專利名稱：一種平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)和加工方法
一種平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)和加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平面超聲滾壓加工方法。
背景技術(shù)：
作為一種表面改性新方法，超聲表面滾壓加工將加工頭設(shè)計為可滾動的球 體或柱體，在回轉(zhuǎn)型機械零部件表面制備一層與基體有自然過渡的納米層結(jié)構(gòu)，并同時獲 得納米級表面光潔度，從而提高其抗疲勞、磨損和耐腐蝕性能，保證機械裝備可靠安全地 運行，延長其有效服役壽命，防止其過早失效。
由于超聲表面滾壓加工的自身特點，目前的加工對象僅限于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)和零部件，應(yīng) 用受到嚴(yán)重限制。平面結(jié)構(gòu)是所有機械結(jié)構(gòu)和零部件中最常見的結(jié)構(gòu)之一，將超聲表面滾 壓加工方法的應(yīng)用推廣到平面結(jié)構(gòu)，具有重要的經(jīng)濟和實用價值，有著廣闊應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有超聲表面滾壓加工技術(shù)僅適用于回轉(zhuǎn)體而不適用 于平面結(jié)構(gòu)零部件的問題，提供一種平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)和加工方法。
本發(fā)明提供的平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)，包括一個殼體，殼體內(nèi)安裝有換能
器，換能器后部與殼體之間設(shè)置有施力部件，換能器前端連接其上安裝有可滾動的柱體工
作頭的變幅桿。
所述的執(zhí)行機構(gòu)包括全波長形式，即半波長變幅桿加半波長換能器，和半波長形式， 即1/4波長變幅桿加1/4波長換能器。
變幅桿的軸向截面呈錐臺形、階梯形或二者的組合形。
換能器為磁滯伸縮換能器或壓電陶瓷換能器。
所述的施力部件為彈簧或壓縮空氣。
一種采用上述超聲執(zhí)行機構(gòu)的平面超聲滾壓加工方法，其特征在于該方法的歩驟是 將超聲執(zhí)行機構(gòu)的柱體工作頭置于待處理工件表面，使二者之間進行橫向和縱向的相對移
動，操作條件是工件往復(fù)進給速度應(yīng)設(shè)在1 15m/min的范圍內(nèi)，執(zhí)行機構(gòu)進給量設(shè)在 0.1 2mm/min的范圍內(nèi)，加工往返次數(shù)1 15次，執(zhí)行機構(gòu)靜壓力為50 500N，超聲執(zhí) 行機構(gòu)的柱體工作頭輸出端振幅，在5 25微米的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果
本發(fā)明方法通過改變執(zhí)行機構(gòu)作用方式和試件的夾持與進給等方面因素，使得該方法 能夠用于平面結(jié)構(gòu)的處理，替代一些高成本的處理方法以及一些難于獲得滿意表面質(zhì)量的 方法，充分發(fā)揮該技術(shù)在機械結(jié)構(gòu)及零部件表面處理方面的作用。該方法與其它平面加工技術(shù)(超聲噴丸、磨削加工等)相比，具有如下優(yōu)點
(1) 該方法采用沖擊能量和靜載滾壓相結(jié)合的往復(fù)作用方式，其特點是作用力在材 料表面呈發(fā)散狀，能輻射到各個方向的組織。這使得距表層較近區(qū)域同一深度的晶粒細化 程度較其他表面強烈塑性變形(S^D)方式更為嚴(yán)重和均勻，并且容易獲得理想的表面光潔 度水平。
(2) 經(jīng)平面超聲滾壓加工后，樣品表面可形成約百微米厚度的非晶納米晶層。與傳
統(tǒng)材料相比，非晶納米晶層具有高強度、高硬度、高延展性和韌性以及優(yōu)異的耐磨和耐蝕 性等性能，且該非晶納米晶層與目前研究廣泛的非晶納米晶涂層(根據(jù)制備方法不同，厚 度為幾微米到數(shù)百微米)相比，與基體沒有明顯界限，不會產(chǎn)生剝層或分離而更具實用性。
(3) 試件材料表面硬化層更深，同時引入更大壓縮殘余應(yīng)力值和更深的壓縮殘余應(yīng)
力影響層，更大程度上改善試件的綜合力學(xué)性能。
