超聲滾壓工藝方法與流程

本發(fā)明涉及金屬表面處理裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲滾壓工藝方法。

背景技術(shù)：

表面滾壓強(qiáng)化是一種較好的表面強(qiáng)化手段，其可在零部件表面制備出細(xì)密的納米層，提高材料各方面性能系數(shù)；也可在受損的工件表面，例如飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片，對已投入使用的此類部件進(jìn)行二次修復(fù)，延長服役周期，并同時獲得納米級的表面光潔度，對于降低零件表面的粗糙度、引入殘余壓應(yīng)力，改善零件的耐腐蝕、耐磨性和抗疲勞性能均具有重要意義。

超聲滾壓加工是利用超聲沖擊能量和靜載滾壓相結(jié)合的工作方法，是一種更高效的處理方式。在現(xiàn)有的超聲和滾壓結(jié)合的加工工具頭中，一種是把滾壓刀具固定在旋轉(zhuǎn)架上，處理軸向和徑向的表面；另一種是把施力部件結(jié)合滾動的柱體工作頭，可處理平面表面。將超聲表面滾壓方法推廣到曲面結(jié)構(gòu)，具有重要的經(jīng)濟(jì)實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的超聲滾壓工藝方法普遍具有量程范圍較小，其加工范圍無法滿足較高強(qiáng)度材料實驗所需強(qiáng)度要求。且現(xiàn)有的超聲滾壓加工裝置的用于固定頭部工具頭的頭部外殼與外殼主體一體成型或不可拆卸地固定連接，在使用一段時間后頭部外殼便會出現(xiàn)磨損但無法更換的情況，造成工具頭松落，無法再起固定作用；且磨損后的現(xiàn)有裝置會影響加工的精度，如設(shè)定相同的參數(shù)在同種材料表面處理一段時間后，將得到的結(jié)果各不相同。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種超聲滾壓工藝方法，具有效率高、能量損失少、體積小、使用壽命長、散熱性好、靈活性高、通用性好和重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種超聲滾壓工藝方法，包括如下步驟：S1，提供一種適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置，包括：一殼體組件；一液壓組件；以及一超聲組件，所述超聲組件固定于所述殼體組件內(nèi)并連接所述液壓組件，所述超聲組件包括：一換能器，所述換能器連接有一超聲發(fā)生器；一變幅桿，其徑向切面的兩邊緣曲線為貝塞爾曲線；所述變幅桿的第一端連接于所述換能器的第一端；和一工具頭，所述工具頭可拆卸地連接于所述變幅桿的第二端；S2，將所述的適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置夾持于機(jī)床，并將工具頭置于輕觸工件的待處理表面的位置；S3，調(diào)節(jié)所述液壓組件使其輸出100-2000N的靜壓力；S4，調(diào)節(jié)超聲組件使變幅桿的鄰近工具頭的輸出端軸向振幅為5～30μm；同時設(shè)定機(jī)床的運(yùn)動軌跡進(jìn)行超聲滾壓加工。

優(yōu)選地，所述液壓組件包括：依次連接的一液壓泵、一液壓管路和一液壓千斤頂，一液壓表設(shè)置于所述液壓管路上，所述液壓千斤頂固定于所述殼體組件內(nèi)并鄰近所述換能器的第二端。

優(yōu)選地，所述液壓千斤頂與所述換能器之間設(shè)置有一彈性體，所述彈性體的材質(zhì)為復(fù)合橡膠。

優(yōu)選地，所述殼體組件包括：一外殼和一超聲固定組件，所述超聲組件通過所述超聲固定組件安裝于所述外殼內(nèi)；所述超聲固定組件包括一空心套筒和位于所述空心套筒兩端的第一端蓋和第二端蓋；所述第一端蓋套設(shè)于所述換能器的第二端，所述彈性體設(shè)置于所述液壓千斤頂與所述第一端蓋之間；所述第二端蓋中部形成一第一通孔，所述變幅桿的一第二端自所述第一通孔伸出。

優(yōu)選地，所述外殼包括一主體外殼、一頭部外殼和一固定件；所述主體外殼一體成型；所述固定件中部形成第二通孔；所述固定件連接所述主體外殼并與所述主體外殼配合形成一安裝空間，所述超聲組件設(shè)置于所述安裝空間內(nèi)；所述變幅桿第二端自所述第一通孔和所述第二通孔伸出；所述頭部外殼可拆卸地連接于所述主體外殼并罩設(shè)于所述變幅桿第二端外。

