CN108481138A - 多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法，属于机械精密加工共性技术领域，本发明要解决的技术问题为如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能，采用的技术方案为：其结构包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置、超声耦合剂循环结构以及冲击振动结构，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构。本发明还公开了多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法。

Description

多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法

技术领域

本发明属于机械精密加工共性技术领域，具体地说是一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法。

背景技术

随着产品性能需求的不断提升，越来越多的多曲率曲面关键零部件被广泛地应用于航空航天、国防军工、生物医学等许多重要领域，如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能是目前亟需解决的技术问题。

比如气门，气门广泛应用于地面上各种运输车辆（汽车、拖拉机、内燃机车等）、矿山、石油、建筑及工程等机械，农林业机械、发电站和军事装备等方面的内燃机。气门在工作中不仅承受着高频冲击、交替变化的拉应力及热应力，而且承受着高温腐蚀与高速燃气冲刷。在恶劣的工作环境下容易产生气门密封作用失效，甚至疲劳断裂。气门失效时，轻则损及发动机功率，重则机器报废甚至产生恶性事故。

气门典型的断裂形式有：气门杆部断裂、杆部与头部连接处断裂和气门盘部断裂。采用宏/微观检验、化学成分分析和硬度测试等方法对断裂部位进行分析表明气门断裂源自于疲劳失效。发动机气门的疲劳失效由产品质量和使役环境（介质及载荷）决定，但是使役环境在气门服务期内受其服务功能制约基本是不可改变的，所以疲劳寿命在更大的程度上取决于气门的加工表面完整性加工表面完整性主要包括表面粗糙度、三维微观表面形貌、残余应力及其分布、加工硬化、微观组织结构等。常用气门材料（如高镍合金NiCr20TiAl、Ni30、Inconel751）属于典型的难加工材料，对应力集中、应变率非常敏感，在高应变速率条件下容易产生微裂纹。因此，气门的加工表面完整性及疲劳寿命是发动机制造业关注的热点和焦点问题。

由于机械零件的疲劳破坏一般总是从表面层开始的，所以在机械加工阶段开发新制造工艺并定量设计工艺参数使零件具有优化的加工表面完整性从而获得最长疲劳寿命是机械与制造科学领域的关键共性技术问题。目前气门制造企业大多仍采用渗氮、渗碳、镀铬等传统热处理工艺对气门表面进行强化处理，其本质在于通过对气门表面进行改性处理以强化表面力学性能从而提高疲劳寿命。然而，为了达到气门表面的精度要求，在表面强化处理工艺之后仍需要进一步精磨加工，加工过程复杂，加工成本高。

气门表面由圆柱面（导杆部）、圆锥面（盘锥面）和过渡曲面组成，属于典型的多曲率复杂曲面。其导杆部、盘锥面和过渡曲面的磨削加工需要不同的砂轮或成型砂轮，因而传统的气门精密加工工艺需要较多的工序才能完成。另外，普通磨削由于磨削高温、反复碾压材料过度变形、微裂纹、残余应力和表面层污染等形成表面缺陷层，同时表面粗糙度和波纹度也较大，这将影响零件疲劳强度、抗蚀性和接触刚度等使役性能。故气门的抗疲劳性能也急需提高。

发明内容

本发明的技术任务是提供一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法，来解决如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能的问题。

本发明的技术任务是按以下方式实现的，多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置、超声耦合剂循环结构以及冲击振动结构，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；

柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置运动实现工件的加工。

作为优选，所述柔性调节箱体的上端设置有壳体，下端设置有磨头，磨头采用陶瓷磨粒；柔性调节箱体与壳体的接触处设置有保护膜；

冲击振动结构包括压电晶片和若干钢珠，钢珠设置在由保护膜与柔性调节箱体组成的空腔内；压电晶片设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，压电晶片通过电缆线连接电源为其供电，压电晶片采用压电陶瓷晶片，压电晶片通电后进行纵向往复伸缩运动并输出超声波，将电能转换成超声波并输出，压电晶片输出的超声波驱动钢珠高速振动。

