一种超声辅助滚磨光整加工装置及其光整加工方法
阅读说明：本技术 一种超声辅助滚磨光整加工装置及其光整加工方法 (Ultrasonic-assisted barreling and finishing device and method ) 是由 李永刚 王兴富 李学楠 杨胜强 李秀红 李文辉 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：一种超声辅助滚磨光整加工装置及其光整加工方法,属于小型精密零件表面光整加工技术领域,解决传统的加工方式微型齿轮的表面质量低、均匀性差的技术问题。解决方案为：伺服电机设置于底座的一侧,工作光轴与支撑辊设置于底座的另一侧,工作光轴与支撑辊平行设置,在工作光轴与支撑辊的上方放置超声外筒,贯穿超声外筒设置超声内筒,超声内筒的外壁上设置超声换能器,待滚磨光整加工的零件及磨料填装于超声内筒的内腔中。本发明采用超声辅助回转式滚磨光整加工,用于提高微型齿轮的表面质量,既保证了微型齿轮的尺寸精度不受影响,提高了齿轮的表面质量,同时又提高了批量加工时工件表面质量的均匀一致性,提高了加工效率。(An ultrasonic-assisted barreling and polishing device and a polishing method thereof belong to the technical field of surface polishing of small-sized precision parts and solve the technical problems of low surface quality and poor uniformity of a micro gear in a traditional processing mode. The solution is as follows: the servo motor is arranged on one side of the base, the working optical axis and the supporting roll are arranged on the other side of the base, the working optical axis and the supporting roll are arranged in parallel, the ultrasonic outer cylinder is placed above the working optical axis and the supporting roll, the ultrasonic inner cylinder is arranged by penetrating through the ultrasonic outer cylinder, the ultrasonic transducer is arranged on the outer wall of the ultrasonic inner cylinder, and parts to be barreled and polished and abrasive materials are filled in an inner cavity of the ultrasonic inner cylinder. The invention adopts ultrasonic auxiliary rotary type barreling and polishing processing for improving the surface quality of the miniature gear, thereby not only ensuring that the dimensional precision of the miniature gear is not influenced and improving the surface quality of the gear, but also improving the uniformity of the surface quality of workpieces during batch processing and improving the processing efficiency.)
技术领域
本发明属于小型精密零件表面光整加工
技术领域
，具体涉及的是一种超声辅助滚磨光整加工装置及其光整加工方法。背景技术
微型零件已在微电系统、微型发动机、微型泵以及船舶自动驾驶仪等各种设备中得到广泛应用。微型零件通常要具有高运动传递精度、低运行噪音、低磨损率、高疲劳寿命等重要特征。为满足这些要求，微型零件必须具备较高的几何精度、表面光洁度和良好的表面完整性。目前，在微型零件的生产中主要依赖于传统的光整加工方式来提高表面质量，加工质量均匀性差。
现有技术中，微型齿轮的成型方法有多种形式：
一、采用电火花放电加工，由于所使用的线径、成型电极的放电间隙等因素的影响，限制了微型齿轮精度的提高；
二、微滚齿加工法，滚齿加工时，滚刀的齿形必须进行微加工，因为齿形微小，除滚刀齿形误差外，滚刀的孔径跳动、端面跳动、周节等误差都将对微型齿轮的精度有很大的影响；
