CN103522197A - 基于动态压力信号调节的数控超声波喷丸工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动态压力信号调节的超声波喷丸工艺方法，属于喷丸加工技术领域。该方法基于普通三轴数控机床，将超声波喷丸过程中撞针冲击到材料表面反弹后的冲击力作为监测信号，通过陶瓷电容式压力传感器和压力动态测量系统对比分析实时压力信号与规定信号的差距，进而驱动升降工作台伺服电机动作使压力信号逼近规定信号，使得喷丸区域材料所受冲击力大小保持稳定；待喷件变形过程中，工件通过克服动态夹紧装置在XYZ方向移动所需的橡胶摩擦力延展或收缩，使夹紧装置实时适应待喷件装夹点的空间位置。该方法能够使得各区域喷丸强度与工艺规定的理论值一致，实现高精度喷丸成形与强化的效果，在大型航空结构件的喷丸加工方面有较高的可行性和实用性。

Description

基于动态压力信号调节的数控超声波喷丸工艺方法

技术领域

本发明涉及先进喷丸技术领域，尤其是能对具有复杂几何特征的整体喷丸工件进行等强度超声波喷丸强化、成形或校形。

背景技术

超声波喷丸(USP)是一种新型的表面改性方法，该技术利用超声振动机械能驱动弹丸或撞针对金属表面高速撞击，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，引入残余压应力的同时，逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种先进喷丸成形与强化工艺。与传统喷丸相比，超声波喷丸能获得更大的硬化层深度和压应力值，且工件表面粗糙度精度良好，同时其具有容易实现自动化生产、成形工序简单等优势，因此在航空、航天、汽车等工业领域具有广阔的应用前景，具有十分重要的研究价值。为了充分利用超声波喷丸技术装备简单灵活的特点及其高质量的成形与校形能力，随着数控技术的引进，数控超声波喷丸技术逐渐成为超声波喷丸技术的研究热点之一，使其在大尺寸、复杂几何特征的金属板件处理方面实现CAD/CAM/CNC一体化，具有广阔的应用前景。

目前，虽然国内外的研究文献中多次提到数控超声波喷丸技术，但相关的设备功能仍不完善。国外专业喷丸公司曾公开其研制的工业机器人手臂和超声波喷丸技术相结合的数控超声波喷丸设备，能够保证撞针的冲击方向始终与金属表面垂直，但因机器人手臂的加工范围和刚度问题，导致待喷工件尺寸大小和材料有限，无法满足航空航天制造业类似高强度整体壁板工件的喷丸要求。数控超声波设备的研制瓶颈主要在于以下几个方面：①对于几何特征较为复杂或几何尺寸较大的航空航天结构件，持续的喷丸过程使得材料在垂直于冲击方向的平面上延伸或收缩，并且凸起变形作用会将工件边缘各点向冲击方向上发生位移，给工件喷丸前的装夹带来困难；②由于超声波喷丸技术中撞针的振幅A较小、速度V较高，因此在有效冲击范围内，冲击力对受喷区域在冲击方向的位移特别敏感，容易造成实际冲击强度和事先规定的冲击强度不一致，导致同一批喷丸工件的处理效果不一致，且无法保证工件喷丸工艺规划与喷丸效果的稳定关系；③对于薄板工件的成形和校形过程中，随超声波喷丸工具头的移动，工件一直处于振动和变形状态，要求超声波喷丸工具头根据板料的变形自动调整冲击方向的位置，保证对规划区域的有效冲击。

发明内容

为了解决数控超声波喷丸技术研制中的问题，本专利提出了一种采用普通三轴数控机床即可对复杂工件进行超声波喷丸强化、成形或校形的工艺方法。本发明的目的在于将超声波喷丸强度转换为撞针对变幅杆的压力信号，对其进行实施监测，通过与规定的压力信号进行对比分析，驱动伺服电机控制工作台的升降，使压力信号实时逼近规定的压力信号，达到等强度喷丸的目的；同时本发明提出了一种自适应的动态夹紧装置，以解决板料变形和延伸过程中的装夹问题。该发明具有可行性强、成本低、灵活性高的优点，能够对复杂的金属工件进行等强度喷丸强化、成形或校形。

为实现以上目的，本发明使用以下技术方案实现：

基于动态压力信号调节的超声波喷丸工艺方法，主要操作步骤如下：

(1)确定工件的喷丸目的，即喷丸强化、喷丸成形或喷丸校形，对材料表面进行走刀速度为V的试喷，调整喷丸距离(即超声波喷丸工具头与材料表面在冲击方向的距离)和超声波发生器电流I，观察压力传感器传出的压力信号，直到其压力幅值与工艺要求的压力幅值F₀接近；

(2)根据试喷结果，确定工件喷丸工艺参数，包括喷丸距离、超声波发生器电流、喷丸压力F₀以及走刀速度V，并确定喷丸过程中压力信号允许变化的上下限(F₀±ε)和动态压力信号采集周期T₀，将上述参数储存到H轴电机驱动模块；

