CN106755944A - 强化装置、数控机床、强化模具的方法 - Google Patents

Abstract

一种强化装置、数控机床、强化模具的方法，涉及超声加工领域。一种强化装置，用于对模具进行强化处理，包括：强化工具头、与强化工具头连接并驱动强化工具头以预设的方式敲击模具的超声波换能器，强化工具头具有用于与模具接触的敲击面，敲击面的硬度大于模具的硬度。通过高频锤击于模具表面，在模具表面形成残余压应力，从而延长材料的疲劳寿命、耐磨损及耐蚀强度。一种数控机床，包括强化装置。能便捷精确地控制强化装置。一种强化模具的方法，将待强化的模具设置于数控机床，使敲击面与待强化的模具相对。通过超声波换能器驱动强化工具头，使敲击面以预设的频率和振幅敲击待强化的模具。能提高模具表面的疲劳寿命、耐磨损及耐蚀强度。

Description

强化装置、数控机床、强化模具的方法

技术领域

本发明涉及超声加工领域，具体而言，涉及一种强化装置、数控机床、强化模具的方法。

背景技术

现有技术中具有复杂型腔的金属模具使用过程中经常会出现开裂、塑性变形、磨损等失效形式，并且有可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展。损坏的发展会导致模具疲劳寿命缩短，进而失去正常功能，甚至失效。疲劳寿命是指零件和构件在低于自身材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，应力集中部位萌生裂纹并在一定条件下扩展，最终突然断裂的时间。目前降低模具失效提高模具疲劳寿命的方法主要采用模具表面强化工艺，典型有：气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等。

但是，这些模具表面强化工艺对于模具基体材料的原始综合力学性能具有一定的削弱或影响作用，反而会影响模具使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强化装置，通过高频锤击于模具表面，在模具表面形成残余压应力，从而延长材料的疲劳寿命、耐磨损以及耐腐蚀强度。

本发明的另一目的在于提供一种数控机床，可便捷精确地控制强化装置。

本发明的另一目的在于提供一种强化模具的方法，可使得强化装置有效地作用于带强化的模具表面，从而提高模具表面的疲劳寿命、耐磨损以及耐腐蚀强度。

本发明是这样实现的：

一种强化装置，用于对模具进行强化处理，强化装置包括：强化工具头、与强化工具头连接并驱动强化工具头以预设的方式敲击模具的超声波换能器，强化工具头具有用于与模具接触的敲击面，敲击面的硬度大于模具的硬度。

优选地，敲击面的形状为弧形。

优选地，敲击面的曲率半径小于模具与敲击面的接触区域的曲率半径。

优选地，强化装置还包括用于为超声波换能器提供电源并可控地调节超声波换能器的输出振幅和频率的超声波发生器，超声波发生器与超声波换能器电连接。

优选地，强化装置还包括用于增加振幅的变幅杆，变幅杆一端与超声波换能器连接，另一端与强化工具头连接。

优选地，变幅杆与强化工具头刚性连接。

一种数控机床，包括强化装置。

优选地，数控机床还包括与强化装置匹配连接的传动轴，传动轴受控地驱动强化工具头使敲击面按预设的轨迹运动。

一种强化模具的方法，包括以下步骤：将待强化的模具设置于数控机床，使敲击面与待强化的模具相对；通过超声波换能器驱动强化工具头，使敲击面以预设的频率和振幅敲击待强化的模具。

优选地，在将待强化的模具设置于数控机床的步骤中，敲击面与待强化的模具之间的距离小于超声波换能器空载时的最小振幅，且敲击面与待强化的模具之间的距离大于极限间隙。

上述方案的有益效果：

本发明提供了一种强化装置、数控机床、强化模具的方法，强化装置的超声波换能器能提供为纯粹的机械振动的高频振动，此高频振动锤击于模具的表面，形成残余压应力，从而延长材料的疲劳寿命、耐磨损以及耐腐蚀强度。数控机床采用了此强化装置，通过联动控制强化装置，可便捷精确地控制强化工具头锤击于模具表面。并且提供了一种强化模具的方法，将待强化的模具设置于数控机床，使敲击面与待强化的模具相对。通过超声波换能器驱动强化工具头，使敲击面以预设的频率和振幅敲击待强化的模具。能提高模具表面的疲劳寿命、耐磨损及耐蚀强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为为本发明实施例1提供的强化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的强化装置作用于模具表面的结构示意图；

