一种超声振动滚压加工装置的制作方法

本申请涉及超声滚压加工的
技术领域：
，尤其涉及一种超声振动滚压加工装置。
背景技术：
：超声振动滚压技术是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。加工工作头沿工件表面法线方向施加一定幅度的超声频机械振动，在一定进给条件下，工作头将静压力和超声频振动传递到旋转的机械零部件表面，产生冲挤作用而使金属材料得到强化。工件表面由于产生了塑性变形，一方面，工件表面凹凸不平的部分因此被压平，使其表面粗糙度变小，如果调整到合适的超声滚压加工参数下进行加工，工件表面粗糙度是可能降低到纳米水平的。另一方面，由超声振动产生的撞击与预紧力产生的挤压相结合的作用，金属表面发生剧烈而的塑性变形，这将使金属工具的外表面和内部出现的大量错位和滑移，导致表层一些晶粒。因此，细化形成强度较高的超细晶结构层，提高了金属表面的综合性能指标。另外，因为工件表面在滚压工具头加工过程中是被均匀压缩的，所以，在产生表面硬化的效果的同时，也会是被压缩的表面出现数值较高的残余应力，这有利于提高工件表面的的抗疲劳性和耐磨性。超声振动滚压技术是利用超声振动的原理，将超声波发生器与滚压工具头相结合，对工件表面进行表面强化和光整加工，超声振动发生器产生超声振动，通过变幅杆等装置放大后传递给工具头，这样工具头就能在对工件表面进行滚压加工时产生微幅的高速撞击，经过微幅高速撞击后的工件表面的材料产生比普通滚压更为剧烈的塑性变形，晶粒强化的效果也得到明显的增强，从而起到辅助滚压的作用。总的来说，它相比于传统加工，主要有以下几个优点：1)相比于单纯的滚压和其他表面强化技术，能够使加工表面获得更好的光洁度；2)装置中工具头使用的是可以滚动的高硬度材料，这使使用寿命和加工效率都得到了增强；3)动态的冲击与静态载荷的结合有助于工具头位置的调节，使其能够加工不同外形的表面。超声表面滚压加工的参数的影响因素，包括：静压力、振动强度和在各种加工的参数下对表面层重复加工的次数，改变上述几个参数对超声滚压加工的质量都有很大的影响，国内有很多研究者已针对多种不同材料进行了研究、实验，并得出了很有实际生产参考价值的结论与数据。超声表面滚压强化技术能够增强普通滚压表面加工对轴类等机械传动零部件的耐磨性和其他表面质量的改善作用，对于机械加工、航空航天，车辆等工程领域来说是非常具有潜力的一项技术。特别是对于一些硬度较高的轴类零件、支撑类零件使用超声辅助进行滚压加工将大大的省时省力。超声表面滚压技术是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。常规超声振动滚压设备的结构图如附图8所示，首先由超声波发生器产生电信号传递至换能器，根据压电效应产生一定振幅的振动，传递给变幅杆后，根据客户要求对振动幅度进行放大，然后再将振幅放大后的超声振动传递工具头，工具头因此产生一定幅度的超声振动。工具头一般是由硬度较大的材料制成的滚轮或滚珠，装置工作时，工具头的轴线与工件表面方向一致，并在这个方向上与工件进行连续的撞击。另外，工具头与工件表面的接触有一定的静压力，并且可以根据加工的质量要求来通过预紧装置调节静压力。装置的进给速度也是可以调节的，进给速度的快慢对加工的效果同样也有着较大影响，加工过程中，在一定的进给速度下，工具头与所要加工的机械零部件表面接触、撞击，使材料产生弹、塑性变形。工件表面在滚压工具头加工过程中是被均匀压缩的，所以在产生表面硬化的效果的同时，也会是被压缩的表面出现数值较高的残余应力，这有利于提高工件表面的的抗疲劳性和耐磨性。但是，现有的超声滚压加工的设备具有换能器、变幅杆等部件，使得常规的超声滚压加工设备具有体积庞大、便携性差的技术缺陷。技术实现要素：有鉴于此，本申请提供了一种超声振动滚压加工装置，结构简单，能对微细部件进行超声振动滚压加工。本申请的超声振动滚压加工装置包括：振动金属板，所述振动金属板为方形板，所述振动金属板的顶端延伸有凸起块，所述振动金属板的第一面固定有紧固件，所述紧固件设有通孔；夹板，所述夹板上开有通槽，所述振动金属板通过所述通孔和所述通槽与所述夹板固定连接；滚压工具头，所述滚压工具头与所述凸起块连接；压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置在所述振动金属板的第二面上，超声波发生器，所述超声波发生器与所述压电陶瓷片的上表面连接，所述超声波发生器与所述振动金属板连接。