具有可控时变静压力的超声表面滚压装置 |
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| 申请号 | CN201610422713.6 | 申请日 | 2016-06-16 | 公开(公告)号 | CN105855792A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 吉林大学; | 发明人 | 刘宇; 赵博; 薛桂连; 赵小辉; 彭志刚; 张艳君; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种具有可控时变静压 力 的超声表面滚压装置，属于金属表面改性领域。压力 传感器 固定在内套筒的后盖板上，中心孔与 活塞 杆通过 螺纹 联接。过滤后的气源分两支路分别经过滤减压 阀 和比例减压阀输入外套筒内由活塞分隔成的两个气室。两气室气压差形成的压力通过 压力传感器 转换为电 信号 ，A/D转换器将模拟 电信号 转换为 数字信号 后输入计算机，程序通过与预设静压力进行比较输出数字反馈信号，并经D/A转换器转换为 模拟信号 ，驱动比例减压阀调整输出气压，带动 活塞杆 做轴向移动，实现静压力的实时调控。具有精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有可控时变静压力的超声表面滚压装置，包括超声换能器（4）、变幅杆（2）、滚压头（1）、压力传感器（10）、活塞（13）及活塞杆（16）、A/D转换器、过滤减压阀、比例减压阀等，其特征在于：所述压力传感器（10）通过紧固螺钉固定在内套筒后盖板（8）上；活塞杆（16）的一端带有外螺纹，与压力传感器（10）中心的内螺纹孔旋合，另一端与活塞（13）相连； |
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| 说明书全文 | 具有可控时变静压力的超声表面滚压装置技术领域[0001] 本发明涉及金属表面改性领域，具有可控时变静压力的超声表面滚压装置。可在加工过程中根据工艺需求精确控制静压力。 背景技术[0002] 在机械结构过早失效和安全事故频发的今天，保证机械零部件在役期间安全运行，延长服役寿命是国民经济的重大课题。在引发机械装备失效的机制中以疲劳损伤、腐蚀和磨损较为常见。在大多数情况下，这些失效是从表面开始的。例如，表面是疲劳裂纹萌生的重要部位，腐蚀和磨损也多始于表面。如果在机械零部件的表面制备出一层强化的纳米晶层，就可以通过表面组织性能的优化来提高材料的综合力学性能。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面强化新方法，保证其安全运行，延长有效服役寿命，具有重要的经济意义。 [0003] 超声表面滚压处理是一种冲击式压力光整加工方法，其实质是在传统表面滚压工艺的基础上通过引入功率超声频机械振动获得具有极高抗疲劳/耐腐蚀/耐磨损等使用性能的高附加值机械零部件。 [0004] 超声表面滚压工艺试验表明，静压力在诱发材料表面塑性变形的过程中起主要作用，即静压力越大表层晶粒越细、加工硬化层越深、残余压应力的数值和范围越大。然而，过大的静压力会增加表面粗糙度，而疲劳等性能的提高是晶粒细化、加工硬化、表面粗糙度和残余应力综合作用的结果。对于承受复杂工作载荷的机械零部件，如叶片，其不同区域承受的循环载荷应力比R相差较大，当应力比较低时，残余压应力在提高疲劳强度上效果较为明显，而当应力比较高时，表面粗糙度对疲劳强度的影响逐渐明显，高的表面粗糙度微区极易萌生疲劳裂纹，在很大程度上抵消了压缩残余应力带来的疲劳强度提高效果。 [0005] 因此，急需一种能够在加工过程中，根据工件不同区域实际服役状态实时调控静压力的超声表面滚压装置。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种具有可控时变静压力的超声表面滚压装置，解决了现有技术存在的上述问题。在超声表面滚压处理过程中精确控制并根据需要实时自动调节静压力，特别针对具有复杂表面的机械零部件，可在获得疲劳性能均匀一致的机械表面同时，避免因在加工过程中变化静压力造成的重复定位困难、增大加工误差等问题。本发明是在现有超声表面滚压工具系统的基础上引入压力调节系统，从而实现对静压力的精确测量和自动控制。