CN104271314B - 用于机电辅助滚压抛光的设备与方法 - Google Patents

用于机电辅助滚压抛光的设备与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机电滚压抛光工件表面的设备与方法，其中，使用了用于滚压抛光的恰好一个电流引导的滚压抛光元件，以及一个分离的电接触元件，并且在所述工件表面上移动所述滚压抛光元件时，之后引导所述电接触元件使得在进行滚压抛光时恒定长度的电流路径通过该工件。本发明允许以成本有效的方式来实现高表面质量和对所述工件的上层的精确可调的微小结构的改变。

Description

用于机电辅助滚压抛光的设备与方法
技术领域
本专利申请涉及一种用于机电辅助滚压抛光的设备，而且涉及一种相应的用于机电辅助滚压抛光的方法。
背景技术
机械滚压抛光作为转动部件的加工后处理，已经属于现有技术水平。滚压抛光主要用于提高表面质量，其作为在先的、主要是机械加工之后的外加工或内加工。通过这种成形过程可以实现低粗糙深度和较高的接触比，并且可以在外表面提高材料硬度。
在滚压抛光时通过以下方式使表面粗糙度变得平滑：由一个或多个滚压抛光元件(以滚子、盘或球的形式)将粗糙尖峰的材料压入位于工具刻痕之间的槽内，并且使粗糙尖峰材料平整。表面轮廓的整平受到进入槽内的材料的流的影响。由此，通过抬高基面实现一致的表面平整。滚压抛光元件是经过硬化的，并且大多数具有高的表面光洁度。从而在通用机架中也被用作滚子、盘或球。
接近表面的层出现局部的强度增大取决于相关的机械加工参数：进给、切削深度或滚压力和旋转工件的圆周速度，以及滚子的几何形状。通过使表面平滑或抛光表面来消除微小切口。以材料去除的方式加工的工件以及韧性材料是这类冷成形方法的先决条件。
另一种方法是机电辅助滚压抛光(Electromechanically Assisted RollerBurnishing,EMRB)，利用该方法，通过多个滚压抛光体并在同时进行加热，将圆体的表面机械地压入并加强。通过直接在工件表面与工具表面之间的接触位置施加的高电流强度和低电压实现活跃位置处的高温。通过热输入和随后的冷却，引起了结构变化，并且利用这种变化实现了具有残余奥氏体的马氏体的形式的细粒结构。其结果是表面硬化。
一方面，受控热量通过接触位置传输到加工区，另一方面，与材料有关的冷却时间，都是问题。对滚压抛光元件上的高电流强度来说十分必要的这种接触也受到机械磨损的影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种设备和方法，利用该设备和方法、以低的工具磨损实现了对结构变化的最佳控制和工件的最高表面质量。
这首先涉及到用于机电辅助滚压抛光(EMRB)的设备，其中给出具有恰好一个电流引导滚压抛光元件的滚压抛光工具，用于对工件进行抛光，并且所述滚压抛光元件包括第一电接触元件，所述第一电接触元件用于在所述工件的第一位置电接触，并且所述设备进一步包括第二电接触元件，所述第二电接触元件用于在所述工件的第二位置电接触，其中所述第一电接触元件与所述第二电接触元件的位置相对于彼此被设置成以可设定的空间距离间隔开，使得在所述工件上移动所述滚压抛光元件时，所述工件中的所述第一电接触元件与所述第二电接触元件之间的电流路径总是长度相等的。本专利申请的内容“固定地可设置”应当理解为对传统加工工具(例如车床)的限制，利用所述加工工具所述电流通路的长度将自动地随着进给的增加而改变，这是不利的。“固定地”意味着所述工件中的所述第一电接触元件与所述第二电接触元件之间的电流路径的长度基本上保持相同。这当然不排除在加工过程中的任何重新调整，例如这可能是由于磨损、弹簧路径或者还由于组件轮廓(见下文)。
