[发明专利]一种用于摩擦副减摩的微纳加工装置及加工方法

说明书

本发明涉及一种用于摩擦副减摩的微纳加工装置及加工方法，属于机械特种加工技术领域，主要用于柱塞元件领域的加工。装置包括刀具、双圆弧复合柔性铰链、第一超声波椭圆振动杆和第二超声波椭圆振动杆；第一超声波椭圆振动杆、第二超声波椭圆振动杆通过预紧长螺栓与两个直边连接端连接，另外一个直边连接端连接刀具，第一超声波椭圆振动杆和第二超声波椭圆振动杆通过折形支撑块设于三轴测力基座上。机床的主轴带动着柱塞元件高速旋转，本加工装置在机床的导轨上向主轴匀速运动，高频振动通过两个方向的叠加放大后驱动刀具加工微凹坑。方案简单实用，加工精度高，能根据需要在柱塞元件外表面加工特定的纹理，提高了摩擦副的减摩耐磨综合性能。

技术领域

本发明涉及一种机械特种加工技术领域的加工工艺，尤其涉及一种适用于摩擦副的减摩的微纳加工装置及加工方法，用于解决摩擦副磨损严重寿命短的问题。

背景技术

在一些液压机械中，柱塞与柱塞孔之间的摩擦副采用精密配合，油液出现污染时，各部位配合间隙的磨损以及惯性冲击力的共同作用，易使柱塞在往复运动中发生倾斜而偏磨。严重时，出现拉伤或咬缸现象。为解决这种问题通常采用传统的切削在柱塞体外圆面上增设三道环形润滑油槽，以改善柱塞与柱塞孔之间的摩擦状态。但传统加工工艺限制，在加工柱塞元件时候，金刚石、陶瓷等刀具出现了磨损过快，发热量大、表面质量差等问题，这导致了柱塞原件加工精度不够高。而现代加工工艺中，激光烧蚀加工精度高、具有柔性，但加工处理时间长、对材料要求高且需要后处理；微成型工艺加工处理时间短，但对材料要求高且存在回弹问题；微纳加工工艺加工精度高、具有柔性针且高纵横比，但加工时间相对较长。对这些问题，一些学者提出了超声波椭圆振动与传统加工相结合的方法，以期减小加工过程中的颤动，减小刀具的磨损，提高柱塞原元加工质量、精度和效率。

日本研究人员于上世纪90年代提出了超声波椭圆振动切削技术，它的基本原理是在普通超声振动切削的基础上，于切屑流出方向上增加一个正弦振动，两个正交的正弦振动就可以合成一个刀具的椭圆切削运动，从而实现对工件进行椭圆轨迹的振动切削。美国、德国、俄罗斯等都对超声波椭圆振动切削进行了研究。进入21世纪，我国上海交通大学、浙江大学、天津大学等相继研究了超声波椭圆振动切削技术。

目前超声波椭圆振动切削加工工艺的研究主要分为压电片换能器超声共振型加工技术和压电驱动柔性铰链型非共振型加工技术。前者能够实现较高的频率，但是需要根据装置本身的固有频率实现共振再进行切削加工，加工的频率就不可调整，例如中国专利CN102728854提出了一种超声波振动车削方法。后者主要由压电致动器和柔性铰链组成，柔性铰链的形状、尺寸大小以及分配方式都会影响椭圆振动切削的效果。压电陶瓷驱动器具有体积小、精度和分辨率高、无噪声以及频响特性好等优点，是理想的微位移驱动器，在许多领域得到了广泛应用，然而，它仅能产生几十微米的位移，在实际工程应用中，这样小的位移远远不够。为了得到更大行程范围内的位移，通常采用合适的放大机构来放大压电陶瓷驱动器的输出位移。由于柔性铰链机构具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、分辨率高、加工简单等优点，能够实现高精度分辨率位移，所以常被用来放大压电陶瓷驱动器的输出位移。

中国专利CN204997090提出了一种立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置，该装置采用串联一体式矩形柔性铰链结构，体积、质量小，减小了装配的误差及附生运动，但矩形铰链运动精度相对较差且有应力集中现象。

中国专利CN103322047提出了一种摩擦副的激光造型自润滑处理方法，对摩擦副表面采取激光微造型处理，给出凹坑参数范围，并利用二次热加压的方法对滑动摩擦副表面嵌入自润滑复合材料来减小摩擦、磨损，该方法对材料要求高、加工时间长且效率较低。