作为优选，所述壳体上端面的两侧分别开设有耦合剂入口和耦合剂出口，耦合剂入口和耦合剂出口用于超声耦合剂的进入和流出；

所述超声耦合剂循环结构包括耦合剂流入伺服电机、耦合剂流入螺杆泵、耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵，耦合剂流入伺服电机通过联轴器连接耦合剂流入螺杆泵，耦合剂流入螺杆泵的出料口通过耦合剂流入管路连通耦合剂入口，耦合剂入口通过耦合剂进入通道连通柔性调节箱体，其中，耦合剂流入管路上设置有耦合剂流入阀；耦合剂排出伺服电机通过联轴器连接耦合剂排出螺杆泵，耦合剂排出螺杆泵的进料口通过耦合剂排出管路连通耦合剂出口，耦合剂出口通过耦合剂排出通道连通柔性调节箱体，其中，耦合剂排出管路上设置有耦合剂排出阀。

更优地，所述柔性调节箱体是由两平行的侧面和圆弧形底面组成的U型半封闭箱体结构，磨头沿圆弧底面设置；柔性调节箱体是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层、三维编织复合材料层和复合基层形成的材料制成。

更优地，所述压电晶片上侧面设置有阻尼块，阻尼块设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，阻尼块采用胶泥块或阻尼片。

更优地，所述壳体内壁与阻尼块之间设置有压电式冲击力传感器，压电式冲击力传感器对称设置有两个，压电式冲击力传感器用于采集压电晶片的冲击压力值。

更优地，所述柔性调节箱体的内侧壁上设置有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器位于柔性调节箱体上部边缘处，热电偶温度传感器用于采集柔性调节箱体内的温度值。

更优地，所述壳体外侧壁上设置有位移传感器，位移传感器用于测试径向位移量，即径向抛光厚度。

作为优选，所述控制单元包括电源、单片机、数据采集器一、数据采集器二、数据采集器三、A/D转换器一、A/D转换器二、A/D转换器三、D/A转换器一、D/A转换器二和D/A转换器三，电源电连接单片机为其供电；控制单元是由三个循环回路组成，一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器一、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、温度传感器、A/D转换器一、数据采集器一和单片机组成的循环回路；另一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器二、压电晶片、压电式冲击力传感器、A/D转换器二、数据采集器二和单片机组成的循环回路；再一路是由单片机、D/A转换器三、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、位移传感器、A/D转换器三、数据采集器三和单片机组成的循环回路。

多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法，该方法包括如下步骤：

（1）、打开电源，通过电缆线为压电晶片和单片机供电；

（2）、压电晶片通电后，产生纵向的往复伸缩运动，并输出超声波，超声波的能量传递给柔性调节箱体内的钢珠，钢珠在柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内高速振动，使压电晶片的输出振幅放大；

（3）、同时，耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵将超声耦合剂经耦合剂流入管路、耦合剂入口以及耦合剂进入通道进入柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内，并在空腔内高速流动；

（4）、超声耦合剂给钢珠施加冲击力，钢珠撞击柔性调节箱体的内侧壁，将冲击力传递给磨头，通过超声冲击消除残余应力；

（5）、钢珠受到柔性调节箱体的内侧壁的反作用力回弹，碰到高压下的超声耦合剂和压电晶片产生的超声波能量后，再次受到冲击，又一次撞击柔性调节箱体的内侧壁，如此反复进行；

（6）、超声耦合剂振动冲击由柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内壁的同时，耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵启动，将耦合剂经过耦合剂排出通道、耦合剂出口以及耦合剂排出管路排出柔性调节箱体，排出的超声耦合剂带走钢珠运动产生的热量，达到实时循环冷却的目的；

（7）、超声耦合剂排出的同时又有新的超声耦合剂从从耦合剂入口经耦合剂进入通道送入柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内，如此反复循环更新；

（8）、位移传感器将采集到的磨头的位移参数信号通过A/D转换器三和数据采集器三传送到单片机，温度传感器将采集到的磨头柔性调节箱体中耦合剂进入通道、耦合剂排出通道的温度参数信号通过A/D转换器一和数据采集器一传送到单片机，压电式冲击力传感器将采集到的压电晶片的冲击参数信号通过A/D转换器二和数据采集器二传送给单片机，单片机根据采集到的数据处理、反馈，得到冲击力与时间、温度与时间以及位移与时间的关系，并作出冲击压力与超声功率的调整；其中，超声功率通过电缆线电压调整，冲击压力通过调整耦合剂流入螺杆泵实现，通过调整耦合剂流入螺杆泵的流量调整超声耦合剂进入磨头腔体的压力来控制空腔内超声耦合剂流动的速度，进而控制磨头腔体中的温度，以防止高温抛光造成加工表面出现氧化情况。

