CN107138915A - 超声滚压加工系统和方法、零件的加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声滚压加工系统包括超声滚压装置及控制器。所述超声滚压装置用来以一预压深度压在工件的表面上，对所述工件施加背压力，在所述工件的表面上滚动且做超声频的机械振动，以产生作用于所述工件的滚压力。其中，所述超声频的机械振动是通过输入电流驱动的。所述控制器用来基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个，以在所述工件内产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。本发明的具体实施例进一步涉及超声滚压加工方法及一种零件的加工方法。
Description
技术领域
本发明公开的实施方式涉及一种超声滚压加工系统和方法，及一种零件的加工方法。
背景技术
残余应力是指由于物体受力后所产生的应变超过弹性范围，使得物体内部无法恢复原来的状态而残存的应力，其对零件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能等有显著的敏感性。残余应力通常包括残余拉应力和残余压应力。零件表层的残余压应力可显著提高零件的疲劳寿命，降低零件对腐蚀疲劳的敏感性，抑制应力腐蚀裂纹的萌生。
可采用超声滚压法对零件进行加工，以在零件表面引入残余压应力。有些特殊的零件，如：涡轮叶片等，需要在零件的不同部位引入大小不同的残余压应力,以满足实际应用的需求。然而，传统的超声滚压加工方法无法控制所产生的残余压应力的大小，所以无法满足这类零件的设计需求。
因此，有必要提供一种超声滚压加工系统和方法及零件加工方法来解决上述技术问题。
发明内容
一方面，本发明提供一种超声滚压加工系统。所述系统包括超声滚压装置和控制器。所述超声滚压装置用来以一预压深度压在工件的表面上，对所述工件施加背压力，在所述工件的表面上滚动且做超声频的机械振动，以产生作用于所述工件的滚压力。其中，所述超声频的机械振动是通过输入电流驱动的。所述控制器用来基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个，以在所述工件内产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。
另一方面，本发明提供一种超声滚压加工方法。该方法包括：产生作用于工件的滚压力，及基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个，以在所述工件内产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。所述产生滚压力的步骤包括：将超声滚压装置以一预压深度压在所述工件的表面上；通过所述超声滚压装置对所述工件施加背压力；在所述工件的表面上滚动所述超声滚压装置；及通过输入电流驱动所述超声滚压装置做超声频的机械振动。
又一方面，本发明提供一种零件的加工方法。该方法包括：确定所述零件的期望残余压应力分布，所述分布包括至少一个期望区域的位置信息和对应该期望区域的期望残余压应力；及产生作用于所述期望区域的滚压力，以在所述期望区域产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。所述产生残余压应力的步骤包括：将超声滚压装置以一预压深度压在所述期望区域内，通过所述超声滚压装置对所述期望区域施加背压力，在所述期望区域内滚动所述超声滚压装置，通过输入电流驱动所述超声滚压装置做超声频的机械振动，及基于所述期望残余压应力和实时滚压力调节所述背压力、所述预压深度和所述输入电流中的至少一个。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为根据本发明一具体实施例的超声滚压加工系统的示意图；
