對稱錐體滾壓部件和對稱錐體滾壓裝置的製作方法
2023-12-01 00:55:51 2
本發明涉及到一種對稱錐體滾壓部件和對稱錐體滾壓裝置，屬於金屬材料加工領域。
背景技術：
金屬材料表面滾壓強化即在材料基體表面形成一定厚度的硬化變形層，金屬表面的硬度及耐磨性得以有效改善。表面滾壓強化技術具有很多優點：滾壓強化改變了金屬材料表面的物理狀態，不改變材料的化學成分；表面滾壓採用的工具和工藝比較簡單，加工效率高；滾壓強化是一種無切削加工工藝，在加工過程中不會產生廢屑、廢液，對環境的汙染少，符合「綠色製造」的發展理念。該技術在工業中得到了廣泛的應用，產生了巨大的經濟效益。滾壓加工時不產生高溫，不存在表面燒傷問題。其實際壓入量很小，且是靠零件加工表面自身進行定位，所以降低了工件表面粗糙度，提高了精度；完工尺寸即是成形尺寸，加工尺寸比較容易控制。
機械滾壓加工方法主要有滾輪、滾柱和滾珠滾壓表面強化。用滾珠滾壓時，滾珠和工件之間的相對運動時，各個方向上都處於滾動，沒有滑動摩擦的產生，因此能夠獲得更低的表面粗糙度和較高的表面強度。同時，由於滾珠與工件表面近似於點接觸。同樣的單位面積受壓下系統的總壓力較小，滾壓較輕快，更容易實現表面滾壓變形。該方法應用範圍較廣，可滾壓內孔、平面，外圓、尚可滾壓圓角、凹槽等成型面。但不足之處是滾壓次數較高，滾珠的使用壽命較短。滾輪滾壓常用於外圓和大直徑淺孔的加工，目前有單輪、雙輪、或多輪形式。與滾珠滾壓加工相比，滾輪滾壓加工後的表面粗糙度略高，單滾輪滾壓內外圓表面時，容易引起工件的彎曲變形，因此單輪滾壓對被加工工件表面的剛度要求較高。滾柱滾壓也是目前使用較為廣泛的一種滾壓加工方式，與滾輪加工相比，該方法避免了滾輪直徑大、需要的滾壓力大的缺點；與滾珠加工相比，使用壽命較為長久，同時可以達到較低的表面粗糙度，較適合於小型精密零件或重型零件的光整加工。
另外，華南理工大學採用旋轉壓圓柱形滾柱滾壓的方法獲得表面組織細化和強化，該方法是一種表面迴轉類滾壓的強化方式，取得了良好的效果，但若用該方法加工板材，由於滾柱母線方向各處相對板材線速度不均勻，滾柱扭轉變形受力不一致，因此對模具損耗較大。
可見，以上幾種滾壓方式主要局限於軸、套類零件的加工，對於大平面滾壓以及毛坯相對運動形式的高效經濟的滾壓，當前的研究還不夠細緻深入。
技術實現要素：
為彌補現有技術的不足，本發明採用的技術方案是：一種對稱錐體滾壓部件，包括旋轉壓體和滾子壓頭，所述旋轉壓體內設嵌槽，滾子壓頭設置於旋轉壓體嵌槽內，所述滾子壓頭為一體成型，其外觀為兩個相同尺寸的圓錐臺型滾子在底面拼合而成，靠近旋轉壓體軸心線的迴轉面為工作面，另一面為支撐面，滾子壓頭有兩個，兩個滾子壓頭的軸心線與旋轉壓體的軸心線在同一平面內，且在該平面內，兩個滾子壓頭的軸心線以旋轉壓體軸心線為軸對稱布置，嵌套在旋轉壓體中的兩個滾子壓頭的工作面最底部的母線位於旋轉壓體外部，且為水平狀態，滾子壓頭的工作面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，使得工作面與旋轉壓體互不接觸，避免長時間加工過程中產生的黏附積屑對旋轉壓體和滾子壓頭整體壽命的不利影響，滾子壓頭的支撐面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近工作面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近支撐面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙。
