一种小孔强化装置及应用其进行的送线导向孔加工方法

1.本发明涉及小孔加工，尤其是线材加工设备的送线导向孔加工技术领域，具体涉及一种小孔强化装置及应用其进行的送线导向孔加工方法。


背景技术：

2.小孔是工业生产设备中十分常见且重要的特征，其性能往往对生产过程和产品质量存在重要影响。例如对于线材折弯等线材加工设备而言，其上的送线装置上经常设置有线材导向件，线材导向件上通常设置有供线材穿过的送线导向孔，在使用过程中送线导向孔持续与线材产生摩擦，极易产生磨损，最终导致导向误差过大。
3.改善上述问题的关键就是通过一定的强化技术手段对孔壁进行强化以提高小孔的耐磨损和抗疲劳性能。喷丸强化和超声冲击强化等技术是较为常见的通过机械应变对关键表面进行强化的有效手段。其基本原理是通过对零件表层实施冷挤压使零件表层冷作硬化并产生残余压应力。冷作硬化使金属材料晶格发生畸变，强度获得提高并形成高幅值的残余压应力，抵消工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力并有效抑制裂纹的萌生，并在一定程度上提高零件表层硬度及其耐磨损和抗疲劳性能，以延长零件使用寿命。
4.但现有主流机械应变强化技术绝大多数情况下只能对零件的外表面或者大尺寸的内表面进行强化。而小孔孔壁强化的难点在于，由于小孔的孔径较小，因此强化工具一般很难伸入孔内，对孔壁进行径向的冲击强化，大都需要保持一定倾斜角进行强化，而且深径比越大倾角越大，强化效果和可控性也越差。综上所述，当前市面上并没有能够对小孔孔壁进行有效强化的装置和方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种小孔强化装置及应用其进行的送线导向孔加工方法，实现对送线导向孔等小孔孔壁进行有效强化。
6.为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种小孔强化装置，用于安装在加工中心的旋转刀座上，包括换能器、变幅杆和超声波发生器；所述旋转刀座底端向下延伸有一个刀轴，所述刀轴与旋转刀座同轴，且外周呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述换能器中央具有一个上大下小锥形渐变的换能器安装孔，所述换能器安装孔套紧在所述刀轴外周；所述换能器外周同样呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述变幅杆中央具有一个上大下小锥形渐变的刀具安装孔，所述刀具安装孔套紧在所述换能器外周；所述变幅杆上径向凸起设置有冲击头；所述超声波发生器电连接所述换能器，以驱动换能器带动变幅杆在径向上交替收缩扩张。
7.进一步，所述换能器为压电陶瓷，所述超声波发生器用于向所述换能器施加交变
电场。
8.进一步，所述换能器的外侧壁电连接所述超声波发生器的正电极，所述换能器安装孔的孔壁电连接所述超声波发生器的负电极；或所述换能器的外侧壁电连接所述超声波发生器的负电极，所述换能器安装孔的孔壁电连接所述超声波发生器的正电极。
9.进一步，所述变幅杆上径向凸起形成有渐变部，所述渐变部朝向背离所述变幅杆的方向由粗渐细，并在末端设置所述冲击头。
10.进一步，所述刀轴上套设有垫圈，所述垫圈顶面上抵变幅杆，所述刀轴上还套设螺接有锁紧螺母，所述锁紧螺母上抵垫圈底面，以使所述变幅杆、换能器和刀轴依次轴向压紧。
11.进一步，所述冲击头采用硬质合金材质。
12.一种应用上述小孔强化装置进行的送线导向孔加工方法，包括以下步骤：步骤1：在线材导向件上加工出圆孔，圆孔的孔径小于线材直径，将线材导向件固定在加工中心的工作台上；步骤2：使所述旋转刀座带动所述换能器和变幅杆一同旋转，同时使所述超声波发生器向所述换能器施加交变电压，以驱动所述换能器带动变幅杆在径向上交替收缩扩张；步骤3：使所述变幅杆伸入到所述圆孔内，并沿圆孔轴向位移进给，随着变幅杆的旋转和交替收缩扩张，带动冲击头振动冲击圆孔内壁各处，使圆孔产生塑性变形强化形成送线导向孔。
13.采用上述方案后，本发明的有益效果在于：（1）通过旋转刀座能够带动变幅杆在待强化的小孔内旋转，此时通过超声波发生器产生交变电压，换能器将该交变电压转换为物理形变，在径向上产生高频交替的收缩和扩张，变幅杆随之形变，进而带动径向凸起设置在变幅杆上的冲击头高频冲击小孔孔壁，随着旋转刀座沿小孔轴向的进给，实现使冲击头冲击到小孔孔壁各处，进而完成对小孔孔壁的强化；（2）通过调整超声波发生器对换能器施加的交变电压的频率和幅值，即可调整冲击头振动的频率和振幅，以适应孔壁的各种状态和强化要求。
附图说明