優(yōu)選地，所述外殼還包括一頭部固定套，所述頭部固定套可拆卸地固定于所述頭部外殼的端部。

優(yōu)選地，所述工具頭包括滾珠，滾珠固定于頭部固定套內(nèi)，變幅桿端部螺紋連接一圓柱體，圓柱體端部抵觸滾珠，端部平面開有一包絡(luò)滾珠的凹坑。

優(yōu)選地，所述超聲發(fā)生器的設(shè)定值為28KHz。

優(yōu)選地，工件進(jìn)給速度設(shè)定在2～10米每分鐘的范圍內(nèi)，加工往返次數(shù)設(shè)定為2～10次。

優(yōu)選地，變幅桿的鄰近工具頭的輸出端軸向振幅為6～24μm。

本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下有益效果：

超聲發(fā)生器用于提供電源。換能器用于將超聲發(fā)生器產(chǎn)生的波動轉(zhuǎn)換成沿軸向的震動。變幅桿用于放大換能器產(chǎn)生的震動幅度。工具頭與待加工工件表面直接接觸，發(fā)生相互作用。變幅桿的徑向切面的兩邊緣曲線為貝塞爾曲線，如此可得到更高的軸向位移放大倍率和更小的截面應(yīng)力。工具頭可拆卸地連接于所述變幅桿，使得工具頭能夠便捷地進(jìn)行更換。液壓表的采用方便了對液壓管路壓力的實時監(jiān)測，方便操作人員在壓力發(fā)生衰減時進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，保持設(shè)定的壓力值。相較于普通彈簧，采用復(fù)合橡膠材質(zhì)的彈性體的變形系數(shù)更小，從而在相同壓力作用下能夠產(chǎn)生更小的形變，節(jié)約安裝空間。鏤空部的采用能夠在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕裝置的重量。頭部固定套可拆卸地固定于所述頭部外殼的端部，使得頭部固定套在使用的過程中發(fā)生磨損時能夠進(jìn)行便捷地替換，減少了裝置的維護(hù)成本，保證了加工過程的精度。主體外殼一體成型，減少了連接部分，能夠減少由于連接部產(chǎn)生的聲波衰減或干擾。散熱風(fēng)扇和散熱孔都用于對超聲組件進(jìn)行散熱降溫。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置的超聲組件和殼體組件的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的液壓組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的超聲發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例一種的工具頭與頭部固定套的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的一個實施例中的滾珠與頭部固定套之間的夾角的示意圖；

圖6a為工件在超聲滾壓之前的晶粒示意圖；

圖6b為工件在超聲滾壓之后的晶粒示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法首先包括提供一種適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置。請參閱圖1，本發(fā)明的一種適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置，包括：一殼體組件1、一液壓組件2以及一超聲組件3，其中，液壓組件2的一部分和超聲組件3固定于殼體組件1內(nèi)，且液壓組件2的該部分通過彈性體4抵觸超聲組件3，超聲組件3呈臥式結(jié)構(gòu)。

具體來說，殼體組件1包括：一外殼11和一超聲固定組件12，超聲組件3通過超聲固定組件12安裝于外殼11內(nèi)。

本實施例中，外殼11包括一主體外殼111、一頭部外殼112和一固定件113，固定件113、頭部外殼112都套接于主體外殼111的一端，再由螺栓沿徑向固定，使之沒有軸向移動。其中，主體外殼111一體成型，減少了連接部分，能夠減少由于連接部產(chǎn)生的聲波衰減或干擾。固定件113與主體外殼111配合形成一安裝空間，超聲組件3設(shè)置于安裝空間內(nèi)。本實施例中，外殼11還包括一頭部固定套114，頭部固定套114可拆卸地固定于頭部外殼112的端部，使得頭部固定套114在使用的過程中發(fā)生磨損時能夠進(jìn)行便捷地替換，減少了裝置的維護(hù)成本，保證了加工過程的精度。

本實施例中，超聲固定組件12包括：一第一端蓋121、一第二端蓋122和一空心套筒123，第一端蓋121和第二端蓋122通過螺栓固定在空心套筒123的兩端，空心套筒123的側(cè)壁開設(shè)至少一鏤空部(圖中未示)，能夠在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕裝置的重量，本實施例中，鏤空部采用橢圓孔。第一端蓋121和第二端蓋122連接主體外殼111。

