專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置及用其進(jìn)行零件表面光整的振動(dòng)擠壓加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于普通車(chē)床、鏜床及數(shù)控機(jī)床，對(duì)零件內(nèi)、外表面進(jìn)行強(qiáng)化光 整加工的超聲橢圓振動(dòng)擠壓工藝方法。采用雙路超聲電源提供給超聲換能器超聲頻率的激 勵(lì)，使擠壓頭相對(duì)零件表面做橢圓軌跡的運(yùn)動(dòng)，在完成零件表面的強(qiáng)化光整加工的同時(shí)，大 大減小了擠壓力和擠壓頭與零件之間的摩擦，提高了擠壓頭的使用壽命。
背景技術(shù)：
擠壓加工是一項(xiàng)常用的表面強(qiáng)化及光整的工藝方法，其大多用于回轉(zhuǎn)零件的內(nèi)、 外表面加工，常作為最后一道機(jī)械加工工序應(yīng)用于對(duì)零件表面強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)及表面質(zhì)量 有較高要求的場(chǎng)合。超聲振動(dòng)加工作為一種非傳統(tǒng)的加工方法最早是由R. W. Wood和A. L. Balaunth 在1927年提出的，1979年日本的隈部淳一郎教授的專(zhuān)著《精密加工——振動(dòng)切削基礎(chǔ)與應(yīng) 用》中對(duì)超聲振動(dòng)加工做出了系統(tǒng)的描述和總結(jié)，并對(duì)振動(dòng)加工進(jìn)行了分類(lèi)。1986年，日本 學(xué)者石川健一首先提出用“橢圓振動(dòng)切削方法”(elliptical vibration cutting)對(duì)聚合 物進(jìn)行切削。20世紀(jì)90年代初，日本神戶(hù)大學(xué)的社本英二教授等人對(duì)超聲橢圓振動(dòng)切削技 術(shù)進(jìn)行了深入研究。德國(guó)Fraimhofer研究中心和不萊梅大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所也都 曾先后進(jìn)行了超聲橢圓振動(dòng)切削的研究。隨著振動(dòng)加工技術(shù)的日益成熟，這種加工方式也被引入了擠壓工藝。目前，已經(jīng)出 現(xiàn)超聲單向振動(dòng)擠壓工藝，在實(shí)驗(yàn)室研究中取得了一定進(jìn)展。研究表明，普通擠壓工藝擠壓 力大，摩擦嚴(yán)重，在強(qiáng)化零件表層的同時(shí)，很容易造成表面質(zhì)量惡化，增大表面粗糙度，擠壓 頭壽命短。而且由于擠壓力大，幾乎無(wú)法對(duì)薄壁類(lèi)零件及細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件進(jìn)行加工，大大阻礙了 擠壓工藝的應(yīng)用。超聲單向振動(dòng)擠壓技術(shù)，擠壓力得到大大下降，擠壓頭與零件之間的摩擦 減小，擠壓頭壽命延長(zhǎng)，零件表面質(zhì)量得到大幅度提高。但是，超聲單向擠壓工藝具有單純沖擊作用，這使得擠壓頭在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)都 會(huì)受到一次沖擊，這種沖擊雖然減小了摩擦，但卻使擠壓頭容易造成沖擊破損，因此擠壓頭 的壽命延長(zhǎng)有限，甚至在振動(dòng)參數(shù)不適當(dāng)?shù)那闆r下，還會(huì)嚴(yán)重縮短擠壓頭的壽命。本發(fā)明針對(duì)普通擠壓工藝方法和超聲振動(dòng)擠壓工藝方法的不足，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的 需要，提出適用于各種普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的超聲橢圓振動(dòng)擠壓工藝方法，在降低擠壓力 的同時(shí)，可以有效地延長(zhǎng)擠壓頭的壽命，減少擠壓頭的磨損和沖擊破損，并可應(yīng)用于薄壁類(lèi) 零件和細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件。配合工藝方法設(shè)計(jì)出了用于加工的雙彎超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)普通擠壓工藝方法和超聲單向振動(dòng)擠壓工藝方法的缺 陷，改善使用擠壓工藝方法加工薄壁類(lèi)零件和細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件的局限，在擠壓過(guò)程中，于擠壓頭 上附加超聲橢圓振動(dòng)，使擠壓頭在激勵(lì)源的驅(qū)動(dòng)下，相對(duì)零件加工表面做橢圓軌跡的運(yùn)動(dòng)，從而一方面利用超聲振動(dòng)的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應(yīng)用于薄壁類(lèi)零件 和細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件；另一方面利用橢圓振動(dòng)的分離特性和運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)，避免正面直接沖擊，減 小甚至消除擠壓頭與零件被加工表面的滑動(dòng)摩擦，由此降低了零件的被加工表面的表面粗 糙度，延長(zhǎng)了擠壓頭的壽命。