作为优选，所述紧固件为紧固板，所述紧固板上设有通孔，所述通孔的形状与所述通槽的形状相配合，使得所述紧固板通过所述通孔和螺栓与所述夹板的通槽固定连接。作为优选，所述超声振动滚压加工装置还设有固定板和固定螺栓，所述固定板垂直固定在所述夹板的一端，所述固定板上还设有螺孔，所述螺孔的形状与所述固定螺栓的形状相配合，使得所述固定螺栓穿过所述螺孔固定所述振动金属板的位置。作为优选，所述压电陶瓷片为压电双晶片。作为优选，所述压电陶瓷片通过粘合剂贴合在所述振动金属板的第二面上。作为优选，所述超声波发生器的正极通过导线与所述压电陶瓷片的上表面连接，所述超声波发生器的负极通过导线与所述振动金属板连接。作为优选，所述滚压工具头与所述凸起块刚性连接。具体的，所述滚压工具头与所述凸起块焊接。作为优选，所述滚压工具头与所述凸起块可拆卸连接。具体的，所述滚压工具头与所述凸起块卡扣连接。作为优选，所述凸起块为两块。作为优选，所述通槽的数量为两条，两条所述通槽相互平行的设置在所述夹板上。作为优选，所述通孔的数量为4个，所述通孔两两对称设置，且所述通孔的位置与所述通槽的位置相匹配，使得所述紧固板通过所述通孔与所述夹板的通槽固定连接。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请实施例中，提供了一种超声振动滚压加工装置，包括振动金属板、夹板、滚压工具头、压电陶瓷片和超声波发生器。本申请所设计的超声振动滚压加工装置采用的是振动金属板取代常规装置的换能器部分，并且在本申请的超声振动滚压加工装置中，没有设置与变幅杆的作用相当的装置，同时将滚压工具头直接与振动金属板连接，提高了本申请的超声振动滚压加工装置的便携性，也使得本申请的装置适用于加工微细零部件。本申请的超声振动滚压加工装置使用时，将待加工的工件固定于车床上做回转运动，将本申请的装置固定在工件需要加工的位置，启动超声波发生器，由超声波发生器将正弦波电信号接到安装在振动金属板的压电陶瓷片上，压电陶瓷片根据压电效应产生一定振动幅度和频率的超声振动，因为压电陶瓷片与振动金属板连接，因此整块振动金属板也会因此产生超声振动，并直接传递给滚压工具头，进而对工件的加工区域进行超声振动滚压加工。这也使桌式超声振动滚压加工装置的生产制造有了一定的可能，而且，本申请的超声振动滚压加工装置的加工生产的工序也同样得到了简化，适合于批量化生产。附图说明图1为本申请实施例中超声振动滚压加工装置的结构图；图2为图1中振动金属板的侧视图；图3为图1中振动金属板的正视图；图4为图1中振动金属板的俯视图；图5为图1中振动金属板与夹板和固定板的安装结构侧视图；图6为图1中振动金属板与夹板和固定板的安装结构俯视图；图7为本申请实施例中另一种超声振动滚压加工装置的结构图；图8为常规的超声振动滚压加工装置的结构图；图9为本申请实施例中一种超声振动滚压加工装置的有限元模拟分析图。其中，附图标记为，车床1、工件2、滚压工具头3、振动金属板4、夹板5、压电陶瓷片6、凸起块7、紧固件8、超声波发生器9、通孔10、通槽11、固定板12、固定螺栓13、螺孔14、螺栓15、铜电极16、工作头17、变幅杆18、超声换能器19、超声发生器20。具体实施方式下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，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，都属于本申请实施例保护的范围。在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。应理解，本申请应用于工件进行超声振动滚压加工过程中，请参阅图1，图1为本申请实施例中超声振动滚压加工装置的结构图，如图1所示，图1中包括振动金属板4，振动金属板4为方形板，振动金属板4的顶端延伸有凸起块7，振动金属板的第一面a固定有紧固件8，紧固件8设有通孔10；夹板5，夹板5上开有通槽11，振动金属板4通过通孔10和通槽11与夹板5固定连接；滚压工具头3，滚压工具头3与凸起块7连接；压电陶瓷片6，压电陶瓷片6设置在振动金属板的第二面b上，超声波发生器9，超声波发生器9与压电陶瓷片6的上表面连接，超声波发生器9与振动金属板4连接。