14.图1为本发明安装在加工中心上的立体结构示意图；图2为图1中a处的局部放大图；图3为本发明与刀轴、换能器和变幅杆的安装配合截面图；图4为本发明换能器和变幅杆从刀轴上拆下的分解结构示意图；图5为图4中b处的局部放大图。
15.标号说明：1-加工中心，2-旋转刀座，3-换能器，4-变幅杆，5-超声波发生器，6-刀轴，7-换能器安装孔，8-刀具安装孔，9-冲击头，10-渐变部，11-垫圈，12-锁紧螺母，13-工作台，14-主轴箱，15-导线，16-电滑环。
具体实施方式
16.以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。
17.本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。
18.本发明提供一种小孔强化装置，如图1-5所示，用于安装在加工中心1的旋转刀座2上，包括换能器3、变幅杆4和超声波发生器5；所述加工中心1采用现有立式加工中心，具有一个水平两轴位移的工作台13，以及在工作台13上方至少能够纵向位移的主轴箱14，旋转刀座2设置在所述主轴箱14底端，受所述主轴箱14驱动进行水平旋转，并随所述主轴箱14升降，所述旋转刀座2底端向下延伸有一个刀轴6，所述刀轴6与旋转刀座2同轴，且外周呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述换能器3为压电陶瓷，能够将交变电信号转换为物理形变，为现有技术，本实施例中不在详述其原理；所述换能器3中央具有一个上大下小锥形渐变的换能器安装孔7，通过锥面的配合使所述换能器安装孔7套紧在所述刀轴6外周；所述换能器3外周同样呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述变幅杆4中央具有一个上大下小锥形渐变的刀具安装孔8，通过锥面的配合使所述刀具安装孔8套紧在所述换能器3外周；所述变幅杆4上径向凸起设置有冲击头9，所述冲击头9采用例如硬质合金等高硬度材质制成，材质不做具体限定；所述超声波发生器5为现有技术，其能够输出高频交变电压，优选本实施例中输出正弦交变电压，所述超声波发生器5通过导线15和电滑环16电连接所述换能器3；当所述换能器3选用压电陶瓷时，所述换能器3的外侧壁电连接所述超声波发生器5的正电极，所述换能器安装孔7的孔壁电连接所述超声波发生器5的负电极,或所述换能器3的外侧壁电连接所述超声波发生器5的负电极，所述换能器安装孔7的孔壁电连接所述超声波发生器5的正电极，通过所述超声波发生器5向所述换能器3施加交变电场，在交变电场的作用下驱动换能器3在径向上产生高频交替的收缩和扩张；进而，通过换能器3在径向上的交替收缩和扩张带动变幅杆4在径向上交替收缩扩张，使变幅杆4上径向凸起的冲击头9沿径向振动，待加工工件（待加工工件可以是现有任意一种具有小孔结构的工件）被放置在工作台13上，在变幅杆4伸入工件上待强化的小孔内时，配合旋转刀座2的水平旋转和纵向位移，使冲击头9法向冲击小孔的内壁各处，实现对小孔内壁的强化。
19.优选地实施例中，所述变幅杆4上径向凸起形成有渐变部10，本实施例中在变幅杆的相对两端分别凸起形成有一个渐变部10，所述渐变部10朝向背离所述变幅杆4的方向由粗渐细，且底面为平面，顶面曲面变化，并在末端设置所述冲击头9，通过渐变部10放大振动的振幅或振速，把能量集中到较小面积的冲击头9上起到聚能作用，通过设置变幅杆4由粗渐细后的不同截面积变化倍数，可以改变冲击头9振幅，进而改变强化程度。
20.为便于根据不同的小孔孔径更换对应的变幅杆4，所述刀轴6上套设有垫圈11，所述垫圈11顶面上抵变幅杆4，所述刀轴6上还套设螺接有锁紧螺母12，所述锁紧螺母12上抵垫圈11底面，以使所述变幅杆4、换能器3和刀轴6依次轴向压紧，为变幅杆4、换能器3和刀轴6的套接提供预紧力，旋下所述锁紧螺母12，即可将变幅杆4向下拆出。
21.一种应用上述小孔强化装置进行的送线导向孔加工方法，包括以下步骤：
步骤1：在线材导向件上加工出圆孔，本实施例中采用钻削加工，圆孔的孔径略小于（微米级）线材直径，将线材导向件固定在加工中心1的工作台13上；步骤2：使所述旋转刀座2带动所述换能器3和变幅杆4一同旋转，同时使所述超声波发生器5向所述换能器3产生交变电压，以驱动所述换能器3带动变幅杆4在径向上交替收缩扩张；步骤3：使所述变幅杆4伸入到所述圆孔内，并沿圆孔轴向位移进给，随着变幅杆4的旋转和交替收缩扩张，带动冲击头9振动冲击送线导向孔内壁各处，使圆孔产生塑性变形强化（所述的产生塑性变形强化变形为微米级）形成与线材直径匹配的送线导向孔。
22.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

