[发明专利]超声椭圆振动挤压装置及用其进行零件表面光整的振动挤压加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于普通车床、镗床及数控机床，对零件内、外表面进行强化光整加工的超声椭圆振动挤压工艺方法。采用双路超声电源提供给超声换能器超声频率的激励，使挤压头相对零件表面做椭圆轨迹的运动，在完成零件表面的强化光整加工的同时，大大减小了挤压力和挤压头与零件之间的摩擦，提高了挤压头的使用寿命。

背景技术

挤压加工是一项常用的表面强化及光整的工艺方法，其大多用于回转零件的内、外表面加工，常作为最后一道机械加工工序应用于对零件表面强度、应力状态及表面质量有较高要求的场合。

超声振动加工作为一种非传统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专著《精密加工——振动切削基础与应用》中对超声振动加工做出了系统的描述和总结，并对振动加工进行了分类。1986年，日本学者石川健一首先提出用“椭圆振动切削方法”(elliptical vibration cutting)对聚合物进行切削。20世纪90年代初，日本神户大学的社本英二教授等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究。德国Fraunhofer研究中心和不莱梅大学、新加坡制造技术研究所也都曾先后进行了超声椭圆振动切削的研究。

随着振动加工技术的日益成熟，这种加工方式也被引入了挤压工艺。目前，已经出现超声单向振动挤压工艺，在实验室研究中取得了一定进展。研究表明，普通挤压工艺挤压力大，摩擦严重，在强化零件表层的同时，很容易造成表面质量恶化，增大表面粗糙度，挤压头寿命短。而且由于挤压力大，几乎无法对薄壁类零件及细长类零件进行加工，大大阻碍了挤压工艺的应用。超声单向振动挤压技术，挤压力得到大大下降，挤压头与零件之间的摩擦减小，挤压头寿命延长，零件表面质量得到大幅度提高。

但是，超声单向挤压工艺具有单纯冲击作用，这使得挤压头在每个振动周期内都会受到一次冲击，这种冲击虽然减小了摩擦，但却使挤压头容易造成冲击破损，因此挤压头的寿命延长有限，甚至在振动参数不适当的情况下，还会严重缩短挤压头的寿命。

本发明针对普通挤压工艺方法和超声振动挤压工艺方法的不足，结合生产实际的需要，提出适用于各种普通机床和数控机床的超声椭圆振动挤压工艺方法，在降低挤压力的同时，可以有效地延长挤压头的寿命，减少挤压头的磨损和冲击破损，并可应用于薄壁类零件和细长类零件。配合工艺方法设计出了用于加工的双弯超声椭圆振动挤压装置。

发明内容

本发明的目的是为了弥补普通挤压工艺方法和超声单向振动挤压工艺方法的缺陷，改善使用挤压工艺方法加工薄壁类零件和细长类零件的局限，在挤压过程中，于挤压头上附加超声椭圆振动，使挤压头在激励源的驱动下，相对零件加工表面做椭圆轨迹的运动，从而一方面利用超声振动的脉冲冲击作用减小挤压力，使挤压工艺可以应用于薄壁类零件和细长类零件；另一方面利用椭圆振动的分离特性和运动轨迹特点，避免正面直接冲击，减小甚至消除挤压头与零件被加工表面的滑动摩擦，由此降低了零件的被加工表面的表面粗糙度，延长了挤压头的寿命。

本发明的一种能够对零件表面进行强化光整的超声椭圆振动挤压装置，该装置包括有一个变幅杆、四个结构相同的A激励源、B激励源、C激励源和D激励源和一个挤压用具；所述挤压用具包括有连接件、金刚石和顶丝，金刚石安装在连接件一端的一通孔内，且用顶丝顶紧，连接件的另一端安装在变幅杆的输出段的定位槽上；

所述A激励源包括有两片陶瓷片和一片铜片，铜片置于两片陶瓷片之间，且相叠；

所述变幅杆为一体加工成型件，变幅杆上设有激励段、聚能段、阶梯变幅段和输出段；激励段上设有A凹槽、B凹槽、C凹槽和D凹槽，每个凹槽内均设有用于固定螺钉的螺纹孔；A凹槽用于安装A激励源，B凹槽用于安装B激励源，C凹槽用于安装C激励源，D凹槽用于安装D激励源；输出段的端面上开有定位槽，该定位槽上开有安装孔，所述安装孔用于与连接件的另一端连接；变幅杆的尾部端面的中心开有连接孔，该连接孔用于将超声椭圆振动挤压装置与机床的刀夹连接。变幅杆上的激励段和聚能段的长度相等。变幅杆的聚能段和输出段的声阻抗为Z_n＝ρ_nc_nS_n。

采用本发明设计的超声椭圆振动挤压装置进行零件表面光整的振动挤压加工方法，其特征在于包括有下列步骤：

(A)调节零件与金刚石挤压头的位置；轨迹所在平面与零件加工点所在平面成α角为30°～60°的夹角，即挤压接触角为30°～60°；