優選的，所述滾子壓頭工作面的所有母線的交點聚焦在旋轉壓體的軸心線上。
優選的，所述滾子壓頭所有面交界處均為圓角過渡。
優選的，所述旋轉壓體包括保持架、支撐軸、軸套筒、軸銷、連接卡塊、滾壓刀本體、彈簧、鉸制孔螺栓、端直通接頭；所述支撐軸為圓柱狀，支撐軸中部凸出，形成兩個凸臺，其中下方的凸臺與保持架契合，上方的凸臺與彈簧接觸，保持架與支撐軸之間通過軸銷固定，軸套筒套在支撐軸外，並可通過彈簧對支撐軸施加壓力，連接卡塊設置於支撐軸上方，滾壓刀本體設置於軸套筒上方，滾壓刀本體與軸套筒之間通過鉸制孔螺栓固定，滾壓刀本體為圓柱形，底部設有餘腔，連接卡塊設置於滾壓刀本體的餘腔內，其直徑與滾壓刀本體的餘腔契合，其高度低於滾壓刀本體餘腔的高度，連接卡塊與支撐軸通過鉸制孔螺栓固定，使得支撐軸能卡在軸套筒上方，受力時，支撐軸會向上運動進入餘腔內，鉸制孔螺栓固定使支撐軸留在滾壓刀本體餘腔內而不至於脫落；所述嵌槽中下部設置於保持架內，嵌槽頂部設置於支撐軸內，滾子壓頭支撐面的錐體頂面圓心位置對應在保持架嵌槽上，使得滾子壓頭固定在保持架內，其滾子壓頭的支撐面與支撐軸接觸。
優選的，所述保持架由左半體、右半體、保持架筒組合而成，左半體、右半體為半筒體，底部為開有嵌槽的半圓柱體，所述左半體、右半體呈對稱結構，可拼合成一個桶狀體，兩個嵌槽的軸心線設置於左右半體的拼合線上，所述保持架筒為與左右半體等高的筒體，左右半體拼合後嵌套在保持架筒內，支撐軸伸入左右半體拼合體內。
優選的，還包括油孔，所述油孔設置在滾壓刀本體軸心、支撐軸內和連接卡塊內，連接卡塊上的油孔設置在卡塊中心凹槽的邊緣兩側，且下部對接的支撐軸上的油孔位置保持一致，與用於給滾子壓頭與支撐軸以及保持架的接觸面提供潤滑。
本發明還提供了一種對稱錐體滾壓裝置，包括旋轉壓體、滾子壓頭、旋轉壓體驅動裝置、床體、床體驅動裝置，所述旋轉壓體內設嵌槽，滾子壓頭設置於旋轉壓體嵌槽內，所述滾子壓頭為一體成型，其外觀為兩個相同尺寸的圓錐臺型滾子在底面拼合而成，靠近旋轉壓體軸心線的迴轉面為工作面，另一面為支撐面，滾子壓頭有兩個，兩個滾子壓頭的軸心線與旋轉壓體的軸心線在同一平面內，且在該平面內，兩個滾子壓頭的軸心線以旋轉壓體軸心線為軸對稱布置，嵌套在旋轉壓體中的兩個滾子壓頭的工作面最底部的母線位於旋轉壓體外部，且為水平狀態，滾子壓頭的工作面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，使得工作面與旋轉壓體互不接觸，滾子壓頭的支撐面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近工作面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近支撐面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，所述旋轉壓體驅動裝置用於驅動旋轉壓體旋轉，所述床體用於放置待加工試樣，旋轉壓體旋轉時帶動滾子壓頭在樣品表面旋轉滾壓，所述床體驅動裝置用於驅動床體在垂直於旋轉壓體軸心線的平面上做水平和豎直方面的運動。
