超声滚压工艺方法

摘要

本发明提供一种超声滚压工艺方法，包括：提供一种适应于复杂表面的超声滚压加工装置，包括：壳体组件；液压组件；以及超声组件，超声组件固定于壳体组件内并连接液压组件，超声组件包括：换能器，换能器连接有超声发生器；变幅杆，其径向切面的两边缘曲线为贝塞尔曲线；变幅杆的第一端连接于换能器的第一端；和工具头，工具头可拆卸地连接于变幅杆的第二端；将超声滚压加工装置夹持于机床，将工具头置于轻触工件的待处理表面的位置；调节液压组件使其输出100‑2000N的静压力；调节超声组件使变幅杆的输出端轴向振幅为5～30μm；同时设定机床的运动轨迹进行超声滚压加工。本发明的超声滚压工艺方法具有效率高、能量损失少等优点。

权利要求

1.一种超声滚压工艺方法，包括如下步骤：

S1，提供一种适应于复杂表面的超声滚压加工装置，包括：

一壳体组件；

一液压组件；以及

一超声组件，所述超声组件固定于所述壳体组件内并连接所述液压组件，所述超声组件包括：一换能器，所述换能器连接有一超声发生器；

一变幅杆，其径向切面的两边缘曲线为贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线的四个控制点通过模态分析和谐响应分析确定；所述变幅杆的第一端连接于所述换能器的第一端；和一工具头，所述工具头可拆卸地连接于所述变幅杆的第二端；

S2，将所述的适应于复杂表面的超声滚压加工装置夹持于机床，并将工具头置于轻触工件的待处理表面的位置，所述待处理表面为曲面，调整工具头的角度使得工具头与所述待处理表面始终保持在71°～90°的范围内；

S3，调节所述液压组件使其输出501-2000N的静压力；

S4，设定所述超声发生器和换能器的额定频率均为28KHz，调节超声组件使变幅杆的邻近工具头的输出端轴向振幅为5～30μm；同时设定机床的运动轨迹进行超声滚压加工。

2.根据权利要求1所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述液压组件包括：依次连接的一液压泵、一液压管路和一液压千斤顶，一液压表设置于所述液压管路上，所述液压千斤顶固定于所述壳体组件内并邻近所述换能器的第二端。

3.根据权利要求2所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述液压千斤顶与所述换能器之间设置有一弹性体，所述弹性体的材质为复合橡胶。

4.根据权利要求3所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述壳体组件包括：一外壳和一超声固定组件，所述超声组件通过所述超声固定组件安装于所述外壳内；

所述超声固定组件包括一空心套筒和位于所述空心套筒两端的第一端盖和第二端盖；

所述第一端盖套设于所述换能器的第二端，所述弹性体设置于所述液压千斤顶与所述第一端盖之间；所述第二端盖中部形成一第一通孔，所述变幅杆的第二端自所述第一通孔伸出。

5.根据权利要求4所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述外壳包括一主体外壳、一头部外壳和一固定件；所述主体外壳一体成型；所述固定件中部形成第二通孔；所述固定件连接所述主体外壳并与所述主体外壳配合形成一安装空间，所述超声组件设置于所述安装空间内；所述变幅杆第二端自所述第一通孔和所述第二通孔伸出；所述头部外壳可拆卸地连接于所述主体外壳并罩设于所述变幅杆第二端外。

6.根据权利要求5所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述外壳还包括一头部固定套，所述头部固定套可拆卸地固定于所述头部外壳的端部。

7.根据权利要求6所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，所述工具头包括滚珠，滚珠固定于头部固定套内，变幅杆端部螺纹连接一圆柱体，圆柱体端部抵触滚珠，圆柱体端部平面开有一包络滚珠的凹坑。

8.根据权利要求1所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，工件进给速度设定在2～10米每分钟的范围内，加工往返次数设定为2～10次。