简要地叙述，在所述工件中通过共同引导(即携带或抓握)、电流连接(第二电接触元件)实现保持不变的电流路径长度。本质上，只有单个电流引导滚压抛光元件是绝对必要的，并且其可以服务于所需要的滚压力，以及服务于所述滚压抛光元件与所述工件之间的直接电流接触(然而，还可以给出进一步的滚压抛光工具，但随后其不应当被提供有电接触)。在所述单个滚压抛光元件与所述工件之间，电流的实现和由此进入到加工区的传输受到影响，并且等距离的电流路径随后进入到所述第二电接触元件中，这是由用于此的工件来接触的。本质上要理解的是，用于此的工件具有足够的导电性能，并且此处设想为尤其是金属或金属合金。
本发明可以应用在用于机电辅助滚压抛光的特别完整的设备中，所述设备包括所有组件(旋转驱动器，用于滚压抛光的夹具等等)。
“加工工具”在本申请的上下文中需要理解为车床、加工中心或铣床。
然而，对于滚压抛光重要的组件也可能并入到滚压抛光工具中，所述滚压抛光工具可以被夹紧或压入到加工工具的工具接收器中。以这种方式，将现有的加工工具廉价地改造为用于执行EMRB的设备是可能的。由此，将控制和调节装置安装到要被改造的滚压抛光工具中甚至是可能的，从而能够调节决定性的运行参数(电压/电流强度/温度和/或进给速度以及切削深度和机器滚压力)，并从而达到最佳的表面光洁度或所期望的结构变化。
优选地，可以利用本发明通过抛光并强化表面来实现具有高支承表面或接触比以及高光泽质量的工件表面。此外，接近表面的层的硬化是容易成为可能的。
此外，根据本发明的方法可以应用于制造圆形或椭圆形部分上的滑动表面、密封面、结合表面，并应用于转动部分和其他部分上的抛光和加强半径、圆柱外径、锥体、平面、凹处、螺纹凹陷等。此外，中空体上的壁的形成、金属材料上的高质量的光泽表面质量的实现以及用于实现几个部分的连接的中空体的形成是可能的。
根据本发明的方法明确地具有最大的优势是：具有相对长的转动部分，即沿旋转轴方向的转动部分进入车床的总长度是至少100mm，优选为至少150mm。
在从属权利要求中描述本发明的有利的进一步发展。
一个有利的进一步的发展是，设想滚压抛光工具被设计为用于抛光平面表面、自由形状表面和/或旋转表面，其中这些旋转表面可以属于横截面基本上是旋转对称的或是椭圆形的工件。这意味着本发明的概念并不局限于旋转对称的应用。例如，通过共同引导的第二电接触元件也可以在滚压抛光平面表面时产生良好的表面(完成)质量。
另一个有利的发展设想该设备包括：用于工件的第一接收器和/或用于工具的第二接收器(优选为车床工具接收器)。这种基本构造将被发现具有传统的加工工具，并且此处伸长的组件可以被夹紧或压入到工件接收器中，并且随后将滚压抛光工具夹紧到车床工具接收器中。
再一个有利的发展设想所述第一电接触元件和/或所述第二电接触元件包括弹簧固定器，所述弹簧固定器用于弹性地握住工具上的电接触元件，通过这种方式总是确保了一致的按压压力和所述工具上的所述电接触元件电气的表面的接触，和/或将所述第一电接触元件和/或所述第二电接触元件形成为滚子、刷子或具有适应到所述工件的外轮廓的凹陷的组件。此处，尤其是利用非圆形部分和/或初始较差的表面质量，通过弹簧安装或设计为刷子的方式使得电流的恒定流成为可能。此外，由于这些弹性部件一次又一次地适应所述工件的几何形状，因此到工件的距离基本上保持不变，即使具有组件的磨损。此外，利用刷子或者与所述工件的外部轮廓相适应的电流引导组件，有利的是：由于相对大的接触表面，因此可以保持低的电流密度，并由此可以避免电弧或局部不必要的高电流强度，由于这些导致了不期望的电接触的磨损或者还导致工件中的不期望的结构变化。