優選的，所述旋轉壓體包括保持架、支撐軸、軸套筒、軸銷、連接卡塊、滾壓刀本體、彈簧、鉸制孔螺栓、端直通接頭；所述支撐軸為圓柱狀，支撐軸中部凸出，形成兩個凸臺，其中下方的凸臺與保持架契合，上方的凸臺與彈簧接觸，保持架與支撐軸之間通過軸銷固定，軸套筒套在支撐軸外，並可通過彈簧對支撐軸施加壓力，連接卡塊設置於支撐軸上方，滾壓刀本體設置於軸套筒上方，滾壓刀本體與軸套筒之間通過鉸制孔螺栓固定，滾壓刀本體為圓柱形，底部設有餘腔，連接卡塊設置於滾壓刀本體的餘腔內，其直徑與滾壓刀本體的餘腔契合，其高度低於滾壓刀本體餘腔的高度，連接卡塊與支撐軸通過鉸制孔螺栓固定，使得支撐軸能卡在軸套筒上方，受力時，支撐軸會向上運動進入餘腔內，鉸制孔螺栓固定使支撐軸留在滾壓刀本體餘腔內而不至於脫落；所述嵌槽中下部設置於保持架內，嵌槽頂部設置於支撐軸內，滾子壓頭支撐面的錐體頂面圓心位置對應在保持架嵌槽上，使得滾子壓頭固定在保持架內，其滾子壓頭的支撐面與支撐軸接觸。
所述旋轉壓體驅動裝置為主軸電機，主軸電機連接到滾壓刀本體，用於驅動旋轉壓體轉動，還包括電動壓下裝置，用於調節旋轉壓體的高度，所述床體包括床身和直立支架，床身上設工作檯，所述床體驅動裝置包括縱向進給電機和橫向進給電機，用於固定工件的工作檯不動，縱向進給電機通過縱向聯軸器驅動縱向絲槓傳動副，使得裝有旋轉壓體裝置的直立支架沿著床身上的縱嚮導槽做縱向運動，即縱向進給；橫向進給電機通過橫向聯軸器驅動橫向絲槓傳動副，使得固定在直立支架上的旋轉壓體裝置通過直立支架上的橫嚮導槽做橫向運動，即橫向進給。
本發明採用對稱型錐體滾子壓頭，既有工作面，又有支撐面；特點是其頂點，即所有工作面母線的交點在旋轉壓體轉心軸線上，並且工作面最底部的母線保持水平狀態，以保證與工件平行接觸，由於圓錐臺滾子壓頭各橫截面的周長與其到頂點的距離成定比關係，故該方式可以實現純滾動。工作面與旋轉壓體嵌槽壁因留有間隙而不與旋轉壓體嵌槽壁接觸，支撐面只與旋轉壓體嵌槽壁接觸而不與工件接觸，既實現了純滾動，又保證了潤滑。同時避免了滾子壓頭側面既是工作面與工件接觸，又作為支撐面與旋轉壓體內的嵌槽壁相接觸對模具壽命造成的不良影響。
本發明模具的兩個對稱型錐體滾子壓頭與加工試件之間在連續加工過程中接近純滾動，避免了壓頭自身表面的不均衡摩擦和過大的扭轉力矩，磨損量少，有利於壓頭壽命的提高。壓頭分工作面和支撐面，支撐面與旋轉壓體內部槽之間有間隙，降低了工作面與工件接觸後對旋轉壓體的內部槽的影響，使壓體壽命提高。對稱型錐體滾子壓頭與工件之間屬於一定長度的線接觸，加工覆蓋範圍較大，比滾珠滾壓方式加工時間短，有效的提高了加工效率。相對滾柱滾壓方式，又減少了模具損耗，延長了模具壽命。與傳統的噴丸方式相比，這種表面加工方式使表面應變組織分布更加均勻，加工控制方式更加靈活。結合電機轉速可控、壓下量可調、床體進給速度可調的特點，在運行過程中，可按實驗樣品材質以及操作實施條件等情況進行進一步的精確控制，以保證不同條件下表面強化加工的順利進行。綜上可知，該方法表面加工質量均勻、加工效率高，工業應用潛力較大。
附圖說明
圖1為實施例1的對稱錐體滾壓部件的結構示意圖。
圖2為滾子壓頭的受力分析圖。
圖3為滾子壓頭的立體結構圖。
圖4為工作時旋轉壓體及滾子壓頭的運動狀態示意圖。
圖5為實施例2的對稱錐體滾壓裝置的正面示意圖。
圖6為實施例2的對稱錐體滾壓裝置的側面示意圖。