9.根据权利要求1所述的超声滚压工艺方法，其特征在于，变幅杆的邻近工具头的输出端轴向振幅为6～24μm。

说明书

超声滚压工艺方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属表面处理装置领域，尤其涉及一种超声滚压工艺方法。

背景技术

[0002] 表面滚压强化是一种较好的表面强化手段，其可在零部件表面制备出细密的纳米层，提高材料各方面性能系数；也可在受损的工件表面，例如飞机发动机叶片，对已投入使用的此类部件进行二次修复，延长服役周期，并同时获得纳米级的表面光洁度，对于降低零件表面的粗糙度、引入残余压应力，改善零件的耐腐蚀、耐磨性和抗疲劳性能均具有重要意义。

[0003] 超声滚压加工是利用超声冲击能量和静载滚压相结合的工作方法，是一种更高效的处理方式。在现有的超声和滚压结合的加工工具头中，一种是把滚压刀具固定在旋转架上，处理轴向和径向的表面；另一种是把施力部件结合滚动的柱体工作头，可处理平面表面。将超声表面滚压方法推广到曲面结构，具有重要的经济实用价值和广阔的应用前景。

[0004] 现有的超声滚压工艺方法普遍具有量程范围较小，其加工范围无法满足较高强度材料实验所需强度要求。且现有的超声滚压加工装置的用于固定头部工具头的头部外壳与外壳主体一体成型或不可拆卸地固定连接，在使用一段时间后头部外壳便会出现磨损但无法更换的情况，造成工具头松落，无法再起固定作用；且磨损后的现有装置会影响加工的精度，如设定相同的参数在同种材料表面处理一段时间后，将得到的结果各不相同。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种超声滚压工艺方法，具有效率高、能量损失少、体积小、使用寿命长、散热性好、灵活性高、通用性好和重量轻的优点。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的一种超声滚压工艺方法，包括如下步骤：S1，提供一种适应于复杂表面的超声滚压加工装置，包括：一壳体组件；一液压组件；以及一超声组件，所述超声组件固定于所述壳体组件内并连接所述液压组件，所述超声组件包括：一换能器，所述换能器连接有一超声发生器；一变幅杆，其径向切面的两边缘曲线为贝塞尔曲线；所述变幅杆的第一端连接于所述换能器的第一端；和一工具头，所述工具头可拆卸地连接于所述变幅杆的第二端；S2，将所述的适应于复杂表面的超声滚压加工装置夹持于机床，并将工具头置于轻触工件的待处理表面的位置；S3，调节所述液压组件使其输出100-2000N的静压力；S4，调节超声组件使变幅杆的邻近工具头的输出端轴向振幅为5～30μm；同时设定机床的运动轨迹进行超声滚压加工。

[0007] 优选地，所述液压组件包括：依次连接的一液压泵、一液压管路和一液压千斤顶，一液压表设置于所述液压管路上，所述液压千斤顶固定于所述壳体组件内并邻近所述换能器的第二端。

[0008] 优选地，所述液压千斤顶与所述换能器之间设置有一弹性体，所述弹性体的材质为复合橡胶。

[0009] 优选地，所述壳体组件包括：一外壳和一超声固定组件，所述超声组件通过所述超声固定组件安装于所述外壳内；所述超声固定组件包括一空心套筒和位于所述空心套筒两端的第一端盖和第二端盖；所述第一端盖套设于所述换能器的第二端，所述弹性体设置于所述液压千斤顶与所述第一端盖之间；所述第二端盖中部形成一第一通孔，所述变幅杆的一第二端自所述第一通孔伸出。

[0010] 优选地，所述外壳包括一主体外壳、一头部外壳和一固定件；所述主体外壳一体成型；所述固定件中部形成第二通孔；所述固定件连接所述主体外壳并与所述主体外壳配合形成一安装空间，所述超声组件设置于所述安装空间内；所述变幅杆第二端自所述第一通孔和所述第二通孔伸出；所述头部外壳可拆卸地连接于所述主体外壳并罩设于所述变幅杆第二端外。