图2为图1中的控制器的示意图；
图3为根据本发明一具体实施例的超声滚压加工方法的流程示意图；
图4为根据本发明另一具体实施例的超声滚压加工方法的流程示意图；
图5为根据本发明一具体实施例的零件加工方法的流程示意图；及
图6为根据本发明一具体实施例的零件的期望残余压应力分布示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明的具体实施例涉及一种超声滚压加工系统，可广泛适用于零件的加工制造领域，该系统能够在零件表面引入残余压应力，并且控制所引入的残余压应力的状态或大小，以优化零件的整体性能。
图1为根据本发明一具体实施例的超声滚压加工系统10的示意图。参见图1，超声滚压加工系统10包括超声滚压装置20和用于控制超声滚压装置20的控制器30。
超声滚压装置20或其部分元件用来以一预压深度D压在工件40的表面上，对工件40施加背压力，在工件40的表面上滚动且做超声频的机械振动，以产生作用于工件40的滚压力，从而使工件40的表面平滑。经过一段时间的超声滚压处理后，工件40的内部会产生残余压应力，产生的残余压应力与工件40所承受的滚压力存在对应关系。
所述预压深度是指超声滚压装置20或其部分元件被压入工件40的深度，表征了超声滚压装置或其部分元件与工件40之间接触的紧密程度。对工件40施加背压力的目的在于增加机械振动的阻力，从而提高超声滚压装置20在工件40表面运动的稳定性。在一些实施例中，所述背压力为弹性力。背压力可由弹簧、空气、液体或它们的任意组合提供。背压力P可能沿工件40表面的法线方向，所述法线方向是指垂直于平面的方向或者与曲面的切平面垂直的方向。在一些实施例中，超声滚压装置20或其部分元件沿特定路径在工件40表面滚动。
所述超声频的机械振动是基于输入电流I产生的。在一些实施例中，输入电流的大小与所述机械振动的强度间存在对应关系。在一些实施例中，所述超声频的机械振动的幅值大约为小于100微米，或者进一步地大约为10-50微米，或者更进一步地大约为10微米左右。在一些实施例中，超声滚压装置20或其部分元件沿垂直于工件40表面的方向做超声频的机械振动。本发明提及的“超声频”是指大于20千赫兹的频率，例如，大约为20-30千赫兹。
预压深度、背压力和输入电流共同影响滚压力，因而，可以通过调节预压深度、背压力和输入电流中的至少一个来控制产生的滚压力，从而控制引入的残余压应力的状态或大小。
控制器30用于基于期望残余压应力S0和实时滚压力Fr调节预压深度D、背压力和输入电流I中的至少一个，以在工件40内部，例如：工件表层，产生大致符合期望残余压应力S0的残余压应力。其中，期望残余压应力S0是指残余应压力的期望状态，可能包括残余应压力的期望大小、期望方向或其组合，其可根据零件的实际应用需求来确定。实时滚压力Fr是指滚压力的实时状态，其可通过仪器实时检测而得。在一些实施例中，系统10进一步包括滚压力检测器27，设置于基座213内，用于检测工件40所承受的实时滚压力Fr。
在一些实施例中，控制器30基于期望残余压应力S0和实时滚压力Fr调节预压深度D、背压力和输入电流I。具体地，控制器30基于期望残余压应力S0和实时滚压力Fr计算期望预压深度D0、期望背压力P0和期望输入电流I0，且根据期望预压深度D0、期望背压力P0和期望输入电流I0调节预压深度D、背压力和输入电流I。其中，期望预压深度D0是指预压深度D的期望值；期望背压力P0是指背压力的期望状态，可能包括背压力的期望大小、期望方向或其组合；期望输入电流I0是指输入电流的期望状态，可能包括输入电流的期望频率、期望幅值、期望大小或其任意组合。在一些实施例中，将预压深度D调节至大致等于期望预压深度D0，将背压力调节至大致符合期望背压力P0，将输入电流I调节至大致符合期望输入电流I0。
