外圆柱面超声波光整强化加工不仅能降低表面粗糙度 ,而且使其表面具有很高的耐磨性和抗蚀性 ,其机理是表面受压 ,产生塑性变形 ,形成残余压应力层 ,因此有效的提高了圆柱零件的疲劳强度和抗拉能力。以前的超声波光整强化方法仅是在工具头一个方向相对零件轴线产生纵向、径向或切向振动 ,此类装置的缺点是采用磁致伸缩转换器 ,结构复杂而且聚能器制造工艺复杂。本文提出的装置是在聚能器输出端施加超声波扭曲振动 ,对圆柱表面进行超声光整强化的新技术 ,并对此技术原理、强化效果等进行了具体分析。使得该技术能在生产中得到推广使用。1 超声波扭曲振动强化机理1 1 加工装置总体分析用超声扭曲振动超声波强化外圆柱面原理如图1所示。工具头安装在聚能器 2输出端上与超声波扭曲振动振幅ＡＫ 相联系 ,依靠相对聚能器轴线偏移 ,工具头在与被加工零件 3垂直的平面内移动。工具头相对聚能器 2的轴线偏移是变化的 ,从ｅ =0(工具头的轴线与聚能器 2的轴线一致 )至ｅ =ｅｍａｘ(决定于聚能器输出端几何参数 ) ,工具头在静态力Ｐ和动态力ＦＡ 作用下使转速为ｎ的零件 3的表面层塑性变形。在工具头 1相对聚能器的轴线偏移为ｅ时 ,扭转振动的振幅Ａ由下式确定Ａ =2ＡＫｅＤ式中 :ＡＫ 为超声扭曲振动振幅 ,由聚能器输出端面振动系统产生 ;ｅ为工具头相对聚能器轴线偏移 ;Ｄ为聚能器输出端直径。图 1 外圆柱面超声扭转振动强化简图工具头在圆柱体表面上 ,扭曲振动的最大振幅Ａｍａｘ=(2ｅ +ｄ0 )ＡＫＤ式中 :ｄ0 为静态力Ｐ作用下 ,工具头在零件 3表面上压痕直径。1 2 工具头实现位置聚能器输出端工具头 1实现位置如图 2所示。图 2 聚能器输出工具头实现位置在切平面上工具头的振动轴线ＯＫｉ 相对零件轴线Ｌ可以是平行的 (ＯＫ0 )。这时γ =0 ,(γ -
工具头 1振动轴线相对于零件轴线偏移角 ) ,也可以是垂直的。这时γ =90°或占据中间位置 (ＯＫｉ) ,0° <γ <90°。工具头 1在扭曲振动时 ,其运动变化轨迹将为半径ｅ的圆弧 ,且扭曲振动振幅ＡＫ 可以由两个分量表示 :切向振幅Ａｔ 和纵向振幅Ａｓ。1 3 工具头振幅与偏移角关系偏移角γ变化值与工具头切向振幅Ａｔ 和纵向振幅Ａｓ 的关系由下式确定Ｃ =ＡｔＡｓ=ｔｇ(90°-γ) (3)图 3所示为工具头振幅Ａｔ 和Ａｓ 计算图。工具头沿轨迹ＫＥＣ移动 ,具有振幅ＡＫ 相对轴线ＯＥ成α角 ,α角按下式计算。图 3 工具头振幅计算图α =180Ａｔπｅ (4)弦ＫＣ可按下式求出ＫＣ =2ｅｓｉｎ α2 (5 )由△ＫＣＤ看出 ,工具头在切向振幅Ａｔ 按下式求出 :Ａｔ=ＫＣｓｉｎ(90° -γ)或Ａｔ=2ｅｓｉｎ α2 ｓｉｎ(90 -γ) (6 )工具头在纵向振幅Ａｓ 可按下式求出Ａｓ=ＫＣｃｏｓ(90° -γ) =2ｅｓｉｎ α2 ｃｏｓ(90° -γ) (7)工具头 1在聚能器轴线上 (Ｏ点 )位置时 ,存在下列关系式Ａｍａｘ=Ａｓｍａｘ=ｄ0 ｓｉｎ α2 (8)因此 ,工具头偏移角γ值视切向和纵向振动幅值比Ａｔ/Ａｓ 而变化 ,当偏移角接近 90°时 ,工具头具有纵向振动 ;而当偏移角γ接近 0时 ,为切向振动 ;在偏移角γ =4 5°时 ,振幅Ａｔ=Ａｓ。2 结 论利用本文所述方案 ,在机床上进行与目前超声波强化工艺进行对比试验 ,结果表明 :工具头扭曲振动变形可使挤压静态力Ｐ由约 30Ｎ降至 9Ｎ ,强化表面粗糙度提高 1级 ,强化层深度平均为 0 8ｍｍ ,深度范围为 0 4～ 1 2 5ｍｍ ;强化面冷硬程度平均提高35 % ;可以得到没有交叉、有规律性的微观不平度和具有不完全和完全交叉规律性微观不平度环状分布。分析试验结果可以得出如下结论。(1)依靠变形工具头相对聚能器轴线偏移 ,提高表面层的变形程度 ;结合超声扭曲振动 ,工具头可相切于被加工零件表面的平面上同时沿两个坐标移动 ,增大变形程度 ,提高表面层质量状态。(2 )当工具头相对聚能器轴线变化时 ,超声波振动切向幅值和纵向幅值间比值发生变化 ,产生附加的塑性变形 ,提高了光整效果 ,降低了表面粗糙度 ;增大相对支撑面 (平均 4 5 % ) ,缩短零件摩擦跑合长度。(3)改进后的工具头施加到强化零件上的静态力小 ,可以加工刚性差和薄壁零件。(4)超声波扭曲振动加工外圆柱面光整强化比传统强化工艺更简单 ;本文所提出工艺依靠偏心距的变化和工具头相对聚能器轴线偏移角的变化获得不同形式局部规律性形貌 ;切向和纵向超声波振动分量振幅比的变化确定了廓形规律性。应用本方法可以使机械零件具有局部微观形貌规律性 ,并且可以提高零件耐磨性和抗蚀性 ,增加了零件的使用寿命。外圆柱面超声波光整强化加工技术研究@张登攀$焦作工学院机械工程系!河南焦作454000
@张红岩$焦作工学院机械工程系!河南焦作454000
超声波;;扭曲振动;;光整强化;;聚能器在传统零件表面强化研究的基础上 ,提出了超声波附加扭转振动加工圆柱外表面光整强化加工方案 对聚能器输出端上工具头的实现位置进行了具体研究 ,并建立工具头切向纵向振幅的计算模型 ,使机械零部件表面能够达到良好的强化效果<1>王义超声振动挤压工艺与常规挤压工艺的对比分析
大连理工大学学报,1994(3)
<2>Mapков.и.ультразвуковаяобработкаматерилов.-M :Maшиностроение,1980-237c.
<3>ПатентРФNo.2095217Устройстволляультразвук овойотделочно-упрочняюшейобрабткинаружхиыхцилиндрическихповерхностей/T.M .Гаврилова,Г.А.Осипенкова,Л.И.Карповидр.//ю л.изобр.1997,31:46.и.ультразвуковаяобработкаматерилов.-M:Maшиностроение,1980-237c.
<3>ПатентРФNo.2095217Устройстволляультразвук овойотделочно-упрочняюшейобрабткинаружхиыхцилиндрическихповерхностей/T.M .Гаврилова,Г.А.Осипенкова,Л.И.Карповидр.//юл.изобр.1997,31:46
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