[0011] 优选地，所述外壳还包括一头部固定套，所述头部固定套可拆卸地固定于所述头部外壳的端部。

[0012] 优选地，所述工具头包括滚珠，滚珠固定于头部固定套内，变幅杆端部螺纹连接一圆柱体，圆柱体端部抵触滚珠，端部平面开有一包络滚珠的凹坑。

[0013] 优选地，所述超声发生器的设定值为28KHz。

[0014] 优选地，工件进给速度设定在2～10米每分钟的范围内，加工往返次数设定为2～10次。

[0015] 优选地，变幅杆的邻近工具头的输出端轴向振幅为6～24μm。

[0016] 本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

[0017] 超声发生器用于提供电源。换能器用于将超声发生器产生的波动转换成沿轴向的震动。变幅杆用于放大换能器产生的震动幅度。工具头与待加工工件表面直接接触，发生相互作用。变幅杆的径向切面的两边缘曲线为贝塞尔曲线，如此可得到更高的轴向位移放大倍率和更小的截面应力。工具头可拆卸地连接于所述变幅杆，使得工具头能够便捷地进行更换。液压表的采用方便了对液压管路压力的实时监测，方便操作人员在压力发生衰减时进行手动调节，保持设定的压力值。相较于普通弹簧，采用复合橡胶材质的弹性体的变形系数更小，从而在相同压力作用下能够产生更小的形变，节约安装空间。镂空部的采用能够在保证强度的基础上减轻装置的重量。头部固定套可拆卸地固定于所述头部外壳的端部，使得头部固定套在使用的过程中发生磨损时能够进行便捷地替换，减少了装置的维护成本，保证了加工过程的精度。主体外壳一体成型，减少了连接部分，能够减少由于连接部产生的声波衰减或干扰。散热风扇和散热孔都用于对超声组件进行散热降温。

附图说明

[0018] 图1为本发明实施例的适应于复杂表面的超声滚压加工装置的超声组件和壳体组件的连接结构示意图；

[0019] 图2为本发明实施例的液压组件的结构示意图；

[0020] 图3为本发明实施例的超声发生器的结构示意图；

[0021] 图4为本发明实施例一种的工具头与头部固定套的连接结构示意图；

[0022] 图5为本发明的一个实施例中的滚珠与头部固定套之间的夹角的示意图；

[0023] 图6a为工件在超声滚压之前的晶粒示意图；

[0024] 图6b为工件在超声滚压之后的晶粒示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

[0026] 根据本发明的超声滚压工艺方法首先包括提供一种适应于复杂表面的超声滚压加工装置。请参阅图1，本发明的一种适应于复杂表面的超声滚压加工装置，包括：一壳体组件1、一液压组件2以及一超声组件3，其中，液压组件2的一部分和超声组件3固定于壳体组件1内，且液压组件2的该部分通过弹性体4抵触超声组件3，超声组件3呈卧式结构。

[0027] 具体来说，壳体组件1包括：一外壳11和一超声固定组件12，超声组件3通过超声固定组件12安装于外壳11内。

[0028] 本实施例中，外壳11包括一主体外壳111、一头部外壳112和一固定件113，固定件113、头部外壳112都套接于主体外壳111的一端，再由螺栓沿径向固定，使之没有轴向移动。
其中，主体外壳111一体成型，减少了连接部分，能够减少由于连接部产生的声波衰减或干扰。固定件113与主体外壳111配合形成一安装空间，超声组件3设置于安装空间内。本实施例中，外壳11还包括一头部固定套114，头部固定套114可拆卸地固定于头部外壳112的端部，使得头部固定套114在使用的过程中发生磨损时能够进行便捷地替换，减少了装置的维护成本，保证了加工过程的精度。