(3)制定工件的喷丸路径并生成刀轨文件，将工件装夹到工作台上，根据喷丸强度、喷丸区域大小与工件尺寸、材料的关系预估工件装夹点的位移区间，适当选择动态夹紧装置中的橡胶；

(4)手动调整机床主轴，慢速接近工件设定程序零点，要求检测到的喷丸压力信号F需满足：

F₀+ε≤F≤F₀-ε；

(5)运行程序，喷丸加工过程中，喷丸压力信号以T0为周期输入到H轴电机驱动模块与设定的压力信号对比：

①刀轨路径出现G01/G02/G03等走刀模态代码，如果喷丸压力|F|>|F₀|+ε，H轴电机驱动工作台向下移动，使压力信号逼近设定信号；

②刀轨路径出现G01/G02/G03等走刀模态代码，如果喷丸压力|F|<|F₀|-ε，H轴电机驱动工作台向上移动，使压力信号逼近设定信号；

③刀轨路径出现G00/G04等非走刀模态代码，H轴电机不工作，工作台无动作；

④喷丸过程中工件发生较大变形，动态夹紧装置在某一方向受力f过大，夹紧装置发生位移，直到受力f小于摩擦力f0，停止移动；

(6)刀轨路径出现M02等程序结束代码，机床主轴退刀，加工过程完成，此时有：

|F₀|-ε≤|F|≤|F₀|+ε

f≤f₀

需要注意的是：文中所述的喷丸压力信号是指撞针对变幅杆的撞击压力信号；在每次机床主轴下刀时，由于在有效喷丸距离内，喷丸压力对喷丸距离特别敏感，因此在采用CAM软件(如UG)进行规划数控喷丸路径时，要特别控制喷丸工具头接近工件时的速度在0.1mm/s～1mm/s范围内。

本实用新型的有益效果是，将超声波喷丸过程中变化非常复杂的撞针冲击速度、回弹速度以及喷丸工具头与材料表面的距离转化为撞针回弹时的冲击压力，便于进行喷丸强度的评估、压力信号的实时监测和调整，实现等强度喷丸；采用闭环控制的H轴电机伺服驱动能够达到与X轴、Y轴伺服驱动同样的精度和反应速度，保证工作台上下移动精度达到0.001mm，完全能够通过调整上下高度实现高精度的等强度喷丸；根据工艺需要，通过简单地更换动态夹紧装置的摩擦介质，能够方便的控制工件延伸、收缩或扭转所需克服的阻力。

附图说明

为了更加详尽诠释本专利的内容和操作步骤，接下来通过对喷丸制件的曲率和厚度测量实例来加以说明，该实例只作为对实例所涉及喷丸制件的解释，并不对专利的权力要求保护范围有所限定。

实例包括六张示意图：

图1是数控超声波喷丸工艺流程图；

图2是数控超声波喷丸工艺装配示意图；

图2中：1.H轴丝杠，2.升降工作台，3.超声波喷丸工具头，4.动态夹紧装置，5.Z轴导轨，6.Z轴滑块，7.动态信号测试分析系统，8.超声波发生器，9.XY轴工作台，10.导柱，11.H轴伺服电机(闭环控制)，12.Y轴伺服电机，13.导套，14.X轴伺服电机，15.待喷工件。

图3是超声波喷丸工具头示意图；

图3中：3-1.电缆插座，3-2.变幅杆，3-3.工具头外壳，3-4.紧固端盖，3-5.可更换连接部件，3-6.陶瓷电容式电压传感器-固定电极，3-7.陶瓷电容式电压传感器-可动电极，3-8.紧固螺钉，3-9.撞针限位部件(下)，3-10.撞针，3-11.撞针限位部件(上)，3-12.陶瓷电容式电压传感器-压力信号数据线。

图4是动态夹紧装置示意图；

图4中：4-1.X轴移动滑块，4-2.X轴摩擦橡胶，4-3.橡胶紧固螺钉，4-4.Z轴移动导轨，4-5.Y轴移动导轨(Z轴移动滑块)，4-6.球铰，4-7.夹钳口，4-8.夹钳紧固螺钉，4-9.滑块。

图5是待喷工件与喷丸路径规划图；

图6是喷丸前后工件装夹位置对比图。

具体实施方式

本实例采用为整体航空结构件的数控超声波喷丸成形过程，该过程的整体工艺流程如图1所示，喷丸成形加工前的装夹如图2所示：在原有三轴数控机床(图中5、6、9、12、14部件)的基础上，附加一个能上下运动的“T”形槽升降工作台2，通过H轴闭环伺服驱动11控制升降台在Z轴方向的运动，同时由导柱导套(10、13)配合保证其相对运动精度；动态信号测试分析系统7实时监测、分析和计算超声波喷丸工具头3中的喷丸压力信号，将计算结果传送到H轴伺服驱动11作为驱动信号；采用八个动态夹紧装置4将工件边缘适当装夹固定；超声波喷丸工具头的电流大小通过超声波发生器8调节。

