阅读说明：本技术 一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备 (Ultrasonic strengthening processing equipment for surface of rolling element workpiece ) 是由 刘晓初 段伟建 康军辉 金杰 谢鑫成 刘镇 朱锐 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备,包括用于对工件进行装夹的旋转装夹机构、用于往工件的表面发射高速的钢珠的超声送料机构以及用于对钢珠进行收集以供超声送料机构循环发射的钢珠收集盒,所述超声送料机构包括超声波发生器和超声波换能器,所述旋转装夹机构包括电磁无心夹具和用于驱动电磁无心夹具进行旋转的旋转驱动机构；其中,所述钢珠收集盒为空心结构,顶部设置为V形结构；所述超声波换能器设置在钢珠收集盒的底部,钢珠位于钢珠收集盒的内腔中。该超声强化加工设备能够持续循环且均匀地对滚动体工件的表面进行强化加工,且具有较高的加工效率以及结构简单等优点。(The invention discloses ultrasonic strengthening processing equipment for the surface of a rolling element workpiece, which comprises a rotary clamping mechanism for clamping the workpiece, an ultrasonic feeding mechanism for transmitting high-speed steel balls to the surface of the workpiece and a steel ball collecting box for collecting the steel balls so as to enable the ultrasonic feeding mechanism to circularly transmit the steel balls, wherein the ultrasonic feeding mechanism comprises an ultrasonic generator and an ultrasonic transducer, and the rotary clamping mechanism comprises an electromagnetic centerless clamp and a rotary driving mechanism for driving the electromagnetic centerless clamp to rotate; the steel ball collecting box is of a hollow structure, and the top of the steel ball collecting box is of a V-shaped structure; the ultrasonic transducer is arranged at the bottom of the steel ball collecting box, and the steel balls are positioned in the inner cavity of the steel ball collecting box. The ultrasonic strengthening processing equipment can continuously circulate and uniformly strengthen the surface of the rolling element workpiece, and has the advantages of higher processing efficiency, simple structure and the like.)

一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备

技术领域

本发明涉及超声强化加工设备，具体涉及一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备。

背景技术

随着现代工业技术的发展，人们对机械装备的安全可靠性能和寿命要求越来越高，例如飞机、装甲车、船舶、机车、汽车、内燃机、汽轮机、冶金机械、石油机械、采煤机械、矿山机械等；其中，凡是承受循环载荷的承力件，随时可能因疲劳而出现零件断裂等现象，其后果不仅会造成财产损失，还会导致人员伤亡，因此提高机械零部件的疲劳强度和寿命具有重大意义。

现有的超声强化工艺中，主要通过对零件的表面实施冷挤压，使其表面产生残余压应力。但是，现有的工艺设备复杂，使用的都是特定的一种加工介质，加工不均匀，且不能对材料进行连续的加工，同时还要为加工介质提供一套循环供料的送料系统(例如，申请公布号为CN 109676529 A的发明申请公开的一种用于强化研磨加工的连续循环送料系统)；上述现有的工艺都存在成本增大、工序繁琐等问题，造成现有超声强化加工整体效率很低，效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备，该超声强化加工设备能够持续循环且均匀地对滚动体工件的表面进行强化加工，且具有较高的加工效率以及结构简单等优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于滚动体工件表面的超声强化加工设备，包括用于对工件进行装夹的旋转装夹机构、用于往工件的表面发射高速的钢珠的超声送料机构以及用于对钢珠进行收集以供超声送料机构循环发射的钢珠收集盒，所述超声送料机构包括超声波发生器和超声波换能器，所述旋转装夹机构包括电磁无心夹具和用于驱动电磁无心夹具进行旋转的旋转驱动机构；

其中，所述钢珠收集盒为空心结构，顶部设置为V形结构；所述超声波换能器设置在钢珠收集盒的底部，钢珠位于钢珠收集盒的内腔中；工作时，装夹好的工件放置在钢珠收集盒上V形的开口处，超声波换能器将超声波转换成高频的振动，推动钢珠高速撞击在上方的工件上。