本发明的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法与现有技术相比具有以下优点：

（一）、本发明在简化加工工艺、提高加工效率和改善加工工件表面质量的情况下，达到加工工件表面的材料抛光和强化处理，同时解决磨削弧区的换热问题；同时本发明结构简单、装配方便，不仅提高了多曲率复杂曲面的抛光效率，同时消除了表面残余应力，提高了多曲率复杂曲面的疲劳寿命；

（二）、柔性调节箱体是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层、三维编织复合材料层和复合基层形成的材料制成，实现了柔性自适应加工，适应多曲率复杂的曲面的加工，编织复合材料具有很高的韧性和弹性，可以达到柔性加工要求；三维编织复合材料不需要缝合和机械加工，具有较高的强度、刚度和垂直方向上较好的抗冲击性、耐烧蚀性，而且克服了传统层合板复合材料易分层、开裂敏感和损伤扩展快的缺点；采用三维编织复合材料一方面达到了加工磨具所需的韧性和强度要求，一方面又具有相对弹性柔软度，可以实现随着不同曲率半径的加工表面而自适应磨削，三维编织复合材料的疲劳强度较金属材料的疲劳强度的相对值高而且可以消除传统复合材料的“层”，从根本上解决了层合复合材料的易分层、开裂敏感和损伤扩展快、冲击韧性低、层间剪切强度低的缺点，并且三维编织的整体性进一步增强；

（三）、利用高压下的超声耦合剂循环，实现散热，达到实时循环冷却的目的；而超声耦合剂压力由位移传感器采集处理的位移量即径向的抛光厚度确定，超声耦合剂能够给柔性磨头冲击压力，以控制柔性磨头的软硬程度；

（四）、本发明利用钢珠快速运动锤击柔性磨头，实现超声振动，对材料加工工件的表面进行强化处理，以消除应力；钢珠在高压作用和超声冲击耦合剂作用下，连续高速冲击柔性磨头，对加工工件表面强化处理，提高工件表面的加工质量；其中，磨头材料选用陶瓷磨粒，陶瓷磨粒硬度高，强度好，具有抗震、抗压、抗冲击等卓越的物理性能，可适用于加工高硬度气门材料；

（五）、本发明能够提高加工精度，较普通抛光加工方法有更低的表面粗糙度值，磨头采用陶瓷磨粒，陶瓷磨粒中的氧化物的硬度很高，耐高温高压，适合超精密加工，在陶瓷磨粒磨削抛光和超声振动冲击联合作用下，将抛光表面修正至所需的表面质量要求；

（六）、本发明具有独立的控制单元，提高控制精度和数据分析采集的准确性；

（七）、本发明通过调控磨头中超声耦合剂的压强来控制柔性磨头的软硬程度，从而达到加工表面的材料去除；磨头自动抛光通过螺杆泵控制超声耦合剂的压强，通过超声耦合剂的压强控制柔性调节箱体，为其提供法向力，进而控制磨头的软硬程度从而达到加工表面的材料去除；柔性磨头自动抛光可以实现多曲率复杂曲面自适应抛光，避免工件和刀具的刚性冲击，提高疲劳特性和表面加工质量；可显著提高抛光效率，大大缩短生产周期，并且表面粗糙度值可以达到Ra0.4之内；可满足表面一致性、完整性、稳定性、型面质量等要求，并且可以减小劳动强度，降低生产成本；

（八）、通过磨具内部产生的超声冲击对加工表面进行强化处理，强化处理可改善残余应力状态，使残余拉应力转变为残余压应力，超声冲击可提高工作部件在高温使用环境的强度，同时使韧性下降较小，从而延长部件高温服役寿命，对于加快汽车工业领域零部件的广泛应用具有十分重要的意义；