本發(fā)明的一種能夠?qū)α慵砻孢M(jìn)行強(qiáng)化光整的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置，該裝置包 括有一個(gè)變幅桿、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的A激勵(lì)源、B激勵(lì)源、C激勵(lì)源和D激勵(lì)源和一個(gè)擠壓用 具；所述擠壓用具包括有連接件、金剛石和頂絲，金剛石安裝在連接件一端的一通孔內(nèi)，且 用頂絲頂緊，連接件的另一端安裝在變幅桿的輸出段的定位槽上；所述A激勵(lì)源包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶瓷片之間，且相疊；所述變幅桿為一體加工成型件，變幅桿上設(shè)有激勵(lì)段、聚能段、階梯變幅段和輸出 段；激勵(lì)段上設(shè)有A凹槽、B凹槽、C凹槽和D凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)均設(shè)有用于固定螺釘?shù)穆菁y 孔；A凹槽用于安裝A激勵(lì)源，B凹槽用于安裝B激勵(lì)源，C凹槽用于安裝C激勵(lì)源，D凹槽 用于安裝D激勵(lì)源；輸出段的端面上開(kāi)有定位槽，該定位槽上開(kāi)有安裝孔，所述安裝孔用于 與連接件的另一端連接；變幅桿的尾部端面的中心開(kāi)有連接孔，該連接孔用于將超聲橢圓 振動(dòng)擠壓裝置與機(jī)床的刀夾連接。變幅桿上的激勵(lì)段和聚能段的長(zhǎng)度相等。變幅桿的聚能 段和輸出段的聲阻抗為Zn = P ncnSn。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置進(jìn)行零件表面光整的振動(dòng)擠壓加工方 法，其特征在于包括有下列步驟(A)調(diào)節(jié)零件與金剛石擠壓頭的位置；軌跡所在平面與零件加工點(diǎn)所在平面成α 角為30° 60°的夾角，即擠壓接觸角為30° 60° ；(B)設(shè)置超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的加工參數(shù)；超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置輸出的振動(dòng) 頻率為18ΚΗζ 25ΚΗζ，擠壓頭接觸零件的時(shí)間為不大于1/72000秒；超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝
f jc = 4 sinty / Vx = Α,ωζο^,ω
置的振動(dòng)軌跡為 ，， m ,速度方程式為y ^ ( t隊(duì),金剛石擠壓頭 [y = A2 sm( t-θ)[Vy = Α2ωcos(a t-θ)
的合成速度的絕對(duì)值為巧=Jvx2+V； = ω^ι cos2^y i + 4Cos2Ciyi-^)；(C)開(kāi)啟潤(rùn)滑冷卻液，開(kāi)動(dòng)機(jī)床，振動(dòng)擠壓加工開(kāi)始。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置采用雙彎超聲橢圓壓電換能器將超聲頻的激勵(lì)通過(guò)變幅 桿的變幅放大作用而施加于擠壓頭，一方面由于換能器體積小巧，可以根據(jù)零件的特點(diǎn)選 擇換能器的擺放角度和位置，另一方面由于超聲橢圓振動(dòng)使擠壓頭與零件的接觸時(shí)間減 少，并利于冷卻潤(rùn)滑液進(jìn)入擠壓頭和零件之間的空隙，充分冷卻和潤(rùn)滑擠壓頭，因此可以加 工硬度大于HRC40的任意金屬零件。此外，雙彎超聲橢圓換能器中的兩個(gè)方向的壓電陶瓷都是在換能器和變幅桿中產(chǎn) 生彎曲振動(dòng)和彎曲波，因此其振動(dòng)固有頻率和波長(zhǎng)相同，相互之間的干擾較小，耦合效應(yīng)小 于其他形式的雙路超聲換能器，易于實(shí)現(xiàn)兩路振動(dòng)的協(xié)調(diào)。采用壓電陶瓷換能器，使換能器 在不減小功率的情況下，體積大幅度減小，發(fā)熱量也極大減少，有利于實(shí)際生產(chǎn)的使用。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置進(jìn)行零件表面光整的振動(dòng)擠壓加工方 法中，一方面利用超聲振動(dòng)的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應(yīng)用于薄壁類(lèi)零
4件和細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件；另一方面利用橢圓振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)，避免擠壓頭與零件之間的正面 直接沖擊，減小甚至消除了擠壓頭與零件被加工表面的滑動(dòng)摩擦，由此降低零件的被加工 表面的表面粗糙度，即提高了工件表面的光整，同時(shí)又延長(zhǎng)了擠壓頭的使用壽命。


