CN110883497B

CN110883497B - 一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置

Info

Publication number: CN110883497B
Application number: CN201911218362.7A
Authority: CN
Inventors: 梁志强; 陈一帆; 栾晓圣; 王西彬; 周天丰; 李宏伟; 解丽静; 焦黎; 刘志兵; 颜培; 沈文华; 滕龙龙
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN110883497A

Abstract

本发明提供一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，该装置可实现滚压头与变幅杆之间超声振幅与频率的高效传递，并在滚压头与工件的低摩擦状态下对工件进行超声深滚强化。其包括压电陶瓷堆、变幅杆、多种型号的一体式微织构滚压头等组件；本发明的滚压头后端加工成螺纹与变幅杆配合进行一体化设计，前端部分经过激光预制微阵列结构，并嵌填自润滑材料进行抛光处理，可在加工中减少滚压头与工件间的滑动摩擦，并粘附滚压头受磨损区域提高工具寿命与加工质量；滚压头配备多种型号，可根据工件大小、材料与加工需求的不同选择不同的滚压头型号，以达到最优加工效果。

Description

一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置。

背景技术

超声滚压加工技术是一种将超声频振动冲击与静载滚压相结合的新兴表面强化工艺。在滚压力与超声冲击的结合下工件表层产生塑性流动，粗糙度降低，晶粒细化形成纳米晶，工件表层残余应力分布得到改善；从而增强了工件的力学性能，延长了工件的疲劳寿命，起到增强工件耐磨性与耐腐蚀性的效果，在工业生产中应用广泛。

传统的固连式超声滚压装置，将滚压头与变幅杆焊接，刚性地连为一体，可高效地将变幅杆的频率与振幅传递给滚压头，在加工工件上引入更深的残余应力层深度，实现超声深滚压。而缺点在于滚压头与工件在加工过程中处于滑动摩擦状态，滚压头表面受摩擦力、摩擦热作用影响严重，由此带来滚压头易磨损、使用寿命短、加工构件质量一致性无法保证的缺点，且当滚压头出现磨损时，只能连同变幅杆与换能器一同更换，加工成本极高。

为解决该问题，人们提出了一种超声滚光装置，超声滚光装置是将滚压头与变幅杆分离，利用滚压头与工件的滚动摩擦减小摩擦损耗，从而取得更长的使用寿命。但超声滚光装置在变幅杆与滚压头的振幅与频率传递过程中存在着极大的能量损失，对工件表面的超声振动冲击效果减弱，仅能对工件进行表面光整加工，残余应力层深度浅，无法满足部分工件的生产需求。

因此，综合考虑传统固连式超声滚压装置滚压头磨损大与超声滚光装置的超声冲击幅度小的不足，如何提出一种超声振动冲击效果强、同时能够减少滚压头的磨损、显著提高使用寿命的超声滚压装置具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题，提出了一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，该装置中变幅杆与滚压头间依靠螺纹连接实现超声振幅与频率高效传递，通过上述设计，在超声滚压加工过程中，针对不同加工对象与加工需求，可以设计不同型号滚压头，更换方便，加工用途面广，同时便于整机的维护保养，当滚压头出现损坏时，可快捷方便地对其进行维修、更换。另一方面，本发明在工具头前端加工微阵列结构，并嵌填自润滑材料，在工作中受摩擦力以及摩擦热的综合作用，自润滑材料在金属表面形成润滑膜，能够有效改善滚压头与工件之间的润滑状态，减小了滚压头在加工过程中的磨损，且当加工到一定阶段、滚压头出现磨损时，自润滑材料受摩擦力影响粘结在滚压头产生磨痕处，阻止滚压头进一步磨损，使工具头使用寿命大幅提高。由此可见，通过螺纹固连的振子与滚压头前端的微阵列结构之间具有协同作用，在工件表面形成大层深残余应力强化层的同时能够有效减少滚压头的磨损，降低工件表面粗糙度，使得超声滚压工具的使用寿命倍增。

实现本发明的技术方案如下：

一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，其特征在于，包括一体式微阵列结构滚压头、变幅杆、换能器、超声波发生器等组件。

当对工件进行超声振动滚压时，通过换能器在接收超声波发生器传出的信号后，由多片压电陶瓷叠加产生超声频振动；变幅杆一端与换能器依靠双头螺栓连接，将传递中的超声振动信号放大，并在变幅杆上超声波振动波节处设置法兰盘进行固定；一体式微阵列结构滚压头具有较好的刚性，通过尾部的螺栓与变幅杆另一端固连连接，高效稳定地传输变幅杆前端的振幅与频率，对工件进行超声滚压强化加工。

进一步地，所述一体式微阵列结构优选为激光预制的微凹坑阵列，微阵列结构覆盖以滚压头最前端为中心、优选占整个滚压头30％以上的表面积，从而保证自润滑材料充分覆盖加工中滚压头与工件接触区域。微凹坑直径优选为20-40μm，深度优选为10-20μm，排列间距优选为150-200μm。加工完成后对滚压头加工表面进行打磨抛光处理，消除加工产生的微阵列结构边缘凸起。

进一步地，采用超声洗净预处理对滚压头清理后，将自润滑材料嵌填入微凹坑，并对滚压头表面进行抛光清洗后处理。微阵列结构滚压头在加工中受摩擦力与摩擦热的作用，使得自润滑材料在滚压头表面形成一层润滑膜，大幅减小加工表面摩擦系数。同时，微阵列结构中的自润滑材料受摩擦影响粘附在滚压头基体材料出现磨痕的表面，减缓了磨损的进一步发展，微阵列结构滚压头的使用寿命得到显著提高。