（九）、超声冲击技术是一门新技术，通常是指频率高于2x104Hz的声波，本发明是利用超声波的空化效应和声流效应在媒质中传播，可以大幅度降低裂纹产生率，超声冲击技术利用超声波驱动冲击，针对工件表面进行高速撞击，使工件表面产生塑性变形，改变了被冲击后的金属表面形貌，有利于消除残余应力，引入一定的压应力，从而减少缺陷的产生，提高材料的力学性能。超声冲击对材料的强化作用属于形变强化，能够细化组织；再者也使金属表面的硬度得到较大的提高，显著提高了工件的疲劳强度，因此延长了构件的寿命；该技术应用广泛，在航空、桥梁、采油平台、船舶、机车车辆和压力容器等诸多领域均可以见到该技术的运用；本发明磨具内部产生的超声冲击的优点在于:可以对单一不同直径、长度尺寸的轴类构件的表面进行冲击强化处理；可以对多曲率复杂曲面的构件进行冲击强化处理，适用较广泛；也无需通过工人握住冲击枪进行冲击处理，降低了劳动力；超声冲击使工件表面产生足够深度的塑变层，从而有效地改善多曲率过渡区的外表形状，使其平滑过渡，降低了工件过渡表面的应力集中程度，使多曲率复杂曲面的金属得以强化，重新调整了焊接残余应力场，并由超声冲击形成较大数值的有利于疲劳强度提高的表面压应力，致使冲击处理后的表面应力状态得以改善、疲劳强度得以提高；

（十）、通过超声耦合剂循环实现冷却，以解决磨削弧区的换热问题；高压冲击送入超声耦合剂，超声耦合剂充满整个磨具型腔，在型腔内高速流动，由于高压下的超声耦合剂有良好的散热性和流动性，粘度小，对流流动效果好，并且增大了有效散热面积，所以可以带走加工过程中的高温，达到实时循环冷却，以解决磨削弧区的换热问题，此外，流动着的超声耦合剂可以减少内层的金属编织材料与钢球的摩擦，钢球整体硬度高，冲击韧性好，破碎率低；

（十一）、 本发明具有工艺简单，操作方便，装备噪音小，且具有高效、节能、环保等特征，利用超声冲击强化和超声耦合剂循环冷却可以有效地消除残余应力、改善多曲率复杂曲面应力分布和提高疲劳强度，采用计算机控制和在线检测技术，提高了抛光精度和抛光效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统的结构示意图；

附图2为附图1中控制单元的结构框图；

附图3为实施例三的加工示意图；

附图4为实施例四中叶根及页间通道加工示意图；

附图5为实施例四中发动机涡轮叶片叶盆面加工示意图；

附图6为实施例四中发动机涡轮叶片叶背面加工示意图。

图中：1、耦合剂入口，2、壳体，3、位移传感器，4、金属编织材料层，5、三维编织复合材料层，6、复合基层，7、超声耦合剂，8、磨头，9、钢珠，10、温度传感器，11、保护膜，12、压电晶片，13、阻尼块，14、压电式冲击力传感器，15、耦合剂出口，16、电缆线，17、柔性调节箱体，18、耦合剂进入通道，19、耦合剂排出通道，20、单片机，21、数据采集器一，22、数据采集器二，23、A/D转换器一，24、A/D转换器二，25、D/A转换器一，26、电源，27、耦合剂排出阀，28、数据集采集器三，29、A/D转换器三，30、D/A转换器二，31、D/A转换器三，32、耦合剂流入伺服电机，33、耦合剂流入螺杆泵，34、耦合剂排出伺服电机，35、耦合剂排出螺杆泵，36、耦合剂流入管路，37、耦合剂流入阀，38、耦合剂排出管路；

A表示发动机气门盘锥面，B表示发动机气门过渡曲面，C表示发动机气门导杆曲面，D表示多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，E表示发动机涡轮叶片叶盆面，F表示发动机涡轮叶片叶间通道，G表示发动机涡轮叶片叶根， H表示发动机涡轮叶片叶背面。

具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本发明的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法作以下详细地说明。

实施例一：

如附图1所示，本发明的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统, 其结构包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置、超声耦合剂循环结构以及冲击振动结构，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；

