一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，包括在殼體內(nèi)依次設(shè)置有施力裝置、壓電陶瓷換能器、與壓電陶瓷換能器連接頂端帶有工作頭的變幅桿，所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用0.5-3mm，為全波長和半波長兩種形式。本發(fā)明的有益效果是：能夠有效改變現(xiàn)有壓電式超聲表面加工裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，在顯著降低其負(fù)載阻抗并加大其諧振帶寬、改善頻率跟蹤條件、提高有效功率輸出的同時(shí)，大幅降低裝置的工作電壓，從而保障操作安全。另外，換能器散熱條件的改善也可以使負(fù)載阻抗降低，同時(shí)延長換能器的使用壽命。
【專利說明】一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲表面滾壓加工方法將加工頭設(shè)計(jì)為可滾動(dòng)的球體或柱體或其陣列，在機(jī)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(shí)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(jī)械裝備可靠安全地運(yùn)行，延長其有效服役壽命，防止其過早失效，具有重要的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值，有著廣闊應(yīng)用前景。隨著該方法的不斷使用，對其性能的改進(jìn)提出了新的要求。
[0003]現(xiàn)有的全波長和半波長兩種設(shè)計(jì)方式的壓電式超聲表面滾壓加工裝置的裝置均屬于大電壓低電流的工作方式，例如中國專 利申請?zhí)枮?00810052196.3公開的一種半波長壓電式超聲表面滾壓加工裝置的裝置，瞬間失諧電壓可達(dá)上千伏，極不安全，尤其是在水下環(huán)境沖擊作業(yè)時(shí)，對操作人員的人身安全造成極大威脅。同時(shí)處于該種工作方式的負(fù)載阻抗一般比較大，諧振頻帶相對較窄，頻率跟蹤條件極為苛刻，致使系統(tǒng)無法始終工作在最佳諧振狀態(tài)，從而大大降低了有效功率的輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于改變現(xiàn)有壓電式超聲沖擊裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，提供一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，該裝置包括:殼體，在殼體內(nèi)從底部向外依次設(shè)置有施力裝置、壓電陶瓷換能器、在壓電陶瓷換能器上連接頂端帶有工作頭的變幅桿，所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用0.5-3mm。
[0006]所述超聲表面滾壓加工裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿的全波長形式和1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿的半波長形式。
[0007]所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)陣列。
[0008]所述施力裝置為壓縮空氣或彈簧。
[0009]所述變幅桿的軸向截面呈階梯、錐臺或其組合。
[0010]所述裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為3mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)的陣列工作頭。
[0011]所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為1.5mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)的陣列工作頭。
[0012]所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為30片、厚度為0.75mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)工作頭。
[0013]所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為20片、厚度為2mm ;所述工作頭為柱體滾動(dòng)加工頭。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲表面滾壓加工裝置能夠有效改變現(xiàn)有壓電式超聲表面加工裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，在顯著降低其負(fù)載阻抗并加大其諧振帶寬、改善頻率跟蹤條件，提高有效功率輸出的同時(shí)，大幅降低裝置的工作電壓，從而保障操作安全。另外，換能器散熱條件的改善也可以使負(fù)載阻抗降低，同時(shí)延長換能器的使用壽命。
[0015]半波長低電壓大電流壓電式超聲表 面滾壓加工裝置具有重量輕、體積小適應(yīng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對于管壁、內(nèi)環(huán)槽等的處理更加理想，必要時(shí)可改為單手持握式操作。
[0016]階梯一錐臺一階梯型全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲表面滾壓加工方法能夠有效提高輸出功率，可用來處理較高強(qiáng)度材質(zhì)的零部件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是低電壓大電流壓電式全波長超聲表面球體滾壓加工裝置示意圖；
[0018]圖2是滾動(dòng)工作頭及陣列示意圖；
[0019]圖3是低電壓大電流壓電式半波長超聲表面球體滾壓加工裝置的階梯-錐臺-階梯型示意圖；
[0020]圖4是低電壓大電流壓電式半波長超聲表面球體滾壓加工裝置處理管道內(nèi)壁示意圖；
[0021]圖5是低電壓大電流壓電式全波長超聲表面球體滾壓加工不意圖。
