具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，屬于金屬表面改性領(lǐng)域。壓力傳感器固定在內(nèi)套筒的后蓋板上，中心孔與活塞桿通過螺紋聯(lián)接。過濾后的氣源分兩支路分別經(jīng)過濾減壓閥和比例減壓閥輸入外套筒內(nèi)由活塞分隔成的兩個氣室。兩氣室氣壓差形成的壓力通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機，程序通過與預(yù)設(shè)靜壓力進行比較輸出數(shù)字反饋信號，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，驅(qū)動比例減壓閥調(diào)整輸出氣壓，帶動活塞桿做軸向移動，實現(xiàn)靜壓力的實時調(diào)控。具有精確度高、運行平穩(wěn)、可實現(xiàn)同步自動化控制等優(yōu)點。
【專利說明】
具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及金屬表面改性領(lǐng)域，具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置。可在加工過程中根據(jù)工藝需求精確控制靜壓力。
【背景技術(shù)】
[0002]在機械結(jié)構(gòu)過早失效和安全事故頻發(fā)的今天，保證機械零部件在役期間安全運行，延長服役壽命是國民經(jīng)濟的重大課題。在引發(fā)機械裝備失效的機制中以疲勞損傷、腐蝕和磨損較為常見。在大多數(shù)情況下，這些失效是從表面開始的。例如，表面是疲勞裂紋萌生的重要部位，腐蝕和磨損也多始于表面。如果在機械零部件的表面制備出一層強化的納米晶層，就可以通過表面組織性能的優(yōu)化來提高材料的綜合力學(xué)性能。因此，研究提高機械零部件抗疲勞、磨損和耐腐蝕性能的表面強化新方法，保證其安全運行，延長有效服役壽命，具有重要的經(jīng)濟意義。
[0003]超聲表面滾壓處理是一種沖擊式壓力光整加工方法，其實質(zhì)是在傳統(tǒng)表面滾壓工藝的基礎(chǔ)上通過引入功率超聲頻機械振動獲得具有極高抗疲勞/耐腐蝕/耐磨損等使用性能的高附加值機械零部件。
[0004]超聲表面滾壓工藝試驗表明，靜壓力在誘發(fā)材料表面塑性變形的過程中起主要作用，即靜壓力越大表層晶粒越細、加工硬化層越深、殘余壓應(yīng)力的數(shù)值和范圍越大。然而，過大的靜壓力會增加表面粗糙度，而疲勞等性能的提高是晶粒細化、加工硬化、表面粗糙度和殘余應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。對于承受復(fù)雜工作載荷的機械零部件，如葉片，其不同區(qū)域承受的循環(huán)載荷應(yīng)力比R相差較大，當應(yīng)力比較低時，殘余壓應(yīng)力在提高疲勞強度上效果較為明顯，而當應(yīng)力比較高時，表面粗糙度對疲勞強度的影響逐漸明顯，高的表面粗糙度微區(qū)極易萌生疲勞裂紋，在很大程度上抵消了壓縮殘余應(yīng)力帶來的疲勞強度提高效果。
[0005]因此，急需一種能夠在加工過程中，根據(jù)工件不同區(qū)域?qū)嶋H服役狀態(tài)實時調(diào)控靜壓力的超聲表面滾壓裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。在超聲表面滾壓處理過程中精確控制并根據(jù)需要實時自動調(diào)節(jié)靜壓力，特別針對具有復(fù)雜表面的機械零部件，可在獲得疲勞性能均勻一致的機械表面同時，避免因在加工過程中變化靜壓力造成的重復(fù)定位困難、增大加工誤差等問題。本發(fā)明是在現(xiàn)有超聲表面滾壓工具系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對靜壓力的精確測量和自動控制。具有精確度高、運行平穩(wěn)、可實現(xiàn)同步自動化控制的優(yōu)點，并可方便的與數(shù)控機床控制系統(tǒng)耦合。本發(fā)明能夠精確實現(xiàn)靜壓力的時變控制，特別是在處理具有復(fù)雜表面的機械零部件時，能夠通過在不同加工位置實時調(diào)節(jié)靜壓力來獲得抗疲勞/耐腐蝕/耐磨損性能均勾一致的機械表面。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn): 具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，包括超聲換能器4、變幅桿2、滾壓頭1、壓力傳感器10、活塞13及活塞桿16、A/D轉(zhuǎn)換器、過濾減壓閥、比例減壓閥等，所述壓力傳感器10通過緊固螺釘固定在內(nèi)套筒后蓋板8上;活塞桿16的一端帶有外螺紋，與壓力傳感器10中心的內(nèi)螺紋孔旋合，另一端與活塞13相連;活塞13將外套筒6分為兩個氣室，分別通過氣口與過濾減壓閥和比例減壓閥連接，所述過濾減壓閥、比例減壓閥通過空氣濾清器與氣源相連；變幅桿2與壓電陶瓷換能器4固定連接在一起組成超聲振動系統(tǒng);滾壓頭I通過內(nèi)套筒5固定于超聲振動系統(tǒng)前端，部分圓球體嵌入變幅桿2前端凹槽中，超聲振動系統(tǒng)沿軸線方向做超聲頻機械振動，帶動前端滾壓頭I做超聲振動;風(fēng)扇7置于壓電陶瓷換能器4之后，可控時變靜壓力由計算機通過控制兩個氣室內(nèi)的氣壓，促使活塞桿移動以使超聲振動系統(tǒng)做軸向運動，壓向工件表面以此來產(chǎn)生加工時實時變化的靜壓力;超聲振動系統(tǒng)本身由數(shù)字超聲波電源激勵。
