CN101237957B - 用于任意3d自由形状表面显微冷锻技术的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动机械的振实装置和振实方法，用于通过冲击头对工具、机器和其他部件表面的锤锻来加工、磨光和冷作硬化所述部件的表面，其中所述冲击头安装在加工机床或者机器人上。冲击头(1a)固定在具有铁磁部件(1c)的支架(1b)上。磁场(B1)将冲击头的支架保持在确定的静止位置上。冲击头的支架(1b)上具有至少一个线圈(4)，其处于首次提到的磁场(B1)或者另一个磁场(B2)内并通有带有或者没有可变直流成分的交流电或者脉冲电流(I2)。由此冲击头(1a)以确定的冲击频率、振幅和过零点进行冲击。这种装置与CAM分析系统相组合可以作为控制单元或者全自动调节系统，在考虑到几何形状和材料技术数据以及局部形状和位置公差的情况下，加工任意三维的材料表面。

Description

用于任意3D自由形状表面显微冷锻技术的方法
技术领域
本发明涉及一种电动机械的振实装置和振实方法，用于通过对工具、机器和其他部件表面的锤锻来磨光和冷作硬化所述部件的表面，其中冲击头安装在加工机床或者机器人上。
背景技术
公开文献DE 197 32 790.7-14公开了这样一种装置。在该装置中，通过沿圆周向构成为波浪形的圆盘在沿相反方向构成为波浪形的不旋转的第二圆盘上的旋转，推杆以恒定振幅进行轴向运动。在推杆的工件侧末端上设有冲击工件表面的球形头。
在实践中这种装置存在明显缺陷。冲击运动以机械上形状接合的方式产生。由此装置受到凸轮盘或波浪盘的严重磨损。冲击头以恒定的振幅进行冲击工件表面，而与工件表面的位置、形状和刚性或硬度无关。这将限制这种装置的应用在少量情况上。
公开文献DE 102 43 415 A1介绍了一种类似的装置，其中，冲击头的运动通过将超声波转换成机械运动来进行。但该公开文献却未公开将超声波转换成冲击头运动的方式并对冲击的振幅只字未提。
发明内容
因此本发明的目的在于，以最小的损耗、磨损和能量消耗通过在冲击频率和振幅方面的可变配合以及通过与部件的局部形状、壁厚和硬度在冲击频率零位或过零点方面的可变配合进行磨光和冷作硬化工具、工件和机器部件的表面。
该目的依据本发明利用本发明提供的振实装置和振实方法得以实现。
本发明提出一种通过冲击头对工具、机器和其他部件表面的锤锻来加工、磨光和冷作硬化所述部件表面的电动机械的方法，其中所述冲击头安装在加工机床或者机器人上，其特征在于，所述冲击头在无励磁电流下通过磁场保持在静止位置并且通过将交流电或者带有或者没有直流成分的脉冲励磁电流流过设置在同一磁场或者另一磁场的中间的至少一个线圈的线匝，冲击头在轴向冲击中以确定的频率和振幅移位，使得冲击振动的中心位置能够通过励磁电流改变。
下文给出了本发明有利的改进方案。
由于利用冲击头可变但确定的静止位置磁悬置与冲击的频率和振幅取决于材料和几何形状参数的电气和电子控制和/或调节相结合，依据本发明为工件表面的任何位置测定和调整冲击头的冲击频率和振幅以及静止位置，使得在最短的时间内利用最小的能量消耗取得最佳的结果。
在最简单的结构中，依据本发明的装置具有由非常硬的材料组成的在一般情况下为球形的冲击头。冲击头以可更换的方式设置在支架上。这样它可以通过例如冲头形的其他冲击头更换，以产生织构化的表面。