(4) 對于較高強度材料的試件，可選擇大功率、階梯一錐臺一階梯型平面超聲滾壓 加工方法；對于狹小空間或特殊位置，可選用半波長平面超聲滾壓加工方法。該方法適用 范圍廣，受限少。


圖1平面超聲滾壓處理平板零件工作立體圖2平面超聲滾壓處理平板零件工作示意圖(壓電陶瓷式換能器)；
圖3半波長平面超聲滾壓處理小型箱體內(nèi)壁工作示意圖；圖4全波長或半波長大功率平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)；
圖5全波長或半波長階梯-錐臺-階梯型平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)；
圖6平面超聲滾壓加工局部細節(jié)示意圖7平面超聲滾壓加工40&平板表層TEM明場像及選區(qū)電子衍射花樣； 圖8平面超聲滾壓加工40Cr平板表面塑性流變層的金相照片。 以上所有附圖均以壓電陶瓷換能器為例，其中每一種形式均可換為相應(yīng)的磁滯伸縮換 能器。
其中，1代表被加工工件，2代表平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)，3代表待加工 平板，4代表滾動柱體工作頭，5代表半波長變幅桿，6代表半波長壓電陶瓷換能器，7代 表彈簧或壓縮空氣所施靜壓力，8代表超聲波發(fā)生器，9代表彈簧或壓縮空氣所施靜壓力， 10代表l/4波長壓電陶瓷換能器，11代表l/4波長變幅桿，12代表柱體工作頭，13代表 小型箱體內(nèi)壁，14代表彈簧或壓縮空氣所施靜壓力，15代表大功率半波長或1/4波長換 能器，16代表大功率半波長或l/4波長變幅桿，17代表柱體工作頭，18代表彈簧或壓縮 空氣所施靜壓力，19代表半波長或1/4波長換能器，20代表半波長或1/4波長階梯-錐臺 -階梯變幅桿，21代表柱體工作頭。
具體實施方式

實施例1、加工裝置如圖1-3所示，平面超聲滾壓加工處理裝置由加工電源(即超聲波發(fā)生器)和本發(fā)明提供的超聲執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成。其中工作頭的設(shè)計是本發(fā)明的獨創(chuàng)部分。采用半數(shù)字或全數(shù)字化超聲波發(fā)生器，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻振蕩，以供給執(zhí)行機構(gòu)能量；執(zhí)行機構(gòu)包括全波長(半波長變幅桿+半波長換能器)和半波長(1/4 波長變幅桿+ 1/4波長換能器)兩種形式。采用半波長(或l/4波長)磁滯伸縮換能器或 半波長(或l/4波長)壓電陶瓷換能器，其作用是將高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成機械振動；半 波長(或l/4波長)變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動振幅，以滿足超聲加工 的需要；最主要的是設(shè)計了可滾動的柱體工作頭，端部柱體分別選用了不同材質(zhì)制作，并 設(shè)計了一系列不同的直徑，可根據(jù)待加工試件軟硬程度、加工部位尺寸、表面質(zhì)量要求以 及生產(chǎn)效率等因素進行選擇。此外，在執(zhí)行機構(gòu)的底部可用彈簧或壓縮空氣為加工過程提 供靜壓力，壓縮空氣還能起到冷卻裝置的作用。除圖1 3中所示的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行機構(gòu)之外，本發(fā)明還設(shè)計了多種實施方式:l)大功率全 波長、半波長平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)；2)階梯一錐臺一階梯型全波長、半波長平面 超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)。下面以壓電陶瓷換能器平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)為例具體說明，磁致伸縮換能器平 面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)與其原理相似，對于原理不同處將予以單獨說明。1) 大功率全波長、半波長平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)。