請結(jié)合圖1和圖2，液壓組件2包括：一液壓表21、依次連接的一液壓泵22、一液壓管路23和一液壓千斤頂24。

本實施例中，液壓表21位于液壓管路23前端，可實時監(jiān)測施壓狀態(tài)。液壓泵22采用手動泵，若有在加工過程中壓力有小幅度變化，可及時調(diào)整。液壓表21和手動泵的配合方便操作人員在壓力發(fā)生衰減時進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，保持設(shè)定的壓力值。液壓千斤頂24采用扁形千斤頂，液壓千斤頂24的活塞通過彈性體4接觸第一端蓋121，液壓千斤頂24通過推動第一端蓋121將力施加于超聲組件3。

再返回圖1，超聲組件3包括：依次連接的一換能器31、一變幅桿32和一工具頭33。其中，換能器31第一端與變幅桿32第一端以及變幅桿32第二端和工具頭33之間分別形成相互配合的螺紋結(jié)構(gòu)并通過螺紋結(jié)構(gòu)的凹凸螺紋連接，裝配過程中需擰緊，保證緊密貼合，防止了能量在傳遞過程中產(chǎn)生損失。變幅桿32第二端和工具頭33之間的螺紋連接結(jié)構(gòu)使得工具頭33能夠便捷地進(jìn)行更換，以適應(yīng)不同的加工需求。由于工具頭33的可更換性，可根據(jù)需要選用不同尺寸形狀的工具頭33。在工作狀態(tài)時，超聲組件3沿軸線方向產(chǎn)生超聲頻機(jī)械振動，激勵工具頭33做超聲頻振動。本實施例中，超聲固定組件12的第一端蓋121套設(shè)于換能器31的第二端；換能器31內(nèi)含有一組壓電陶瓷片(圖中未示)，在對應(yīng)換能器31壓電陶瓷片位置的外殼11內(nèi)固定有一散熱風(fēng)扇5用于換能器31的散熱，在其他實施例中也可不安裝此散熱風(fēng)扇5。散熱風(fēng)扇5可用萬能膠與主體外殼111黏接。

在本實施例中，超聲固定組件12的第二端蓋122中部形成一第一通孔，固定件113中部形成一第二通通孔；變幅桿32第二端自第一通孔和第二通孔伸出；頭部外殼112罩設(shè)于變幅桿32第二端外。

本實施例中，工具頭33可穿設(shè)于一工具頭固定軸115內(nèi)，在其他實施例中，也可不采用工具頭固定軸115，工具頭33直接固定于頭部固定套114內(nèi)。工具頭固定軸115內(nèi)可拆卸地固定于頭部固定套114，本實施例中，工具頭固定軸115和頭部固定套114之間通過螺紋結(jié)構(gòu)連接。

由于變幅桿32和工具頭33震動頻率較高也需要散熱，外殼11的主體外殼111和/或頭部外殼112開設(shè)有散熱孔(圖中未示)。其中頭部外殼112上的散熱孔靠近加工工件，打孔后，可通過直接空冷或加工時外部噴入的冷卻液進(jìn)行散熱。

另外，在本實施例中，超聲組件3在振動節(jié)點(diǎn)位置與主體外殼111相連，換能器31頭部和變幅桿32的振動節(jié)點(diǎn)位于超聲組件3震動的靜止位置。其中變幅桿32的震動節(jié)點(diǎn)約位于換能器31靠近第二端的1/3位置處，具體位置可通過相關(guān)工具(如：ANSYS)制備模擬震動效果圖得到。超聲組件3在振動節(jié)點(diǎn)處固定第一端蓋121和第二端蓋122與主體外殼111相連，第一端蓋121和第二端蓋122與主體外殼111過盈配合。

請參結(jié)合1和圖3，一超聲發(fā)生器34用于向超聲組件3提供電源，通過電線35由接入孔115接入連接換能器31，電線35與換能器31之間的接頭用錫焊焊接防止漏電。散熱風(fēng)扇5的供電電源也可整合到超聲發(fā)生器34的電箱中。

本實施例中，超聲發(fā)生器34具有一定范圍內(nèi)自動追蹤頻率的功能，即自動調(diào)節(jié)輸出電壓和電流使所連接的震動體的頻率達(dá)到設(shè)定值，設(shè)定值為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級別，換能器31采用28KHz壓電陶瓷換能器，性能更穩(wěn)定。與市面上使用的20KHz的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的超聲發(fā)生器34由于具有更高的頻率而使得配合使用的變幅桿32的尺寸縮小約一半，使得整個聲滾壓加工裝置的尺寸更小，設(shè)計更為緊湊。在配合機(jī)床的加工過程中適用度更高。