本申请设计了一种超声振动滚压加工装置，使用时，将待加工的工件2固定于车床1，使得工件2在车床1做回转运动，然后将本实施例的超声振动滚压加工装置安装在车床1上，使得滚压工具头3对准工件2的加工区域，启动超声波发生器9，由超声波发生器9将正弦波电信号接到安装在振动金属板4的压电陶瓷片6上，压电陶瓷片6根据压电效应产生一定振动幅度和频率的超声振动，因为压电陶瓷片6与振动金属板4连接，因此整块振动金属板4也会因此产生超声振动，并直接传递给滚压工具头3，进而对工件的加工区域进行超声振动滚压加工。为了便于理解，请参阅图2-图4，图2为图1中振动金属板的侧视图，图3为图1中振动金属板的正视图，图4为图1中振动金属板的俯视图，如图5-6所示，图5为图1中振动金属板与夹板和固定板的安装结构侧视图，图6为图1中振动金属板与夹板和固定板的安装结构俯视图，振动金属板的紧固件8为紧固板，紧固板上设有通孔10，通孔10的形状与通槽11的形状相配合，使得紧固板通过通孔10和螺栓15与夹板的通槽11固定连接。本实施例的超声振动滚压加工装置还设有固定板12和固定螺栓13，固定板12垂直固定在夹板5的一端，固定板12上还设有螺孔14，螺孔14的形状与固定螺栓13的形状相配合，使得固定螺栓13穿过螺孔14固定振动金属板4的位置。夹板5的通槽11为能让螺栓15的螺钉头沉头的槽，深度根据螺栓15的螺钉头的情况确定。具体的，依据所选压电陶瓷片6的尺寸，确定了振动金属板4的尺寸，其模型图如图所示。本申请的振动金属板4选用的是45号钢作为振动金属板4的材料，对45号钢毛胚进行粗铣成长宽高96×66×14mm，使用锉刀对工件表面的毛刺和较粗糙出进行打磨。固定板12垂直固定在夹板5的一端形成l型钢材，固定板12和夹板5所用的材料为q235。固定板12的中央开一个螺孔14，其螺孔14的直径根据固定螺栓13的外径确定。固定螺栓13用于限制振动金属板4的水平方向的移动。为了便于理解，请参阅图7，图7为本申请实施例中另一种超声振动滚压加工装置的结构图，固定螺栓13穿过螺孔14固定振动金属板4的位置。进一步的，本实施例的压电陶瓷片6为压电双晶片。压电双晶片为两块陶瓷片分别贴于铜电极16的上下面，且它们的极化方向一致，压电双晶片的极化方向是一致的，因此，接线方式采用并联型，加交流电后整块振动金属板4能产生弯曲振动。进一步的，本实施例的压电陶瓷片6通过粘合剂贴合在振动金属板的第二面b上。进一步的，本实施例的滚压工具头3，选用的材料为高速钢，在考虑到加工的难易程度的基础上将滚压工具头3的滚轮部分，与振动金属板4的凸起块7焊接。进一步的，本实施例的超声波发生器的正极通过导线与压电陶瓷片6的上表面连接，超声波发生器的负极通过导线与振动金属板4连接。以此形成回路，产生振动。进一步的，本实施例的凸起块为两块；通槽11的数量为两条，两条通槽11相互平行的设置在夹板5上；通孔10的数量为4个，通孔10两两对称设置，且通孔10的位置与通槽11的位置相匹配，使得紧固板通过通孔10与夹板的通槽11固定连接。夹板5的两通槽11相距的宽度与通孔10相配合。通孔10与通槽11的尺寸相配合，两者的定位的尺寸相对精准，需首先进行划线标记，再打孔。打完孔后，使用攻丝的手柄手工攻丝，使用的是规格为m4的丝锥。对本实用新型实施例的超声振动滚压加工装置进行有限元模拟分析，步骤如下：通过仿真软件的编程先对45号钢金属建立模型，并输入输入材料性能参数，然后在振动金属板4的表面贴上压电陶瓷片6(pzt压电陶瓷片)，尺寸规格也是通过编专用代码来建立，之后选择的是p5的压电陶瓷材料，材料参数如表所示。表1pzt压电陶瓷的基本参数材料型号机电耦合系数介电常数介质损耗压电常数居里温度p5>0.5117000.5280×12c/n3900模型建立后，划分好网格后，以压电陶瓷片6上为正极，下方振动金属板4为负极加上正弦波形的超声信号，频率选择的为20khz，电压大小为200v。结果如图9所示，输入正弦波形的超声信号后，不同颜色区域代表该尺寸区域所受到的压力值不同。本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3