技术特征：
1.一种小孔强化装置，用于安装在加工中心（1）的旋转刀座（2）上，其特征在于：包括换能器（3）、变幅杆（4）和超声波发生器（5）；所述旋转刀座（2）底端向下延伸有一个刀轴（6），所述刀轴（6）与旋转刀座（2）同轴，且外周呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述换能器（3）中央具有一个上大下小锥形渐变的换能器安装孔（7），所述换能器安装孔（7）套紧在所述刀轴（6）外周；所述换能器（3）外周同样呈上大下小渐变的锥形外轮廓；所述变幅杆（4）中央具有一个上大下小锥形渐变的刀具安装孔（8），所述刀具安装孔（8）套紧在所述换能器（3）外周；所述变幅杆（4）上径向凸起设置有冲击头（9）；所述超声波发生器（5）电连接所述换能器（3），以驱动换能器（3）带动变幅杆（4）在径向上交替收缩扩张。2.如权利要求1所述一种小孔强化装置，其特征在于：所述换能器（3）为压电陶瓷，所述超声波发生器（5）用于向所述换能器（3）施加交变电场。3.如权利要求2所述一种小孔强化装置，其特征在于：所述换能器（3）的外侧壁电连接所述超声波发生器（5）的正电极，所述换能器安装孔（7）的孔壁电连接所述超声波发生器（5）的负电极；或所述换能器（3）的外侧壁电连接所述超声波发生器（5）的负电极，所述换能器安装孔（7）的孔壁电连接所述超声波发生器（5）的正电极。4.如权利要求1所述一种小孔强化装置，其特征在于：所述变幅杆（4）上径向凸起形成有渐变部（10），所述渐变部（10）朝向背离所述变幅杆（4）的方向由粗渐细，并在末端设置所述冲击头（9）。5.如权利要求1所述一种小孔强化装置，其特征在于：所述刀轴（6）上套设有垫圈（11），所述垫圈（11）顶面上抵变幅杆（4），所述刀轴（6）上还套设螺接有锁紧螺母（12），所述锁紧螺母（12）上抵垫圈（11）底面，以使所述变幅杆（4）、换能器（3）和刀轴（6）依次轴向压紧。6.如权利要求1所述一种小孔强化装置，其特征在于：所述冲击头（9）采用硬质合金材质。7.一种应用如权利要求1所述的小孔强化装置进行的送线导向孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在线材导向件上加工出圆孔，圆孔的孔径小于线材直径，将线材导向件固定在加工中心（1）的工作台（13）上；步骤2：使所述旋转刀座（2）带动所述换能器（3）和变幅杆（4）一同旋转，同时使所述超声波发生器（5）向所述换能器（3）施加交变电压，以驱动所述换能器（3）带动变幅杆（4）在径向上交替收缩扩张；步骤3：使所述变幅杆（4）伸入到所述圆孔内，并沿圆孔轴向位移进给，随着变幅杆（4）的旋转和交替收缩扩张，带动冲击头（9）振动冲击圆孔内壁各处，使圆孔产生塑性变形强化形成送线导向孔。

技术总结
本发明公开一种小孔强化装置及应用其进行的送线导向孔加工方法，小孔强化装置安装在旋转刀座上，旋转刀座向下延伸有刀轴，刀轴外周呈上大下小渐变的锥形外轮廓；其换能器中央具有一个上大下小锥形渐变的换能器安装孔，换能器安装孔套紧在刀轴外周；换能器外周同样呈上大下小渐变的锥形外轮廓；其变幅杆中央具有一个上大下小锥形渐变的刀具安装孔，刀具安装孔套紧在换能器外周；变幅杆上径向凸起设置有冲击头；其超声波发生器电连接换能器，以驱动换能器带动变幅杆在径向上交替收缩扩张；送线导向孔加工方法中，通过上述小孔强化装置使其上的圆孔孔壁塑性变形强化，以形成送线导向孔。通过本发明能够实现对送线导向孔等小孔孔壁进行超声冲击强化。壁进行超声冲击强化。壁进行超声冲击强化。


技术研发人员：蒋清山 李毅 陈俊英 陈秀玉 许志龙 魏泽洪 蒋清源
受保护的技术使用者：集美大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/6