圖7為實施例3的對稱錐體滾壓部件的正面剖面示意圖。
圖8為實施例3的對稱錐體滾壓部件的側面剖面示意圖。
圖9為嵌槽頂面圓心位置示意圖，圖中黑點所示即為滾子壓頭支撐面的錐體頂面對應的嵌槽圓心位置。
圖10為實施例3的連接卡塊俯視圖。
圖11為保持架分解示意圖。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
具體實施方式
實施例1
如圖1-4所示，本對稱錐體滾壓部件，包括旋轉壓體100和滾子壓頭200，所述旋轉壓體內設嵌槽300，滾子壓頭200設置於旋轉壓體嵌槽內，所述滾子壓頭為一體成型，其外觀為兩個相同尺寸的圓錐臺型滾子在底面201拼合而成，靠近旋轉壓體軸心線的迴轉面為工作面202，另一面為支撐面203，滾子壓頭有兩個，兩個滾子壓頭的軸心線與旋轉壓體的軸心線在同一平面內，且在該平面內，兩個滾子壓頭的軸心線以旋轉壓體軸心線為軸對稱布置，嵌套在旋轉壓體中的兩個滾子壓頭的工作面最底部的母線位於旋轉壓體外部，且為水平狀態，滾子壓頭的工作面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，使得工作面與旋轉壓體互不接觸，避免長時間加工過程中產生的黏附積屑對旋轉壓體和滾子壓頭整體壽命的不利影響，滾子壓頭的支撐面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近工作面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近支撐面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，所述滾子壓頭工作面的所有母線的交點聚焦在旋轉壓體的軸心線上，所述滾子壓頭所有面交界處均為圓角過渡。
對於本裝置的滾子壓頭在豎直滾轉剖面受力情況，可以通過附圖1和附圖2加以分析。如附圖1：FD為對稱型錐體滾子壓頭受旋轉壓體嵌槽壁的合力；FN為被加工工件400對旋轉工作面的反向壓力；Ff為需克服的向心力；受力面只有支撐面和工作面，對稱型錐體滾子壓頭上下圓底面均不受力。如附圖2：左圖為對稱型錐體滾子壓頭排除嵌槽壁給的力後受的外力情況，FD*為需要嵌槽壁克服的合力，大小與FD相等，方向相反；F1為支撐面下側部分給予對稱型錐體滾子壓頭的支撐力，F2為支撐面上側部分給予對稱型錐體滾子壓頭的支撐力。需要說明的是，附圖1和附圖2是分析對稱型錐體滾子壓頭在紙面內的平面上受力情況，由於對稱型錐體滾子壓頭在工作過程中受嵌槽壁驅使而轉動，因此FD*、F1、F2都有偏離紙面受力現象，但受力原理一樣。
實施例2：
如圖5-6所示，本對稱錐體滾壓裝置，包括旋轉壓體100、滾子壓頭、旋轉壓體驅動裝置、床體、床體驅動裝置，所述旋轉壓體內設嵌槽，滾子壓頭設置於旋轉壓體嵌槽內，所述滾子壓頭為一體成型，其外觀為兩個相同尺寸的圓錐臺型滾子在底面拼合而成，靠近旋轉壓體軸心線的迴轉面為工作面，另一面為支撐面，滾子壓頭有兩個，兩個滾子壓頭的軸心線與旋轉壓體的軸心線在同一平面內，且在該平面內，兩個滾子壓頭的軸心線以旋轉壓體軸心線為軸對稱布置，嵌套在旋轉壓體中的兩個滾子壓頭的工作面最底部的母線位於旋轉壓體外部，且為水平狀態，滾子壓頭的工作面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙，使得工作面與旋轉壓體互不接觸，滾子壓頭的支撐面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近工作面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁光滑接觸，滾子壓頭靠近支撐面的頂面與旋轉壓體嵌槽壁之間設有預留間隙。