[0008]所述的內(nèi)套筒5分別與內(nèi)套筒前蓋板3、內(nèi)套筒后蓋板8螺紋連接，內(nèi)套筒5通過定位螺釘18與外套筒6連接，所述外套筒6與外套筒后蓋板15螺紋連接。
[0009]所述的外套筒6的外部設(shè)置電源插口9。
[0010]所述的活塞桿16上套設(shè)有防塵圈11、導(dǎo)向套12，活塞13與活塞桿16剛性地連接為一體，活塞13分隔成的兩個氣室分別由兩側(cè)的密封圈A14、密封圈B17密封，保證加工過程穩(wěn)定。
[0011]所述的壓力傳感器10通過A/D轉(zhuǎn)換器與計算機相連，計算機通過D/A轉(zhuǎn)換器與比例減壓閥相連。靜壓力時變控制方式為，A/D轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器10輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機，通過與預(yù)設(shè)的實時靜壓力進行比較輸出數(shù)字反饋信號，此數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號并驅(qū)動比例減壓閥調(diào)整輸出氣壓，從而通過改變兩個氣室中氣體壓強帶動活塞桿16做軸向移動，實現(xiàn)靜壓力的實時調(diào)控。過濾減壓閥在輸入端壓力波動時，減壓閥膜片自動作出調(diào)整，使壓力平穩(wěn)的輸出，保證壓力穩(wěn)定。
[0012]所述的超聲換能器4為壓電陶瓷換能器。
[0013]所述的變幅桿2為階梯-錐度-階梯型變幅桿，其前端的中心處有球面凹槽。
[0014]所述的滾壓頭I為圓球體。
[0015]所述的壓力傳感器10將活塞桿傳16遞過來的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以反映當前的實時靜壓力數(shù)值。
[0016]所述的超聲振動系統(tǒng)附屬于內(nèi)套筒，活塞13、活塞桿16、防塵圈11、導(dǎo)向套12及密封圈A14和密封圈B17附屬于外套筒，且外套筒底部為法蘭盤式結(jié)構(gòu)，方便夾持在任意臥式或立式數(shù)控加工中心刀塔上。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:在超聲表面滾壓加工過程中實現(xiàn)靜壓力的時變精確控制，具有精確度高、運行平穩(wěn)、可實現(xiàn)同步自動化控制的優(yōu)點，可獲得具有極高抗疲勞/耐腐蝕/耐磨損等使用性能的高附加值機械零部件。
【附圖說明】
[0018]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視示意圖； 圖2、圖3為本發(fā)明的超聲表面滾壓加工過程中靜壓力快速均勻變化下材料表層橫截面微觀形貌。
[0020]1、滾壓頭;2、變幅桿;3、內(nèi)套筒前蓋板;4、超聲換能器;5、內(nèi)套筒;6、外套筒;7、風(fēng)扇;8、內(nèi)套筒后蓋板;9、電源插口； 10、壓力傳感器；11、防塵圈；12、導(dǎo)向套；13、活塞；14、密封圈A; 15、外套筒后蓋板;16、活塞桿;17、密封圈B; 18、定位螺釘。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0022]參見圖1及圖2所示，本發(fā)明的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，包括超聲換能器4、變幅桿2、滾壓頭1、壓力傳感器10、活塞13及活塞桿16、A/D轉(zhuǎn)換器、過濾減壓閥、比例減壓閥等，其特征在于:所述壓力傳感器10通過緊固螺釘固定在內(nèi)套筒后蓋板8上;活塞桿16的一端帶有外螺紋，與壓力傳感器10中心的內(nèi)螺紋孔旋合，另一端與活塞相連;活塞13將外套筒6分為兩個氣室，分別通過氣口與過濾減壓閥和比例減壓閥連接，所述過濾減壓閥、比例減壓閥通過空氣濾清器與氣源相連；左側(cè)氣室的氣體為通過過濾減壓閥輸入的氣體，壓力穩(wěn)定，右側(cè)氣體為通過比例減壓閥輸入的氣體，壓強較小;活塞兩側(cè)的氣壓差促使其連同活塞桿一起向右移動，因加工時滾壓頭接觸工件表面，故活塞桿的右移動作受到位置限制則表現(xiàn)為沿軸向向右的壓力。