图3为图2的Ⅲ部位的局部放大示意图；

图4为本发明实施例1提供的数控机床的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的数控机床的结构示意图。

图标：100-强化装置；200-数控机床；300-数控机床；105-传动轴；107-底座；109-床身；111-工作台；113-模具；115-超声波换能器；117-超声波发生器；119-变幅杆；121-强化工具头；123-第一端；125-第二端；127-机床夹具；129-数字显示屏装置；131-第三端；133-第四端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；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。

实施例1

本实施例提供了一种强化装置100，参阅图1，强化装置100包括：超声波发生器117、超声波换能器115、变幅杆119、强化工具头121。超声波发生器117分别与超声波换能器115、超声波换能器115连接，变幅杆119分别与超声波换能器115、强化工具头121连接。强化工具头121作用于如图2所示的模具113。强化装置100所提供的强化方式为纯粹机械振动，与现有技术中采用的与模具113基体表面材料发生热、元素之间的交换或反应不同，纯粹的机械振动不会削弱或影响模具113基体材料的原始综合力学性能，也不会影响模具113使用寿命。

其中，超声波发生器117作用是把市电转换成与超声波换能器115相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器115工作。本实施例中，超声波发生器117使用的超声波频率为25KHz。当然，在本实用新型的其他实施例中，也可根据需要，采用其他的超声波频率，例如20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz等。强化装置100可以设置超声波发生器117，也可以不设置超声波发生器117，而是由其他的外设装置如数字电源向超声波换能器115提供匹配的电激励。

其中，超声波换能器115能把超声波发生器117所输出的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。

其中，变幅杆119是强化装置100中一个重要的组成部分，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上并聚能，还能同时提高振速比、效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。本实施例中，变幅杆119用于提高强化工具头121的振幅。在本发明的其他实施例中，可根据被强化的模具113具体的强化要求，选择是否使用变幅杆119，当未使用变幅杆119时，强化工具头121可与超声波换能器115直接连接或者采用其他构件进行连接。参照图1，变幅杆119包括第一端123与第二端125，第一端123与超声波换能器115通过螺纹刚性连接，第二端125与强化工具头121同样采用螺纹刚性连接。当体系处于振动状态时，螺纹连接能保证整个体系的刚度。当然，在本发明的其他实施例中，根据不同的需求，超声波换能器115与变幅杆119、变幅杆119与强化工具头121之间可采用其他连接方式。

其中，参照图1与图2，强化工具头121设置有第三端131与第四端133，第三端131用于与变幅杆119连接，第四端133用于作用于模具113。强化工具头121的第四端133的端面为敲击面，敲击面依据模具113的表面几何曲面形状设计成球冠状的弧形面，使得放大了的超声波机械振动作用于模具113的表面，更易实现超声强化。并且，由于强化工具头121的敲击面的可设计性，使之针对复杂类型的模具113更适用。当然，在本发明的其他实施例中，敲击面的具体形状可根据不同需求进行选择。并且，强化工具头121的曲率半径r小于模具113的曲率半径R，这样设计可避免强化工具头121的机械振动作用于模具113的其他不需要被强化的位置。

本实施例提供了一种数控机床200，参照图4，数控机床200包括强化装置100、传动轴105、进给传动系统(图未示)、数控系统(图未示)、底座107、床身109、工作台111、机床夹具127。强化装置100集成于传动轴105。床身109安装于底座107上，传动轴105、进给传动系统(图未示)、数控系统(图未示)、工作台111均安装于床身109。传动轴105、进给传动系统、数控系统能联动控制强化装置100。模具113通过机床夹具127夹持于工作台111上。本发明所采用的进给传动系统、数控系统、底座107、床身109、工作台111、机床夹具127采用的均市面上能买到的数控的机床部件。

在本实施例中，传动轴105是用来实现数控机床200主运动的传动构件，数控机床200的一个重要部分。数控机床200的传动轴105与伺服电机(图未示)采用齿形同步带传动，可以有效地提高机床的传动速度，降低振动和噪音。并且强化装置100集成于传动轴105。

