CN202963160U - 一种超声筒形变薄旋压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声筒形变薄旋压装置，包括固定在旋压机床刀架上的支架、超声波电源、换能器、变幅杆和工具头，所述超声波电源与换能器之间通过导线连接，所述换能器与所述变幅杆的一端连接，所述变幅杆的另一端与所述工具头连接形成一整体，所述变幅杆通过上下两个支撑点安装在支架上。本实用新型可以减少成形摩擦力，降低旋压载荷，并通过超声波激励提高材料的成形性能，实现对高硬高强材料的变薄旋压，提高变薄旋压质量和精度。

Description

一种超声筒形变薄旋压装置

技术领域

本实用新型涉及一种旋压装置，尤其是涉及一种超声筒形变薄旋压装置，适用于大径厚比、超薄壁回转零件的减薄旋压装置。

背景技术

旋压技术因其成形精度高，产品性能好及节约材料等优点，广泛应用于工件制造领域。旋压工艺在高强度、高性能回转体零件制造方面有着许多优点，是工件整体成形的首选工艺。与以表面处理载荷较小为特点的超声波旋压加工工艺不同，在超薄壁、径厚比较大的筒体旋压过程中，需要施加较大的载荷，但旋压载荷施加过大将使金属的局部流变失稳而产生缺陷，旋压失稳是制约成形精度的主要因素。旋压失稳表现为筒体波纹鼓形及表面局部损伤。因此，降低旋压载荷，控制旋压失稳缺陷，提高旋压成形极限至关重要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种降低旋压载荷、控制旋压失稳，提高旋压成形极限的超声减薄旋压装置。

为解决上述技术问题，本实用新型包括固定在旋压机床刀架上的支架、超声波电源、换能器、变幅杆和工具头，所述超声波电源与换能器之间通过导线连接，其特征在于：所述换能器与所述变幅杆的一端连接，所述变幅杆的另一端与所述工具头连接形成一整体，所述变幅杆通过上下两个支撑点安装在支架上。

所述变幅杆与所述支架连接的两个支撑点选在超声波波节处。

所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆，所述第一级变幅杆、第二级变幅杆和工具头的材料一致并制成一体，所述第一级变幅杆包括的大端和小端，所述第一级变幅杆的大端、小端和所述换能器通过螺杆连接。

所述工具头采用旋轮，所述旋轮满足谐振要求和强度要求。

所述换能器包括前端盖和后端盖，所述前端盖采用圆锥形状。

所述超声波电源将交流电转换成超声频正弦电振荡信号，所述换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，所述变幅杆将换能器的纵向振动放大后传递给所述工具头，使作用在所述工具头上的切削力形成连续有规律的脉冲切削力波形。

所述变幅杆采用双节点支撑的方式中的两个支撑点采用角接触球轴承背对背安装构成。

所述前端盖选择密度小的材料，后端盖选择密度大的材料。

由于采用上述结构，本实用新型与传统旋压装置相比，加入了超声场，旋压的径向力和轴向力与传统的旋压力相比都有显著减小；因此施加相同的载荷，可产生更大的变形量，而且采用旋轮作为工具头，通过加入的超声场，使得旋轮与工件之间摩擦应力大大减小，与传统旋压相比工件可在较小的载荷下发生塑性变形，在超声能的作用下，材料的成形性更好，实验证明，旋压的成形载荷要下降25%以上。

为减少超声能量在连接界面的损失，变幅杆和旋轮的材料一致设计成一体，并使两者达到谐振状态，谐振频率应等于设计频率，使得旋轮与工件之间摩擦应力大大减小。

变幅杆设计为全波长复合多级变幅杆，变幅杆的固定点选择在超声波波节处，以减少连接界面上的超声能损耗。

本超声装置设计采用夹心式压电换能器，从而具有很大的功率容量、较高的电声转换效率和聚焦声能，起到放大振幅作用。

综上所述，本实用新型具有良好的降低载荷、提高工件质量的效果，可抑制在制作超薄壁、径厚比较大的筒体过程中旋压失稳的缺陷。

附图说明

图1本实用新型振幅曲线示意图；

图2本实用新型变幅杆的结构示意图；

图3本实用新型的结构示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1、图2所示，图中曲线为振幅示意曲线。节点支撑方式：当振动系统工作时，一定频率的超声波在固体中传播的波长沿着变幅杆形成交变波腹和波节的驻波，把振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹，行业内称这种变幅杆固定在振幅为零的波节点处的支撑方式为节点支撑方式。本装置由于设计的变幅杆有两个波节点，将两波节点处作为两个支撑位置，安装轴承，将这种支撑方式称其为双节点支撑方式。本装置的变幅杆设计为全波长复合多级组合型变幅杆，两级变幅杆均采用半波长变幅杆设计，每个半波均有一个波节点，根据运算可确定两级变幅杆的波节点，把变幅杆的固定点选择在超声波波节处，可以获得较大的振幅以及输入阻抗特性，以提高换能器的辐射效率，减少超声能损耗。变幅杆包括第二级变幅杆3和第一级变幅杆5，第二级变幅杆3、第一级变幅杆5和旋轮1的材料一致，并制成一体，第二级变幅杆3和第一级变幅杆5的支撑点选在超声波波节处。第一级变幅杆5的大端和小端通过螺杆4连接，满足装配要求，超声旋压变幅杆的第一级变幅杆5为前半波长为阶梯形变幅杆，第二级变幅杆3由等截面杆与圆锥杆的复合而成，第二级变幅杆3又可以分为两个四分之一波长变幅杆进行设计。第二级变幅杆3和第一级变幅杆5与旋轮1谐振频率匹配，输出振幅达到最大。