[0029] 本实施例中，超声固定组件12包括：一第一端盖121、一第二端盖122和一空心套筒123，第一端盖121和第二端盖122通过螺栓固定在空心套筒123的两端，空心套筒123的侧壁开设至少一镂空部(图中未示)，能够在保证强度的基础上减轻装置的重量，本实施例中，镂空部采用椭圆孔。第一端盖121和第二端盖122连接主体外壳111。

[0030] 请结合图1和图2，液压组件2包括：一液压表21、依次连接的一液压泵22、一液压管路23和一液压千斤顶24。

[0031] 本实施例中，液压表21位于液压管路23前端，可实时监测施压状态。液压泵22采用手动泵，若有在加工过程中压力有小幅度变化，可及时调整。液压表21和手动泵的配合方便操作人员在压力发生衰减时进行手动调节，保持设定的压力值。液压千斤顶24采用扁形千斤顶，液压千斤顶24的活塞通过弹性体4接触第一端盖121，液压千斤顶24通过推动第一端盖121将力施加于超声组件3。

[0032] 再返回图1，超声组件3包括：依次连接的一换能器31、一变幅杆32和一工具头33。其中，换能器31第一端与变幅杆32第一端以及变幅杆32第二端和工具头33之间分别形成相互配合的螺纹结构并通过螺纹结构的凹凸螺纹连接，装配过程中需拧紧，保证紧密贴合，防止了能量在传递过程中产生损失。变幅杆32第二端和工具头33之间的螺纹连接结构使得工具头33能够便捷地进行更换，以适应不同的加工需求。由于工具头33的可更换性，可根据需要选用不同尺寸形状的工具头33。在工作状态时，超声组件3沿轴线方向产生超声频机械振动，激励工具头33做超声频振动。本实施例中，超声固定组件12的第一端盖121套设于换能器31的第二端；换能器31内含有一组压电陶瓷片(图中未示)，在对应换能器31压电陶瓷片位置的外壳11内固定有一散热风扇5用于换能器31的散热，在其他实施例中也可不安装此散热风扇5。散热风扇5可用万能胶与主体外壳111黏接。

[0033] 在本实施例中，超声固定组件12的第二端盖122中部形成一第一通孔，固定件113中部形成一第二通通孔；变幅杆32第二端自第一通孔和第二通孔伸出；头部外壳112罩设于变幅杆32第二端外。

[0034] 本实施例中，工具头33可穿设于一工具头固定轴115内，在其他实施例中，也可不采用工具头固定轴115，工具头33直接固定于头部固定套114内。工具头固定轴115内可拆卸地固定于头部固定套114，本实施例中，工具头固定轴115和头部固定套114之间通过螺纹结构连接。

[0035] 由于变幅杆32和工具头33震动频率较高也需要散热，外壳11的主体外壳111和/或头部外壳112开设有散热孔(图中未示)。其中头部外壳112上的散热孔靠近加工工件，打孔后，可通过直接空冷或加工时外部喷入的冷却液进行散热。

[0036] 另外，在本实施例中，超声组件3在振动节点位置与主体外壳111相连，换能器31头部和变幅杆32的振动节点位于超声组件3震动的静止位置。其中变幅杆32的震动节点约位于换能器31靠近第二端的1/3位置处，具体位置可通过相关工具(如：ANSYS)制备模拟震动效果图得到。超声组件3在振动节点处固定第一端盖121和第二端盖122与主体外壳111相连，第一端盖121和第二端盖122与主体外壳111过盈配合。

[0037] 请参结合1和图3，一超声发生器34用于向超声组件3提供电源，通过电线35由接入孔115接入连接换能器31，电线35与换能器31之间的接头用锡焊焊接防止漏电。散热风扇5的供电电源也可整合到超声发生器34的电箱中。