[0022]其中:1、壓縮空氣或彈簧靜壓力，2、半波長壓電陶瓷換能器，3、半波長變幅桿，4、球體滾動(dòng)工作頭，5、球體滾動(dòng)工作頭，6、柱體滾動(dòng)工作頭，7、球體滾動(dòng)工作頭陣列，8、柱體滾動(dòng)工作頭陣列，9、壓縮空氣或彈簧靜壓力，10、1/4波長壓電陶瓷換能器，11、1/4波長變幅桿，12、球體滾動(dòng)工作頭，13、壓縮空氣或彈簧靜壓力，14、1/4波長壓電陶瓷換能器，15、1/4波長變幅桿，16、球體滾動(dòng)加工頭，17、被加工管壁，18、待加工平板試件，19、柱體滾動(dòng)加工頭，20、半波長變幅桿，21、半波長壓電陶瓷換能器，22、壓縮空氣或彈簧靜壓力。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0024]A、加工裝置
[0025]如圖1所示一種低電壓大電流壓電式全波長超聲表面球體滾壓加工裝置，包括在殼體內(nèi)設(shè)置有施力裝置1、半波長壓電陶瓷換能器2、一端連接在所述壓電陶瓷換能器2上的半波長變幅桿3、在半波長變幅桿3另一端設(shè)有的工作頭4，所述施力裝置I為壓縮空氣或彈簧靜壓力，所述工作頭4為如圖2所示的球體滾動(dòng)工作頭5，或可更換為柱體滾動(dòng)工作頭6或球體滾動(dòng)工作頭陣列7、柱體滾動(dòng)工作頭陣列8，所述半波長壓電陶瓷換能器2的片數(shù)為14片，厚度為3mm。
[0026]對于壓電式換能器，是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)低電壓大電流超聲技術(shù)部分，改變了現(xiàn)有技術(shù)的壓電陶瓷片的個(gè)數(shù)的普遍選用值，現(xiàn)有技術(shù)中陶瓷片一般選擇4一6片，本發(fā)明在大量的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓電陶瓷片的個(gè)數(shù)增加為原來的η倍，負(fù)載阻抗降低為原來的1/η2，相同電流情況下，輸出的振幅變?yōu)樵瓉淼腎/η ;壓電陶瓷片的厚度減少為原來的1/η，負(fù)載阻抗降低為原來的1/n2，相同電流情況下，輸出的振幅變?yōu)樵瓉淼腎/η。因此，通過增加壓電陶瓷片的個(gè)數(shù)和減少陶瓷片的厚度可以有效降低負(fù)載阻抗，改善系統(tǒng)頻率跟蹤的條件，大幅提高有效功率的輸出，從而在獲得相同輸出功率的前提下顯著降低輸出電壓，甚至可以達(dá)到諧振電壓僅為幾個(gè)伏特的超低電壓工作方式。由于整個(gè)系統(tǒng)的功率并不改變，電流的可調(diào)節(jié)范圍將會(huì)大大增加。
[0027]另外，該種方法在不改變晶堆總體直徑和厚度的同時(shí)，加大了銅極的面積，因此有利于換能器散熱，防止其因散熱不良而造成的阻抗上升和換能器老化。
[0028]晶堆一般選用14?30片壓電陶瓷片，陶瓷片數(shù)量為偶數(shù)，單片厚度一般為0.5?3mm。該種工作方式下，系統(tǒng)瞬間失諧的峰值電壓不超過90伏，大大提高了操作安全系數(shù)，輸出功率50?450W連續(xù)可調(diào)，電流最大可調(diào)節(jié)至100A。由于單位電流值所提供的振幅同比例下降，為了獲得相同的振幅，必須同比例地增大電流，因此，該超聲表面球體滾壓加工裝置工作在低電壓大電流的狀態(tài)。
[0029]超聲表面球體滾壓加工裝置采用半數(shù)字或全數(shù)字化超聲波發(fā)生器作為加工電源，其作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻振蕩，以供給工作頭能量；采用半波長或1/4波長壓電換能器，其作用是將高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)；半波長或1/4波長變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動(dòng)振幅，以滿足超聲加工的需要；可滾動(dòng)的球體或柱體工作頭被設(shè)計(jì)為不同材質(zhì)和一系列不同的直徑以及相應(yīng)的陣列，如圖2所示，圖中5為球體滾動(dòng)工作頭，6為柱體滾動(dòng)工作頭，7為球體滾動(dòng)工作頭陣列，8為柱體滾動(dòng)工作頭陣列，應(yīng)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(jìn)行選擇。此外，在裝置的底部可用彈簧或壓縮空氣為加工過程提高靜壓力，壓縮空氣還能起到冷卻裝置的作用。
[0030]本發(fā)明超聲表面球體滾壓加工裝置還有除圖1中所示的標(biāo)準(zhǔn)全波長的超聲表面球體滾壓加工裝置外多種實(shí)施方式，如圖3所示半波長超聲表面球體滾壓加工裝置，包括:1/4波長壓電陶瓷換能器10、1/4波長變幅桿11，回轉(zhuǎn)半徑小于150_，作為施力裝置的壓縮空氣或彈簧靜壓力9，工作頭12為球體滾動(dòng)可更換為柱體或相應(yīng)的球體、柱體陣列滾動(dòng)工作頭，所述1/4波長壓電陶瓷換能器10的陶瓷片數(shù)為14片、厚度為1.5_。
[0031]單一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(diǎn)，而單一的階梯型變幅桿由于界面存在突變會(huì)引起應(yīng)力集中，使用時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生疲勞等一系列問題，因此，如圖3所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了半波長或1/4波長階梯一錐臺一階梯過渡型變幅桿，有效的降低了界面突變引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)保證了較大的放大系數(shù)。
[0032]半波長低電壓大電流壓電式超聲表面滾壓加工裝置具有重量輕、體積小適應(yīng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對于管壁、內(nèi)環(huán)槽等的處理更加理想，必要時(shí)可改為單手持握式操作。
[0033]圖4是低電壓大電流壓電式半波長超聲表面球體滾壓加工裝置處理管道內(nèi)壁加工示意圖，13為壓縮空氣或彈簧靜壓力，14為低電壓大電流1/4波長壓電陶瓷換能器，15為1/4波長變幅桿，16為滾動(dòng)球體加工頭，17為被加工管壁，所述1/4波長壓電陶瓷換能器的陶瓷片為30片、厚度為0.75mm。