圖1是本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖IA是本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的分解圖。圖2是本發(fā)明變幅桿的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置與工件的加工位置示意圖。圖4是加工時(shí)采用本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。圖4A是加工時(shí)本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置與工作加工面的幾何關(guān)系示意圖。圖5是本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1、圖IA所示，本發(fā)明是一種能夠?qū)α慵砻孢M(jìn)行強(qiáng)化光整的超聲橢圓振 動(dòng)擠壓裝置，該裝置包括有一個(gè)變幅桿5、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的激勵(lì)源(A激勵(lì)源1、B激勵(lì)源2、 C激勵(lì)源3和D激勵(lì)源4)和一個(gè)擠壓用具；所述擠壓用具包括有連接件6、金剛石7和頂絲 8，金剛石7 (下文也稱(chēng)金剛石擠壓頭)安裝在連接件6 —端的通孔內(nèi)，且用頂絲8頂緊，連 接件6的另一端安裝在變幅桿5的輸出段504的定位槽541內(nèi)。參見(jiàn)圖1、圖IA所示，A激勵(lì)源1包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶 瓷片之間，即為疊加放置。在本發(fā)明中，設(shè)計(jì)不同的A激勵(lì)源1結(jié)構(gòu)，是由于變幅桿5作為 電源負(fù)極，故A激勵(lì)源1的兩個(gè)外側(cè)為陶瓷片。本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置在工 作過(guò)程中，銅片與加載電源的正極相連，而陶瓷片直接與金屬材質(zhì)的變幅桿5相接觸，因此 變幅桿5能夠作為了電源負(fù)極。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置進(jìn)行大功率的振動(dòng)擠壓加工，本發(fā) 明的激勵(lì)源也可以采用多片陶瓷片與多片銅片相疊加的形式，如四片陶瓷片，則應(yīng)有三片 銅片。參見(jiàn)圖1、圖1A、圖2所示，金屬材質(zhì)的變幅桿5為一體加工成型件，變幅桿5上設(shè) 有激勵(lì)段501、聚能段502、階梯變幅段503和輸出段504 ；其中，激勵(lì)段501的長(zhǎng)度與聚能 段502的長(zhǎng)度相等。激勵(lì)段501上設(shè)有A凹槽51、B凹槽52、C凹槽53和D凹槽54，每個(gè)凹槽內(nèi)均設(shè) 有用于固定螺釘?shù)穆菁y孔；A凹槽51用于安裝A激勵(lì)源1，B凹槽52用于安裝B激勵(lì)源2， C凹槽53用于安裝C激勵(lì)源3，D凹槽54用于安裝D激勵(lì)源4。輸出段504的端面上開(kāi)有定位槽541，該定位槽541上開(kāi)有安裝孔542，所述安裝 孔542用于與連接件6的另一端連接。變幅桿5的尾部端面5A的中心開(kāi)有連接孔55，該連接孔55用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置與機(jī)床的刀夾連接，也就是說(shuō)，本發(fā)明的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置通 過(guò)連接孔55安裝在機(jī)床的刀夾上，而被加工的零件，則安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上(如圖3所示)°本發(fā)明超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置是基于固體中彈性波動(dòng)基本理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，故變
幅桿5的聚能段502和輸出段504之間存在的彈性波動(dòng)關(guān)系為壞、A x^tA = J1，式中Ic1表
示變幅桿5的聚能段502的波數(shù)，I1表示變幅桿5的聚能段502的長(zhǎng)度，k2表示變幅桿5的 輸出段504的波數(shù)，I2表示變幅桿5的輸出段504的長(zhǎng)度,Z1表示變幅桿5的聚能段502的 聲阻抗，Z2表示變幅桿5的輸出段504的聲阻抗。參見(jiàn)圖4、圖4A、圖5所示，應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置，對(duì)零件表面 進(jìn)行強(qiáng)化光整的超聲橢圓振動(dòng)擠壓加工時(shí)的步驟有(A)調(diào)節(jié)零件與金剛石擠壓頭的位置，即調(diào)節(jié)擠壓接觸角α ；所述擠壓接觸角α是指零件加工面與橢圓軌跡投影面之間的夾角，即α = 30° 60° ；所述橢圓軌跡投影面是指金剛石擠壓頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的橢圓軌跡的零件加工點(diǎn)0'所在 平面。圖中，A1表示橢圓軌跡的長(zhǎng)軸(下文也稱(chēng)為χ軸方向的振幅)，Α2表示橢圓軌跡的短 軸(下文也稱(chēng)為y軸方向的振幅)，長(zhǎng)、短軸的交點(diǎn)即零件加工點(diǎn)0'；(B)設(shè)置超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的加工參數(shù)；工作頻率18KHz 25KHz，金剛石擠壓頭接觸零件的時(shí)間不大于
權(quán)利要求