在一些实施例中，控制器30基于期望残余压应力S0计算期望滚压力F0，然后基于期望滚压力F0和实时滚压力Fr计算期望预压深度D0、期望背压力P0和期望输入电流I0。其中，期望滚压力F0是指滚压力的期望状态，可能包括滚压力的期望大小、期望方向或其组合。在图2所示的实施例中，控制器30包括第一计算器31、第二计算器32。第一计算器31用于基于期望残余压应力S0计算期望滚压力F0。第二计算器32用于基于期望滚压力F0和实时滚压力Fr计算期望预压深度D0、期望背压力P0和期望输入电流I0。在一些实施例中，第二计算器32包括减法器(未图示)，该减法器用于计算期望滚压力F0和实时滚压力Fr的滚压力差值，该滚压力差值被进一步作为计算期望预压深度D0、期望背压力P0和期望输入电流I0的依据。
再次参见图1，在一些实施例中，超声滚压装置20包括超声波发生器22、超声波换能器24、变幅器25、滚压头26、背压力装置23及运动机构211、212、213。
超声波发生器22用于接收输入电流I并输出超声频的振荡电流。超声波换能器24与超声波发生器22连接，用于将超声频的振荡电流转换成超声频的机械振动。超声波换能器22可能包括磁滞伸缩换能器、压电陶瓷换能器或其组合。变幅器25与超声波换能器24连接，用于放大所述机械振动的幅值。滚压头26与变幅器25机械连接，其能在变幅器25的驱动下做超声频的机械振动。在一些实施例中，变幅器25上具有与滚压头26的形状相匹配的凹槽，用于容纳部分滚压头，滚压头26能够在该凹槽中转动。在一些实施例中，滚压头26包括球形体、柱形体或其它异形体。在一些实施例中，变幅器25与滚压头26之间有润滑油，以减小滚压头26和变幅器25之间的摩擦力。
背压力装置23用于向工件40表面施加背压力，背压力装置23可能包括气动装置、液压装置、弹簧或其任意组合。在一些实施例中，背压力装置23为气动装置，其通过密封的气体来产生压力，该气动装置可能包括比例调压阀(未图示)，用于调节气体压力，从而调节所产生的背压力。参见图1，背压力装置23、超声波换能器24、变幅器25及滚压头26被依次容纳于外壳29中，背压力装置23通过超声波换能器24、变幅器25和滚压头26向表面施加背压力。
运动机构用于在系统10工作时将滚压头26压在工件表面，且使滚压头26在工件40表面的预压深度D可被调节。在图1所示的实施例中，运动机构包括基座213、主轴212和支架211，基座213用于承载工件40，主轴212竖直固定于基座213之上，支架211的一部分与主轴212滑动连接，支架211的另一部分与外壳29固定连接，这样，支架211能够带动外壳29及容纳于外壳29中的元件沿主轴212滑动，这样，滚压头26与工件40之间在纵向上的相对位置可被调节。本领域内技术人员应当能够理解的是，运动机构还可能包括横向进给装置(未图示)，用于驱动滚压头26沿工件表面滚动。在一些实施例中，横向进给装置驱动滚压头26沿特定路径在工件表面上滚动。
在系统10工作时，滚压头26在其他各元器件的共同驱动下被压在工件表面上滚动，同时做超声频的小幅振动。滚压头将背压力和超声波冲击振动传递到工件40表面，产生的冲挤作用使工件40表面产生弹塑性变形。加工后，工件40表面产生一定的弹性恢复，所产生的塑性流动将工件表面上的原来存在的凹部被凸部填满或部分填满，从而大大降低表面粗糙度，例如：可将工件表面粗糙度Ra降低至0.2微米或0.2微米以下，此时，工件的表面可产生镜面效果。这种方法同时能在工件表层产生期望的残余压应力，以提高零件的疲劳强度，优化工件的整体性能。
本发明的另一方面涉及一种超声滚压加工方法，该方法通过对滚压力进行实时地监控和反馈，从而能够有效地控制的最终产生的残余压应力，使之符合期望。该超声滚压加工方法至少包括：通过对工件的表面进行超声滚压处理，来产生作用于所述工件的滚压力；及基于预设的期望残余压应力和检测到的实时滚压力调节背压力、预压深度和输入电流中的至少一个，以在工件的表层产生大致符合期望残余压应力的残余压应力。