[0038] 本实施例中，超声发生器34具有一定范围内自动追踪频率的功能，即自动调节输出电压和电流使所连接的震动体的频率达到设定值，设定值为28KHz，高于一般市面上使用的20KHz，提供更高的能量密度。由于加工所需功率在千瓦级别，换能器31采用28KHz压电陶瓷换能器，性能更稳定。与市面上使用的20KHz的现有技术相比，本发明的超声发生器34由于具有更高的频率而使得配合使用的变幅杆32的尺寸缩小约一半，使得整个声滚压加工装置的尺寸更小，设计更为紧凑。在配合机床的加工过程中适用度更高。

[0039] 本实施例中，换能器31用于将超声发生器34产生的波动转换成沿轴向的震动。变幅杆32用于放大换能器31产生的震动幅度。变幅杆32的径向切面的两边缘曲线为贝塞尔曲线，贝塞尔曲线有四个控制点，控制点的位置会造成曲线形状的差异；用Solidworks导入曲线并建立变幅杆的三维模型，导入有限元软件计算，并在外界28KHz的条件下进行模态分析和谐响应分析；试验多次后，获得震动效果最优的尺寸曲线，即端部的放大系数较高，且应力分布较为均匀，最大应力较小。

[0040] 对于相同长度的变幅杆32，其较大端面和较小端面的比值一定时，此种曲线设计出的变幅杆32具有更大的震动放大系数和更小的应力集中，如此可得到更高的轴向位移放大倍率和更小的截面应力，使得变幅杆32具有更大的轴向振幅，并增加了变幅杆32的使用寿命。变幅杆32邻近工具头33的输出端轴向振幅为5～30μm。工具头33与待加工工件表面直接接触，发生相互作用。

[0041] 请参阅图1，弹性体4可以缓冲工具头33与工件刚性接触产生的冲击动量，形成一种“柔性”的接触。本实施例中，弹性体4的材质为复合橡胶。相较于普通弹簧，采用复合橡胶材质的弹性体4的变形系数更小，从而在相同压力作用下能够产生更小的形变，节约安装空间。

[0042] 下面对上述工具头33的具体形式进行说明：

[0043] 请参见图4，工具头33为球形滚珠式，该工具头33包括滚珠331，滚珠331固定于头部固定套114内，头部固定套114与头部外壳112螺接，变幅杆32端部螺纹连接一圆柱体，圆柱体端部抵触滚珠331，端部平面开有一包络滚珠的凹坑，凹坑沿着轴向打有一定数量的小孔，在保证震动传导的情况下减少摩擦，防止加工过程中滚珠331卡死。可根据需求设计出不同球径的滚珠331，不同的滚珠331配有不同规格的头部固定套114，具体尺寸依据试样要求而定，按图示成比例放大缩小即可。

[0044] 根据本发明的超声滚压工艺方法接下来包括将上述的适应于复杂表面的超声滚压加工装置夹持于机床，并将工具头33置于轻触工件的待处理表面的位置。

[0045] 根据本发明的超声滚压工艺方法接下来包括增压手动液压泵22，使液压管路23内的压力上升到501-2000N的范围内。相对于静压力在50-500N的现有技术而言，本发明的超声滚压工艺的静压力明显增大，从而可以加工强度更高的材料。

[0046] 根据本发明的超声滚压工艺方法接下来包括设定加持机床的运动轨迹，使得工具头33和工件的待处理表面之间产生相对移动，其中，工件进给速度设定在2～10米每分钟的范围内，加工往返次数设定为2～10次，变幅杆32的邻近工具头33的输出端轴向振幅为5～30μm。优选地，工件进给速度设定在2-5米每分钟的范围内，从而通过较低的往复进给速度来获得较好的表面质量。优选地，加工往返次数设定为2-6次，从而提高晶粒细化程度和纳米层深度。应该理解，加工往返次数也不是越多越好，因为加工次数越多会影响超声滚压工艺的效率。优选地，变幅杆32邻近工具头33的输出端轴向振幅为6～24μm。

