一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法

摘要

本发明公开一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法，包括机床主体，机床主体内传动连接有拖板箱，拖板箱的顶面两侧对称固接有加工机构，加工机构包括固接在拖板箱顶面的传动部，传动部的顶部安装有椭圆滚压件，机床主体的顶部一侧安装有机床主轴，机床主轴传动连接有固定机构，固定机构位于拖板箱的顶部，固定机构内固接有扭力轴，扭力轴位于两个椭圆滚压件之间。本发明可以有效提升高强钢扭力轴的表面质量和力学性能，提升其抗疲劳的使用寿命。

权利要求

1.一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，其特征在于：包括机床主体（1），所述机床主体（1）内传动连接有拖板箱（2），所述拖板箱（2）的顶面两侧对称固接有加工机构，所述加工机构包括固接在所述拖板箱（2）顶面的传动部，所述传动部的顶部安装有椭圆滚压件（6），所述机床主体（1）的顶部一侧安装有机床主轴（3），所述机床主轴（3）传动连接有固定机构，所述固定机构位于所述拖板箱（2）的顶部，所述固定机构内固接有扭力轴（5），所述扭力轴（5）位于两组所述椭圆滚压件（6）之间；

所述传动部包括固接在所述拖板箱（2）顶面的固定底座（14），所述固定底座（14）的一侧固接有转刀架电机（13），所述固定底座（14）的顶面转动连接有转动底座（15），所述转刀架电机（13）的输出轴穿过所述固定底座（14）并与所述转动底座（15）传动连接，所述转动底座（15）的顶面固接有滚压支撑座（16），所述滚压支撑座（16）的顶面固接有所述椭圆滚压件（6）；

所述椭圆滚压件（6）包括与所述滚压支撑座（16）顶面滑动连接的椭圆滚压本体，所述椭圆滚压本体的输出端对称固接有椭圆滚轮支撑（17），所述椭圆滚轮支撑（17）内转动连接有两个椭圆滚轮（18），四个所述椭圆滚轮（18）之间抵接有所述扭力轴（5）；

每组所述椭圆滚压件（6）内的两个所述椭圆滚轮（18）之间的夹角为60º；

与工件接触的所述椭圆滚轮（18）滚压过程中随椭圆滚压件（6）的长短轴径转动滚压工件。

2.根据权利要求1所述的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，其特征在于：所述固定底座（14）和所述转动底座（15）为八角形结构。

3.根据权利要求2所述的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，其特征在于：所述加工机构还包括固接在所述拖板箱（2）顶面的支架，所述支架位于所述固定底座（14）的一侧，所述支架上分别安装有扭力轴振幅检测器（7）、油雾润滑器（8）和螺旋加热器（9），所述扭力轴振幅检测器（7）和所述油雾润滑器（8）分别位于所述扭力轴（5）的顶部，所述螺旋加热器（9）套设在所述扭力轴（5）外侧。

4.根据权利要求3所述的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，其特征在于：所述固定机构包括与所述机床主体（1）传动连接的内花键顶尖（4），所述内花键顶尖（4）与所述机床主轴（3）传动连接，所述内花键顶尖（4）内套设有所述扭力轴（5）一端，所述固定机构还包括安装在所述拖板箱（2）顶面的尾座，所述尾座的顶尖（10）抵接有所述扭力轴（5）的另一端。

5.根据权利要求4所述的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，其特征在于：所述机床主体（1）远离所述机床主轴（3）的一侧安装有数控系统（11）和液压系统（12），所述液压系统（12）与所述椭圆滚压件（6）连通。

6.根据权利要求5所述的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：安装扭力轴（5），将扭力轴（5）安装在固定机构内；

步骤二：启动机床主轴（3）电机，使扭力轴（5）转动；

步骤三：预热扭力轴（5）待滚压段；

步骤四：移动椭圆滚压件（6）至待滚压位置；

步骤五：启动扭力轴振幅检测器（7）和油雾润滑器（8）；

步骤六：启动液压系统（12），使椭圆滚压件（6）对扭力轴（5）进行滚压；

步骤七：滚压完成后，将步骤六至一中的各元器件依次关闭。

说明书

一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及扭力轴技术领域，特别是涉及一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法。

背景技术

[0002] 特种车辆的悬挂系统多采用扭力轴机构。扭力轴作为特种车辆悬挂装置的关键零部件，车辆行驶在崎岖不平的路面上时，扭力轴在发生弹性变形和恢复的过程中吸收释放
能量，达到缓冲和减震的效果。扭力轴在工作过程中，受到集中应力、大变形、冲击突变载荷和循环交变转矩载荷的作用，容易在扭力轴圆弧处发生疲劳断裂，从而影响特种车辆的整
体使用性能和寿命。因此，提高扭力轴表面工作性能和疲劳寿命尤为重要。