[0034]圖5是低電壓大電流壓電式全波長超聲表面球體滾壓加工不意圖，18為待加工平板試件，圖中給出了被加工平板加工前和加工后的圖示，19為柱體滾動(dòng)加工頭，20為半波長變幅桿，21為低電壓大電流半波長壓電陶瓷換能器，22為壓縮空氣或彈簧靜壓力，所述半波長壓電陶瓷換能器的陶瓷片數(shù)為20片、厚度為2_。
[0035]B、加工方法
[0036]使用全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲表面滾壓加工方法應(yīng)根據(jù)待加工材料的形狀尺寸、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)。球體工作頭及其陣列適合于回轉(zhuǎn)型機(jī)械零部件；而對于平板工件，則應(yīng)選擇柱體滾動(dòng)工作頭及其陣列。對于狹小的加工空間或特殊的處理位置，應(yīng)選擇半波長處理裝置；而對于較高強(qiáng)度級別的工件，應(yīng)選擇階梯-錐臺-階梯型處理裝置。此外為了保證經(jīng)表面加工后能夠獲得具有足夠尺寸精度的機(jī)械零部件，還需要考慮在前一道工序粗車時(shí)預(yù)留一定的擠壓余量。
[0037]實(shí)施例1:
[0038]內(nèi)徑為200mm,壁厚IOmm的調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼管,用低電壓大電流半波長壓電式超聲表面球體滾壓加工方法對其內(nèi)表面進(jìn)行處理，如圖4所示，主要技術(shù)參數(shù)如下:
[0039]機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為255r/min ;工作頭進(jìn)給量為0.25mm /r ;靜壓力200N ;往復(fù)加工2次；選用乳化液冷卻；工作頭選用硬制合金材料，球體直徑為IOmm ;工作頭輸出端超聲振幅為10微米。
[0040]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:加工后，樣品表面形成了近百微米的納米晶層。最外層表面晶粒呈等軸狀，且隨機(jī)分布，平均晶粒尺寸約為7nm，而原始晶粒尺寸大約10 μ m ;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2倍；表面粗糙度Ra為0.02，比處理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成SOOMPa的殘余壓縮應(yīng)力。耐磨對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與磨光加工樣品相比，超聲表面滾壓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。
[0041]實(shí)施例2:
[0042]厚度為40mm的鈦合金平板，用階梯-錐臺-階梯型低電壓大電流全波長超聲表面柱體滾壓加工方法對其進(jìn)行表面處理，如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)如下:
[0043]機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為225r/min，工作頭軸向進(jìn)給量為0.25mm/r，靜壓力800N，加工3次，選用乳化冷卻液作為潤滑液，工作頭選用硬制合金材料，滾柱直徑為10mm，工作頭輸出端超聲振幅為15微米。
[0044]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為15nm,表面粗糖度為Ra為0.11，表面硬度提高約1.8倍，表面形成635MPa的殘余壓縮應(yīng)力。
【權(quán)利要求】
1.一種低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，該裝置包括:殼體，在殼體內(nèi)從底部向外依次設(shè)置有施力裝置、壓電陶瓷換能器、在壓電陶瓷換能器上連接頂端帶有工作頭的變幅桿，其特征是:所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用0.5-3_。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述超聲表面滾壓加工裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿的全波長形式和1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿的半波長形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述施力裝置為壓縮空氣或彈簧。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述變幅桿的軸向截面呈階梯、錐臺或其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為3mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)的陣列工作頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為1.5mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)、柱體滾動(dòng)或相應(yīng)的陣列工作頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或·2所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為30片、厚度為0.75mm ;所述工作頭為球體滾動(dòng)工作頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低電壓大電流超聲表面滾壓加工裝置，其特征是:所述裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為20片、厚度為2mm ;所述工作頭為柱體滾動(dòng)加工頭。
【文檔編號】C21D7/04GK103436675SQ201310307625
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】王東坡, 王穎, 王婷, 吳良晨, 尹丹青, 鄧彩艷 申請人:天津大學(xué)