過濾后的氣源分兩支路分別經(jīng)過濾減壓閥和比例減壓閥輸入外套筒內(nèi)由活塞分隔成的兩個氣室。兩氣室氣壓差形成的壓力通過壓力傳感器感知并轉(zhuǎn)換為電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機，通過與預(yù)設(shè)的實時靜壓力進行比較輸出數(shù)字反饋信號，此數(shù)字反饋信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，驅(qū)動比例減壓閥調(diào)整輸出氣壓，改變后的氣壓造成兩氣室中氣壓差的變化，促使活塞帶動活塞桿做軸向移動，實現(xiàn)靜壓力的實時調(diào)控。變幅桿2與壓電陶瓷換能器4固定連接在一起組成超聲振動系統(tǒng);滾壓頭I通過內(nèi)套筒5固定于超聲振動系統(tǒng)前端，部分圓球體嵌入變幅桿2前端凹槽中，超聲振動系統(tǒng)沿軸線方向做超聲頻機械振動，帶動前端滾壓頭I做超聲振動;風(fēng)扇7置于壓電陶瓷換能器4之后，在工作中對超聲換能器4進行冷卻;可控時變靜壓力由計算機通過控制兩個氣室內(nèi)的氣壓，促使活塞桿移動以使超聲振動系統(tǒng)做軸向運動，壓向工件表面以此來產(chǎn)生加工時實時變化的靜壓力;超聲振動系統(tǒng)本身由數(shù)字超聲波電源激勵。
[0023]所述的內(nèi)套筒5分別與內(nèi)套筒前蓋板3、內(nèi)套筒后蓋板8螺紋連接，內(nèi)套筒5通過定位螺釘18與外套筒6連接，所述外套筒6與外套筒后蓋板15螺紋連接。
[0024]所述的外套筒6的外部設(shè)置電源插口9。
[0025]所述的活塞桿16上套設(shè)有防塵圈11、導(dǎo)向套12，活塞13與活塞桿16剛性地連接為一體，活塞13分隔成的兩個氣室分別由兩側(cè)的密封圈A14、密封圈B17密封，保證加工過程穩(wěn)定。
[0026]所述的壓力傳感器10通過A/D轉(zhuǎn)換器與計算機相連，計算機通過D/A轉(zhuǎn)換器與比例減壓閥相連。靜壓力時變控制方式為，A/D轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器10輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機，通過與預(yù)設(shè)的實時靜壓力進行比較輸出數(shù)字反饋信號，此數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號并驅(qū)動比例減壓閥調(diào)整輸出氣壓，從而通過改變兩個氣室中氣體壓強帶動活塞桿16做軸向移動，實現(xiàn)靜壓力的實時調(diào)控。過濾減壓閥在輸入端壓力波動時，減壓閥膜片自動作出調(diào)整，使壓力平穩(wěn)的輸出，保證壓力穩(wěn)定。
[0027]所述的超聲換能器4為壓電陶瓷換能器。
[0028]所述的變幅桿2為階梯-錐度-階梯型變幅桿，其前端的中心處有球面凹槽。
[0029]所述的滾壓頭I為圓球體。
[0030]所述的壓力傳感器10將活塞桿傳16遞過來的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺苑从钞斍暗膶崟r靜壓力數(shù)值。
[0031]所述的超聲振動系統(tǒng)附屬于內(nèi)套筒，活塞13、活塞桿16、防塵圈11、導(dǎo)向套12及密封圈A14和密封圈B17附屬于外套筒，且外套筒底部為法蘭盤式結(jié)構(gòu)，方便夾持在任意臥式或立式數(shù)控加工中心刀塔上。
[0032]當使用包含本發(fā)明超聲表面滾壓裝置進行機械表面超聲滾壓加工時，將超聲表面滾壓裝置通過外套筒6底部的法蘭盤裝夾到數(shù)控機床上，通過調(diào)節(jié)機床主軸和刀架的相對位置使?jié)L壓頭I與工件表面接觸;打開超聲波電源，調(diào)節(jié)電流使超聲振動系統(tǒng)輸出加工時所需振幅;打開計算機設(shè)定好實時靜壓力，再打開氣源及各閥門開關(guān)，保持滾壓頭位置不變等系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)到靜壓力預(yù)定值后，開始啟動進給系統(tǒng)進行機械表面超聲滾壓加工。
[0033]本發(fā)明對鈦合金材料表面進行靜壓力快速均勻過渡的強化處理試驗說明。
[0034]使用本發(fā)明對鈦合金工件表面進行靜壓力均勻過渡處理。為便于直觀體現(xiàn)靜壓力變化情況，本實例滾壓加工的是平面試樣。
[0035]本實例中各主要技術(shù)參數(shù)為:滾壓頭橫向進給速率10mm/min，縱向進給步長100μm，加工軌跡如圖2所示，靜壓力在標定位置由200Ν快速均勻增加至400Ν，滾壓頭選用硬質(zhì)合金球，直徑15mm，輸出振幅ΙΟμπι，整個加工過程中滾壓加工區(qū)域澆注乳化冷卻液。
