超聲滾擠壓執行器的機床精密調高裝置研究＊

盧邑彪 王曉強 田英健 凌遠非 石青松 張 旭

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471000）

超聲滾擠壓加工技術是我國部分高精尖領域快速發展中亟待解決的關鍵技術，是國家戰略發展的需求，也具有重要的工程應用價值，在制造業等眾多領域具有非常大的市場[1-3]。相較于傳統表面強化方法，超聲滾擠壓強化技術具有高效率、低成本和無污染等特點[4]。采用超聲滾擠壓加工技術進行材料表面強化[5]，在超聲沖擊力和靜載滾擠壓力相結合的作用下，對材料表面產生高速撞擊作用，使得材料表層組織產生劇烈的塑性變形，表層形成強度和硬度更高的加工硬化層[6]，并且產生有利的殘余壓應力，達到良好的強化效果；能夠較好地提高工件的耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞性能[7]。

超聲滾擠壓執行器[8]是超聲加工過程中一個關鍵工具，執行器工作位置與狀態直接影響加工效果[9-10]。現有的超聲滾擠壓技術在進行超聲加工時，由于執行裝置結構復雜、尺寸較大，需要單獨定制，導致執行器不能兼容各種機床[11]，并且在機床垂直高度方向上，擠壓頭總是不能精確對準工件中心軸線，經常需要調整底座的高度[12-14]。實際加工中的一種解決方法是使用金屬墊片進行簡單的高度調節，但墊片厚度不能隨意控制，其形狀大小受到刀架的約束，經常在即將對齊工件時擠壓頭少量偏離軸線，再增加墊片就會偏高，浪費時間的同時還無法保證精度，而且墊片壓緊后容易迸出，造成試驗事故[15]；另一種調整高度技術是直接對機床刀架進行改造，實現機床Z軸方向的伸縮自由，其優點在于能夠靈活且精確調整高度，但局限性為超聲滾擠壓執行器只能在特定的機床刀架上正常使用，使用范圍受限大，難以普及[16]。本文提出一種既能滿足超聲滾擠壓執行器高度調節，而且使用不受機床局限的精密調高裝置的機械設計方案。

1 加工原理

超聲滾擠壓是一種新興的表面強化技術，通過將傳統滾擠壓裝置與超聲波發生器結合，并對滾擠壓工具頭進行改進，使其在工作中能傳遞超聲頻率的縱向振動。超聲波發生器將交流電轉化為超頻電信號，經過換能器將電信號轉變為同頻率的超聲振動，最后由變幅桿將振動擴大并傳遞到工具頭進行加工[17]。

在正常加工時滾壓頭與工件軸心線應處于同一水平高度，如果由于高度調節不夠準確，導致滾壓頭偏上或者偏下，以工件順時針旋轉為例，如圖1所示，偏下滾壓頭將受到來自工件旋轉時向下的一個分力，容易使滾壓頭受損影響系統剛度，降低執行器使用壽命；偏上則滾壓頭不能與工件充分接觸受力，滾壓效果降低。加工原理簡圖如圖2 所示。

圖1 滾壓頭與工件接觸示意圖

圖2 超聲滾壓加工原理簡圖

為了改善加工工況提高位置準確度，能夠兼容各類機床，提出了超聲滾擠壓執行器調高裝置研制的方案。下面針對這種能滿足超聲滾擠壓執行器高度調節且使用不受機床局限的調高裝置的機械設計做扼要闡述。

2 結構設計

2.1 總裝設計

超聲滾擠壓執行器如圖3 所示是一種非常規刀具，其內部主要由預壓彈簧、換能器、變幅桿組成，外部全身由金屬外殼包裹保護內部結構，側面是外露夾塊以方便加工時車床刀架進行夾緊，頂端裝置滾擠壓球工作時與工件接觸。

圖3 超聲滾擠壓執行器

超聲滾擠壓執行器調高裝置是安裝在外露夾塊之下，并與適當改造后執行器本身夾塊無接觸配合使用，整體結構如圖4 所示。

圖4 超聲滾擠壓執行器調高裝置結構圖

2.2 零部件設計

（1）底座結構：如圖5 所示，兩側設有與調節螺桿10 配合的螺紋，底座2 上端中間部位設有與調節絲杠13 配合的螺紋定位孔202，螺紋定位孔202 的上下兩端分別設有沉孔203 和用于容納絲杠配合軸承5 的裝配孔204，沉孔203 上邊緣與底座上表面齊平，裝配孔204 下邊緣與底座下表面齊平。