柔性磨头装置包括柔性调节箱体17、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构安装在柔性调节箱体17内，柔性调节箱体17是由两平行的侧面和圆弧形底面组成的U型半封闭箱体结构，磨头8沿圆弧底面设置；柔性调节箱体17是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层4、三维编织复合材料层5和复合基层6形成的材料制成的箱体。柔性调节箱体17的内侧壁上安装有热电偶温度传感器10，热电偶温度传感器10位于柔性调节箱体17上部边缘处，热电偶温度传感器10用于采集柔性调节箱体17内耦合剂进入通道18和耦合剂排出通道19的温度值。柔性调节箱体17内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置沿径向运动实现工件的去应力加工。柔性调节箱体17的上端安装有壳体2，下端安装有磨头8，磨头8采用陶瓷磨粒；柔性调节箱体17与壳体2的接触处安装有保护膜11；冲击振动结构包括压电晶片12和若干钢珠9，钢珠9安装在由保护膜11与柔性调节箱体17组成的空腔内；压电晶片12安装在由保护膜11与壳体2的内侧壁形成的空腔内，压电晶片12通过电缆线16连接电源为其供电，压电晶片12采用压电陶瓷晶片，压电晶片12通电后进行纵向往复伸缩运动并输出超声波，将电能转换成超声波并输出，压电晶片12输出的超声波驱动钢珠高速振动。压电晶片12上侧面安装有阻尼块13，阻尼块13安装在由保护膜11与壳体2的内侧壁形成的空腔内，阻尼块13采用胶泥块或阻尼片。壳体2内壁与阻尼块13之间安装有压电式冲击力传感器14，压电式冲击力传感器14对称设置有两个，压电式冲击力传感器14用于采集压电晶片12的冲击压力值。

壳体2外侧壁上安装有位移传感器3，位移传感器3用于测试径向位移量，即径向抛光厚度。壳体2上端面的两侧分别开设有耦合剂入口1和耦合剂出口15，耦合剂入口1和耦合剂出口15用于超声耦合剂的进入和流出；超声耦合剂循环结构包括耦合剂流入伺服电机32、耦合剂流入螺杆泵33、耦合剂排出伺服电机34和耦合剂排出螺杆泵35，耦合剂流入伺服电机32通过联轴器连接耦合剂流入螺杆泵33，耦合剂流入螺杆泵33的出料口通过耦合剂流入管路36连通耦合剂入口1，耦合剂入口1通过耦合剂进入通道18连通柔性调节箱体17，其中，耦合剂流入管路36上安装有耦合剂流入阀37；耦合剂排出伺服电机34通过联轴器连接耦合剂排出螺杆泵35，耦合剂排出螺杆泵35的出料口通过耦合剂排出管路38连通耦合剂出口15，耦合剂出口15通过耦合剂排出通道19连通柔性调节箱体17，其中，耦合剂排出管路38上安装有耦合剂排出阀27。

如附图2所示，控制单元包括电源26、单片机20、数据采集器一21、数据采集器二22、数据采集器三28、A/D转换器一23、A/D转换器二24、A/D转换器三29、D/A转换器一25、D/A转换器二30和D/A转换器三31，电源26电连接单片机20为其供电；控制单元是由三个循环回路组成，一路是由依次电连接的单片机20、D/A转换器一25、相互串联的耦合剂流入伺服电机32和耦合剂流入螺杆泵33以及与之并联的耦合剂排出伺服电机34和耦合剂排出螺杆泵35、磨头8、温度传感器10、A/D转换器一23、数据采集器一21和单片机20组成的循环回路；另一路是由依次电连接的单片机20、D/A转换器二30、压电晶片12、压电式冲击力传感器14、A/D转换器二24、数据采集器二22和单片机20组成的循环回路；再一路是由单片机20、D/A转换器三31、相互串联的耦合剂流入伺服电机32和耦合剂流入螺杆泵33以及与之并联的耦合剂排出伺服电机34和耦合剂排出螺杆泵35、磨头8、位移传感器3、A/D转换器三29、数据采集器三28和单片机20组成的循环回路。

实施例二：

基于实施例1的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法，该方法包括如下步骤：

（1）、打开电源26，通过电缆线16为压电晶片12和单片机20供电；

（2）、压电晶片12通电后，产生纵向的往复伸缩运动，并输出超声波，超声波的能量传递给柔性调节箱体17内的钢珠9，钢珠9在柔性调节箱体17与保护膜11形成的空腔内高速振动，使压电晶片12的输出振幅放大，达到100微米以上；

（3）、同时，耦合剂流入伺服电机32和耦合剂流入螺杆泵33将超声耦合剂7经耦合剂流入管路36、耦合剂入口1以及耦合剂进入通道18进入柔性调节箱体17与保护膜11形成的空腔内，并在空腔内高速流动；