在图3所示的实施例中，超声滚压加工方法70包括步骤71至步骤77。在步骤71中，根据实际需求确定需要在工件表层引入的期望残余压应力。该期望残余压应力为残余压应力的一种期望状态，可能包括工件某一深度处的残余压应力值、工件表层的残余压应力值随深度的变化情况、工件表层一定深度范围内残余压应力的平均值，或它们的任意组合。
在步骤72至步骤75中，对工件表面进行超声滚压处理，以产生作用于工件的滚压力。在步骤72中，将超声滚压装置以一预压深度压在工件的表面上。在步骤73中，通过超声滚压装置对工件施加背压力，在一些实施例中，对工件的表面施加垂直于工件表面的背压力。在步骤74中，在工件的表面上滚动超声滚压装置，在一些实施例中，超声滚压装置沿一预设的路径在工件表面上滚动。在步骤75中，通过输入电流驱动超声滚压装置做超声频的机械振动，可通过改变所述输入电流的频率、幅值或大小，来调节所述机械振动的幅值、强度或其组合。在一些实施例中，所述超声频的机械振动的方向沿工件表面的法线方向。
在步骤76中，对由步骤72至步骤75产生的实时滚压力进行检测，实时滚压力为滚压力的实时状态，检测到的实时滚压力可能包括滚压力的大小、滚压力的方向、滚压力在一段时间内的变化情况，或其任意组合。滚压力和残余压应力间存在对应关系，基于检测到的实时滚压力可计算出最终得到的残余压应力的状态，基于期望残余压应力也可计算出期望滚压力。滚压力和残余压应力间的对应关系可通过一个或多个数学模型来表征。
在步骤77中，基于在步骤71中确定的期望残余压应力和在步骤76中检测到的实时滚压力调节背压力、预压深度和输入电流。具体地，基于期望残余压应力和实时滚压力计算期望预压深度、期望背压力和期望输入电流，然后根据期望预压深度、期望背压力和期望输入电流调节预压深度、背压力和输入电流。值得注意的是，基于期望残余压应力和实时滚压力计算出的期望预压深度、期望背压力和期望输入电流可能有多组，可以根据系统当前的情况从中选择最优的一组作为调节的依据。
其中，计算期望预压深度、期望背压力和期望输入电流的步骤可能包括：基于期望残余压应力计算期望滚压力，及基于期望滚压力和实时滚压力计算期望预压深度、期望背压力和期望输入电流。
在另一些实施例中，为了提高响应速度，优化系统性能，不需要对预压深度、背压力和输入电流这三个控制量中的每一个量都进行计算和调节，可以根据系统当前的情况仅对这三个控制量中任意一个或两个进行计算和调节。在图4所示的实施例中，超声滚压加工方法50包括步骤51至步骤58。
步骤51至步骤56分别与方法70中的步骤71至步骤76相类似，此处不再赘述。
在步骤57中，检测实时预压深度、实时背压力和实时输入电流中的至少一个。所检测得到的实时值将在下一步骤中同期望残余压应力和实时滚压力一起作为计算其他控制量的依据。
在步骤58中，基于期望残余压应力、实时滚压力、及在步骤56中检测得到的实时预压深度、实时背压力和实时输入电流中的至少一个，调节预压深度、背压力和输入电流中的至少一个。在这一步骤中，将预压深度、背压力和输入电流这三个控制量中任意一个或两个的实时值同期望残余压应力和实时滚压力一起作为计算依据，以计算出这三个控制量中的其他两个或一个的期望值，然后根据计算出的期望值调节相应的控制量。例如：基于期望残余压应力、实时滚压力和实时输入电流，计算期望预压深度和期望背压力，然后根据期望预压深度和期望背压力调节预压深度和背压力，例如：将预压深度和背压力分别调节至大致符合期望预压深度和期望背压力。
本发明的另一方面涉及一种零件的加工方法，该方法能够根据实际需求在零件上产生特定的残余压应力分布，可应用于涡轮叶片、风机叶片加工制造等领域。该方法至少包括：确定零件的期望残余压应力分布，所述分布包括至少一个需要引入残余压应力的期望区域的位置信息和对应该期望区域的期望残余压应力；及通过对所述零件上所述期望区域进行超声滚压加工，产生作用于所述期望区域的滚压力，以在所述期望区域产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。
在图5所示的实施例中，方法60包括步骤61至步骤63.
