CN108330264A - 一种轨迹可控的表面强化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨迹可控的表面强化装置，包括机床底座、主轴进给模块、叶片装夹旋转模块、立柱进给模块、加工头进给模块、超声滚压加工模块、信号反馈装置及集成控制柜模块、软件控制操作系统模块。本装置通过轨迹适应复杂曲面,对表面进行超声强化处理来改善材料各项机械性能，进一步提升表面强化效果，为一种可加工叶片的表面强化加工设备，可根据叶片的形状实现轨迹可控加工过程。

Description

一种轨迹可控的表面强化装置

技术领域

本发明涉及复杂曲面形状的零部件的表面强化领域，为一种轨迹可控的表面强化装置。

背景技术

随着科学技术的发展，现代工业领域对机械结构和零部件的使用性能和服役寿命提出了更高的要求。不仅要求其具有更高的使用性能、更长的服役寿命，而且要求其能够适应更严苛的服役环境。但是，众所周知，材料的强度、耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦磨损等性能是决定机械结构和零部件使用性能和寿命的关键因素。因此，如何提高材料的这些性能已经日趋成为先进制造技术领域的重大研究问题。

在大多数情况下，材料的破坏是从表面开始的。例如，表面是疲劳裂纹萌生的重要部位。据统计，由于疲劳而失效的机械结构约占失效结构的90％。此外，腐蚀和磨损也多始于表面。全世界每年生产的钢铁约有10％因表面腐蚀而变为铁锈，30％的机电设备因此而损坏，因磨损造成的能源损失占能耗的1/3，工业发达国家因磨损造成的经济损失高达数百亿美元，我国因磨损而损耗的钢材多达五百万吨。提高材料的表面性能，可以在很大程度上降低这些损耗的发生。

与此同时，我国目前正在加速航空发动机涡轮盘等关键部件材料的国产化制造进程，部分高校和企业都在自主开展了大量的相关研究。航空发动机叶片材料要求有较好的机械性能，一般通过表面强化处理改善各项机械性能，加工处理的效果影响着叶片的使用寿命。而传统表面强化装置对复杂曲面叶片无法做到全自动轨迹可控，加工头不适配造成加工方式局限，强化效果差等问题。目前，自主研发出一套可强化加工航空发动机叶片材料表面的装置已成为航空发动机国产化进程中亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的轨迹可控的表面强化装置。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种轨迹可控的表面强化装置，包含以下内容：机床底座(1)、主轴进给模块(2)、叶片装夹旋转模块(3)、立柱进给模块(4)、加工头进给模块(5)、超声滚压加工模块(6)、信号反馈装置及集成控制柜模块(7)、软件控制操作系统模块(8)；表面强化装置用于具有加工复杂曲面形状的叶片，为一种表面超声滚压加工设备，其对加工轨迹可根据所述叶片的形状以实现精准控制。

机床底座(1)为所述表面强化装置的底座，以支撑其余模块的放置；

主轴进给模块(2)为叶片长度方向进给控制轴，可完成长度度方向轨迹按层切割运动动作；

叶片装夹旋转模块(3)为叶片绕中心旋转控制轴，通过异型凹榫头适配定心卡盘保证装夹旋转中心，通过旋转编码器保证法线追踪角度精度；

立柱进给模块(4)为轨迹切割平面高度方向进给控制轴，通过同步电机确保左右加工高度相同，通过与叶片装夹旋转模块(3)配合追踪轨迹法线与其重合；

加工头进给模块(5)为轨迹切割平面水平方向进给控制轴，承载超声滚压加工模块(6)加工头部分，可完成叶片厚度方向轨迹运动动作，并调节加工中接触压力；

超声滚压加工模块(6)包括两台同型号可调超声信号发生器、配套超声换能器及变幅杆、对称的两台超声滚压加工头；

信号反馈装置及集成控制柜模块(7)包括位置、压力检测头，安全限位及零位激光准距仪，安全光幕急停触发保护器，工控机，集成电气控制柜，用于反馈实时信号给机床各进给模块及超声模块，实现在线调整参数控制；

软件控制操作系统模块(8)包含底层调试界面及用户运行界面，可实现轨迹生成，轨迹选择，轨迹运行控制，轨迹软启动软暂停功能；

一种轨迹可控的表面强化装置可对长100-1000mm，宽0-100mm，高0-800mm，各型等厚度、变厚度曲面叶片表面进行超声滚压表面强化加工；加工下压力0-1000N，加工头频率20KHZ，28KHZ两型可选；加工强化层深度大于等于300微米。