所述旋轉壓體包括保持架、支撐軸、軸套筒、軸銷、連接卡塊、滾壓刀本體、彈簧、鉸制孔螺栓；所述支撐軸為圓柱狀，支撐軸中部凸出，形成兩個凸臺，其中下方的凸臺與保持架契合，上方的凸臺與彈簧接觸，保持架與支撐軸之間通過軸銷固定，軸套筒套在支撐軸外，並可通過彈簧對支撐軸施加壓力，連接卡塊設置於支撐軸上方，滾壓刀本體設置於軸套筒上方，滾壓刀本體與軸套筒之間通過鉸制孔螺栓固定，滾壓刀本體為圓柱形，底部設有餘腔，連接卡塊設置於滾壓刀本體的餘腔內，其直徑與滾壓刀本體的餘腔契合，其高度低於滾壓刀本體餘腔的高度，連接卡塊與支撐軸通過鉸制孔螺栓固定，使得支撐軸能卡在軸套筒上方，受力時，支撐軸會向上運動進入餘腔內，鉸制孔螺栓固定使支撐軸留在滾壓刀本體餘腔內而不至於脫落；所述嵌槽中下部設置於保持架內，嵌槽頂部設置於支撐軸內，滾子壓頭支撐面的錐體頂面圓心位置對應在保持架嵌槽上，使得滾子壓頭固定在保持架內，其滾子壓頭的支撐面與支撐軸接觸。
所述旋轉壓體驅動裝置為主軸電機2，主軸電機2連接到滾壓刀本體，用於驅動旋轉壓體轉動，旋轉壓體100與旋轉壓體驅動裝置組成旋轉壓體裝置，還包括電動壓下裝置3，用壓下電機驅動，用於調節旋轉壓體的高度，所述床體包括床身4和直立支架5，床身上設工作檯6，所述床體驅動裝置包括縱向進給電機7和橫向進給電機8，用於固定工件的工作檯6不動，縱向進給電機7通過縱向聯軸器9驅動縱向絲槓傳動副10，使得裝有旋轉壓體裝置的直立支架5沿著床身上的縱嚮導槽11做縱向運動，即縱向進給；橫向進給電機8通過橫向聯軸器12驅動橫向絲槓傳動副13，使得固定在直立支架上的旋轉壓體裝置通過直立支架5上的橫嚮導槽14做橫向運動，即橫向進給。
還包括PLC可編程控制系統1用於控制對稱錐體滾壓裝置的加工過程。
對尺寸為400*250*10mm的1Cr17不鏽鋼板進行加工。加工前，應根據試件材質及表面實際狀況，按常規預處理工藝(如：去汙、除鏽等)進行處理以獲得清潔、乾燥的表面。原始硬度為180HV。
對稱型錐體滾子壓頭為硬質合金材質，工作面寬度為20mm，兩滾子壓頭工作面底面母線中心點距離為60mm。將工件水平固定在工作檯上，採用壓下電機來傳遞壓力，調整壓下高度使預壓力為3000N，然後啟動主軸電機2並調至轉速為V＝360轉/分鐘，啟動縱向進給電機7，直立支架5沿縱嚮導槽11進給速度V2＝0.1mm/s。當完成縱向長度的單次滾壓後，啟動橫向進給電機8，直立支架5沿橫嚮導槽14向未加工區域移動18mm。然後再沿縱嚮導槽11以相同的速率V回程滾壓，如此循環，直至覆蓋整個金屬表面。最後對處理後的試樣進行表面清理，經硬度測試，表面處理之後的試樣表面硬度增加至265HV，將近原先的1.5倍。