圖5 底座與沉孔示意圖

（2）絲杠結構：調節絲杠13 如圖6 所示，設有外螺紋，調節絲杠長度方向一端與超聲執行器外殼14 下表面水平，調節絲杠13 另一端通過螺紋定位孔202 和底座2 無間隙螺紋連接，并穿過底座2與絲杠配合軸承配合；調節絲杠13 與絲杠配合軸承5 配合，保證絲杠與渦輪7 在垂直方向上的穩定性。

圖6 絲杠配合軸承結構圖

（3）渦輪蝸桿結構：沉孔203 的右側設有用于容納蝸桿4 的固定槽，蝸桿的兩端通過軸承3 固定在底座2 上，軸承3 的內圈與蝸桿過盈配合，軸承的外圈與底座過盈配合。渦輪所示設置在沉孔203 內，蝸桿4 與渦輪7 如圖7 所示，外側機械配合，調節絲杠13 與渦輪內側通過螺紋緊密連接，通過轉動蝸桿4 帶動渦輪做回轉運動，渦輪的轉動給調節絲杠13 提供旋轉力，調節絲杠通過螺紋定位孔202 做上下直線運動，蓋板位于蝸桿4 和渦輪7 的上方，通過螺釘6 與底座2 固定連接防止渦輪上下震動。便于高度方向微量距離調節。利用螺桿、渦輪7 蝸桿4 和絲杠之間的精確傳動，以及絲杠和螺桿之間的相互配合，實現高度方向調節，在機床上作業時，Z軸高度可進行不同方式的精確調節，并且不影響超聲執行器的正常工作。

圖7 蝸輪蝸桿配合結構圖

（4）超聲滾擠壓執行器外露夾塊和底座2 為可分離式接觸配合，底座側面設有與超聲執行器外露夾塊卡槽配合的限位擋銷8 如圖8 所示，限位擋銷與底座焊接。限位擋銷與超聲執行器外殼上卡槽配合，防止過度調高導致絲杠脫落。

圖8 限位擋銷示意圖

（5）承重楔塊1 中心設有圓孔，承重楔塊上表面為斜面。楔塊承重可以滿足在刀架夾緊情況下的巨大載荷，保護內部零件，通過螺母與楔塊配合實現止退，防止繼續下滑。調節螺桿10 兩端設有螺紋，調節螺桿一端與底座2 螺紋配合，另一端與止退螺母12 螺紋配合，調節螺桿中間部分無螺紋，與承重楔塊1 間隙配合。調節螺桿10 中間部位設有環形槽，環形槽內裝配有彈簧墊圈11，防止楔塊振動，抵消因斜面造成承重楔塊在垂直方向上的振動，螺母和彈簧片配合穩固構件，確保該裝置在作業時避免出現移動，提高裝置在加工時的穩定性。

2.3 工作流程

本裝置總體利用螺桿、渦輪蝸桿和絲杠之間的精確傳動，以及絲杠和螺桿之間的相互配合，實現高度方向調節；楔塊與刀具外露夾塊斜面接觸承重，可以滿足在刀架夾緊情況下的巨大載荷，保護內部零件。通過螺母與楔塊配合實現止退機制，防止繼續下滑，避免出現移動誤差，增加穩定性。

超聲滾擠壓執行器調高裝置三維圖如圖9 所示，具體功能如下：將該裝置組裝完成后放在機床刀架底座上，執行器外露夾塊放在該裝置上，初始狀態為長度12 mm 的調節絲杠13 在底座2 的螺紋孔中，使底座2 上表面與夾塊下表面水平接觸。當需要調節高度時，旋轉外露蝸桿旋鈕，調節絲杠在渦輪蝸桿的傳動下，通過底座2 上無間隙螺紋向上做直線運動，帶動超聲執行器外殼14 向上微調，由于底座厚度與調節絲杠長度都為12 mm，因此該裝置的最大調節高度為10 mm，蝸輪蝸桿的調節精度達到1 mm 以內，完全滿足精度需求。通過限位擋銷8上的刻度可以掌握調高距離精度，達到預定高度后，調節承重楔塊1 使楔塊斜面與超聲執行器外殼14斜面之間恰好接觸，通過上緊止退螺母12 使其楔塊固定，用機床刀架夾緊超聲執行器外殼14 底座2，最終實現精密調高。

圖9 超聲滾擠壓執行器調高裝置三維圖

3 試驗

在超聲加工整個過程中，由于其高頻振動的特性，對工件加工精度要求比較嚴格，加工效率、表面粗糙度、工件圓柱度對加工以及裝配精度有很大的影響。因此設計實驗在CKJ6142 數控機床上進行超聲滾壓加工，以普通調高與精準對心調高做對比，分別進行實驗，實驗結束后分別對試驗時間、表面粗糙度、圓柱度進行測量與統計。