又一个有利的发展设想由所述滚压抛光元件提供所述第一电接触元件，其中优选地，滚压抛光元件包括用于滚压抛光的滚子和电流传输元件，所述电流传输元件的形式为刷子和/或具有围绕所述滚子的外周表面并互补于所述滚子的具有凹陷的组件。当然，还有可能提供两个相应的电流引导组件或多个刷子，以进一步增大接触表面。这样的优点是：在滚压抛光元件处引入的电流是以直接的方式受影响，并且由此，除了所述工件的机械负荷，对于最佳结构变化也实现了有针对的热引进。由于以下事实：优选地，机械负荷仅在这个位置受影响，并且在加工期间布置在等距离处的第二电接触元件优选为没有示出额外的机械负荷，因此EMRB方法的闭环控制是尤其容易地有可能的。如果，例如提供两个滚压抛光元件，所述两个滚压抛光元件二者都机械地并电气地负荷，则控制/调节将会明显地更加复杂，这是因为由于单独影响的叠加，协调很难成为可能或者工件的过载是有可能的。(这将在下文中随着对控制和调节装置的描述而进行更具体的讨论)。
另一个有利的发展设想将所述第二电接触元件布置在所述滚压抛光工具的轧头(扣件)上或在所述设备的等距离共同引导臂上。这意味着当所述第二电接触元件被紧固到所述滚压抛光工具的轧头时，该第二电接触元件随后成为所述滚压抛光工具的组成部分，由此可以将其插入到车床工具接收器或类似物中。除此之外，提供独立于此的臂(例如在车床上)也是可能的，其中，由于这种情况可以用来产生等距离，因此随后第二驱动器是必要的。
有利的是，如果为滚压抛光工件和第二电接触选定不同的进给机制，则在所述方法中，电流引导的滚压抛光元件与第二电接触元件之间的距离可以变化。例如，具有两个工具载体的加工工具可以用于此。因此可以通过机器控制来设置两个接触的距离。
又一个有利的发展设想根据本发明的设备包括控制和调节装置，所述控制和调节装置用于控制电气参数，例如，电压和/或经过工件的电流路径的电流强度(由此在第一电接触元件与所述第二电接触元件之间)。所述控制和调节装置从而可以包括用于测量工件表面温度的测量装置。这可以是触摸传感器或者也可以是用于测量辐射热量的传感器。另外，还可以控制并共同测量其他参数。例如，工件上的滚压抛光元件的机械负荷强度是一个相关因素，(尤其是加工转动部分)进给速度也是一个相关因素。
以下是可能的：将滚压抛光工具的控制和调节装置集成到对加工工具的整体控制中，和/或将其通过接口连接到该加工工具。根据本发明，对滚压抛光工具的控制和调节进行设计，使其容纳在车床的机器壳体中，或者使其整体地连接到滚压抛光工具上，例如可以将其并入到车床工具接收器中。
在其余的权利要求中描述了进一步的有利的发展。
附图说明
现在通过一些附图来描述本发明。以下示出：
图1为根据本发明的EMRB设备；
图2为根据本发明的EMRB设备的进一步的实施例，其中第二电接触元件的设计与图1中不同；以及
图3为根据本发明的EMRB设备的进一步的实施例。
参考标号列表：
1 用于机电辅助滚压抛光的设备
2 滚压抛光工具
3 滚压抛光元件
4 工件
5 第一电接触元件
6 第二电接触元件
7 第一接收器(用于工件)
8 第二接收器(用于车床工具)
9 弹簧固定器
10 电流传输元件
11 滚子
12 轧头
13 臂
具体实施方式
图1为根据本发明的用于机电辅助滚压抛光的设备。
图1中所示的设备的构造首先包括传统的车床或相应的滚压抛光设备。工件4(伸长的转动部件)可以被夹紧到第一接收器7中。可以通过用于不同直径工件的合适的夹具来调整该接收器，以在接收器中以旋转固定的方式来固定这些工件，并且随后实现绕工件4纵轴的可控旋转运动。
滚压抛光工具2被夹紧在第二接收器中，即工具接收器8中。将该工具接收器设计为使得车床工具或类似工具也可以被夹紧在此处。
以下以详细描述滚压抛光工具2，其中可以完全地(即包括轧头12和第二电接触元件6)改造这个工具，即可以将其夹紧到已知车床的工具接收器中。在此，甚至可以将控制与调节设备(图中未示出)集成到滚压抛光工具2中，所述设备还能够包括用于测量电流强度和/或温度的传感器。滚压抛光工具2沿工件4(进给；也可以为该进给设置不同的速度)的纵向方向是可移动的，并且可以移动至离工件4一径向距离处(可以通过这种方式来闭环控制工件上的滚压抛光元件3的压力)。滚压抛光元件3利用其圆周表面在工件4的圆周表面上滚动，并且由于这种压力的施加而在工件中出现了表面变化或结构变化。