（4）、超声耦合剂7给钢珠9施加冲击力，钢珠9撞击柔性调节箱体17的内侧壁，将冲击力传递给磨头8，通过超声冲击消除残余应力；

（5）、钢珠9受到柔性调节箱体17的内侧壁的反作用力回弹，碰到高压下的超声耦合剂7和压电晶片12产生的超声波能量后，再次受到冲击，又一次撞击柔性调节箱体17的内侧壁，如此反复进行；

（6）、超声耦合剂7振动冲击由柔性调节箱体17与保护膜11形成的空腔内壁的同时，耦合剂排出伺服电机34和耦合剂排出螺杆泵35启动，将超声耦合剂7经过耦合剂排出通道19、耦合剂出口15以及耦合剂排出管路38排出柔性调节箱体17，排出的超声耦合剂7带走钢珠9运动产生的热量，达到实时循环冷却的目的；

（7）、超声耦合剂7排出的同时又有新的超声耦合剂7从从耦合剂入口1经耦合剂进入通道18送入柔性调节箱体17与保护膜11形成的空腔内，如此反复循环更新；

（8）、位移传感器3将采集到的磨头8的位移参数信号通过A/D转换器三29和数据采集器三28传送到单片机20，温度传感器10将采集到的磨头柔性调节箱体17中耦合剂进入通道18和耦合剂排出通道19的温度参数信号通过A/D转换器一23和数据采集器一21传送到单片机20，压电式冲击力传感器14将采集到的压电晶片12的冲击参数信号通过A/D转换器二24和数据采集器二22传送给单片机20，单片机20根据采集到的数据处理、反馈，得到冲击力与时间、温度与时间以及位移与时间的关系，并作出冲击压力与超声功率的调整；其中，超声功率通过电缆线16电压调整，冲击压力通过调整耦合剂流入螺杆泵33实现，通过调整耦合剂流入螺杆泵33的流量调整超声耦合剂7进入磨头8腔体的压力来控制空腔内超声耦合剂7流动的速度，进而控制磨头8腔体中的温度，以防止高温抛光造成加工表面出现氧化情况。

实施例三：

本发明以具有典型多曲率复杂曲面的关键零部件-发动机气门（材料为镍基高温合金Inconel751）为加工对象，采用本发明能够提高气门的精密加工效率和疲劳强度，在柔性磨头抛光技术基础之上联合超声振动强化技术开发面向抗疲劳的复杂曲面自适配精密加工技术，对超声振动和柔性磨削协同作用下材料去除机制和已加工表面的形成机理展开研究，揭示表面的强化机理；从抗疲 精密加工后表面的抗疲劳性能，架起加工工艺与表面的使役性能乃至疲劳寿命之间的桥梁。本发明能够解决具有复杂曲面的关键零部件的抗疲劳表面塑造及表征的共性关键科学问题，超声复合自适配精密加工技术属于机械精密加工的共性技术，将提供了一种低成本、高表面完整性与高疲劳强度一体化的、适于多种典型复杂曲面的自适配精密加工全新工艺方法，具有重要理论和实际意义。

气门加工通常包括气门毛坯墩锻成型或挤压成型、热处理，车削或者磨削粗加工、半精加工、镀铬或氮化、精加工。精加工的传统工艺路线包括热处理，外圆精磨导杆，成型精磨盘锥面，最后进行终检。本发明中的气门精加工路线包括热处理，超声辅助曲面自适应光整加工，终检。本发明中的气门加工工艺方法比传统工艺路线省去了外圆精磨导杆和成型精磨盘锥面这两步工序，预计节省工时5min。这在气门的大批量生产中会节省大量加工资源和增大生产效率。国内现在还有相当一部分企业的气门生产工艺依然采用通用设备，若引进国外设备价格昂贵，维修不方便，同时现有的设备也得不到充分的利用，因此，为了既能满足气门需求量大、质量高的要求，又能为气门制造企业节约成本、保证质量、提高生产效率,提出了本超声复合自适配抗疲劳精密加工设备。

如附图3所示，柔性磨头装置依次对工件的盘锥面A、过渡曲面B、导杆曲面C进行加工并对其表面进行抛光，加工出发动机气门；通过调控柔性调节箱体内的超声耦合剂的压强来控制磨头的软硬程度从而达到加工表面的材料去除，通过超声冲击对加工表面进行强化处理，同时不断循环的超声耦合剂能够解决磨头处的换热问题。超声冲击去应力加工和超声耦合剂循环散热可以起到抗疲劳的作用。