一種能夠?qū)α慵砻孢M(jìn)行強(qiáng)化光整的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置，其特征在于該裝置包括有一個(gè)變幅桿(5)、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的A激勵(lì)源(1)、B激勵(lì)源(2)、C激勵(lì)源(3)和D激勵(lì)源(4)和一個(gè)擠壓用具；所述擠壓用具包括有連接件(6)、金剛石(7)和頂絲(8)，金剛石(7)安裝在連接件(6)一端的一通孔內(nèi)，且用頂絲(8)頂緊，連接件(6)的另一端安裝在變幅桿(5)的輸出段(504)的定位槽(541)上；所述A激勵(lì)源(1)包括有兩片陶瓷片和一片銅片，銅片置于兩片陶瓷片之間，且相疊；所述變幅桿(5)為一體加工成型件，變幅桿(5)上設(shè)有激勵(lì)段(501)、聚能段(502)、階梯變幅段(503)和輸出段(504)；激勵(lì)段(501)上設(shè)有A凹槽(51)、B凹槽(52)、C凹槽(53)和D凹槽(54)，每個(gè)凹槽內(nèi)均設(shè)有用于固定螺釘?shù)穆菁y孔；A凹槽(51)用于安裝A激勵(lì)源(1)，B凹槽(52)用于安裝B激勵(lì)源(2)，C凹槽(53)用于安裝C激勵(lì)源(3)，D凹槽(54)用于安裝D激勵(lì)源(4)；輸出段(504)的端面上開(kāi)有定位槽(541)，該定位槽(541)上開(kāi)有安裝孔(542)，所述安裝孔(542)用于與連接件(6)的另一端連接；變幅桿(5)的尾部端面(5A)的中心開(kāi)有連接孔(55)，該連接孔(55)用于將超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置與機(jī)床的刀夾連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置，其特征在于變幅桿(5)上的激勵(lì) 段(501)和聚能段(502)的長(zhǎng)度相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置，其特征在于變幅桿(5)的聚能段 (502)和輸出段(504)的聲阻抗為Zn= PncnSn。
4.采用如權(quán)利要求1所述的超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置進(jìn)行零件表面光整的振動(dòng)擠壓加 工方法，其特征在于包括有下列步驟(A)調(diào)節(jié)零件與金剛石擠壓頭的位置；軌跡所在平面與零件加工點(diǎn)所在平面成α角為 30° 60°的夾角，即擠壓接觸角為30° 60° ；(B)設(shè)置超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的加工參數(shù)；超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置輸出的振動(dòng)頻率 為ISKHz 25ΚΗζ，擠壓頭接觸零件的時(shí)間為不大于1/72000秒；超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的 x = A sintyVx =Αχωοο^ω 振動(dòng)軌跡為 二 m，速度方程式為‘ ,f m，金剛石擠壓頭的合 [y = A2 sinO t - Θ)[Vy = Α2ω cos(<y t - θ)成速度的絕對(duì)值為K1 =機(jī)2+Vy2 = ω^Α^ cos2 ω t +Al cos2(ω t-θ);(C)開(kāi)啟潤(rùn)滑冷卻液，開(kāi)動(dòng)機(jī)床，振動(dòng)擠壓加工開(kāi)始。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置及用其進(jìn)行零件表面光整的振動(dòng)擠壓加工方法，該超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置包括有一個(gè)變幅桿、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的激勵(lì)源和一個(gè)擠壓用具；擠壓用具安裝在變幅桿的輸出段上，四個(gè)激勵(lì)源分別安裝在變幅桿的激勵(lì)段的四個(gè)凹槽內(nèi)。在振動(dòng)擠壓加工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)零件與金剛石擠壓頭之間的擠壓接觸角，以及超聲橢圓振動(dòng)擠壓裝置的加工參數(shù)，從而使擠壓頭在激勵(lì)源的驅(qū)動(dòng)下相對(duì)零件加工表面做橢圓軌跡的超聲振動(dòng)。該裝置一方面利用超聲振動(dòng)的脈沖沖擊作用減小擠壓力，使擠壓工藝可以應(yīng)用于薄壁類(lèi)零件和細(xì)長(zhǎng)類(lèi)零件；另一方面利用橢圓振動(dòng)的分離特性和運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)，避免正面直接沖擊，減小甚至消除擠壓頭與零件被加工表面的滑動(dòng)摩擦，由此降低零件的被加工表面的表面粗糙度，延長(zhǎng)擠壓頭的壽命。
文檔編號(hào)C21D7/04GK101942547SQ20101022469
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者姜興剛, 張德遠(yuǎn), 秦威 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)