超声波喷丸工具头如图3所示：采用可更换连接部件3-5连接变幅杆3-2和撞针上限位部件3-11；陶瓷电容式电压传感器的固定电极3-6固定在变幅杆端部，可动电极3-7固定在可更换连接部件3-5上；传感器上、下电极的间的电容信号通过数据线3-12实时传送到动态信号测试分析系统7中。动态夹紧装置如图4所示：装置包括XYZ三个方向的移动滑块与移动导轨，各滑块(如4-1)两侧布置有摩擦橡胶，橡胶4-2与滑块通过紧固螺钉4-3固定；装置采用夹钳4-7和紧固螺钉4-8夹持工件边缘，夹钳与滑块4-9之间通过球铰4-6连接。

本发明所述的一种基于动态压力信号调节的超声波喷丸工艺方法，具体实现步骤如下：

(1)根据工艺加工要求和经验数据(如所需要的走刀速度V、超声波发生器电流I等)，在与工件材料相同的试验件上进行试喷，根据喷丸压力信号的变化确定所需的喷丸压力幅值F₀，并确定相应的喷丸压力允许误差ε和动态分析测试系统的压力信号采样周期T₀；

(2)将工件15装夹到工作台上，采用八个动态夹紧装置将边缘固定，并根据工艺要求对每个动态夹紧装置4的摩擦橡胶4-2进行更换；

(3)采用CAM软件对三维待喷工件模型的加工过程进行模拟，并生成数控刀轨文件，导入机床，如图5所示；

(4)采用手动控制机床进行对刀，设置程序零点，要求必须检测到有效稳定的压力信号，压力信号尽量控制在F₀±ε范围内；

(5)运行程序，加工过程中压力信号的调节和动态夹紧装置的动作过程如图1所示，并时刻观察加工过程，以免引起撞刀等其他紧急情况；

(6)程序运行结束，卸下工件。

程序运行结束后，根据该实例待喷工件的几何特征和喷丸路径规划，工件在XY平面上向四周延展，在Z轴方向上出现“凸起”，由于“凸起”高度的不一致，每个动态加紧装置的球铰转动变量不同，如图6所示。图中阴影部分的加紧装置在X、Y、Z方向的位移分别为a、b、0，球铰在XY、XZ、YZ平面的转动角度分别为0、β、γ。

Claims (2)

1.一种基于动态压力信号调节的数控超声波喷丸工艺方法，该方法基于普通三轴数控机床，将超声波喷丸工具头安装到机床主轴上，包括一个附加的升降工作台(2)，该工作台由高精度闭环伺服驱动系统(11)控制，其特征在于：所述的升降工作台伺服驱动系统控制信号为超声波喷丸工具头(3)中撞针(3-10)冲击到材料表面反弹后的实时冲击压力信号，该信号通过动态信号测试分析系统(7)传送到伺服驱动系统(11)；工件装夹采用动态夹紧装置(4)，该装置安装于升降工作台(2)横向与纵向的“T”形槽内；

其中，超声波喷丸工具头内安装有陶瓷电容式压力传感器电极，传感器固定电极(3-6)紧固在变幅杆(3-2)端部，传感器可动电极(3-7)紧固在可更换连接部件(3-5)上，该部件一边与变幅杆螺纹连接，另一边与撞针上限位部件(3-11)螺纹连接，喷丸过程中撞针与可更换部件直接接触；动态夹紧装置(3)包括XYZ三个方向的移动滑块与移动导轨，各滑块(4-1)两侧布置有与对应方向导轨接触的摩擦橡胶(4-2)，橡胶(4-2)与滑块通过紧固螺钉(4-3)固定，该装置采用夹钳(4-7)和紧固螺钉(4-8)夹持工件边缘，夹钳与滑块4-9)之间通过球铰(4-6)连接；

数控喷丸加工过程前，先在与工件材料相同的试验件上进行试喷，试喷过程由手动操作机床完成，试喷工艺所采用的走刀速度V、电流I和喷丸工具头与材料之间的距离根据工件喷丸工艺文件而定，监测到有效、稳定的压力信号后，规定喷丸加工过程中所有喷丸区域所需的喷丸压力信号区间F与动态压力信号的采集周期T₀；装夹工件，根据工件变形过程中边缘材料的变形力大小范围更换动态夹紧装置的橡胶。

2.根据权利1所述的一种基于动态压力信号调节的数控超声波喷丸工艺方法，其特征在于：采用所述方法对大型薄板工件进行喷丸强化时，为保证强化后工件的几何尺寸不发生明显变化，在试喷环节，需严格控制规定的压力信号区间(F₀±ε)，具体可参见《航空零件喷丸强化工艺》标准筛选合适的工艺参数。

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