[0047] 本发明的适应于复杂表面的超声滚压加工装置改进了各零件的连接，使之整体化程度较高；在保证强的情况下，压缩装置尺寸，使之在机床的应用上受到更小的限制；提高加压强度最高限度，使之适用于强度更高的材料，具有性能更优、适用范围更广、适用于强度较高材料的表面处理和精确控制的优点。

[0048] 在根据本发明的超声滚压工艺方法中，滚珠331的使用寿命约在30-48小时的范围内。当工件的待处理表面为平面时，滚珠331最长可以使用48小时，该滚珠331均不会出现卡死不转的情况；当工件的待处理表面为圆面时，滚珠331在使用30小时后即可更好；当工件的待处理表面为曲面时，应当根据实际情况酌情更换，例如在处理完1-2个工件后即进行更好以确保不存在卡死现象而影响处理效果。

[0049] 在特别优选的一个实施例中，滚珠331与头部固定套114之间的夹角为19°，如图5所示。该夹角示出为滚珠331与头部固定套114端口的连线与头部固定套114径向之间的夹角。通过该角度的设定，当工件的待处理表面为曲面时，可以调整工具头33的角度使得工具头33与工件的待处理表面始终保持在71°～90°的范围内，以防止剐蹭而影响工件表面质量。应该理解，该角度可以在15-24°的范围内调整。如果角度过小，导致剐蹭频发，而如果角度过大，导致强度受到影响。

[0050] 在特别优选的一个实施例中，工具头33由硬质合金(即钨钛钴类硬质合金YT15)或钢化陶瓷材料形成，从而可以对具有较高强度的工具进行处理，而且可以改善工件上形成的纳米晶层。

[0051] 对于强度硬度较高的钛合金(例如屈服强度800Mpa以上，硬度HRC50以上)或者GH4169等材料制造的工件，且工件较小(例如50*100mm以内的材料板)并对表面质量有高粗糙度要求(表面粗糙度可达0.1微米)，则滚压加工过程应选择直径小于5mm(例如3mm规格)的滚珠331。

[0052] 对于强度较高(例如屈服强度500～800MPa，硬度为HRC30左右的材料，或屈服强度300～500Mpa，硬度50HRC以上的材料)的如硬质合金材料制造的工件，如果工件滚压范围较大(例如200*500mm面积以上的规格)，粗糙度及晶粒细化程度有一定要求(例如表面粗糙度达到0.3微米)，则选用直径5mm的滚珠331。

[0053] 对于屈服强度300～500Mpa的材料，硬度30HRC左右的材料(如45钢、20号钢等)制造的工件，若对表面质量有一定要求，加工过程中一半选择8mm球径的滚珠331。

[0054] 对于铜、铝镁合金等制造的材料，质地较软，选择10mm球径的滚珠331加工即可。且若加工时长不能过长，要求快速处理的试样，即使是由钛合金等高强材料制成，同样选择10mm球径的头部，加工效果较小球径对表面粗糙度的影响较大，但增加加工遍数，塑性变形量增大，也会达到相应的晶粒细化程度，表面粗糙度约为0.4微米。

[0055] 根据本发明的超声滚压工艺方法还包括在滚珠331上涂覆润滑液，以减少工具头33与被加工工件之间的摩擦；同时带走加工产生的热量，防止加工过程中材料因温度升高对工件的材料和工具头33造成额外的影响。例如对于45钢等工具钢，此种钢耐热性能差，要求冷却液的冷却效果要好，一般采用乳化液；对于含有镍镉等元素的合金钢，采用油基或者水基切削液。处理高性能的材料如TC4等，一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液，同时在工件和被加工试样接触的部分喷淋大流量的切削液保证散热量。

[0056] 工件在超声滚压之前的晶粒如图6a所示。经滚压后，工件材料在表面形成一层致密的纳米结构表层，形成等轴状、晶粒取向呈随机分布的纳米晶，晶粒得到了很大程度的细化，表面硬度提高，表面粗糙度降低，如图6b所示。

[0057] 以上记载的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。