此外，在要被加工的区域，电流额外地影响工件的感应/加热，以辅助这一过程。为此，提供有被设计为几何形状与(滚压抛光元件3的)滚子11的外周互补的部件的电流传输元件10。另外，此处也可能有刷子或滚子，并且提供一些电流传输元件也是可能的。(滚压抛光元件3的)滚子11至少在其外周是导电的，由此通过电流传输元件10给出到第一电接触元件(即滚子11本身，尤其在连接至工件4的位置)的电流。此外，滚压抛光工具2具有轧头12，在轧头12的端部设置有第二电接触元件6。此处，该第二电接触元件具有与工件4的外周互补的形状。然而，在此处选择布置刷子也是可能的，此外，并未示出的事实是：轧头12是弹簧支撑的，这使得第二电接触元件被轻按到工件4的表面。这种压力应当仅仅确保提供电接触，但是这不应当影响结构变化。然而，并不排除提供第二滚压抛光元件，然而该第二滚压抛光元件不应当也是电流引导的，因为这可能使EMRB过程的闭环控制更加困难。
因此，通过固定地附着在滚压工具抛光2上的轧头12确保了工件的纵向上的距离，即第一电接触元件5与第二电接触元件6之间的距离始终不变，独立于工具接收器或滚压抛光工具2的进给。
图2和3示出了根据图1的设备的稍加修改的实施例(在图2和3中仅以示意的方式表示“第二接收机8”)。只要下文不明确地对这些差别进行描述，关于图1已经做过的描述在此处也适用。
图2相比于图1的主要区别是：第二电接触元件6的形状被稍加修改。此处，在轧头12上提供了基本上为环形的固定器，在该固定器内，以分布的方式在外周上提供大表面的第二电接触元件或多个这种元件。自定心接触元件子部件的优点得益于所示出的多个接触元件的圆周布置，以及以弹性弯曲方式定位于工件表面的接触表面，通过这样的方式确保了接触单元与工件之间一致的表面压力。然而，此处，在完整的加工过程中，第一电接触元件5与第二电接触元件6之间的距离在工件4的纵向方向保持不变。在这种情况下，该轧头的任务减少到主要实现接触元件的轴向定位和抓握。
图3示出了进一步的实施例，其中，滚压抛光元件2则包括两个电流传输元件10，在每种情况下电流传输元件由弹簧固定器9按压到滚压抛光元件3或滚子11上。此外，第二电接触元件不直接地固定在滚压抛光工具2上，而是固定在独立于滚压抛光工具的臂13上。接着，第二电接触元件以弹簧安装的方式附着于臂13，其中该第二电接触元件可以包含啮合到工件4的外周上的一个或多个组成部分。臂13包括未被详细描述的驱动器，用于在平行于滚压抛光工具的、工件的轴向方向上进给(见图3中臂13旁边的箭头)。臂13的进给速度优选为与滚压抛光工具2的进给速度相对应，但也可以想到有针对地改变该进给速度，以有意地影响EMRB过程。这将是可想象到的，例如，诸如锥体、纵向方向上的弯曲转动部分轮廓以及类似的直径变化。不同的电流路径长度可以通过臂的分离的可控驱动器来补偿，并确保加工区的恒定功率。

Claims (15)

1.一种用于机电辅助滚压抛光的设备(1)，其特征在于：提供了具有恰好一个电流引导滚压抛光元件(3)的滚压抛光工具(2)，用于对工件(4)进行抛光，并且所述滚压抛光元件表示第一电接触元件，所述第一电接触元件用于在所述工件的第一位置电接触，并且所述设备进一步包括第二电接触元件(6)，所述第二电接触元件用于在所述工件的第二位置电接触，其中所述第一电接触元件与所述第二电接触元件的位置可相对于彼此被设置成以可设定的空间距离间隔开，使得在所述工件上移动所述滚压抛光元件时，所述工件的所述第一电接触元件与所述第二电接触元件之间的电流路径总是长度相等的。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述滚压抛光工具被设计为用于抛光平面表面、自由形状表面和/或圆形表面，其中，这些圆形表面属于横截面基本上是旋转对称的或是椭圆形的工件。