本发明适用于气门的精加工阶段，在精加工时若采用磨削则有利于保证加工质量。本发明中采用弹性定心夹具机构用作气门多曲率曲面磨削的夹具，磨削加工过程以杆部外圆柱面作为定位基准，气门杆精磨磨削量控制在0.03 mm左右；从气门杆端面、杆部、过渡曲面、气门盘锥面、盘外圆、盘端面及倒角的加工顺序进行精磨抛光。利用本发明的超声复合自适配精密加工方法，锥形密封面在杆部的跳动量可以达到低于0. 01mm，符合我国对于气门加工的表面要求标准。利用本发明，超声冲击驱动的钢球振动可以除去半精加工过程中残留的不平度的波峰，超声振动可以使曲面产生塑性变形，压下这些波峰，迅速降低表面粗糙度达到加工的目的，另外，高频率的冲击振动可以消除残余应力和提高抗蚀性和接触刚度等使役性能；高压推动下的超声耦合剂在磨头型腔中快速循环流动，可以实现及时散热，以减少精磨过程中对表面的磨伤或烧伤以及防止表面氧化。本发明中的超声复合自适配精密加工与传统气门表面精加工相比，会减少螺旋状磨痕、振纹等缺陷的产生；使用本超声复合自适配精密加工可以实现生产效率高，成本低，提高了气门的耐磨性、提高气门锥面的形状精度和使用寿命，降低了发动机的油耗。

实施例四：

在新型中小航空发动机设计、制造中，广泛采用具有变截面、大扭曲度叶片的整体结构涡轮，以满足发动机高速、高推重比及高可靠性的要求。此类涡轮通常有几十至百余片复杂型面的叶片，材料多为不锈钢、高温耐热合金或钛合金等难切削材料。一方面叶片加工需先粗加工后精磨和抛光处理，存在精加工余量和内应力及加工过程中产生的变形、毛刺。另一方面叶片采用高温耐热合金材料或钛合金，叶片型面又极其不规则，精加工打磨非常不易。传统机械精密加工整体涡轮叶片存在很多难以解决的问题，如加工时间长，表面烧伤等。

如附图4、5和6所示，本发明以整体式航空发动机涡轮叶片，解决叶片在精密加工过程中存在的问题，针对发动机叶片的该精密加工方法属于单步加工法，加工只需要一次走刀，加工效率高。首先加工叶盆面，然后以叶盆面E为基准加工出叶间通道F，再精加工叶间通道F，再加工叶根G残留，最后加工叶背面H。本发明磨具同时兼有磨削抛光以及去除内应力的双重作用，其工艺灵活性和适应性非常强，在曲面加工中可以充分发挥其加工效率高、表面质量加工好的优良性能。本发明中利用陶瓷磨粒微刃对工件产生挤压、滑擦、刻划等达到降低表面粗糙度的滚磨加工；磨头加工接触面有很好的可控柔性拟合效果，可与加工表面完全贴合，在曲面型面平滑过渡性好；具有超声冲击弹性磨削的特点，且能消除在之前的工序中产生的内应力和提高抗疲劳性能；高压下的超声耦合剂可以带走加工过程中的热量，降低加工表面温度以防止加工表面氧化变质。该加工技术可以去除损伤层，降低工件表面粗糙度、消除内应力和自排热。利用计算机智能化控制与在线检测技术，保证加工稳定性与提高效率，依靠在线检测技术，不断优化控制策略，有效保证产品质量。本发明可以在很大程度上提高航空发动机涡轮叶片的抗疲劳强度和可以获得良好表面完整性。

本发明有利于提高叶片的加工精度，有利于提高叶片的表面轮廓度，有利于减少补偿加工的次数，有利于减少后续工序的工作量。可达到加工精度在士0.05-0.1mm之间和表面粗糙度在Ra 0.3-0.5um之间的要求，加工表层没有微观裂纹、灼伤等加工缺陷，满足尺寸、形状、位置等几何方面的要求。同时最大限度减少了加工成本和刀具更换时间。内冷通道提升了生产率。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

Claims (10)

1.多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于,包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；

柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性能；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置运动实现工件的去应力加工，进而提高加工零部件的抗疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体的上端设置有壳体，下端设置有磨头；柔性调节箱体与壳体的接触处设置有保护膜；