在步骤61中，确定零件的期望残余压应力分布。例如，在图6所示的实施例中，所述分布包括第一期望区域81的位置信息和对应第一期望区域81的第一期望残余压应力S1，及第二期望区域82的位置信息和对应第二期望区域82的第二期望残余压应力S2。
在步骤62中，产生作用于第一期望区域81的滚压力，以在第一期望区域81产生大致符合第一期望残余压应力S1的残余压应力。
在步骤63中，产生作用于第二期望区域82的滚压力，以在第二期望区域82产生大致符合第二期望残余压应力S2的残余压应力。
步骤62或步骤63包括：将超声滚压装置以一预压深度压在相应的期望区域内；通过超声滚压装置对相应期望区域施加背压力；在相应期望区域内滚动超声滚压装置；通过输入电流驱动超声滚压装置做超声频的机械振动；及基于相应的期望残余压应力和实时滚压力调节背压力、预压深度和输入电流中的至少一个。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (10)
1.一种超声滚压加工系统，包括：
超声滚压装置，其用来以一预压深度压在工件的表面上，对所述工件施加背压力，在所述工件的表面上滚动且做超声频的机械振动，以产生作用于所述工件的滚压力，其中所述超声频的机械振动是通过输入电流驱动的；及
控制器，用来基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个，以在所述工件内产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器用于基于所述期望残余压应力和所述实时滚压力，计算期望预压深度、期望背压力和期望输入电流，且根据所述期望预压深度、所述期望背压力和所述期望输入电流调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制器包括：
第一计算器，用于基于所述期望残余压应力计算期望滚压力；及
第二计算器，用于基于所述期望滚压力和所述实时滚压力计算所述期望预压深度、所述期望背压力和所述期望输入电流。
4.一种超声滚压加工方法，包括：
产生作用于工件的滚压力，包括：
将超声滚压装置以一预压深度压在所述工件的表面上，
通过所述超声滚压装置对所述工件施加背压力，
在所述工件的表面上滚动所述超声滚压装置，及
通过输入电流驱动所述超声滚压装置做超声频的机械振动；及
基于期望残余压应力和实时滚压力调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个，以在所述工件内产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述调节的步骤包括：
基于所述期望残余压应力和所述实时滚压力，计算期望预压深度、期望背压力和期望输入电流；及
根据所述期望预压深度、所述期望背压力和所述期望输入电流调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述计算的步骤包括：
基于所述期望残余压应力计算期望滚压力；及
基于所述期望滚压力和所述实时滚压力计算所述期望预压深度、所述期望背压力和所述期望输入电流。
7.如权利要求4所述的方法,其中，所述调节的步骤包括：基于实时预压深度、实时背压力和实时输入电流中的至少一个、所述期望残余压应力及所述实时滚压力，调节所述预压深度、所述背压力和所述输入电流中的至少一个。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述调节的步骤包括：
基于所述实时输入电流、所述期望残余压应力和所述实时滚压力，计算期望预压深度和期望背压力；及
根据所述期望预压深度和所述期望背压力调节所述预压深度和所述背压力。
9.一种零件的加工方法，包括：
确定所述零件的期望残余压应力分布，所述分布包括至少一个期望区域的位置信息和对应该期望区域的期望残余压应力；及
产生作用于所述期望区域的滚压力，以在所述期望区域产生大致符合所述期望残余压应力的残余压应力，包括：
将超声滚压装置以一预压深度压在所述期望区域内,
通过所述超声滚压装置对所述期望区域施加背压力，
在所述期望区域内滚动所述超声滚压装置，
通过输入电流驱动所述超声滚压装置做超声频的机械振动，及
基于所述期望残余压应力和实时滚压力调节所述背压力、所述预压
深度和所述输入电流中的至少一个。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述分布包括第一期望区域的位置信息和对应所述第一期望区域的第一期望残余压应力，及第二期望区域的位置信息和对应所述第二期望区域的第二期望残余压应力；所述产生滚压力的步骤包括：
产生作用于所述第一期望区域的滚压力，以在所述第一期望区域产生大致符合所述第一期望残余压应力的残余压应力；及
产生作用于所述第二期望区域的滚压力，以在所述第二期望区域产生大致符合所述第二期望残余压应力的残余压应力。
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