本實施例中，換能器31用于將超聲發(fā)生器34產(chǎn)生的波動轉(zhuǎn)換成沿軸向的震動。變幅桿32用于放大換能器31產(chǎn)生的震動幅度。變幅桿32的徑向切面的兩邊緣曲線為貝塞爾曲線，貝塞爾曲線有四個控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的位置會造成曲線形狀的差異；用Solidworks導(dǎo)入曲線并建立變幅桿的三維模型，導(dǎo)入有限元軟件計算，并在外界28KHz的條件下進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析；試驗多次后，獲得震動效果最優(yōu)的尺寸曲線，即端部的放大系數(shù)較高，且應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力較小。

對于相同長度的變幅桿32，其較大端面和較小端面的比值一定時，此種曲線設(shè)計出的變幅桿32具有更大的震動放大系數(shù)和更小的應(yīng)力集中，如此可得到更高的軸向位移放大倍率和更小的截面應(yīng)力，使得變幅桿32具有更大的軸向振幅，并增加了變幅桿32的使用壽命。變幅桿32鄰近工具頭33的輸出端軸向振幅為5～30μm。工具頭33與待加工工件表面直接接觸，發(fā)生相互作用。

請參閱圖1，彈性體4可以緩沖工具頭33與工件剛性接觸產(chǎn)生的沖擊動量，形成一種“柔性”的接觸。本實施例中，彈性體4的材質(zhì)為復(fù)合橡膠。相較于普通彈簧，采用復(fù)合橡膠材質(zhì)的彈性體4的變形系數(shù)更小，從而在相同壓力作用下能夠產(chǎn)生更小的形變，節(jié)約安裝空間。

下面對上述工具頭33的具體形式進(jìn)行說明：

請參見圖4，工具頭33為球形滾珠式，該工具頭33包括滾珠331，滾珠331固定于頭部固定套114內(nèi)，頭部固定套114與頭部外殼112螺接，變幅桿32端部螺紋連接一圓柱體，圓柱體端部抵觸滾珠331，端部平面開有一包絡(luò)滾珠的凹坑，凹坑沿著軸向打有一定數(shù)量的小孔，在保證震動傳導(dǎo)的情況下減少摩擦，防止加工過程中滾珠331卡死。可根據(jù)需求設(shè)計出不同球徑的滾珠331，不同的滾珠331配有不同規(guī)格的頭部固定套114，具體尺寸依據(jù)試樣要求而定，按圖示成比例放大縮小即可。

根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法接下來包括將上述的適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置夾持于機(jī)床，并將工具頭33置于輕觸工件的待處理表面的位置。

根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法接下來包括增壓手動液壓泵22，使液壓管路23內(nèi)的壓力上升到501-2000N的范圍內(nèi)。相對于靜壓力在50-500N的現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明的超聲滾壓工藝的靜壓力明顯增大，從而可以加工強(qiáng)度更高的材料。

根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法接下來包括設(shè)定加持機(jī)床的運(yùn)動軌跡，使得工具頭33和工件的待處理表面之間產(chǎn)生相對移動，其中，工件進(jìn)給速度設(shè)定在2～10米每分鐘的范圍內(nèi)，加工往返次數(shù)設(shè)定為2～10次，變幅桿32的鄰近工具頭33的輸出端軸向振幅為5～30μm。優(yōu)選地，工件進(jìn)給速度設(shè)定在2-5米每分鐘的范圍內(nèi)，從而通過較低的往復(fù)進(jìn)給速度來獲得較好的表面質(zhì)量。優(yōu)選地，加工往返次數(shù)設(shè)定為2-6次，從而提高晶粒細(xì)化程度和納米層深度。應(yīng)該理解，加工往返次數(shù)也不是越多越好，因為加工次數(shù)越多會影響超聲滾壓工藝的效率。優(yōu)選地，變幅桿32鄰近工具頭33的輸出端軸向振幅為6～24μm。

本發(fā)明的適應(yīng)于復(fù)雜表面的超聲滾壓加工裝置改進(jìn)了各零件的連接，使之整體化程度較高；在保證強(qiáng)的情況下，壓縮裝置尺寸，使之在機(jī)床的應(yīng)用上受到更小的限制；提高加壓強(qiáng)度最高限度，使之適用于強(qiáng)度更高的材料，具有性能更優(yōu)、適用范圍更廣、適用于強(qiáng)度較高材料的表面處理和精確控制的優(yōu)點(diǎn)。