[0003] 在扭力轴表面强化的诸多方法中，大多数采用滚压强化方法来提高扭力轴表面质量。滚压强化可以提高扭力轴表面硬度，使得扭力轴表面发生塑性流动，细化表面层晶粒，获得残余压应力层，提高扭力轴表面性能，一定程度上延长扭力轴使用疲劳寿命。在扭力轴滚压工艺中大多采用强力滚压方式，由于强力滚压过程中滚轮一直垂直于扭力轴线进行滚
压，经强力滚压工艺表面强化后，扭力轴圆弧处仍然容易发生疲劳断裂，且扭力轴表面粗糙度不佳。

[0004] 因此，亟需一种新型的高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法来解决上述问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床及使用方法，以解决现有技术存在的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，包括机床主体，所述机床主体内传动连接有拖板箱，所述拖板箱的顶面两侧对称固接有加工机构，所述加工机构包括固接在所述拖板箱顶面的传动部，所述传
动部的顶部安装有椭圆滚压件，所述机床主体的顶部一侧安装有机床主轴，所述机床主轴
传动连接有固定机构，所述固定机构位于所述拖板箱的顶部，所述固定机构内固接有扭力
轴，所述扭力轴位于两个所述椭圆滚压件之间。

[0007] 优选的，所述传动部包括固接在所述拖板箱顶面的固定底座，所述固定底座的一侧固接有转刀架电机，所述固定底座的顶面转动连接有转动底座，所述转刀架电机的输出
轴穿过所述固定底座并与所述转动底座传动连接，所述转动底座的顶面固接有滚压支撑
座，所述滚压支撑座的顶面固接有所述椭圆滚压件。

[0008] 优选的，所述椭圆滚压件包括与所述滚压支撑座顶面滑动连接的椭圆滚压本体，所述椭圆滚压本体的输出端对称固接有椭圆滚轮支撑，所述椭圆滚轮支撑内转动连接有椭
圆滚轮，两个所述椭圆滚轮之间抵接有所述扭力轴。

[0009] 优选的，两个所述椭圆滚轮之间的夹角为60º。

[0010] 优选的，所述固定底座和所述转动底座为八角形结构。

[0011] 优选的，所述加工机构还包括固接在所述拖板箱顶面的支架，所述支架位于所述固定底座的一侧，所述支架上分别安装有扭力轴振幅检测器、油雾润滑器和螺旋加热器，所述扭力轴振幅检测器和所述油雾润滑器分别位于所述扭力轴的顶部，所述螺旋加热器套设
在所述扭力轴外侧。

[0012] 优选的，所述固定机构包括与所述机床主体传动连接的内花键顶尖，所述内花键顶尖与所述机床主轴传动连接，所述内花键顶尖内套设有所述扭力轴一端，所述固定机构
还包括安装在所述拖板箱顶面的尾座，所述尾座的顶尖抵接有所述扭力轴的另一端。

[0013] 优选的，所述机床主体远离所述机床主轴的一侧安装有数控系统和液压系统，所述液压系统与所述椭圆滚压件连通。

[0014] 一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床的使用方法，包括以下步骤：

[0015] 步骤一：安装扭力轴，将扭力轴安装在固定机构内；

[0016] 步骤二：启动机床主轴电机，使扭力轴转动；

[0017] 步骤三：预热扭力轴待滚压段；

[0018] 步骤四：移动椭圆滚压件至待滚压位置；

[0019] 步骤五：启动扭力轴振幅检测器和油雾润滑器；

[0020] 步骤六：启动液压系统，使椭圆滚压件对扭力轴进行滚压；

[0021] 步骤七：滚压完成后，将步骤六至一中的各元器件依次关闭。

[0022] 本发明公开了以下技术效果：通过固定机构将扭力轴进行固定，加工机构对扭力轴进行预热处理，通过扭力轴两侧的椭圆滚压件对扭力轴进行滚压，在外加热场的作用下，使工件表层获得了较大的残余压应力层深，又可以通过改变椭圆滚压件的长短轴径比，实
现10‑50 较大振幅的低频声塑软化的效应，使表层产生较深的塑性变形层，增加位错密
度、细化晶粒、降低表面粗糙度，改善工件表面性能。

[0023] 本发明可以有效提升高强钢扭力轴的表面质量和力学性能，提升其抗疲劳的使用寿命。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为扭力轴示意图；