3.1 加工效率的影響

首先，不使用任何工具進行刀具組裝，滾壓頭明顯偏離工件中心線向下，如圖10a 所示。然后，采用墊片的方式進行調節，如圖10b 所示，由于墊片高度不便隨意掌握，略微增加就可能偏高，如圖10c 所示。最后，采用調高裝置進行調高，可以很快使滾壓頭與工件中心處于同一水平線，如圖10d所示。

圖10 不同方式調高試驗圖

試驗在機床上總共進行4 次組裝，分別記錄組裝時間，組裝時間的長短同時反應加工效率，如圖11 所示，從8 組時間對比可以明顯看出，不使用調高裝置進行設備組裝浪費大量的時間，大約需要5 min，而使用調高裝置高效地縮短時間到30 s以內，證明該裝置可以提高加工效率。

圖11 裝配時間對比圖

3.2 加工粗糙度的影響

表面粗糙度會對零件的使用性能、測量精度和配合性質的穩定性等產生影響，是反映工件表面微觀形貌的重要因素。試驗采用直徑為50 mm 的圓柱棒料進行超聲滾擠壓試驗，試驗結束后采用粗糙度輪廓儀分別測量工件表面粗糙度。選用德國Mahr 公司生產MarSurf VD 280 型輪廓儀測定材料表面粗糙度，指定Ra為測定指標，精度可以達到0.001 μm，保證數據的真實可靠。MarSurf VD 280 型輪廓儀如圖12 所示。

圖12 MarSurf VD 280 型輪廓儀

通過粗糙度的數值對比也可以直觀地反映該裝置的調高效果。測量結果以不精準調高的粗糙度（改進前）和使用裝置精準調高的粗糙度（改進后）作為對比指標，進行4 組不同加工參數的試驗，取樣長度設置為20 mm。每組選5 個點分別進行改進前與改進后的粗糙度測量，然后求5 個點的平均值作為該點的粗糙度避免試驗的偶然性。本實驗在保證安全的范圍內，采用主要加工參數為轉速、進給速度、靜壓力和振幅。實驗結果見表1。

表1 粗糙度實驗結果

從表1 中可以看出，使用高度定位調節后的粗糙度明顯減小，第一次試驗結果顯示測量粗糙度降低了6.224%，第二次試驗結果顯示測量粗糙度降低了6.403%，第三次試驗結果顯示測量粗糙度降低了7.243%，第四次試驗結果顯示測量粗糙度降低了7.381%。由于加工時高速旋轉和載荷導致的位置偏差難以掌控和消除，影響加工后工件的粗糙度，而該調高裝置有效地降低了組裝工件時人為引起的位置偏差，從而使粗糙度的測量數值更加精確。

3.3 圓柱度的影響

圓柱度對于工件在機械裝置中的裝配精度有重要影響。為了比較普通墊片調高和該裝置調高之后工件的圓柱度誤差，在超聲滾壓試驗之后，設計8組測量實驗，采用精度為1 μm 的千分表進行誤差測量，分別對普通人為調高與裝置調高的工件直徑偏差進對比。測量過程如圖13 所示。

圖13 測量過程

試驗測量結果見表2，通過對普通墊片調高和本設計裝置調高后的棒料圓柱度誤差可以發現，由于墊片調高無法保證超聲滾壓球的高度調節到與棒料中心軸線對齊，導致滾壓球偏上或者偏下，這種滾壓接觸無法保證棒料圓柱度誤差的大小，很大程度上影響了超聲強化后，棒料的圓柱度，通過表中數據可以看出，采用墊片調高后，棒料的直徑偏差最低為43.4 μm，高于調高裝置調節后的直徑偏差的最大值36.1 μm，且在本次實驗測量組中，改進前調高的最大直徑偏差高達69.3 μm，而使用調高裝置調節后的直徑偏差只有10.9 μm。本調高裝置通過絲杠螺母副的調節、楔塊稱重以及止退螺母保證工作穩定性，對于超聲滾擠壓后棒料圓柱度誤差的降低有著突出貢獻，對精密表面強化裝置的可靠性與準確性產生了重要影響。

表2 直徑偏差測量結果

4 結語

（1）本文提出了一種超聲滾擠壓執行器調高裝置，利用螺桿、渦輪蝸桿和絲杠之間的精確傳動，以及絲杠和螺桿之間的相互配合，實現高度方向調節；楔塊承重，可以滿足在刀架夾緊情況下的巨大載荷，保護內部零件；螺母和彈簧片穩固構件，確保該裝置在作業時避免出現移動，增加的穩定性。

（2）利用該裝置調高，調節時間縮短到30 s以內，測量粗糙度降低了7%，直徑偏差降低了50%～67%。

（3）該裝置滿足不同工況下，對刀具高度調節在調節時間、穩定性和調節精度三方面的要求，極大程度地解決了超聲滾擠壓執行器在不同機床工作時高度調節的需求。