上述超声强化加工设备的工作原理是：

工作时，先将待加工的滚动体工件装夹在电磁无心夹具上，此时滚动体工件位于钢珠收集盒的V形结构的之上，圆柱形的滚动表面正对着钢珠收集盒的内腔；然后启动超声波发生器、超声波换能器以及旋转驱动机构，开始对工件的滚动表面进行强化加工。

在强化加工的过程中，超声波发生器向超声波换能器发出超声波信号，超声波换能器接收到超声波信号后，将其转换成高频的振动，由于钢珠设置在钢珠收集盒的内腔中，并承放在超声波换能器的振动源上，所以高频的振动直接赋予钢珠巨大的冲击力，使得钢珠可以高速地往上撞击滚动体工件的滚动表面，从而在滚动表面产生残余压应力。其中，钢珠往上撞击滚动体工件后，反弹落下去，再接触到超声波换能器的振动源时，钢珠再次被振动而往上移动，从而再次对工件进行撞击挤压，以此循环，直至强化加工完成。进一步，在钢珠收集盒的防护下，钢珠撞击滚动体工件后，能够重新回到超声波换能器的振动源上，从而能够形成持续的、反复的强化工作。而且，钢珠收集盒的顶部设置为V形结构，可以适用于不同大小的滚动体工件的强化加工。

另外，为了保证滚动体件的整个滚动表面能够均匀地附上强化层，在钢珠冲击的同时，旋转驱动机构驱动电磁无心夹具进行转动，使得滚动体件的滚动表面匀速地从钢珠收集盒的上开口转过，这样钢珠可以依次沿着滚动体工件的滚动表面进行撞击，从而确保整个滚动表面均匀地附上强化层。

本发明的一个优选方案，其中，所述钢珠收集盒的顶部开口处设有可调节开口的大小的开口调节机构，该开口调节机构包括两个对称设置在顶部开口处的调节封板和用于驱动调节封板沿着顶部的斜边上下移动的调节驱动机构；当调节驱动机构驱动两个调节封板沿着斜边下移时，所述钢珠收集盒的顶部开口变小，当调节驱动机构驱动两个调节封板沿着斜边上移时，所述钢珠收集盒的顶部开口变大。通过上述结构，可以根据待加工的滚动体工件的大小来调节钢珠收集盒的顶部开口的大小，防止开口过大而导致钢珠等其他加工物料飞出钢珠收集盒，以及防止开口过小而限制钢珠的撞击范围。

优选地，两个调节封板分别贴在V形结构的两个倾斜面上。

优选地，所述调节驱动机构包括调节驱动气缸，该调节驱动气缸的缸体固定在调节封板的下表面，其伸缩杆固定在钢珠收集盒的侧壁上。

进一步，所述V形结构的斜面上设有限位条，每个斜面上设有两个相对设置的限位条；所述限位条与V形结构的斜面之间构成限位导向槽，同一斜面上的两个限位导向槽相对设置，所述限位导向槽的延伸方向与斜面的延伸方向平行；所述调节封板位于两个限位条之间，该调节封板的两个侧面上设有延伸至限位导向槽中的滑动部；所述限位导向槽和滑动部构成燕尾槽导向结构。通过上述结构，两个限位条与调节封板之间构成“燕尾槽”结构，不仅在斜面上起到导向的作用，起到侧向支撑的作用。

本发明的一个优选方案，其中，所述钢珠包括至少两种具有不同直径的钢珠，在强化加工的过程中，如果使用单一直径钢珠，加工时钢珠对工件撞击不够均匀，需进行多次重复加工才能达到要求，为了解决上述问题，可混合多种不同直径的钢珠，从而获得不同的撞击面积，使得撞击效果更加均匀，降低加工时长。

优选地，所述钢珠包括两种不同直径的钢珠，其直径分别为1mm和2mm；1mm钢珠的含量百分比为42-57％，2mm钢珠的含量百分比为35-56％。基于上述不同直径钢珠，在各自对应的配比范围内，可以获得较高的加工效率。

本发明的一个优选方案，其中，所述超声波发生器的超声频率为20khz--24khz。在上述的超声频率下，能够保证超声波换能器在最佳工作状态，又使其发热不明显，能长时间稳定工作，效率更高。