[0026] 图2为高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床的示意图；

[0027] 图3为椭圆滚压件的结构示意图；

[0028] 图4为图3中A的局部放大图；

[0029] 图5为椭圆滚压件滚压过程示意图；

[0030] 图6为小滚轮椭圆低频深滚原理图；

[0031] 图7为不同滚轮表面处理工艺下有限元仿真残余压应力曲线对比图；

[0032] 图8为不同滚轮表面处理工艺下有限元仿真塑性应变曲线对比图；

[0033] 其中，1、机床主体；2、拖板箱；3、机床主轴；4、内花键顶尖；5、扭力轴；6、椭圆滚压件；7、扭力轴振幅检测器；8、油雾润滑器；9、螺旋加热器；10、顶尖；11、数控系统；12、液压系统；13、转刀架电机；14、固定底座；15、转动底座；16、滚压支撑座；17、椭圆滚轮支撑；18、椭圆滚轮。实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0036] 参照图1‑8，本发明提供一种高强钢扭力轴的小滚轮椭圆低频深滚机床，包括机床主体1，机床主体1内传动连接有拖板箱2，拖板箱2的顶面两侧对称固接有加工机构，加工机构包括固接在拖板箱2顶面的传动部，传动部的顶部安装有椭圆滚压件6，机床主体1的顶部一侧安装有机床主轴3，机床主轴3传动连接有固定机构，固定机构位于拖板箱2的顶部，固定机构内固接有扭力轴5，扭力轴5位于两个椭圆滚压件6之间。

[0037] 通过固定机构将扭力轴5进行固定，加工机构对扭力轴5进行预热处理，通过扭力轴5两侧的椭圆滚压件6对扭力轴5进行滚压，在外加热场的作用下，使工件表层获得了较大的残余压应力层深，又可以通过改变椭圆滚压件6的长短轴径比，实现10‑50 较大振幅的
低频声塑软化的效应，使表层产生较深的塑性变形层，增加位错密度、细化晶粒、降低表面粗糙度，改善工件表面性能。

[0038] 进一步优化方案，传动部包括固接在拖板箱2顶面的固定底座14，固定底座14的一侧固接有转刀架电机13，固定底座14的顶面转动连接有转动底座15，转刀架电机13的输出
轴穿过固定底座14并与转动底座15传动连接，转动底座15的顶面固接有滚压支撑座16，滚
压支撑座16的顶面固接有椭圆滚压件6。

[0039] 进一步优化方案，椭圆滚压件6包括与滚压支撑座16顶面滑动连接的椭圆滚压本体，椭圆滚压本体的输出端对称固接有椭圆滚轮支撑17，椭圆滚轮支撑17内转动连接有椭
圆滚轮18，两个椭圆滚轮18之间抵接有扭力轴5。

[0040] 进一步优化方案，两个椭圆滚轮18之间的夹角为60º。

[0041] 进一步优化方案，固定底座14和转动底座15为八角形结构。

[0042] 拖板箱2沿机床主体1Z轴往复移动，转刀架电机13与数控系统11电性连接，转刀架电机13带动转动底座15旋转，转动底座15带动滚压支撑座16转动，滚压支撑座16带动椭圆
滚压件6实现±45º转动，扭力轴5两侧的椭圆滚压件6转动方向相反，一侧椭圆滚压件6转动
到+45°时，对应侧椭圆滚压件6转动到‑45°，并使得固定底座14和转动底座15八边形边再次对齐，从而实现四个椭圆滚轮18同时对扭力轴5两端圆弧段进行滚压；扭力轴5前后两侧椭
圆滚压件6均转动到0°时，四个椭圆滚轮18同时对扭力轴5中间圆柱段进行滚压。

[0043] 椭圆滚轮18有一个椭圆轮廓时，长轴和短轴之差为Dx1，椭圆滚轮18滚压一圈时长短轴交替变换2次；椭圆滚轮18有两个椭圆轮廓时，长轴和短轴之差相等，即Dx1=Dx2，椭圆滚轮18滚压一圈时长短轴交替变换4次；类似的，椭圆滚轮18有N个椭圆轮廓时，长轴和短轴之差分别相等，即Dx1=Dx2=……=DxN，椭圆滚轮18滚压一圈时长短轴交替变换2N次；其中
[10，50]；扭力轴5转速为N1r/min时，其转动频率为 ，椭圆滚轮18转速为N2时，四
个椭圆滚轮18各有一个椭圆轮廓时，转动频率为 ，四个椭圆滚轮18各有两个椭圆
轮廓时，转动频率为 ，四个椭圆滚轮18各有N个椭圆轮廓时，转动频率为
，实现小滚轮椭圆低频深滚与低频声塑软化。