[0036]本實例得到的試樣橫斷面微觀形貌如圖3所示，由于靜壓力是影響材料塑性變形的主要因素，因此均勻增加的靜壓力會使得塑性變形層的厚度自靜壓力小的一側(cè)至靜壓力大的一側(cè)均勻增加，且表層材料呈現(xiàn)的塑性流動狀態(tài)也隨之發(fā)生明顯的變化。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，包括超聲換能器(4)、變幅桿(2)、滾壓頭(I)、壓力傳感器(10)、活塞(13)及活塞桿(16)、A/D轉(zhuǎn)換器、過濾減壓閥、比例減壓閥等，其特征在于:所述壓力傳感器(10)通過緊固螺釘固定在內(nèi)套筒后蓋板(8)上；活塞桿(16)的一端帶有外螺紋，與壓力傳感器(10)中心的內(nèi)螺紋孔旋合，另一端與活塞(13)相連；活塞(13)將外套筒(6)分為兩個氣室，分別通過氣口與過濾減壓閥和比例減壓閥連接，所述過濾減壓閥、比例減壓閥通過空氣濾清器與氣源相連;變幅桿(2)與壓電陶瓷換能器(4)固定連接在一起組成超聲振動系統(tǒng);滾壓頭(I)通過內(nèi)套筒(5)固定于超聲振動系統(tǒng)前端，部分圓球體嵌入變幅桿(2)前端凹槽中，超聲振動系統(tǒng)沿軸線方向做超聲頻機械振動，帶動前端滾壓頭(I)做超聲振動;風(fēng)扇(7)置于壓電陶瓷換能器(4)之后，可控時變靜壓力由計算機通過控制兩個氣室內(nèi)的氣壓，促使活塞桿移動以使超聲振動系統(tǒng)做軸向運動，壓向工件表面以此來產(chǎn)生加工時實時變化的靜壓力;超聲振動系統(tǒng)本身由數(shù)字超聲波電源激勵。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的內(nèi)套筒(5)分別與內(nèi)套筒前蓋板(3)、內(nèi)套筒后蓋板(8)螺紋連接，內(nèi)套筒(5)通過定位螺釘(18 )與外套筒(6 )連接，所述外套筒(6 )與外套筒后蓋板(15 )螺紋連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的外套筒(6)的外部設(shè)置電源插口(9)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的活塞桿(16)上套設(shè)有防塵圈(11)、導(dǎo)向套(12)，活塞(13)與活塞桿(16)剛性地連接為一體，活塞(13)分隔成的兩個氣室分別由兩側(cè)的密封圈A(14)、密封圈B(17)密封。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的壓力傳感器(10)通過A/D轉(zhuǎn)換器與計算機相連，計算機通過D/A轉(zhuǎn)換器與比例減壓閥相連;A/D轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器(10)輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機，通過與預(yù)設(shè)的實時靜壓力進行比較輸出數(shù)字反饋信號，此數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號并驅(qū)動比例減壓閥調(diào)整輸出氣壓，從而通過改變兩個氣室中氣體壓強帶動活塞桿(16)做軸向移動，實現(xiàn)靜壓力的實時調(diào)控。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的超聲換能器(4)為壓電陶瓷換能器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的變幅桿(2)為階梯-錐度-階梯型變幅桿，其前端的中心處有球面凹槽。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的滾壓頭(I)為圓球體。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的壓力傳感器(10)將活塞桿(16)傳遞過來的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以反映當前的實時靜壓力數(shù)值。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可控時變靜壓力的超聲表面滾壓裝置，其特征在于:所述的超聲振動系統(tǒng)附屬于內(nèi)套筒，活塞(13)、活塞桿(16)、防塵圈(11)、導(dǎo)向套(12)及密封圈A(14)和密封圈B(17)附屬于外套筒，且外套筒底部為法蘭盤式結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B23P9/02GK105855792SQ201610422713
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】劉宇, 趙博, 薛桂連, 趙小輝, 彭志剛, 張艷君
【申請人】吉林大學(xué)