本发明的一个优选方案，其中，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机和传动杆，所述传动杆的两端分别连接在旋转驱动电机的输出轴和电磁无心夹具上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明采用超声换能技术将超声波转换为高频的振动，再以高频的振动对大量的钢珠进行驱动，使得钢珠往上撞击在滚动体工件的滚动表面上，在反弹力和重力的作用下，钢珠掉回至振动源上，获取动力后再次往上冲击，从而持续滚动体工件的表面进行强化加工，且具有较高的加工效率。

2、钢珠收集盒为空心结构，且其顶部设置为V形结构，这样不仅能够对钢珠进行限位和回收，还可以适用于不同大小的滚动体工件的强化加工。

3、在钢珠收集盒的防护下，钢珠往上撞击滚动体工件后，受到反弹力以及重力的作用下，能够重新回到超声波换能器的振动源上，从而能够形成持续的、反复的强化工作；同时由于无需额外设置连续循环提供钢珠的送料系统，具有结构简单、制造成本低等优点。

4、本发明与现有的超声强化工艺相比，不但克服了传统加工工艺的不足，且还具有工件表面粗糙度较好、效率更高以及可循环对工件进行多次加工等优点。

附图说明

图1为本发明中的用于滚动体工件表面的超声强化加工设备的立体结构简图。

图2为本发明中的用于滚动体工件表面的超声强化加工设备的主视图。

图3为图1中的钢珠收集盒的立体结构简图。

图4-5为图1中的钢珠收集盒的两个开口大小不同的结构示意图，其中，图5中的开口较大。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-3，本实施例中的用于滚动体工件表面的超声强化加工设备，包括用于对工件a进行装夹的旋转装夹机构、用于往工件a的表面发射高速的钢珠的超声送料机构以及用于对钢珠进行收集以供超声送料机构循环发射的钢珠收集盒1，所述超声送料机构包括超声波发生器和超声波换能器，所述声波换能器包括压电变送器2、变幅杆3和超声波冲击头4。

所述旋转装夹机构包括平面支撑座、电磁无心夹具5和用于驱动电磁无心夹具5进行旋转的旋转驱动机构；其中，所述钢珠收集盒1为空心结构，顶部设置为V形结构；所述超声波换能器设置在钢珠收集盒1的底部，钢珠位于钢珠收集盒1的内腔中；工作时，装夹好的工件a放置在V形结构的上方，超声波换能器将超声波转换成高频的振动，以使钢珠高速撞击在上方的工件a上。

进一步，电磁无心夹具5产生磁力将工件a吸附在平面支撑座上，具体地，工件a的中心与电磁无心夹具5的转动中心存在偏心，因而电磁无心夹具5产生的磁力相对于工件a平面产生相对的滑动而产生一个摩擦力和一个驱动力，从而使得工件a进行转动。具体地，可参考电磁夹具的现有技术，例如授权公告号为CN 104942664 B的发明专利中公开的一种轴承强化研磨机以及申请公布号为CN 109176318 A的发明申请中公开的一种轮齿形工件的强化研磨加工方法的相关技术。

参见图3-5，所述钢珠收集盒1的顶部开口处设有可调节开口的大小的开口调节机构，该开口调节机构包括两个对称设置在顶部开口处的调节封板6和用于驱动调节封板6沿着顶部的斜边上下移动的调节驱动机构，两个调节封板6分别贴在V形结构的两个倾斜面上。当调节驱动机构驱动两个调节封板6沿着斜边下移时，所述钢珠收集盒1的顶部开口变小，当调节驱动机构驱动两个调节封板6沿着斜边上移时，所述钢珠收集盒1的顶部开口变大。通过上述结构，可以根据待加工的滚动体工件a的大小来调节钢珠收集盒1的顶部开口的大小，防止开口过大而导致钢珠等其他加工物料飞出钢珠收集盒1，以及防止开口过小而限制钢珠的撞击范围。