對尺寸為600*300*15mm的黃銅板進行加工，按常規預處理工藝進行處理以獲得清潔、乾燥的表面，原始硬度為80HV。對稱型錐體滾子壓頭為硬質合金材質，工作面寬度為20mm，兩個對稱型錐體滾子壓頭有效旋轉的平均半徑為60mm。將工件水平固定在工作檯上，調節壓下電機使預壓力為2500N，然後啟動主軸電機2並調至轉速為V＝300轉/分鐘，啟動縱向進給電機7，直立支架5沿縱嚮導槽11進給速度V2＝0.15mm/s。當完成縱向長度的單次滾壓後，啟動橫向進給電機8，直立支架5沿橫嚮導槽14向未加工區域移動15mm。然後再沿縱嚮導槽11以相同的速率V回程滾壓，如此循環，直至覆蓋整個金屬表面。對處理後的試樣進行表面清理，經硬度測試，與未處理試樣的表面顯微硬度相比，表面處理之後的試樣表面硬度增加至138HV。
實施例3：
如圖7-11所示，本對稱錐體滾壓部件，包括旋轉壓體100和滾子壓頭200，所述旋轉壓體包括保持架15、支撐軸16、軸套筒17、軸銷18、連接卡塊19、滾壓刀本體20、彈簧21、鉸制孔螺栓22,28、端直通接頭23；所述支撐軸16為圓柱狀，支撐軸中部凸出，形成兩個凸臺161，其中下方的凸臺與保持架15契合，上方的凸臺與彈簧21接觸，保持架15與支撐軸16之間通過軸銷18固定，軸套筒17套在支撐軸16外，並可通過彈簧21對支撐軸16施加壓力，連接卡塊19設置於支撐軸16上方，滾壓刀本體20設置於軸套筒17上方，滾壓刀本體20與軸套筒17之間通過鉸制孔螺栓28固定，滾壓刀本體為圓柱形，底部設有空心的餘腔25，連接卡塊19設置於滾壓刀本體的餘腔24內，其直徑與滾壓刀本體的餘腔25契合，其高度低於滾壓刀本體餘腔24的高度，連接卡塊19與支撐軸16通過鉸制孔螺栓22固定，使得支撐軸16能卡在軸套筒17上方，受力時，支撐軸16會向上運動進入餘腔24內，鉸制孔螺栓22固定使支撐軸16留在滾壓刀本體餘腔內而不至於脫落；所述嵌槽300中下部設置於保持架15內，嵌槽頂部設置於支撐軸16內，滾子壓頭支撐面的錐體頂面圓心位置對應在保持架嵌槽上，使得滾子壓頭固定在保持架內，其滾子壓頭的支撐面與支撐軸接觸。對稱錐體滾壓部件的傳力順序為：對滾壓刀本體20施加壓力，滾壓刀本體20將壓力傳送給軸套筒17，軸套筒17擠壓彈簧21變形，彈簧21將力傳送給支撐軸16，支撐軸16將壓力傳送給滾子壓頭200，使滾子壓頭200對試樣表面施加壓力。
所述的連接卡塊19上表面開有圓柱體凹槽191,凹槽內側設有螺栓孔192，鉸制孔螺栓22穿過螺栓孔將連接卡塊19固定在支撐軸16上，凹槽邊緣設置有油孔25，且下部對接的支撐軸上的油孔26位置保持一致，與用於給滾子壓頭與支撐軸以及保持架的接觸面提供潤滑，滾壓刀本體中心也設有油孔27，其底部末端開有螺紋槽並連接端直通接頭23，使油滴通過餘腔進入凹槽191中，經離心旋轉流入孔25。所述的連接卡塊19兩側設有突出的耳鍵193，滾壓刀本體20在餘腔內壁上設有與耳鍵193對應的鍵槽28，鍵槽28貫穿整個餘腔；連接卡塊19的耳鍵193嵌合在鍵槽28上，使得連接卡塊19能跟隨滾壓刀本體20轉動。
所述保持架15由左半體151、右半體152、保持架筒153組合而成，左半體151、右半體152為半筒體，底部為開有嵌槽的半圓柱體，所述左半體151、右半體152呈對稱結構，可拼合成一個桶狀體，兩個嵌槽300的軸心線設置於左右半體的拼合線上，所述保持架筒153為與左右半體等高的筒體，左右半體拼合後嵌套在保持架筒內，支撐軸伸入左右半體拼合體內，左半體151、右半體152、保持架筒153與支撐軸16對應位置設有軸孔，以供軸銷24固定用。