[0044] 进一步优化方案，加工机构还包括固接在拖板箱2顶面的支架，支架位于固定底座14的一侧，支架上分别安装有扭力轴振幅检测器7、油雾润滑器8和螺旋加热器9，扭力轴振幅检测器7和油雾润滑器8分别位于扭力轴5的顶部，螺旋加热器9套设在扭力轴5外侧。

[0045] 进一步优化方案，固定机构包括与机床主体1传动连接的内花键顶尖4，内花键顶尖4与机床主轴3传动连接，内花键顶尖4内套设有扭力轴5一端，固定机构还包括安装在拖
板箱2顶面的尾座，尾座的顶尖10抵接有扭力轴5的另一端。

[0046] 进一步优化方案，机床主体1远离机床主轴3的一侧安装有数控系统11和液压系统12，液压系统12与椭圆滚压件6连通。

[0047] 一种高强钢扭力轴5的小滚轮椭圆低频深滚机床的使用方法，包括以下步骤：

[0048] 步骤一：安装扭力轴5，将扭力轴5安装在固定机构内，扭力轴5一端与内花键顶尖4共同抵持，另一端与尾座内顶尖10抵持；

[0049] 步骤二：数控系统11启动机床主轴3电机，使机床主轴3带动扭力轴5转动；

[0050] 步骤三：预热扭力轴5待滚压段，数控系统11启动螺旋加热器9，对待滚压段进行预热，螺旋加热器9温度在200℃‑250℃之间；

[0051] 步骤四：移动椭圆滚压件6至待滚压位置，数控系统11启动转刀架电机13，前侧椭圆滚压件6转动到+45°，后侧椭圆滚压件6转动到‑45°；

[0052] 步骤五：启动扭力轴振幅检测器7和油雾润滑器8，数控系统11启动扭力轴振幅检测器7和油雾润滑器8，振幅检测器用于检测扭力轴5在被滚压过程中的转动振幅，并实时反馈到液压系统12中，并通过液压系统12实时调节椭圆滚轮18的压力，减小扭力轴5转动振
幅，油雾润滑器8对滚压位置进行油雾润滑；

[0053] 步骤六：启动液压系统12，使椭圆滚压件6对扭力轴5进行滚压，四个椭圆滚轮18同时对扭力轴5左侧圆弧段进行滚压；前后侧椭圆滚压件转动到0°，对扭力轴5中间圆柱段进行滚压；前侧椭圆滚压件转动到‑45°，后侧椭圆滚压件转动到+45°时，对扭力轴5右侧圆弧段进行滚压；

[0054] 步骤七：滚压完成后，将步骤六至一中的各元器件依次关闭；液压系统12关闭，椭圆滚轮18归零，数控系统11关闭扭力轴振幅检测器7、油雾润滑器8、螺旋加热器9、机床主轴3电机，前后侧椭圆滚压件转动到0°归零。

[0055] 小滚轮椭圆低频深滚方法集成了强力滚压和超声滚压的优点，减小了滚轮直径且结构简单，椭圆滚压件在扭力轴上施加一定深滚静压力的同时，椭圆滚轮长短轴交替变化
对滚压接触面引入低频振动，结合螺旋加热器9的热软化效应，使扭力轴表面产生较大塑性变形，从而使表层材料晶粒细化，改善扭力轴表面光整效果。同时椭圆滚压件转动后垂直于扭力轴圆弧表面，不会产生相对滑动，增大了滚压接触压力，提高了扭力轴圆弧段的表面质量。

[0056] 在相同滚压力条件下，大滚轮正圆强力滚压表层最大残余压应力为‑344MPa，小滚轮正圆强力滚压表层最大残余压应力为‑232.93MPa，小滚轮椭圆低频深滚表层最大残余压应力为‑556MPa，相对前两者分别提高61.63%和139%；三种滚轮最大残余应力和层深基本一致，之后小滚轮椭圆低频深滚产生了更大的残余压应力层深。

[0057] 在相同滚压力条件下，大滚轮正圆强力滚压表层最大塑性应变率为0.06，小滚轮正圆强力滚压表层最大塑性应变率为0.99，小滚轮椭圆低频深滚表层最大塑性应变率为
1.16，相对正圆滚轮塑性变形提升较大，说明小滚轮椭圆低频深滚获得了更大的塑性变形
层，有助于表层组织晶粒细化。

[0058] 综上所述，本发明的小滚轮椭圆低频深滚强化机床结构简单，使用成本低，滚压头采用单体式，易拆卸维护方便，可以显著提高扭力轴5的残余压应力和塑性应变层深，进而提升扭力轴5整体的抗疲劳性能，对于提高扭力轴5的使用寿命和特种车辆安全系数具有极高的实用价值。

[0059] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0060] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。