有益效果

(1)本发明在进行超声滚压加工时，由于一体式微阵列结构滚压头与变幅杆之间通过螺栓固连连接，传输高效稳定，可以对工件施加大振幅超声冲击，在工件表面生成高残余压应力与高显微硬度值，并在工件内部产生高残余压应力深度与高显微硬度深度，显著提高工件抗疲劳性能。

(2)本发明所述一体式微阵列结构滚压头，通过在滚压头前端微凹坑中嵌填自润滑材料，实现在超声滚压加工中工件与滚压头润滑状态的改善，减小了滚压头在加工过程中的磨损，同时，微阵列结构中的自润滑材料受摩擦影响粘附在滚压头基体材料出现磨痕的表面，减缓了磨损的进一步发展，使工具头使用寿命大幅提高，极大地减小了加工成本，提高了加工效率。

(3)本发明所述变幅杆前端开有螺纹槽，同时配套尺寸大小、材料不同的多型号一体式微阵列结构滚压头，针对不同的加工对象以及加工需求，可选用不同型号一体式微阵列结构滚压头，经济实用，且便于整机的维护保养，当滚压头出现损坏时，可快捷方便地对其进行维修、更换。

附图说明

图1为工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置装配示意图；

图2为一体式微阵列结构滚压头与变幅杆安装配合示意图；

图3为各型号一体式微织构滚压头示意图；(a)5mm滚珠销；(b)5mm滚柱销；(c)7mm滚珠销。

1-一体式微阵列结构滚压头，2-滚压头支撑件，3-工具头外筒，4-锁死螺母，5-变幅杆，6-前定位筒，7-螺栓，8-外筒，9-连接柄支撑座，10-前盖板，11-压电陶瓷堆，12-后盖板，13-连接柄，14-风扇，15-预紧螺栓，16-航空插座，17-超声电源

具体实施方式

本发明的工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置在进行超声滚压加工前，首先根据工件的大小以及材料，在图3所示的多种一体式微阵列结构滚压头中选择合适的型号。在超声滚压装置装配完成后，通过连接柄13装卡在数控机床刀架上。打开液压泵，冷却液由前定位筒6下端进油口导入，并逐渐充满工具头外筒3以及变幅杆5所形成的腔体，并从滚压头1前端流出，冷却并润滑滚压头1与工件以及滚压头支撑件2的接触面，之后多余的冷却液从前定位筒6上端出油口导出。通过数控机床刀架分度盘控制进刀量，并打开超声电源17输出数字信号。压电陶瓷堆11接收到信号后开始产生振幅叠加的超声频机械振动，与此同时，风扇14开始工作，将超声振子产生的热量通过外筒8上所开的通风槽排出。超声振子的法兰盘经前定位筒6与外筒8固定，使超声振动经由变幅杆5放大振幅后沿轴向传递，最后通过固连连接的微阵列结构滚压头对工件进行超声频冲击强化，使工件表面产生塑性变形，降低表面粗糙度，引入较大层深的残余压应力，提高工件的抗疲劳性能与耐腐蚀性，与此同时，受摩擦力与摩擦热影响，滚压头表面微凹坑中的自润滑材料在滚压头表面形成润滑膜，滚压头与工件之间的摩擦系数被显著降低，使得后续超声滚压加工过程在低摩擦状态下进行。当加工到一定阶段，滚压头出现磨损时，自润滑材料受摩擦力影响粘结在滚压头产生磨痕处，阻止滚压头进一步磨损。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，该装置主要由超声波发生器和超声滚压设备组成，还包括连接柄，所述超声滚压装置通过连接柄装卡在数控机床刀架上，通过数控机床刀架分度盘可控制进刀量，工作时打开超声电源输出数字信号，压电陶瓷堆接收到数字信号后开始产生振幅叠加的超声频机械振动，超声振子的法兰盘经前定位筒与外筒固定，使超声振动经由变幅杆放大振幅后沿轴向传递，与此同时，风扇开始工作，将超声振子产生的热量通过外筒上所开的通风槽排出，冷却液由前定位筒下端进油口导入，并逐渐充满工具头外筒以及变幅杆所形成的腔体，并从滚压头前端流出，冷却并润滑滚压头与工件以及滚压头支撑件的接触面，之后多余的冷却液从前定位筒上端出油口导出；其特征在于，所述超声滚压设备包括具有微阵列结构表面的滚压头，滚压头由硬质合金材料制成，并采用自润滑材料对所述微阵列结构进行嵌填，滚压头后端部分加工有螺纹，变幅杆上相应加工有内螺纹，滚压头与变幅杆通过螺纹连接形成一体化结构。

2.根据权利要求1所述的超声滚压装置，其特征在于，滚压头通过以下方法制造：通过激光在滚压头上预制微阵列结构，加工完成后对滚压头加工表面进行打磨抛光处理，消除加工产生的微阵列结构边缘凸起，采用超声对滚压头洗净清理后，将自润滑材料嵌填入微阵列结构，并对滚压头表面进行抛光清洗后处理。

3.根据权利要求1或2所述的超声滚压装置，其特征在于，微阵列结构在滚压头前端表面的覆盖率在30％以上，且该微阵列结构优选为微凹坑阵列。

4.根据权利要求3所述的超声滚压装置，其特征在于，所述微凹坑直径优选为20-40μm，深度优选为10-20μm，排列间距优选为150-200μm。