換能器部分的壓電陶瓷片由偶數(shù)片構(gòu)成，因此陶瓷的片數(shù)從2片至12片即可有效提 高輸出功率50% 300%，而執(zhí)行機構(gòu)整體重量僅增加10% 30%。詳見圖4。對于磁致 伸縮換能器執(zhí)行機構(gòu)，其輸出功率的提高通過增大驅(qū)動磁場強度即增大驅(qū)動電流的方式實 現(xiàn)。2) 階梯一錐臺一階梯型全波長、半波長平面超聲滾壓加工執(zhí)行機構(gòu)。 單一錐度形狀變幅桿存在著放大系數(shù)相對小或形狀因數(shù)小等缺點，而單一的階梯型變幅桿由于界面存在突變而引起的應(yīng)力集中，使用時自身也會產(chǎn)生疲勞等一系列問題，因此 本方案設(shè)計了全新的變幅桿，采用階梯一錐臺一階梯型過渡，有效的降低了界面突變引起 的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時保證了較大的放大系數(shù)。具體形式見圖5。實施例2、加工方法使用平面超聲滾壓加工方法應(yīng)根據(jù)待加工材料的材質(zhì)、表面質(zhì)量要求以及生產(chǎn)效率等 因素來綜合選擇相應(yīng)的工藝參數(shù)和工作頭材質(zhì)以及尺寸。為了保證經(jīng)加工后能夠獲得具有 足夠尺寸精度的機械零部件，還需要在粗加工時考慮預(yù)留一定的擠壓余量。此外，應(yīng)根據(jù) 加工材料的不同選擇對應(yīng)的潤滑液，減少工作頭與被加工工件之間的摩擦。 本發(fā)明超聲執(zhí)行機構(gòu)安裝于機床上處理工件平面時的操作1) 工件往復(fù)進給速度應(yīng)設(shè)在1 15m/min的范圍內(nèi)，較低的往復(fù)進給速度容易獲得較好 的表面質(zhì)量；2) 執(zhí)行機構(gòu)橫向進給量設(shè)在0.1 2mm/min左右的范圍內(nèi)，較低的橫向進給容易獲得較 好的表面質(zhì)量；3) 加工往返次數(shù)一般為1 15次，重復(fù)加工會加深表面納米層深度和晶粒細化程度，但 是加工次數(shù)過多會影響工件的表面質(zhì)量和加工效率；4) 執(zhí)行機構(gòu)靜壓力為50 500N,較大的靜壓力會加深表面納米層深度和晶粒細化程度，但是靜壓力過大會影響工件的表面質(zhì)量； 5)平面超聲滾壓加工處理工作頭輸出端振幅， 一般為5 25微米的范圍內(nèi)。 工作頭類型及相應(yīng)尺寸的選擇對于鋼材或鈦合金以及鑄鐵、鎳基高溫合金等較硬金屬材料制造機械零部件，平面超 聲滾壓加工過程應(yīng)選用直徑相對較小的柱體工作頭， 一般在2 10mm的范圍內(nèi)。加工頭 材質(zhì)一般應(yīng)為硬質(zhì)合金，如果希望獲得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各種陶瓷 (包括金屬化陶瓷)、金鋼石、非晶態(tài)合金等，工作頭硬度越高則納米化加工處理過程越 容易實施。對于鋁、銅合金、鎂合金等較軟金屬材料制造的機械零部件，平面超聲滾壓加工處理 過程應(yīng)選用直徑相對較大的柱體工作頭， 一般在10 20mm的范圍內(nèi)。加工頭材質(zhì)一般應(yīng) 為工具鋼或硬質(zhì)合金。具體加工實例 實例1500mmx500mmx300mm的調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr箱體內(nèi)壁(厚20mm)，用平面超聲滾壓加工 方法對其進行表面處理，主要技術(shù)參數(shù)如下工件往復(fù)進給速度為2m/min;工作頭橫向進給量為0.2mm/min;靜壓力300N;加工 3次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬質(zhì)合金材料，滾柱直徑為10mm;工作 頭輸出端超聲振幅為IO微米。實驗結(jié)果如圖7所示，經(jīng)平面超聲滾壓加工后，最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶 粒尺寸約為7nm，與原始晶粒尺寸(大約14^un)相比晶粒細化了約2000倍；處理后樣品 硬度明顯增大，與顯微組織未發(fā)生變化的心部相比，表面硬度提高約1.7倍；表面粗糙度 / a為0.03，比處理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成815MPa的壓縮殘余應(yīng)力。 