在根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法中，滾珠331的使用壽命約在30-48小時的范圍內(nèi)。當(dāng)工件的待處理表面為平面時，滾珠331最長可以使用48小時，該滾珠331均不會出現(xiàn)卡死不轉(zhuǎn)的情況；當(dāng)工件的待處理表面為圓面時，滾珠331在使用30小時后即可更好；當(dāng)工件的待處理表面為曲面時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況酌情更換，例如在處理完1-2個工件后即進(jìn)行更好以確保不存在卡死現(xiàn)象而影響處理效果。

在特別優(yōu)選的一個實施例中，滾珠331與頭部固定套114之間的夾角為19°，如圖5所示。該夾角示出為滾珠331與頭部固定套114端口的連線與頭部固定套114徑向之間的夾角。通過該角度的設(shè)定，當(dāng)工件的待處理表面為曲面時，可以調(diào)整工具頭33的角度使得工具頭33與工件的待處理表面始終保持在71°～90°的范圍內(nèi)，以防止剮蹭而影響工件表面質(zhì)量。應(yīng)該理解，該角度可以在15-24°的范圍內(nèi)調(diào)整。如果角度過小，導(dǎo)致剮蹭頻發(fā)，而如果角度過大，導(dǎo)致強(qiáng)度受到影響。

在特別優(yōu)選的一個實施例中，工具頭33由硬質(zhì)合金(即鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金YT15)或鋼化陶瓷材料形成，從而可以對具有較高強(qiáng)度的工具進(jìn)行處理，而且可以改善工件上形成的納米晶層。

對于強(qiáng)度硬度較高的鈦合金(例如屈服強(qiáng)度800Mpa以上，硬度HRC50以上)或者GH4169等材料制造的工件，且工件較小(例如50*100mm以內(nèi)的材料板)并對表面質(zhì)量有高粗糙度要求(表面粗糙度可達(dá)0.1微米)，則滾壓加工過程應(yīng)選擇直徑小于5mm(例如3mm規(guī)格)的滾珠331。

對于強(qiáng)度較高(例如屈服強(qiáng)度500～800MPa，硬度為HRC30左右的材料，或屈服強(qiáng)度300～500Mpa，硬度50HRC以上的材料)的如硬質(zhì)合金材料制造的工件，如果工件滾壓范圍較大(例如200*500mm面積以上的規(guī)格)，粗糙度及晶粒細(xì)化程度有一定要求(例如表面粗糙度達(dá)到0.3微米)，則選用直徑5mm的滾珠331。

對于屈服強(qiáng)度300～500Mpa的材料，硬度30HRC左右的材料(如45鋼、20號鋼等)制造的工件，若對表面質(zhì)量有一定要求，加工過程中一半選擇8mm球徑的滾珠331。

對于銅、鋁鎂合金等制造的材料，質(zhì)地較軟，選擇10mm球徑的滾珠331加工即可。且若加工時長不能過長，要求快速處理的試樣，即使是由鈦合金等高強(qiáng)材料制成，同樣選擇10mm球徑的頭部，加工效果較小球徑對表面粗糙度的影響較大，但增加加工遍數(shù)，塑性變形量增大，也會達(dá)到相應(yīng)的晶粒細(xì)化程度，表面粗糙度約為0.4微米。

根據(jù)本發(fā)明的超聲滾壓工藝方法還包括在滾珠331上涂覆潤滑液，以減少工具頭33與被加工工件之間的摩擦；同時帶走加工產(chǎn)生的熱量，防止加工過程中材料因溫度升高對工件的材料和工具頭33造成額外的影響。例如對于45鋼等工具鋼，此種鋼耐熱性能差，要求冷卻液的冷卻效果要好，一般采用乳化液；對于含有鎳鎘等元素的合金鋼，采用油基或者水基切削液。處理高性能的材料如TC4等，一般選用含有抗磨添加劑的油基切削液，同時在工件和被加工試樣接觸的部分噴淋大流量的切削液保證散熱量。

工件在超聲滾壓之前的晶粒如圖6a所示。經(jīng)滾壓后，工件材料在表面形成一層致密的納米結(jié)構(gòu)表層，形成等軸狀、晶粒取向呈隨機(jī)分布的納米晶，晶粒得到了很大程度的細(xì)化，表面硬度提高，表面粗糙度降低，如圖6b所示。

以上記載的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。