如图3所示，换能器结构确定采用夹心式压电换能器进行电声转换。将压电陶瓷片18加持在两金属电极片17之间，通过预紧螺栓12、弹簧垫11和垫圈15给压电陶瓷施加一定的预应力，减少换能器工作时材料受到的张力。预紧螺栓12与压电陶瓷片18之间采用绝缘管16隔离，以免高压打火。换能器的前端盖6采用圆锥形状，聚焦声能，起到放大振幅的作用。压电陶瓷片18选择PZT-8，其机械品质因数高，更适用于大振幅超声激励。本装置换能器谐振频率定为20kHz，通过变幅器的传输和放大作用，获得15μm以上的振幅输出。为使换能器前后端盖和相同极性的电极相连，相邻的两晶片的极化方向相反，则选择陶瓷片18数目为4片。为实现换能器能量高效辐射，前端盖6选择密度较小的材料硬铝，后端盖14选择密度较大的材料，前端盖6和后端盖14通过螺杆12连接，使得超声能在后端面有较大反射，实现能量单向辐射，提高换能器输出功率。

本装置通过支架20固定在旋压机床的刀架上。由大功率超声电源提供超声频的正弦电信号，通过导线13与碳刷8、集流环支架10上的集流环9相连接，换向器7进行换向，螺钉19将换能器的一段与换向器7连接，实现换向。夹心压电换能器其高频电能转换为机械振动，通过第二级变幅杆3和第一级变幅杆5传播纵向振动至旋轮1中心并放大振幅，第一级变幅杆5的大端和小端通过螺杆4连接，变幅杆的振动能量传到旋轮1边缘振幅达到最大以加工工件22，其中21为工件芯模。支架20的支撑点应位于波节点，并且支撑面越窄，能量损失越小。由于角接触球轴承2的滚珠与内圈几乎为点接触，因此在变幅杆（即旋轮轴）节点位置安装角接触球轴承即可。根据旋压力的特点，角接触球轴承2为背对背安装。

工作时：在旋压成形区，超声能量与机械力能叠加，共同驱使材料的塑性变形。本装置可以减少成形摩擦力，降低旋压载荷，并通过超声波激励提高材料的成形性能，实现对高硬高强材料的变薄旋压；提高变薄旋压质量和精度。

本实用新型的有益结果是，改善接触面的润滑条件，减小摩擦力，变形载荷大幅下降，提高产品表面精度，提高旋压成形极限。以下用实验数据进一步说明：在同样的旋压工艺参数下，对LY12毛坯分别进行传统旋压和超声旋压实验，轴向伸长量和实际压下量为：

通过实验得出，加入超声场后，旋压的径向力和轴向力与传统的旋压力相比都有显著减小。施加相同的载荷，可产生更大的变形量。旋轮与工件之间摩擦应力大大减小，甚至达到零摩擦的效果。这说明超声旋压过程中，与传统旋压相比，工件可在较小的载荷下发生塑性变形，在超声能的作用下，材料的成形性更好。

Claims (7)

1.一种超声筒形变薄旋压装置，包括固定在旋压机床刀架上的支架、超声波电源、换能器、变幅杆和工具头，所述超声波电源与换能器之间通过导线连接，其特征在于：所述换能器与所述变幅杆的一端连接，所述变幅杆的另一端与所述工具头连接形成一整体，所述变幅杆通过上下两个支撑点安装在支架上。 

2.根据权利要求1所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述变幅杆与所述支架连接的两个支撑点选在超声波波节处。 

3.根据权利要求1或2所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述变幅杆包括第一级变幅杆和第二级变幅杆，所述第一级变幅杆、第二级变幅杆和工具头的材料一致并制成一体，所述第一级变幅杆包括的大端和小端，所述第一级变幅杆的大端、小端和所述换能器通过螺杆连接。 

4.根据权利要求3所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述工具头采用旋轮。 

5.根据权利要求4所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述换能器包括前端盖和后端盖，所述前端盖采用圆锥形状。 

6.根据权利要求1所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述超声波电源将交流电转换成超声频正弦电振荡信号，所述换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，所述变幅杆将换能器的纵向振动放大后传递给所述工具头，使作用在所述工具头上的切削力形成连 续有规律的脉冲切削力波形。 

7.根据权利要求2所述的超声筒形变薄旋压装置，其特征在于：所述变幅杆采用双节点支撑的方式中的两个支撑点采用角接触球轴承背对背安装构成。 

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