具有精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制的优点，并可方便的与数控机床控制系统耦合。本发明能够精确实现静压力的时变控制，特别是在处理具有复杂表面的机械零部件时，能够通过在不同加工位置实时调节静压力来获得抗疲劳/耐腐蚀/耐磨损性能均匀一致的机械表面。 [0007] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：具有可控时变静压力的超声表面滚压装置，包括超声换能器4、变幅杆2、滚压头1、压力传感器10、活塞13及活塞杆16、A/D转换器、过滤减压阀、比例减压阀等，所述压力传感器10通过紧固螺钉固定在内套筒后盖板8上；活塞杆16的一端带有外螺纹，与压力传感器10中心的内螺纹孔旋合，另一端与活塞13相连；活塞13将外套筒6分为两个气室，分别通过气口与过滤减压阀和比例减压阀连接，所述过滤减压阀、比例减压阀通过空气滤清器与气源相连； 变幅杆2与压电陶瓷换能器4固定连接在一起组成超声振动系统；滚压头1通过内套筒5固定于超声振动系统前端，部分圆球体嵌入变幅杆2前端凹槽中，超声振动系统沿轴线方向做超声频机械振动，带动前端滚压头1做超声振动；风扇7置于压电陶瓷换能器4之后，可控时变静压力由计算机通过控制两个气室内的气压，促使活塞杆移动以使超声振动系统做轴向运动，压向工件表面以此来产生加工时实时变化的静压力；超声振动系统本身由数字超声波电源激励。 [0008] 所述的内套筒5分别与内套筒前盖板3、内套筒后盖板8螺纹连接，内套筒5通过定位螺钉18与外套筒6连接，所述外套筒6与外套筒后盖板15螺纹连接。 [0009] 所述的外套筒6的外部设置电源插口9。 [0010] 所述的活塞杆16上套设有防尘圈11、导向套12，活塞13与活塞杆16刚性地连接为一体，活塞13分隔成的两个气室分别由两侧的密封圈A14、密封圈B17密封，保证加工过程稳定。 [0011] 所述的压力传感器10通过A/D转换器与计算机相连，计算机通过D/A转换器与比例减压阀相连。静压力时变控制方式为，A/D转换器将压力传感器10输出的模拟信号转换为数字信号后输入计算机，通过与预设的实时静压力进行比较输出数字反馈信号，此数字信号经D/A转换器转换为模拟信号并驱动比例减压阀调整输出气压，从而通过改变两个气室中气体压强带动活塞杆16做轴向移动，实现静压力的实时调控。过滤减压阀在输入端压力波动时，减压阀膜片自动作出调整，使压力平稳的输出，保证压力稳定。 [0012] 所述的超声换能器4为压电陶瓷换能器。 [0013] 所述的变幅杆2为阶梯-锥度-阶梯型变幅杆，其前端的中心处有球面凹槽。 [0014] 所述的滚压头1为圆球体。 [0015] 所述的压力传感器10将活塞杆传16递过来的压力转变为电信号，以反映当前的实时静压力数值。 [0016] 所述的超声振动系统附属于内套筒，活塞13、活塞杆16、防尘圈11、导向套12及密封圈A14和密封圈B17附属于外套筒，且外套筒底部为法兰盘式结构，方便夹持在任意卧式或立式数控加工中心刀塔上。 [0017] 本发明的有益效果在于：在超声表面滚压加工过程中实现静压力的时变精确控制，具有精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制的优点，可获得具有极高抗疲劳/耐腐蚀/耐磨损等使用性能的高附加值机械零部件。附图说明 [0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。 [0019] 图1为本发明的结构剖视示意图；图2、图3为本发明的超声表面滚压加工过程中静压力快速均匀变化下材料表层横截面微观形貌。 [0020] 1、滚压头；2、变幅杆；3、内套筒前盖板；4、超声换能器；5、内套筒；6、外套筒；7、风扇；8、内套筒后盖板；9、电源插口；10、压力传感器；11、防尘圈；12、导向套；13、活塞；14、密封圈A；15、外套筒后盖板；16、活塞杆；17、密封圈B；18、定位螺钉。 具体实施方式[0021] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。 [0022] 参见图1及图2所示，本发明的具有可控时变静压力的超声表面滚压装置，包括超声换能器4、变幅杆2、滚压头1、压力传感器10、活塞13及活塞杆16、A/D转换器、过滤减压阀、比例减压阀等，其特征在于：所述压力传感器10通过紧固螺钉固定在内套筒后盖板8上；活塞杆16的一端带有外螺纹，与压力传感器10中心的内螺纹孔旋合，另一端与活塞相连；活塞13将外套筒6分为两个气室，分别通过气口与过滤减压阀和比例减压阀连接，所述过滤减压阀、比例减压阀通过空气滤清器与气源相连；左侧气室的气体为通过过滤减压阀输入的气体，压力稳定，右侧气体为通过比例减压阀输入的气体，压强较小；活塞两侧的气压差促使其连同活塞杆一起向右移动，因加工时滚压头接触工件表面，故活塞杆的右移动作受到位置限制则表现为沿轴向向右的压力。过滤后的气源分两支路分别经过滤减压阀和比例减压阀输入外套筒内由活塞分隔成的两个气室。两气室气压差形成的压力通过压力传感器感知并转换为电信号，A/D转换器将模拟电信号转换为数字信号后输入计算机，通过与预设的实时静压力进行比较输出数字反馈信号，此数字反馈信号经D/A转换器转换为模拟信号，驱动比例减压阀调整输出气压，改变后的气压造成两气室中气压差的变化，促使活塞带动活塞杆做轴向移动，实现静压力的实时调控。变幅杆2与压电陶瓷换能器4固定连接在一起组成超声振动系统；滚压头1通过内套筒5固定于超声振动系统前端，部分圆球体嵌入变幅杆2前端凹槽中，超声振动系统沿轴线方向做超声频机械振动，带动前端滚压头1做超声振动；风扇7置于压电陶瓷换能器4之后，在工作中对超声换能器4进行冷却；可控时变静压力由计算机通过控制两个气室内的气压，促使活塞杆移动以使超声振动系统做轴向运动，压向工件表面以此来产生加工时实时变化的静压力；超声振动系统本身由数字超声波电源激励。 [0023] 所述的内套筒5分别与内套筒前盖板3、内套筒后盖板8螺纹连接，内套筒5通过定位螺钉18与外套筒6连接，所述外套筒6与外套筒后盖板15螺纹连接。 [0024] 所述的外套筒6的外部设置电源插口9。 [0025] 所述的活塞杆16上套设有防尘圈11、导向套12，活塞13与活塞杆16刚性地连接为一体，活塞13分隔成的两个气室分别由两侧的密封圈A14、密封圈B17密封，保证加工过程稳定。 [0026] 所述的压力传感器10通过A/D转换器与计算机相连，计算机通过D/A转换器与比例减压阀相连。静压力时变控制方式为，A/D转换器将压力传感器10输出的模拟信号转换为数字信号后输入计算机，通过与预设的实时静压力进行比较输出数字反馈信号，此数字信号经D/A转换器转换为模拟信号并驱动比例减压阀调整输出气压，从而通过改变两个气室中气体压强带动活塞杆16做轴向移动，实现静压力的实时调控。过滤减压阀在输入端压力波动时，减压阀膜片自动作出调整，使压力平稳的输出，保证压力稳定。 [0027] 所述的超声换能器4为压电陶瓷换能器。 [0028] 所述的变幅杆2为阶梯-锥度-阶梯型变幅杆，其前端的中心处有球面凹槽。 [0029] 所述的滚压头1为圆球体。 [0030] 所述的压力传感器10将活塞杆传16递过来的压力转变为电信号，以反映当前的实时静压力数值。 [0031] 所述的超声振动系统附属于内套筒，活塞13、活塞杆16、防尘圈11、导向套12及密封圈A14和密封圈B17附属于外套筒，且外套筒底部为法兰盘式结构，方便夹持在任意卧式或立式数控加工中心刀塔上。 [0032] 当使用包含本发明超声表面滚压装置进行机械表面超声滚压加工时，将超声表面滚压装置通过外套筒6底部的法兰盘装夹到数控机床上，通过调节机床主轴和刀架的相对位置使滚压头1与工件表面接触；打开超声波电源，调节电流使超声振动系统输出加工时所需振幅；打开计算机设定好实时静压力，再打开气源及各阀门开关，保持滚压头位置不变等系统自动调节到静压力预定值后，开始启动进给系统进行机械表面超声滚压加工。 [0034] 使用本发明对钛合金工件表面进行静压力均匀过渡处理。为便于直观体现静压力变化情况，本实例滚压加工的是平面试样。 [0035] 本实例中各主要技术参数为：滚压头横向进给速率10mm/min，纵向进给步长100μm，加工轨迹如图2所示，静压力在标定位置由200N快速均匀增加至400N，滚压头选用硬质合金球，直径15mm，输出振幅10µm，整个加工过程中滚压加工区域浇注乳化冷却液。 [0036] 本实例得到的试样横断面微观形貌如图3所示，由于静压力是影响材料塑性变形的主要因素，因此均匀增加的静压力会使得塑性变形层的厚度自静压力小的一侧至静压力大的一侧均匀增加，且表层材料呈现的塑性流动状态也随之发生明显的变化。 |
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