三、粉末烧结成型，由于齿形微小，微型齿轮的精加工比较困难，加之金属粉末的金属颗粒较大，从而限制了其形状精度和表面光洁度的提高。
这些成型加工方法均存在的一些弊端和不足，导致零件的表面质量较差，不能直接满足使用需求，需要采用合适的表面光整工艺来提高零件的表面质量。然而，针对微型金属齿轮的光整加工工艺仍然比较缺乏，现有的滚磨光整加工工艺只能在一定程度上改善齿轮的表面质量，无法避免加工时齿轮间的相互吸附，最终影响加工效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，采用超声波辅助回转式滚磨光整加工的方式，避免了在光整加工过程中齿轮相互吸附在一起的技术问题，在保证零件本身尺寸精度的同时，提高了微型齿轮齿面和端面的表面质量，改善了微型齿轮的服役性能和使用寿命。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种超声辅助滚磨光整加工装置，它包括伺服电机、减速器和超声换能器，其中：
所述伺服电机沿水平方向设置于底座的一侧，工作光轴与支撑辊沿水平方向设置于底座的另一侧，工作光轴与支撑辊平行设置，支撑辊的两端分别设置轴承支座二，工作光轴的两端分别设置轴承支座一，在工作光轴的两端并靠近轴承支座一的内侧分别设置限位轴肩，位于两侧限位轴肩之间工作光轴的外壁上涂覆聚氨酯层或者套装聚氨酯套筒，工作光轴与伺服电机同轴设置，伺服电机的转子与减速器的动力输入轴连接，减速器的动力输出轴通过联轴器与工作光轴连接；所述轴承支座一与轴承支座二上均安装轴承，并且轴承支座一固定安装在底座上，轴承支座二上设置限位螺钉，轴承支座二下方的底座上设置滑槽，轴承支座二沿滑槽往复滑动从而调节工作光轴与支撑辊之间的间距，然后限位螺钉向下旋入滑槽中将轴承支座二压紧于底座上方；
在工作光轴与支撑辊的上方放置超声外筒，贯穿超声外筒设置超声内筒，超声内筒的外壁上设置超声换能器，超声外筒的内壁与超声内筒的外壁之间设置支撑螺钉，支撑螺钉将支撑垫压紧于超声内筒的外壁上；所述超声内筒靠近伺服电机一侧的端面处可拆卸地设置端盖，端盖将密封垫圈压紧于超声内筒的端面上，待滚磨光整加工的零件及磨料填装于超声内筒的内腔中。
进一步地，所述底座上安装控制器与导电滑环，伺服电机通过线缆与控制器电连接，所述超声换能器通过线缆与导电滑环电连接，导电滑环通过线缆与超声电源电连接。
进一步地，所述端盖通过端盖螺钉可拆卸地安装于超声内筒的端面上。
一种超声辅助滚磨光整加工装置的光整加工方法，包括以下步骤：
S1、研磨液的配制：
首先，将500mL去离子水加入容器中；然后，向去离子水中加入乙氧基化烷基硫酸钠溶液30mL±1mL、油酸30mL±1mL、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺溶液30mL±1mL、脂肪醇聚氧乙烯醚溶液30mL±1mL，制成研磨液；最后，将研磨液在电磁搅拌器上搅拌20min后备用；
S2、磨料自研磨：
首先，将磨料装入滚筒中；然后，将步骤S1配制的研磨液加入滚筒中；最后，设置滚磨光整设备的转数为100r/min，自磨时间为15h，磨料自研磨期间每隔1h停机冷却10min；
S3、滚磨光整加工：
首先，将步骤S2自研磨后的磨料填装入超声内筒中；其次，将步骤S1配制的研磨液填装入超声内筒中；再次，将若干待滚磨光整加工的零件放入超声内筒中；最后，设置滚磨光整加工装置的工艺参数：超声外筒的转数为80~130r/min，超声外筒开始转动后，开启超声电源，设置超声功率为60~240W，滚磨光整加工时间30min，光整加工完后将零件取出，用去离子水清洗后冷风吹干，完成待滚磨光整加工零件的超声辅助滚磨光整加工。
进一步地，所述步骤S2中，磨料为氧化铝颗粒。
进一步地，所述待滚磨光整加工的零件为微型金属齿轮，微型金属齿轮的材质为CuZn37。
进一步地，所述步骤S3中，对滚磨光整加工后零件的形貌、色泽、表面粗糙度进行检测、分析与表征。
进一步地，采用扫描电子显微镜进行微观形貌分析，采用轮廓仪进行表面形貌分析，采用粗糙度仪进行表面粗糙度分析。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明采用超声辅助滚磨光整加工装置及其光整加工的方法，不仅可以避免微型齿轮相互吸附在一起，同时可以提高齿轮的表面质量，既保证了齿轮的尺寸精度不受影响，又提高了批量加工时工件表面质量的均匀一致性，提高了加工效率，是先进的微型齿轮表面加工方法。
附图说明
图1为超声辅助滚磨光整加工装置的俯视结构示意图；
图2为图1中A-A面剖视结构示意图；
图3为光整加工前零件的表面形貌图；
图4为光整加工后零件的表面形貌图；
图5为光整加工后零件的表面粗糙度图。
图中，1为伺服电机，2为减速器，3为联轴器，4为轴承支座一，5为轴承，6为聚氨酯套筒，7为端盖螺钉，8为端盖，9为支撑螺钉，10为支撑垫，11为超声外筒，12为超声换能器，13为超声内筒，14为限位螺钉，15为导电滑环，16为滑槽，17为密封垫圈，18为限位轴肩，19为工作光轴，20为控制器，21为底座，22为支撑辊，23为轴承支座二，24为超声电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示的一种超声辅助滚磨光整加工装置，它包括伺服电机1、减速器2和超声换能器12，其中：
