[发明专利]一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置

说明书

本发明提供一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，该装置可实现滚压头与变幅杆之间超声振幅与频率的高效传递，并在滚压头与工件的低摩擦状态下对工件进行超声深滚强化。其包括压电陶瓷堆、变幅杆、多种型号的一体式微织构滚压头等组件；本发明的滚压头后端加工成螺纹与变幅杆配合进行一体化设计，前端部分经过激光预制微阵列结构，并嵌填自润滑材料进行抛光处理，可在加工中减少滚压头与工件间的滑动摩擦，并粘附滚压头受磨损区域提高工具寿命与加工质量；滚压头配备多种型号，可根据工件大小、材料与加工需求的不同选择不同的滚压头型号，以达到最优加工效果。

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置。

背景技术

超声滚压加工技术是一种将超声频振动冲击与静载滚压相结合的新兴表面强化工艺。在滚压力与超声冲击的结合下工件表层产生塑性流动，粗糙度降低，晶粒细化形成纳米晶，工件表层残余应力分布得到改善；从而增强了工件的力学性能，延长了工件的疲劳寿命，起到增强工件耐磨性与耐腐蚀性的效果，在工业生产中应用广泛。

传统的固连式超声滚压装置，将滚压头与变幅杆焊接，刚性地连为一体，可高效地将变幅杆的频率与振幅传递给滚压头，在加工工件上引入更深的残余应力层深度，实现超声深滚压。而缺点在于滚压头与工件在加工过程中处于滑动摩擦状态，滚压头表面受摩擦力、摩擦热作用影响严重，由此带来滚压头易磨损、使用寿命短、加工构件质量一致性无法保证的缺点，且当滚压头出现磨损时，只能连同变幅杆与换能器一同更换，加工成本极高。

为解决该问题，人们提出了一种超声滚光装置，超声滚光装置是将滚压头与变幅杆分离，利用滚压头与工件的滚动摩擦减小摩擦损耗，从而取得更长的使用寿命。但超声滚光装置在变幅杆与滚压头的振幅与频率传递过程中存在着极大的能量损失，对工件表面的超声振动冲击效果减弱，仅能对工件进行表面光整加工，残余应力层深度浅，无法满足部分工件的生产需求。

因此，综合考虑传统固连式超声滚压装置滚压头磨损大与超声滚光装置的超声冲击幅度小的不足，如何提出一种超声振动冲击效果强、同时能够减少滚压头的磨损、显著提高使用寿命的超声滚压装置具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题，提出了一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，该装置中变幅杆与滚压头间依靠螺纹连接实现超声振幅与频率高效传递，通过上述设计，在超声滚压加工过程中，针对不同加工对象与加工需求，可以设计不同型号滚压头，更换方便，加工用途面广，同时便于整机的维护保养，当滚压头出现损坏时，可快捷方便地对其进行维修、更换。另一方面，本发明在工具头前端加工微阵列结构，并嵌填自润滑材料，在工作中受摩擦力以及摩擦热的综合作用，自润滑材料在金属表面形成润滑膜，能够有效改善滚压头与工件之间的润滑状态，减小了滚压头在加工过程中的磨损，且当加工到一定阶段、滚压头出现磨损时，自润滑材料受摩擦力影响粘结在滚压头产生磨痕处，阻止滚压头进一步磨损，使工具头使用寿命大幅提高。由此可见，通过螺纹固连的振子与滚压头前端的微阵列结构之间具有协同作用，在工件表面形成大层深残余应力强化层的同时能够有效减少滚压头的磨损，降低工件表面粗糙度，使得超声滚压工具的使用寿命倍增。

实现本发明的技术方案如下：

一种工具头带微阵列结构的自润滑式超声滚压装置，其特征在于，包括一体式微阵列结构滚压头、变幅杆、换能器、超声波发生器等组件。

当对工件进行超声振动滚压时，通过换能器在接收超声波发生器传出的信号后，由多片压电陶瓷叠加产生超声频振动；变幅杆一端与换能器依靠双头螺栓连接，将传递中的超声振动信号放大，并在变幅杆上超声波振动波节处设置法兰盘进行固定；一体式微阵列结构滚压头具有较好的刚性，通过尾部的螺栓与变幅杆另一端固连连接，高效稳定地传输变幅杆前端的振幅与频率，对工件进行超声滚压强化加工。