冲击头的支架的至少一部分是导磁的并通过环形管状的磁场保持在优选的静止位置上。它侧面通过向心轴承或者磁性轴承或者其他类型的轴承引导和保持，使得它可以从其静止位置进行轴向位移。该第一磁场或者通过轴向磁化的永磁环产生，其本身同轴地环绕可轴向移动的冲击头支架的磁性部分，或者通过通有可调节电流的圆柱形线圈产生，其同轴地环绕冲击头支架的磁性部分。在后一种情况下，线圈可以由多个分绕组组成，它们根据冲击头对磁场强度和静止位置的需要串联、并联或者相反地连接并通有电流。
通过带有或者没有直流成分的调节和/或脉冲电流流过第二线圈的励磁，冲击头在轴向冲击中以确定的频率和振幅位移，使得冲击振动的中心位置或过零点可以任意调节，其中所述第二线圈利用冲击头的支架固定并且与之相关同轴设置、处于同一磁场内或者同一磁场的第二分支例如外部磁场内。因此冲击振动的冲击频率、振幅和中心位置或过零点与工件的几何形状比例和机械特性相配合。
依据本发明另一有利的改进方案，在环绕冲击头支架的磁性部分的圆柱体上彼此平行设置多个较小的圆柱形永久磁铁取代永磁环。以类似方式小型永久磁铁可以分别通有直流的线圈取代。通过永久磁铁或线圈的这种位置形成两种不同的磁场，一个内部和一个外部磁场。内部磁场用于保证冲击头的支架占据确定的位置。励磁线圈的线匝在这种情况下可以处于内部磁场、外部磁场或者两个磁场内。在后一种情况下，两个线圈的线匝相反绕组，因为磁场方向反向定向。
这样设计的装置可以以局部不同的方式对工具和工件的表面进行加工、锤锻、磨光和冷作硬化。通过冲击振动中心位置与工件表面距离的程序控制和电子配合，装置的效率得到优化并因此将损耗功率降到最低限度。这样例如对棱边采用高频率和小振幅进行加工，以保证部件的形状和轮廓而不使孔口变窄。
依据本发明的装置一种有利的应用，将该电动机械装置与一种为此目的专门开发的CAM分析系统组合以提供一种新方法。
常见的CAM系统始终通过与工件所要求的表面平行引导工具对工件表面进行加工，即所谓的偏移法。而依据本发明的方法相反利用一种CAM分析系统工作。根据对所要求的3D表面借助于几何形状数据的分析，测定表面的最小曲率半径并作为工具的最大球半径确定。根据工具半径的选择，依据本发明的CAM系统计算球形铣削和振实工具中心的轨迹，其中一个相同半径的球体可以通过所要求的整个表面滚动并作为引导工具中心的新3D表面确定球体中心的几何形状位置。随后计算和分析新3D表面的曲率并在此基础上测定工具中心最佳的导向轨迹，使得铣削时的槽痕和振实时的斑痕最小化。
因此依据本发明的CAM分析系统随时识别工具与工件表面的瞬间接触点并可以相应采取行动。平面轨迹采用不同于孔、凹处、槽或者工件棱边的高曲率轨迹或者角的策略进行加工。
依据本发明的装置与所介绍的CAM分析系统的组合和电子耦合，在加工期间采用或者不采用机械或者无接触式表面测量方法，例如像工件表面的激光测量，在调节技术的意义上产生一种智能化和独立的铣削和振实方法。所要求的3D表面形状、形状和位置公差以及局部表面粗糙度和强度，依据绘图程序由该智能化系统承担并自动实施。
这种智能化系统识别所有棱边和其他减薄部位，例如像工件的薄壁并相应保护性地对其进行处理。
因为已知振实工具与工件实际的瞬间接触点，所以装置的纵轴线可以始终作为法线与工件表面接触点上的平面切线定向和引导。由此进行最佳的振实过程并取得目前最佳的结果。
附图说明
图1示出依据本发明的装置横截面，该装置具有作为保持磁铁的与外壳固定的线圈和冲击头的一个可轴向移动的励磁线圈；
图2示出依据本发明的装置横截面，该装置具有作为保持磁铁的环绕冲击头的支架环形设置且与外壳固定的永磁环或者多个较小的永久磁铁和冲击头的一个或者两个可轴向移动的励磁线圈。
具体实施方式
相同的部件具有相同的数字或者相同的字母。不同的附图符号表示同一部件不同的区域或者不同的结构或者多重设置。