本发明的有益成果为：本发明涉及一种轨迹可控的表面强化装置，本装置通过轨迹适应复杂曲面,对表面进行超声强化处理来改善材料各项机械性能，进一步提升表面强化效果，为一种可加工叶片的表面强化加工设备，可根据叶片的形状实现轨迹可控加工过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明装置的整体结构图；

附图说明：1、机床底座；2、主轴进给模块；3、叶片装夹旋转模块；4、立柱进给模块；5、加工头进给模块；6、超声滚压加工模块；7、信号反馈装置及集成控制柜模块；8、软件控制操作系统模块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：本发明的轨迹可控的表面强化装置中，涉及了多模块联动达到加工头末端轨迹可控的要求。其中，主轴进给模块(2)为叶片长度方向进给控制轴，其运动基准位于整体滑动平板上，可完成长度度方向轨迹按层切割运动动作。叶片装夹旋转模块(3)为叶片绕中心旋转控制轴，通过异型凹榫头适配定心卡盘保证装夹旋转中心，通过旋转编码器保证法线追踪角度精度，装夹完成后此时位置为标志点位置。立柱进给模块(4)为轨迹切割平面高度方向进给控制轴，通过同步电机确保左右加工高度相同，通过与叶片装夹旋转模块(3)配合追踪轨迹法线与其重合。加工头进给模块(5)为轨迹切割平面水平方向进给控制轴，承载超声滚压加工模块(6)加工头部分及信号反馈装置，可完成叶片厚度方向轨迹运动动作，并调节加工中接触压力。

所述各进给模块的主要控件包含伺服电机、减速器、丝杠、光栅尺、测距雷达等组件。另外，电机，减速器，丝杠滑块系统实现了整个过程的进给，压力传感器、无线雷达、光栅尺为测量装置，负责采集力和位移的参数，通过反馈实现加工过程的控制。其中因光栅尺的安装也会影响测量数据的精度，选择把标尺光栅安装在机床的动板上，随着它的移动而一起运动，读数头固定在机架上。光栅尺对安装基面的要求比较高，安装基面与导轨运动方向之间的平行度要少于0.1mm。加工头进给模块(5)中的光栅尺因机架不满足此要求，需设计等高读数头基座。且加工头进给模块(5)同时承载了其余信号反馈装置，包括压力传感器及无线雷达。其中无线雷达只能提供距离而不提供目标的角度信息，所以在本设计中，无线雷达安装在加工头进给模块(5)中，测量指定标志点到雷达的距离。通过换算，可得到加工头末端到加工表面的距离，并通过该结果判断滚压头与试样表面的接触情况。压力传感器使用接触探针式，用以反馈加工头进给模块(5)所承载的超声滚压加工模块(6)受力大小。在加工时，首先给加超声滚压加工模块(6)加工工头一个预压量，其值为滚压力，并以此位置，设定压力传感器的零点。加工过程中，若压力发生变化，加工头装置中的弹簧会发生弹性变形，改变加工头到加工表面的距离。这时，压力传感器的探针将探测出变形并发送信号至控制器重新调整各进给模块位置。这个柔性的连接过程将赋予机床控制一定的冗余量，降低机床控制的要求，减缓对被加工件表面刚性冲击造成损坏。

所述各进给模块基本进给方式，主要通过控制器控制伺服电机转动，带动丝杠旋转，实现滑块的上下、左右移动；所述进给方式，所述伺服电机可以在加工过程中控制住扭矩，起到锁死固定的作用，其中，合适的丝杠导程、珠径也控制了所述进给方式中的误差；

所述表面强化装置在轨迹的控制中，主轴进给模块(2)控制机床达到分层轨迹控制给定层高，叶片装夹旋转模块(3)在此层加工时，通过旋转始终保持轨迹外法线水平，立柱进给模块(4)垂直移动加工头至指定法线与轨迹交叉加工点，使得加工层轨迹的的中面垂直于滚压头。加工头进给模块(5)配有光栅尺，压力传感器和无线雷达装置，可以探测叶片承受的载荷、与叶片相对位置；在加工的过程中，根据上述三模块定位加工位置叶片厚度水平进给，保持恒定加工速度及压力。且可以测量计算出加工的载荷，加工点的位置，并将其反馈给控制系统，控制系统发出命令，调节立柱进给模块(4)和叶片装夹旋转模块(3)中的电机，适应滚压力和调节滚压位置；从而可以解决复杂曲面表面强化加工的轨迹控制问题。

如上各模块协调指令由所述软件控制操作系统模块(8)编制好程序后，按通讯协议发送至集成控制柜模块控制装置整体运行。

实施例2：所述超声滚压加工模块(6)包括两台同型号可调超声信号发生器、配套超声换能器及变幅杆、对称的两台超声滚压加工头。超声滚压加工是利用超声冲击能量和静载滚压相结合的工作方法，为一种更高效的处理方式。在现有的超声和滚压结合的加工工具头中，一种是把滚压刀具固定在旋转架上，处理轴向和径向的表面，另一种是把施力部件结合滚动的柱体工作头，可处理平面表面。现今，将超声表面滚压方法推广到曲面结构，更加具有重要的经济实用价值和广阔的应用前景。

