实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202311270280.3 | 申请日 | 2023-09-28 | 公开(公告)号 | CN117259833A | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 天津大学; | 发明人 | 陈光; 王志义; 王家乐; 任成祖; 靳新民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及表面强化方法技术领域，尤其涉及一种实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法，实现金属表面强化的铣压强化装置包括动 力 驱动机构；刀柄，刀柄固定设置在动力驱动机构上，动力驱动机构能够带动刀柄绕自身轴线作自转运动，同时沿 工件 表面产生移动、进给运动；超声振动组件，超声振动组件设置在刀柄远离动力驱动机构的一端中，超声振动组件的振动 频率 能够调节；供电组件，供电组件与超声振动组件电连接；冲击组件，冲击组件固定设置在刀柄远离动力驱动机构的一端上，且与超声振动组件抵接，超声振动组件能够驱动冲击组件沿刀柄轴线或者轴线与纵扭的组合发生高频率的超声振动。本发明能够改善加工工件的表层特性，从而提高抗疲劳性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.实现金属表面强化的铣压强化装置，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法技术领域[0001] 本发明涉及表面强化方法技术领域，尤其涉及一种实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法。 背景技术[0002] 在航空航天、机车汽车、轮船舰艇、生物医疗等制造业领域，零部件的表面完整性和强度直接影响产品的使用性能和寿命。大量失效的零部件中属于疲劳失效的零部件约占80％，零部件材料的表面完整性是影响材料摩擦学性能、抗腐蚀、抗疲劳等性能的重要因素之一。 [0003] 现有技术中，通常采用超声喷丸技术、超声滚压技术以及超声冲击技术对零部件的表面进行处理，这几种方法在一定程度上能够提升零部件表面的强度和硬度，但是在对零部件的表面进行强化的过程不可控，难以保证零件的尺寸及形状精度，同时很难应用于低刚度、薄壁件或者具有复杂型面或曲面的表面强化，对零部件的纹理结构及方向无法达到控制，应用上具有很多限制。 [0004] 因此，需要一种实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法来接解决上述问题。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种实现金属表面强化的铣压强化装置及工艺方法，能够对零部件表面加工的几何精度、加工表面完整性、纹理结构及方向进行控制，实现表层材料的细晶强化，从而进一步提升零部件表面的硬度、抗疲劳性能。 [0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案： [0007] 实现金属表面强化的铣压强化装置，包括： [0008] 动力驱动机构； [0009] 刀柄，所述刀柄固定设置在所述动力驱动机构上，所述动力驱动机构能够带动所述刀柄绕自身轴线作自转运动，同时沿工件表面产生移动、进给运动； [0010] 超声振动组件，所述超声振动组件设置在所述刀柄远离所述动力驱动机构的一端中，所述超声振动组件的振动频率能够调节； [0011] 供电组件，所述供电组件与所述超声振动组件电连接； [0012] 冲击组件，所述冲击组件固定设置在所述刀柄远离所述动力驱动机构的一端上，且与所述超声振动组件抵接，所述超声振动组件能够驱动所述冲击组件沿刀柄轴线或者轴线与纵扭的组合发生高频率的超声振动；冲击组件对工件表面的铣压运动是对工件表面沿接触位置合速度方向的剪切变形作用以及沿刀柄轴向超声振动冲击作用。 [0013] 进一步地，所述动力驱动机构的末端执行器上设置有安装槽，所述刀柄的一端固定插设在所述安装槽中。 [0014] 进一步地，所述超声振动组件包括压电陶瓷晶片，所述压电陶瓷晶片与所述供电组件电连接，所述冲击组件与所述压电陶瓷晶片抵接。 [0015] 进一步地，所述供电组件包括固定线圈和旋转线圈，所述固定线圈固定套设在所述动力驱动机构上，所述旋转线圈固定套设在所述刀柄上，且所述固定线圈与电源电连接，所述旋转线圈与所述压电陶瓷晶片电连接。 [0016] 进一步地，所述冲击组件包括同轴线连接的铣压工具头和变幅杆，所述变幅杆远离所述铣压工具头的一端与所述刀柄连接，且所述变幅杆与所述压电陶瓷晶片抵接。 [0017] 进一步地，所述刀柄远离所述动力驱动机构的一端设置有安装孔，所述压电陶瓷晶片固定设置在所述安装孔中，所述变幅杆插设在所述安装孔中。 [0018] 进一步地，所述铣压工具头与所述变幅杆之间设置有连接组件，所述铣压工具头通过所述连接组件与所述变幅杆连接。 [0019] 进一步地，所述连接组件包括弹簧夹头和锁紧螺母，所述弹簧夹头设置在所述变幅杆远离所述刀柄的一端上，所述铣压工具头的一端插设在所述弹簧夹头中，所述锁紧螺母与所述弹簧夹头螺接，所述锁紧螺母能够锁紧或者松开所述铣压工具头。 [0020] 进一步地，所述铣压工具头远离所述变幅杆的一端安装有振动强化工具头。 [0021] 工艺方法，使用如上所述的实现金属表面强化的铣压强化装置对零部件的表面进行加工，包括如下步骤： [0022] S1、根据所述零部件所需要的纹理结构及方向确定动力驱动机构的转速；根据所述零部件所的表面粗糙度确定所述动力驱动机构的压入深度、加工次数及步距；根据待加工的所述零部件的材料及强化效率确定所述动力驱动机构的移动速度，根据所述零部件的加工表面确定加工路径； [0023] S2、所述动力驱动机构带动所述刀柄移动至所述加工路径的起点进行对刀； [0024] S3、打开供电组件，所述动力驱动机构带动冲击组件沿自身轴线自转的同时，按照设定的移动速度、压入深度和振动频率对所述零部件的表面进行超声振动铣压加工，在进行强化的过程中，可以通过对超声电源的开关实现对超声振动组件的开关控制，实现对轴向超声振动的选择性施加，从而实现对表面产生超声振动铣压或铣压效果，直至走完所述加工路径及加工次数，所述冲击组件冲击方向与所述零部件的加工表面法线方向夹角θ满足0°≤θ≤90°； [0025] S4、所述动力驱动机构带动所述冲击组件与所述零部件的表面分离，关闭所述供电组件和所述动力驱动机构，完成加工。 [0026] 本发明的有益效果： [0027] 本发明所提供的一种实现金属表面强化的铣压强化装置，在动力驱动机构上设置有刀柄，动力驱动机构能够带动刀柄绕自身轴线作自转运动，同时沿工件表面产生移动、进给运动。在刀柄中设置超声振动组件，供电组件与超声振动组件电连接，冲击组件固定设置在刀柄远离驱动机构的一端，且冲击组件与超声振动组件抵接，超声振动组件能够驱动冲击组件沿刀柄轴线或者轴线与纵扭的组合发生高频率的超声振动；冲击组件对工件表面的铣压运动是对工件表面沿接触位置合速度方向的剪切变形作用以及沿刀柄轴向超声振动冲击作用。在进行强化的过程中可以对通过超声电源的通断实现对轴向超声振动的开、关控制，实现对轴向超声振动的选择性施加，以而实现对表面产生超声振动铣压或铣压效果。在对零部件的表面进行加工的过程中，通过规划路径，控制动力驱动机构的转速、移动速度、压入深度、步距及加工次数，从而在实现表面强化的同时，保证零件的尺寸及形状精度，对零部件加工表面的完整性和纹理结构及方向进行控制。 [0028] 本发明所提供的一种工艺方法，使用如上所述的实现金属表面强化的铣压强化装置对零部件的表面进行强化，这种工艺方法将超声振动冲击与剪切变形结合起来，实现对工件表面的高频率冲击、碾磨滑擦、剪切塑性变形的综合强化，能够使得工件表面的塑性变形强化、产生晶粒细化层，形成残余压应力，提高工件表面的硬度强度、抗疲劳性能。附图说明 [0029] 图1是本发明实施例一的实现金属表面强化的铣压强化装置示意图； [0030] 图2是本发明实施例二的未施加振动的铣压强化装置示意图； [0031] 图3是本发明实现金属表面强化的铣压强化装置中铣压工具头的一种结构示意图； [0032] 图4是本发明实现金属表面强化的铣压强化装置中铣压工具头的另一种结构的示意图； [0033] 图5是本发明实现金属表面强化的铣压强化装置铣压工具头与工件表面的接触示意图； [0034] 图中： [0035] 1、动力驱动机构；2、刀柄；3、超声振动组件；31、压电陶瓷晶片；4、供电组件；41、固定线圈；42、旋转线圈；43、电源；5、冲击组件；51、变幅杆；52、铣压工具头；6、连接组件；61、弹簧夹头；62、锁紧螺母。 具体实施方式[0036] 下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。 [0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0038] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0039] 实施例一 [0040] 本发明实现金属表面强化的铣压强化装置对零部件的表面进行强化处理，能够对零部件加工表面的完整性和纹理结构及方向进行控制，提升零部件表面的硬度、抗疲劳性能。如图1所示，本发明提供一种实现金属表面强化的铣压强化装置及方法。实现金属表面强化的铣压强化装置包括动力驱动机构1、刀柄2、超声振动组件3、供电组件4和冲击组件5、连接组件6。 [0041] 其中在本实施例中，动力驱动机构1为多轴联动机床、并联机器人或者工业机器人，刀柄2固定设置在动力驱动机构1上，动力驱动机构1能够实现带动刀柄2绕自身轴线作自转运动，同时沿工件表面产生移动、进给运动。超声振动组件3设置在刀柄2远离动力驱动机构1的一端中，超声振动组件3的振动频率能够调节；供电组件4与超声振动组件3电连接。 [0042] 冲击组件5固定设置在刀柄2远离动力驱动机构1的一端上，且与超声振动组件3抵接，超声振动组件3能够驱动冲击组件5沿刀柄轴线或者轴线与纵扭的组合发生高频率的超声振动；冲击组件5对工件表面的铣压运动是对工件表面沿接触位置合速度方向的剪切变形作用以及沿刀柄轴向产生超声振动冲击作用。超声振动铣压装置对零部件的表面进行加工的过程中，通过规划路径按照设定的路径对零部件的表面进行加工，以数控程序实现对零件表面的高精度、高表面完整性加工，以适用于不同形状的零部件的表面强化。通过控制工具的运动参数实现对被强化表面的粗糙度及表面纹理结构及方向的控制，提升零部件表面的硬度、抗疲劳性能。 [0043] 进一步地，动力驱动机构1的末端执行器上设置有安装槽，刀柄2的一端固定插设在安装槽中。通过开设安装槽与刀柄2配合，便于刀柄2的安装和固定。 [0044] 进一步地，超声振动组件3包括压电陶瓷晶片31，压电陶瓷晶片31与供电组件4电连接，冲击组件5与压电陶瓷晶片31抵接。压电陶瓷晶片31靠压电效应进行声‑电能量转换，在压电陶瓷晶片31通电后，压电陶瓷晶片31进行振动，通过变幅杆51将振幅放大传递后，从而带动冲击组件5进行振动，进而对工件表面进行强化。 [0045] 进一步地，供电组件4包括固定线圈41和旋转线圈42，固定线圈41固定套设在动力驱动机构1上，旋转线圈42固定套设在刀柄2上，且固定线圈41与电源43电连接，旋转线圈42与压电陶瓷晶片31电连接。具体地，在对零部件表面进行加工的过程中，固定线圈41固定不动，旋转线圈42随着刀柄2的转动同步转动，旋转线圈42与固定线圈41之间通过电磁感应，使得旋转线圈42带电，旋转线圈42与压电陶瓷晶片31导通，对压电陶瓷晶片31供电。通过采用电磁感应原理，能够保证稳定供电的同时，简化了线路布置。在其他实施例中，也可以采用电刷进行供电，在此不对供电形式过多限制，只要能够实现即可。 [0046] 进一步地，冲击组件5包括同轴线连接的铣压工具头52和变幅杆51，变幅杆51远离铣压工具头52的一端与刀柄2连接，且变幅杆51与压电陶瓷晶片31抵接。压电陶瓷晶片31通电振动的过程中，带动变幅杆51振动，变幅杆51将振动放大，带动铣压工具头52对零部件的表面进行强化。 [0047] 进一步地，刀柄2远离动力驱动机构1的一端设置有安装孔，压电陶瓷晶片31固定设置在安装孔中，变幅杆51插设在安装孔中。通过开设安装孔，便于压电陶瓷晶片31与变幅杆51的安装和固定。 [0048] 进一步地，铣压工具头52与变幅杆51之间设置有连接组件6，铣压工具头52通过连接组件6与变幅杆51连接。通过设置连接组件6，便与铣压工具头52在变幅杆51上的安装与固定。 [0049] 进一步地，连接组件6包括弹簧夹头61和锁紧螺母62，弹簧夹头61设置在变幅杆51远离刀柄2的一端上，铣压工具头52的一端插设在弹簧夹头61中，锁紧螺母62与弹簧夹头61螺接，锁紧螺母62能够锁紧或者松开铣压工具头52。在安装铣压工具头52的过程中，弹簧夹头61发生弹性变形，从而将铣压工具头52夹紧，然后利用锁紧螺母62锁定铣压工具头52与弹簧夹头61，使得铣压工具头52相对弹簧夹头61固定，避免铣压工具头52脱落或者相对弹簧夹头61转动。 [0050] 进一步地，铣压工具头52远离变幅杆51的一端安装有振动强化工具头。具体地，振动强化工具头为不同直径尺寸的高速钢、硬质合金或高速钢与硬质合金焊接的工具，本实施例一中铣压工具头52为硬质合金材质，铣压工具头为球形与锥面相贯的回转体。在其他实施例中，可以根据实际的需要设计振动强化工具头的形状，包括且不限于球体、圆柱体、圆锥体，材料包括且不仅限于高速钢、硬质合金，在此不做过多描述。 [0051] 本实现金属表面强化的铣压强化装置的铣压工具头52绕轴线具有可控的旋转速度，旋转复合高频振动及进给运动的铣压工具头52会对零部件表面产生轨迹可控的剪切塑性变形及沿工具头的轴线或者轴线与纵扭的组合的超声冲击。实现高频率冲击、碾磨滑擦、剪切塑性变形的综合强化。以达到工件材料表面塑性变形强化、产生晶粒细化层，形成残余压应力，提高材料表面的硬度强度，提高工件疲劳性能的目的。 [0052] 本实施例还提供了一种工艺方法，使用如上的实现金属表面强化的铣压强化装置对零部件的表面进行加工，包括如下步骤： [0053] S1、根据所述零部件所需要的表面纹理结构及方向确定动力驱动机构1的转速；根据所述零部件所的表面粗糙度确定所述动力驱动机构1的压入深度、加工次数及步距；根据待加工的所述零部件的材料及强化效率确定所述动力驱动机构1的移动速度，根据所述零部件的加工表面确定加工路径； [0054] S2、动力驱动机构1带动刀柄2移动至加工路径的起点进行对刀； [0055] S3、打开供电组件4，动力驱动机构1带动冲击组件5沿自身轴线自转的同时，按照设定的加工路径以设定的移动速度、压入深度和振动频率对零部件的表面进行超声振动铣压加工，在进行强化的过程中，可以通过对超声电源的开关实现对超声振动组件3的开关控制，实现对轴向超声振动的选择性施加，从而实现对表面产生超声振动铣压或铣压效果，直至走完加工路径及加工次数，冲击组件5冲击方向与零部件的加工表面法线方向夹角θ满足0°≤θ≤90°，零部件的表面与强化工具头的接触区域由于工具自转产生的对工件表面材料的剪切变形方向与工具进给速度方向可以相同，也可以不同。 [0056] S4、动力驱动机构1带动冲击组件5与零部件的表面分离，关闭供电组件4和动力驱动机构1，完成加工。 [0057] 以某一材料的零部件表面加工为例： [0058] S1、根据待加工的零部件的材料确定超声振动组件3的振动频率以及动力驱动机构1带动刀柄的转速、移动速度、压入深度及加工次数，根据零部件的加工表面确定加工路径为重复直线运动，直至强化完所有加工区域； [0059] S2、动力驱动机构1带动刀柄2移动至加工路径的起点进行对刀； [0060] S3、打开供电组件4，动力驱动机构1带动冲击组件5按照设定的加工路径，以设定的转速、移动速度及压入深度对零部件的表面进行加工，直至走完加工路径； [0061] S4、动力驱动机构1带动冲击组件5与零部件的表面分离，关闭供电组件4和动力驱动机构1，完成加工。 [0062] 通过对零部件表面产生可控方向的剪切变形，可以通过控制工艺参数加工出具有特定微观几何结构的表面，产生光栅色散效果，即产生表面结构色效果。而且铣压工具头52轴线可以和零部件表面夹角成0‑90°范围，可通过编程实现对其自转及进给运动的控制。可以实现对复杂型面零部件的表面强化，可以在铣削加工后，保持工件固定，从而在实现表面强化的同时，保证零件的尺寸及形状精度。 [0063] 实施例二 [0064] 如图2所示，在零部件表面面对不同的强化要求时，超声振动组件可以全程关闭完成强化，也可以不布置超声振动组件。将刀柄2直接与动力驱动机构1连接，铣压工具头52与刀柄2连接，以实现不同的强化性能效果。 [0065] 在对零部件的表面进行加工的过程中，通过规划路径按照设定的路径对零部件的表面进行加工，能够对零部件表面加工的完整性和纹理结构及方向进行控制；设定动力驱动机构1的转速、移动速度、压入深度及加工次数，能够对零部件表面强化覆盖率进行控制，从而进一步提升零部件表面的抗疲劳性能。 [0066] 铣压工具头52在动力驱动机构1的带动下，绕自身轴线作自转运动的同时，沿工件表面产生移动、进给运动。 [0067] 进一步地，铣压工具头52远离刀柄2的一端设有强化球头。具体地，本实施例二中铣压工具头52为硬质合金材质，刀头为球形与圆柱体相贯的回转体。 [0068] 如图2所示，本实施例的工艺方法包括如下步骤： [0069] S1、根据待加工的零部件的材料确定动力驱动机构1带动刀柄的转速、移动速度、压入深度及加工次数，根据零部件的加工表面确定路径间的步距，加工路径为重复直线运动； [0070] S2、动力驱动机构1带动刀柄2移动至加工路径的起点进行对刀； [0071] S3、打开动力驱动机构1带动铣压工具头52按照设定的加工路径，以设定的转速、移动速度及压入深度对零部件的表面进行加工，直至走完加工路径； [0072] S4、动力驱动机构1带动铣压工具头52与零部件的表面分离，关闭动力驱动机构1，完成加工。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