依据图1，冲击头1a以可更换方式固定在轻型和非磁性的支架1b上。支架1b径向安装在外壳2内，从而支架只能沿其纵轴线A的方向进行轴向运动。外壳2通过相应的底座固定在例如铣床的加工机床或者机器人或者并联机器人上。冲击头的支架1b可以贯通空心，以便可以通过其空腔中心引导电缆、测量探头或者光束。支架1b上同轴固定有铁磁套管1c，其在磁场B1内采用确定位置作为静止位置。
固定于外壳2并通有直流电I1a的中心设置的线圈3a同轴地环绕套管1c设置以便构成磁场B1a。线圈3a可以由唯一的线圈或者由多个较小的线圈组成，多个较小的线圈根据需要电子地并联或者串联或者组合连接，以改变冲击头的保持力和静止位置。线圈3a也可以设计成机械地沿轴向可调的，以便手动或者电动或者电磁地改变冲击头的静止位置。
第二线圈4a处于冲击头的支架1b上，使得其线匝与磁场B1a的场力线垂直。线圈4a通有在频率和振幅上可调节的交流电I2a和/或带有或者没有直流成分的脉冲电流I2a。由此冲击头以确定的频率和振幅来回运动。冲击频率通过脉冲频率确定，并且冲击力通过脉冲高度和脉冲宽度确定。
依据图2，装置的机械结构原则上与图1类似，但磁场B1a或者通过轴向的磁化永磁环3或者通过多个环绕套管1c同轴设置的较小的圆柱形永久磁铁产生，它们也可以通过单个线圈3b、3c、...替换。通过永磁环或永久磁铁或者线圈的这种设置形成两个环形管状的磁场，一个内部磁场B1b和一个外部磁场B2。内部磁场B1b与套管1c共同用于确保冲击头的静止位置，而带有交流电或脉冲电流I2b的线圈4b则处于外部磁场B2内并确保冲击头的来回运动。
在磁场B1b、B2的这种设置中，因为两个磁场具有不同的方向，所以处于冲击头支架1b上的另一个励磁线圈4c可以在内部磁场B1b内定位，但其电流方向I2c与第一励磁线圈4b的电流方向I2b相反。
本发明在前面的说明书、附图和权利要求书中所公开的特征无论是单独还是任意组合，对实现本发明均具有重要意义。所公开的所有特征均具有创造性。

Claims (5)

1.一种通过冲击头对工具、机器和其他部件表面的锤锻来加工、磨光和冷作硬化所述部件表面的电动机械的方法，其中所述冲击头安装在加工机床或者机器人上，其特征在于，
所述冲击头在无励磁电流(I2)下通过磁场(B1)保持在静止位置并且通过将交流电或者带有或者没有直流成分的脉冲励磁电流(12)流过设置在同一磁场(B1)或者另一磁场(B2)的中间的至少一个线圈(4)的线匝，冲击头在轴向冲击中以确定的频率和振幅移位，使得冲击振动的中心位置能够通过励磁电流(12)改变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，磁场(B1、B2)通过设置在空心圆柱体上的轴向磁化环(3)或者多个圆柱形的永久磁铁产生。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，磁场(B1、B2)通过线圈(3a)产生或者通过多个与轴线(A)同轴设置的线圈(3b、3c、...)产生。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，冲击头在加工机床或者机器人上通过CAM分析系统控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，冲击头的磁性保持力和/或冲击的励磁电流和励磁频率与CAM分析系统耦合并通过该系统基于几何形状数据控制或者调节。
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