在前述装置可做到曲面轨迹可控的基础上，超声滚压加工模块(6)需按如下标准工作。

两台同型号可调超声信号发生器具备输出频率稳定、振幅可靠等特性。因加工过程中轨迹变化的特点，其满足以下标准：

(1)频率微调：调整频率使超声波发生器始终处于最佳工作状态下，以保证效率最大，在共振频率范围2％以内时，可自动追频，适应不同表面情况反馈。

(2)振幅控制：工作过程中超声波信号发生器的负载随时可能发生变化，超声波信号发生器要具备自动调整驱动的特性，保证滚压工具头能获得稳定的振幅。

(3)一致性高：两台同型号可调超声信号发生器同时驱动左右两台加工头，为保证加工一致性，其在参数设定一直时，应保证尽量一致的输出频率，功率，出现偏离时可自适应补偿。

(4)参数可调：根据被加工件材料不同可不同加工头，超声信号发生器针对不同加工头频率攻略参数可调。

(5)系统保护：若系统的工作环境发生变化，设备应自行停止工作并报警显示，以防设备损坏。

配套超声换能器及变幅杆为双层大推力型换能器，贝塞尔曲线变幅杆，获得较好的阻抗匹配能力，带负载能力，使加工工艺稳定性更高。优选的，本装置包括20KHZ，28KHZ两套配套换能器及变幅杆，可根据被加工件材料表面情况更换。每套皆为对称的两件，保持较好的一致性，频率误差200HZ以内。

对称的两台超声滚压加工头。加工头末端为损耗件，使用碳化钨球与可更换钛合金球帽匹配方式减少更换成本。球帽角度经设计后减少与大曲率部位干涉，并可在不完全重合法线下工作。

装置运行时，超声滚压加工模块(6)信号接入装置集成控制柜，反馈加工头频率功率状态作为控制判断依据之一,超出加工模块调整极限的轨迹偏离，将使得信号发生器输出迅速下降，此时进给模块各部分应安装安全轨迹退出加工，回到标志点位置重新开始加工。

本发明的有益成果为：本发明涉及一种轨迹可控的表面强化装置，本装置通过轨迹适应复杂曲面,对表面进行超声强化处理来改善材料各项机械性能，进一步提升表面强化效果，为一种可加工叶片的表面强化加工设备，可根据叶片的形状实现轨迹可控加工过程。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种轨迹可控的表面强化装置，其特征在于，包含以下内容：

包含机床底座(1)、主轴进给模块(2)、叶片装夹旋转模块(3)、立柱进给模块(4)、加工头进给模块(5)、超声滚压加工模块(6)、信号反馈装置及集成控制柜模块(7)、软件控制操作系统模块(8)；所述表面强化装置用于具有加工复杂曲面形状的叶片，为一种表面超声滚压加工设备，其对加工轨迹可根据所述叶片的形状以实现精准控制。

2.根据权利要求1所述的一种轨迹可控的表面强化装置，其特征在于，

所述机床底座(1)为所述表面强化装置的底座，以支撑其余模块的放置；

所述主轴进给模块(2)为叶片长度方向进给控制轴，可完成长度度方向轨迹按层切割运动动作；

所述叶片装夹旋转模块(3)为叶片绕中心旋转控制轴，通过异型凹榫头适配定心卡盘保证装夹旋转中心，通过旋转编码器保证法线追踪角度精度；

所述立柱进给模块(4)为轨迹切割平面高度方向进给控制轴，通过同步电机确保左右加工高度相同，通过与叶片装夹旋转模块(3)配合追踪轨迹法线与其重合；

所述加工头进给模块(5)为轨迹切割平面水平方向进给控制轴，承载超声滚压加工模块(6)加工头部分，可完成叶片厚度方向轨迹运动动作，并调节加工中接触压力；

所述超声滚压加工模块(6)包括两台同型号可调超声信号发生器、配套超声换能器及变幅杆、对称的两台超声滚压加工头；

所述信号反馈装置及集成控制柜模块(7)包括位置、压力检测头，安全限位及零位激光准距仪，安全光幕急停触发保护器，工控机，集成电气控制柜，用于反馈实时信号给机床各进给模块及超声模块，实现在线调整参数控制；

所述软件控制操作系统模块(8)包含底层调试界面及用户运行界面，可实现轨迹生成，轨迹选择，轨迹运行控制，轨迹软启动软暂停功能。