参见图3-5，所述调节驱动机构包括调节驱动气缸7，该调节驱动气缸7的缸体固定在调节封板6的下表面，其伸缩杆固定在钢珠收集盒1的侧壁上。另外，所述调节驱动机构还可以由驱动电机和丝杆传动组件组成。

参见图3-5，进一步，所述V形结构的斜面上设有限位条8，每个斜面上设有两个相对设置的限位条8；所述限位条8与V形结构的斜面之间构成限位导向槽，同一斜面上的两个限位导向槽相对设置，所述限位导向槽的延伸方向与斜面的延伸方向平行；所述调节封板6位于两个限位条8之间，该调节封板6的两个侧面上设有延伸至限位导向槽中的滑动部；所述限位导向槽和滑动部构成燕尾槽导向结构。通过上述结构，两个限位条8与调节封板6之间构成“燕尾槽”结构，不仅在斜面上起到导向的作用，起到侧向支撑的作用。

具体地，本实施例中，所述钢珠包括至少两种具有不同直径的钢珠，在强化加工的过程中，如果使用单一直径钢珠，加工时钢珠对工件a撞击不够均匀，需进行多次重复加工才能达到要求，为了解决上述问题，可混合多种不同直径的钢珠，从而获得不同的撞击面积，使得撞击效果更加均匀，降低加工时长。

所述钢珠包括两种不同直径的钢珠，其直径分别为1mm和2mm；1mm钢珠的含量百分比为42-57％，2mm钢珠的含量百分比为35-56％。基于上述不同直径钢珠，在各自对应的配比范围内，可以获得较高的加工效率。进一步，根据大量的实验以及相关的设计，采用直径大于2mm的钢珠进行强化研磨加工会导致被加工工件a的表面凹坑过深，影响工件表面粗糙度，而采用小于1mm的钢珠，由于动能不够，难以在工件a的表面形成有用的凹坑，因此本实施例中即选用直径分别为1mm和2mm的钢珠。另外，大小的钢珠的比例相当，或略差几个百分点，这样可以在撞击加工时提高表面覆盖率，形成的残余应力场分布均匀。

本实施例中，所述超声波发生器的超声频率为20khz-24khz。在上述的超声频率下，能够保证超声波换能器在最佳工作状态，又使其发热不明显，能长时间稳定工作，效率更高。

参见图1，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机9和传动杆10，所述传动杆10的两端分别连接在旋转驱动电机9的输出轴和电磁无心夹具5上。

参见图1-3，上述超声强化加工设备的工作原理是：

工作时，先将待加工的滚动体工件a装夹在电磁无心夹具5上，此时滚动体工件a位于钢珠收集盒1的V形结构的之上，圆柱形的滚动表面正对着钢珠收集盒1的内腔；然后启动超声波发生器、超声波换能器以及旋转驱动机构，开始对工件a的滚动表面进行强化加工。

在强化加工的过程中，超声波发生器向超声波换能器发出超声波信号，超声波换能器接收到超声波信号后，将其转换成高频的振动，由于钢珠设置在钢珠收集盒1的内腔中，并承放在超声波换能器的振动源上，所以高频的振动直接赋予钢珠巨大的冲击力，使得钢珠可以高速地往上撞击滚动体工件a的滚动表面，从而在滚动表面产生残余压应力。其中，钢珠往上撞击滚动体工件a后，反弹落下去，再接触到超声波换能器的振动源时，钢珠再次被振动而往上移动，从而再次对工件a进行撞击挤压，以此循环，直至强化加工完成。进一步，在钢珠收集盒1的防护下，钢珠撞击滚动体工件a后，能够重新回到超声波换能器的振动源上，从而能够形成持续的、反复的强化工作。而且，钢珠收集盒1的顶部设置为V形结构，可以适用于不同大小的滚动体工件a的强化加工。

另外，为了保证滚动体件的整个滚动表面能够均匀地附上强化层，在钢珠冲击的同时，旋转驱动机构驱动电磁无心夹具5进行转动，使得滚动体件的滚动表面匀速地从钢珠收集盒1的上开口转过，这样钢珠可以依次沿着滚动体工件a的滚动表面进行撞击，从而确保整个滚动表面均匀地附上强化层。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。