在本实施例中，进给传动系统由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节组成。提供驱动能，可驱动传动轴105向着Z方向上下移动或以Z方向为中心轴在X方向与Y方向形成的平面内做一定角度旋转运动。由于强化装置100集成于的传动轴105，当传动轴105运转时，强化装置100可随之运转。强化装置100与传动轴105形成统一的设计不仅保证了整个体系的刚度同时也可改变强化工具头121作用于模具113的位置点。

在本实施例中，数控系统采用CNC(Computer Numerical Control)形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控系统主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。

在本实施例中，底座107为整个强化装置100提供支撑力，并且保证整个强化装置100的平稳性。由于整个强化装置100长时间处于振动状态，因此底座107设计为箱体结构，箱体中合理布置的筋板，不仅可以减轻强化装置100的重量，还能获得高的静刚度与适当的固有频率，保证整个振动过程的精确性与安全性。

在本实施例中，床身109是数控机床200的一个重要基础部件。床身109的静态和动态性能，直接影响到模具113的强化质量。床身109采用树脂砂铸铁工艺铸造一体铸造而成，刚性高、抗震性好、运行平稳、经久耐用、不易变形。是整个强化装置100处于平稳的振动状态的保证。

在本实施例中，工作台111是装夹模具113的部分，设置于床身109上，用于放置模具113。同时，由于床身109的平稳性也使得工作台111处于稳定的状态，当强化装置100处于振动状态时，不会影响到模具113与工作台111的状态。

在本实施例中，机床夹具127用于夹持模具113于工作台111，以保证强化装置100出于振动状态时，模具113的稳固性。

其中，在本发明的其他实施例中，进给传动系统、数控系统、底座107、床身109、工作台111、机床夹具127均可以采用能提供相同功能的其他装置来替代，本发明不作限定。

本实施例提供了一种强化模具113的方法，包括以下步骤：

S1：将待强化的模具113设置于数控机床200，使得敲击面与待强化的模具113相对。

其中，在步骤S1之前，可对模具113的曲面进行扫描并且形成数控程序存储于数控机床200中。然后根据模具113的硬度与接触面的曲率半径，设计大于模具113的材料硬度，且曲率半径小于模具113的曲率半径的强化工具头121。模具113与强化工具头121的距离d小于超声波换能器115空载时的振幅A，且敲击面与待强化的模具113之间的距离d大于极限间隙δ。确定好相应参数后将强化装置100安装于数控机床200。

具体地，参阅图3，强化工具头121的第四端133与模具113的距离d是小于超声波换能器115空载时的振幅A大于极限间隙δ，极限间隙δ由强化要求决定，强化要求越高极限间隙δ越小。例如超声波换能器115空载时的振幅为25μm，意味着超声波换能器115在不负荷时的振幅为25μm，并且要求强化后的效果为模具113的表面至少以下20μm的材料都被强化，则极限间隙δ为5μm。则此时强化工具头121与模具113的距离d范围为5～25μm。这样设计能保证当超声波换能器115出来的机械振动波通过变幅杆119增大振幅后，强化工具头121不用通过外部作用的上下移动就一定能作用到模具113的表面，并且强化深度至少为20μm。当强化效果更高时，例如强化效果需要模具113的表面以下至少23μm的材料都被强化时，极限间隙δ的距离也会相应的减小为2μm。当然，在本发明的其他实施例中，超声波换能器115空载时的振幅可根据需求调整。强化工具头121的敲击面的材料硬度大于模具113的与敲击面所作用的曲面的材料硬度，以保证高速振动时，强化工具头121能有效地作用于模具113表面，且相互作用时不易被模具113表面所破坏。强化工具头121的曲率半径r小于模具113的曲率半径R，避免强化工具头121的机械振动作用于模具113的其他不需要被强化的位置。