耐磨對比實驗結(jié)果表明與磨光加工樣品相比，超聲表面滾壓納米化加工處理樣品的摩擦 系數(shù)明顯降低，磨損重量只有前者的1/6，磨損率降低100 500倍。實例2300mmx200mmxl5mm的鈦合金平板工件，用平面超聲滾壓加工方法對其進行表面處 理，主要技術(shù)參數(shù)如下工件往復(fù)進給速度為3m/min;工作頭橫向進給量為0.2mm/min;靜壓力500N;加工 3次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬質(zhì)合金材料，滾柱直徑為10mm;工作 頭輸出端超聲振幅為IO微米。實驗結(jié)果表面粗糙度/ "為0.05;產(chǎn)生了約1.5mm的殘余壓縮應(yīng)力層。實例3400mmx400mmx30mm ZLD201A鑄鋁軸，用平面超聲滾壓加工方法對其進行表面處 理，主要技術(shù)參數(shù)如下工件往復(fù)進給速度為5m/miii;工作頭橫向進給量為0.5mm/min;靜壓力50N;加工2 次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬質(zhì)合金材料，滾柱直徑為15mm;工作頭 輸出端超聲振幅為IO微米。實驗結(jié)果表面粗糙度及^為0.28;產(chǎn)生了約2.2!!1111的壓縮應(yīng)力層。
權(quán)利要求
1、一種平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于該超聲執(zhí)行機構(gòu)包括一個殼體，殼體內(nèi)安裝有換能器，換能器后部與殼體之間設(shè)置有施力部件，換能器前端連接其上安裝有可滾動的柱體工作頭的變幅桿。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于變幅桿的軸向截面呈錐臺形、 階梯形或二者的組合形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述的執(zhí)行機構(gòu)包括全波 長形式，即半波長變幅桿加半波長換能器，和半波長形式，即1/4波長變幅桿加1/4波長 換能器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述的換能器為磁滯伸縮換能 器或壓電陶瓷換能器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于所述的施力部件為彈簧或 壓縮空氣。
6、 一種采用權(quán)利要求1所述的超聲執(zhí)行機構(gòu)的平面超聲滾壓加工方法，其特征在于 該方法的步驟是將超聲執(zhí)行機構(gòu)的柱體工作頭置于待處理工件表面，使二者之間進行橫 向和縱向的相對移動，操作條件是工件往復(fù)進給速度應(yīng)設(shè)在1 15m/min的范H內(nèi)，執(zhí) 行機構(gòu)進給量設(shè)在0.1 2mm/min的范圍內(nèi)，加工往返次數(shù)1 15次，執(zhí)行機構(gòu)靜Hi力為 50 '500N,超聲執(zhí)行機構(gòu)的柱體工作頭輸出端振幅，在5 25微米的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種平面超聲滾壓加工用超聲執(zhí)行機構(gòu)和加工方法。該超聲執(zhí)行機構(gòu)，包括殼體，殼體內(nèi)的換能器，換能器后部的施力部件，以及換能器前端連接的其上安裝有可滾動的柱體工作頭的變幅桿。該超聲執(zhí)行機構(gòu)包括全波長和半波長兩種形式，變幅桿的軸向截面呈錐臺形、階梯形或二者的組合形。加工方法是將超聲執(zhí)行機構(gòu)的柱體工作頭置于待處理工件表面，使二者之間進行橫向和縱向的相對移動工件往復(fù)進給速度1～15m/min，執(zhí)行機構(gòu)進給量在0.1～2mm/min，執(zhí)行機構(gòu)靜壓力為50～500N，柱體工作頭輸出端振幅5～25微米。該方法采用沖擊能量和靜載滾壓相結(jié)合的往復(fù)作用方式，容易獲得理想的表面光潔度水平。該方法適用范圍廣，受限少。
文檔編號B23P9/00GK101219512SQ20081005219
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者吳良晨, 尹丹青, 婷 王, 王東坡, 鄧彩艷 申請人:天津大學(xué)