和硬化深度(h)之间的关系。在该曲线图中，曲线1的幅度是10μm，而曲线2的幅度是20μm。
在影响因素之中，移动速度决定精加工表面的转变率。已加工表面的质量基本上依赖于加在工件上的静载荷以及超声振动的振幅。因此选择适当的移动速度和转动速度便能基本上控制表面硬化过程。
如图6所示，在一根轴的多级台面上选择若干部位(A、B、C、D)，用本发明的微抛光装置对这些部位进行抛光操作，在下列条件下抛光3分钟：频率20kHz，移动速度0.16毫米/转，转速450转/分，传送压力12kg，表面抛光加工得到的结果列于表1。
表1
抛光     A     B     C     D
抛光前     10.88     10.84     10.52     11.24
抛光后     0.144     0.152     0.208     0.252
图8和图9示出本发明另一实施例的微抛光装置的结构。
此时，抛光头40’作成杆的形状，该杆具有圆形头部55’。该头部55’可用力嵌入配合部件56’，该配合部件拧入到固定装置42’上。
配合部件56’最好用铬-钼钢(SCM4)，而头部55’用碳化钨WC制造。
图中所示，微抛光装置的基本结构与图3所示的基本结构相同，所以完全省去其详细说明。
然而本发明的范围不限于优选实施例，还可以用各种变型方式实施本发明。
因此，采用本发明超声振动的微抛光装置的优越性在于，球与工件振动接触并抛光其表面，由此可达到较低程度的表面粗糙度，同时又提高了表面硬度，而且缩短了表面抛光时间，当微抛光装置加装在作其它用处的垂直的或水平的加工中心或机器人上时，还可以抛光模具的表面。

Claims (2)

1.一种采用超声振动的微抛光装置，包括：
一个接触工件表面的抛光头；
固定该抛光头的固定装置；
一个用于产生要施加给固定装置的超声振动的超声振动器；
用于发生要提供给超声振动器的高频的高频发生装置；和
用于推压固定装置使抛光头紧压在工件表面上的加压装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中，超声振动器固定在机箱内，而加压装置装有用于控制施加在机箱上的压力的压力控制装置。
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