S2：通过超声波换能器115驱动强化工具头121，使敲击面以预设的频率和振幅敲击模具113。

其中，在步骤S2之前，可通过数控机床200输入已经形成的模具113曲面的对应的数控程序，并且调节超声波发生器117、超声波换能器115的对应参数。

本实施例提供的强化装置100与数控机床200的原理是：超声波发生器117、超声波换能器115、变幅杆119及强化工具头121组成的振动系统，利用超声波发生器117将工频交流电转化为高频电震荡，再通过超声波换能器115转化为高频机械振动，接着变幅杆119将超声波换能器115传递出的微幅振动进行振幅放大，然后传递给强化工具头121，使得强化工具头121做高频的纵向振动，同时还能随着传动轴105在X方向与Y方向所形成的平面内绕着Z方向做一定角度的旋转运动或者是在Z方向上下移动。并且此高频振动为纯粹的机械振动，高频锤击于模具113的表面，形成残余压应力。残余压应力属于残余应力的一种，残余应力主要是分为两类，分别是残余压应力和残余拉应力，一般所谓的残余应力都是说的残余拉应力，这是一个坏的力，对于工件裂纹的产生，开裂以及表面磨损等，它在其中起了很大的作用；而残余压应力是一个好的残余应力，它与拉应力相反，它在工件表面是以向内的压力存在，而不是向外的张力，所以说，工件表面如果存在残余压应力的话，会使工件的疲劳强度和疲劳寿命都得到大大的提高，耐磨损以及耐腐蚀强度都会增加很多。

实施例2

本实施例提供了一种强化装置100与数控机床300，参阅图5，数控机床300与数控机床200的区别在于，数控机床300还包括数字显示屏装置129，数字显示屏装置129安装于床身109并与数控系统连通以显示拟合的轨迹。以此来观察是否强化装置100的强化工具头121的曲线轨迹与模具113的曲线轨迹拟合完全。当拟合数据显示拟合的曲线不相一致时，可进行相应的调节，例如可检查强化装置100的安装是否稳定，模具113是否平稳的安装于工作台111等。例如，当数字显示屏装置129提供的信息显示强化工具头121的实际轨迹与模具113的曲面的法向始终偏置极限间隙δ时，说明强化工具头121所运行的空间轨迹是完全拟合模具113的曲面轨迹的。当数字显示屏装置129提供的信息显示强化工具头121的实际轨迹与模具113的曲面的法向偏置距离发生明显的变动时，则提示拟合曲线出现了问题，应进行相应的检查。

为简化表示，本实施例中未提及的之处，请参阅实施例1中相应内容。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强化装置，用于对模具进行强化处理，其特征在于，所述强化装置包括：强化工具头、与所述强化工具头连接并驱动所述强化工具头以预设的方式敲击模具的超声波换能器，所述强化工具头具有用于与所述模具接触的敲击面，所述敲击面的硬度大于所述模具的硬度。

2.根据权利要求1所述的强化装置，其特征在于，所述敲击面的形状为弧形。

3.根据权利要求2所述的强化装置，其特征在于，所述敲击面的曲率半径小于所述模具与所述敲击面的接触区域的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的强化装置，其特征在于，所述强化装置还包括用于为所述超声波换能器提供电源并可控地调节所述超声波换能器的输出振幅和频率的超声波发生器，所述超声波发生器与所述超声波换能器电连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的强化装置，其特征在于，所述强化装置还包括用于增加振幅的变幅杆，所述变幅杆一端与所述超声波换能器连接，另一端与所述强化工具头连接。

6.根据权利要求5所述的强化装置，其特征在于，所述变幅杆与所述强化工具头刚性连接。

7.一种数控机床，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的强化装置。

8.根据权利要求7所述的数控机床，其特征在于，所述数控机床还包括与所述强化装置匹配连接的传动轴，所述传动轴受控地驱动所述强化工具头使所述敲击面按预设的轨迹运动。

9.一种强化模具的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待强化的所述模具设置于权利要求7所述的数控机床，使所述敲击面与待强化的所述模具相对；

通过所述超声波换能器驱动所述强化工具头，使所述敲击面以预设的频率和振幅敲击待强化的所述模具。

10.根据权利要求9所述的强化模具的方法，其特征在于，在将待强化的所述模具设置于权利要求7所述的数控机床的步骤中，所述敲击面与待强化的所述模具之间的距离小于所述超声波换能器空载时的最小振幅，且所述敲击面与待强化的所述模具之间的距离大于极限间隙。