3.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于：所述设备是一种加工工具。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：所述加工工具为车床。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述设备包括用于工件(4)的第一接收器(7)和/或用于车床工具的加工工具的第二接收器(8)。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述第一电接触元件(5)和/或所述第二电接触元件(6)包括具有定位元件(9)的弹性固定器，所述弹性固定器用于弹性地在工件上握住所述第一电接触元件(5)和/或所述第二电接触元件(6)，和/或将所述第一电接触元件和/或所述第二电接触元件形成为滚子、刷子或具有适应所述工件(4)的外轮廓的具有凹进的组件。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：由所述滚压抛光元件(3)本身提供所述第一电接触元件(5)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述滚压抛光元件(3)包括滚子或盘(11)，并且电流传输元件(10)以一个或多个刷子和/或一个或多个具有与所述滚子互补的凹陷的组件的形式接触到所述滚子的外周表面上。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：将所述第二电接触元件(6)布置在所述滚压抛光工具(2)的轧头(12)上或在所述设备的等距离共同引导臂(13)上。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述设备包括控制和调节装置，所述控制和调节装置用于闭环控制电压和/或经过所述工件的电流路径的电流强度，并且所述电流路径在所述第一电接触元件(5)与所述第二电接触元件(6)之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：所述控制和调节装置包括用于测量所述工件表面温度的测量装置。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述滚压抛光工具被设计为用于夹紧至车床、或车床中心、或铣削中心的车床工具接收器(8)中，其中所述滚压抛光工具包括用于抛光工件(4)的恰好一个滚压抛光元件，并且所述滚压抛光元件包括用于所述工件的电接触的第一电接触元件(5)，以及用于所述工件的电接触的第二电接触元件(6)，其中所述第一电接触元件与所述第二电接触元件相对于彼此被置位成以可设置的空间距离间隔开，使得所述工件中的所述第一电气元件与所述第二电气元件之间的电流路径在所述工件上移动所述滚压抛光元件时总是等长的。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：其中所述滚压抛光工具进一步包括控制和调节装置，所述控制和调节装置用于闭环控制电压和/或经过所述工件的所述电流路径的电流强度，并且所述电流路径在所述第一电接触元件(5)与所述第二电接触元件(6)之间。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于：所述控制和调节装置包括用于测量所述工件表面温度的测量装置。
15.一种用于滚压抛光工件表面的方法，其中，使用了用于滚压抛光的恰好一个滚压抛光元件，以及与所述滚压抛光元件隔开的分离的电接触元件，并且在所述工件表面上移动所述滚压抛光元件时，以这样的方式来引导所述电接触元件使得在所述滚压抛光期间恒定长度的电流路径通过所述工件。
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