所述伺服电机1沿水平方向设置于底座21的一侧，伺服电机1为机构输出动力，工作光轴19与支撑辊22沿水平方向设置于底座21的另一侧，工作光轴19与支撑辊22平行设置，支撑辊22的两端分别设置轴承支座二23，工作光轴19的两端分别设置轴承支座一4，在工作光轴19的两端并靠近轴承支座一4的内侧分别设置限位轴肩18，用于对超声滚筒进行限位，位于两侧限位轴肩18之间工作光轴19的外壁上套装聚氨酯套筒6，或者工作光轴19的外壁上涂覆聚氨酯涂层代替聚氨酯套筒6，工作光轴19与伺服电机1同轴设置，伺服电机1的转子与减速器2的动力输入轴连接，减速器2降低转速同时增大驱动力，提高机构负载转矩，减速器2的动力输出轴通过联轴器3与工作光轴19连接；所述轴承支座一4与轴承支座二23上均安装轴承5，并且轴承支座一4固定安装在底座21上，轴承支座二23上设置限位螺钉14，轴承支座二23下方的底座21上设置滑槽16，轴承支座二23沿滑槽16往复滑动从而调节工作光轴19与支撑辊22之间的间距，然后限位螺钉14向下旋入滑槽16中将轴承支座二23压紧于底座21上方；
在工作光轴19与支撑辊22的上方放置超声外筒11，贯穿超声外筒11设置超声内筒13，超声内筒13的外壁上设置超声换能器12，超声外筒11的内壁与超声内筒13的外壁之间设置支撑螺钉9，支撑螺钉9将支撑垫10压紧于超声内筒13的外壁上；所述超声内筒13靠近伺服电机1一侧的端面处可拆卸地设置端盖8，端盖8将密封垫圈17压紧于超声内筒13的端面上，待滚磨光整加工的零件及磨料填装于超声内筒13的内腔中。
进一步地，所述底座21上安装控制器20与导电滑环15，伺服电机1通过线缆与控制器20电连接，所述超声换能器12通过线缆与导电滑环15电连接，导电滑环15通过线缆与超声电源24电连接，超声电源24用于给超声换能器12供电并实现超声功率的调节。
进一步地，所述端盖8通过端盖螺钉7可拆卸地安装于超声内筒13的端面上。
本实施例中使用的化学物质材料为：微型金属齿轮、丙酮、乙氧基化烷基硫酸钠、油酸、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、氧化铝颗粒、去离子水，其组合准备用量如下：以个、克、毫升为计量单位：
微型金属齿轮：CuZn37 200个；
丙酮：C3H6O 1000mL±10mL；
乙氧基化烷基硫酸钠：C16H8O6SNa 30mL±1mL；
油酸：C18H34O2 30mL±1mL；
椰子油脂肪酸二乙醇酰胺： C16H33O3N 30mL±1mL；
脂肪醇聚氧乙烯醚： C18H38O4 30mL±1mL；
氧化铝颗粒：Al2O3 100000g±10g；
去离子水：H2O 50000mL±100mL。
一种超声辅助滚磨光整加工装置的光整加工方法，包括以下步骤：
S1、研磨液的配制：
首先，将500mL去离子水加入容器中；然后，向去离子水中加入乙氧基化烷基硫酸钠溶液30mL±1mL、油酸30mL±1mL、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺溶液30mL±1mL、脂肪醇聚氧乙烯醚溶液30mL±1mL，制成研磨液；最后，将研磨液在电磁搅拌器上搅拌20min后备用；
S2、磨料自研磨：
首先，将磨料装入滚筒中，磨料为氧化铝颗粒；然后，将步骤S1配制的研磨液加入滚筒中；最后，设置滚磨光整设备的转数为100r/min，自磨时间为15h，磨料自研磨期间每隔1h停机冷却10min；
S3、滚磨光整加工：
首先，将步骤S2自研磨后的磨料填装入超声内筒13中；其次，将步骤S1配制的研磨液填装入超声内筒13中；再次，将若干待滚磨光整加工的零件放入超声内筒13中，待滚磨光整加工的零件为微型金属齿轮，微型金属齿轮的材质为CuZn37；最后，设置滚磨光整加工装置的工艺参数：超声外筒11的转数为80~130r/min，超声外筒11开始转动后，开启超声电源，设置超声功率为60~240W，滚磨光整加工时间30min，光整加工完后将零件取出，用去离子水清洗后冷风吹干，完成待滚磨光整加工零件的超声辅助滚磨光整加工。如图3和图4所示，光整加工后微型金属齿轮的加工痕迹明显消除，表面无残留污染物。
超声辅助滚磨光整加工后对滚磨光整加工后零件的形貌、色泽、表面粗糙度进行检测、分析与表征，具体地，采用扫描电子显微镜进行微观形貌分析，采用轮廓仪进行表面形貌分析，采用粗糙度仪进行表面粗糙度分析。如图5所示，光整加工后微型金属齿轮表面呈现光亮的金属光泽，微观形貌平整，表面无残留污染物，经过超声辅助滚磨光整加工的微型金属齿轮的表面粗糙度可以达到Ra0.08-0.10μm，提高了微型金属齿轮的表面质量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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