冲击振动结构包括压电晶片和若干钢珠，钢珠设置在由保护膜与柔性调节箱体组成的空腔内；压电晶片设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，压电晶片通过电缆线连接电源为其供电，压电晶片通电后进行纵向往复伸缩运动并输出超声波，将电能转换成超声波并输出，压电晶片输出的超声波驱动钢珠高速振动。

3.根据权利要求1或2所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体上端面的两侧分别开设有耦合剂入口和耦合剂出口，耦合剂入口和耦合剂出口用于超声耦合剂的进入和流出；

所述超声耦合剂循环结构包括耦合剂流入伺服电机、耦合剂流入螺杆泵、耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵，耦合剂流入伺服电机通过联轴器连接耦合剂流入螺杆泵，耦合剂流入螺杆泵的出料口通过耦合剂流入管路连通耦合剂入口，耦合剂入口通过耦合剂进入通道连通柔性调节箱体；耦合剂排出伺服电机通过联轴器连接耦合剂排出螺杆泵，耦合剂排出螺杆泵的进料口通过耦合剂排出管路连通耦合剂出口，耦合剂出口通过耦合剂排出通道连通柔性调节箱体。

4.根据权利要求3所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体是由两平行的侧面和圆弧形底面组成的U型半封闭箱体结构，磨头沿圆弧底面设置；柔性调节箱体是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层、三维编织复合材料层和复合基层形成的材料制成。

5.根据权利要求4所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述压电晶片上侧面设置有阻尼块，阻尼块设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内。

6.根据权利要求5所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体内壁与阻尼块之间设置有压电式冲击力传感器，压电式冲击力传感器对称设置有两个，压电式冲击力传感器用于采集压电晶片的冲击压力值。

7.根据权利要求6所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体的内侧壁上设置有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器位于柔性调节箱体上部边缘处，热电偶温度传感器用于采集柔性调节箱体内的温度值。

8.根据权利要求7所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体外侧壁上设置有位移传感器，位移传感器用于测试径向位移量。

9.根据权利要求1所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述控制单元包括电源、单片机、数据采集器一、数据采集器二、数据采集器三、A/D转换器一、A/D转换器二、A/D转换器三、D/A转换器一、D/A转换器二和D/A转换器三，电源电连接单片机为其供电；控制单元是由三个循环回路组成，一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器一、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、温度传感器、A/D转换器一、数据采集器一和单片机组成的循环回路；另一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器二、压电晶片、压电式冲击力传感器、A/D转换器二、数据采集器二和单片机组成的循环回路；再一路是由单片机、D/A转换器三、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、位移传感器、A/D转换器三、数据采集器三和单片机组成的循环回路。

10.多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）、打开电源，通过电缆线为压电晶片和单片机供电；

（2）、压电晶片通电后，产生纵向的往复伸缩运动，并输出超声波，超声波的能量传递给柔性调节箱体内的钢珠，钢珠在柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内高速振动，使压电晶片的输出振幅放大；

（3）、同时，耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵将超声耦合剂经耦合剂流入管路、耦合剂入口以及耦合剂进入通道进入柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内，并在空腔内高速流动；

（4）、超声耦合剂给钢珠施加冲击力，钢珠撞击柔性调节箱体的内侧壁，将冲击力传递给磨头，通过超声冲击消除残余应力；

（5）、钢珠受到柔性调节箱体的内侧壁的反作用力回弹，碰到高压下的超声耦合剂和压电晶片产生的超声波能量后，再次受到冲击，又一次撞击柔性调节箱体的内侧壁，如此反复进行；

（6）、超声耦合剂振动冲击由柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内壁的同时，耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵启动，将耦合剂经过耦合剂排出通道、耦合剂出口以及耦合剂排出管路排出柔性调节箱体，排出的超声耦合剂带走钢珠运动产生的热量，达到实时循环冷却的目的；

（7）、超声耦合剂排出的同时又有新的超声耦合剂从从耦合剂入口经耦合剂进入通道送入柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内，如此反复循环更新；

（8）、位移传感器将采集到的磨头的位移参数信号通过A/D转换器三和数据采集器三传送到单片机，温度传感器将采集到的磨头柔性调节箱体中耦合剂进入通道、耦合剂排出通道的温度参数信号通过A/D转换器一和数据采集器一传送到单片机，压电式冲击力传感器将采集到的压电晶片的冲击参数信号通过A/D转换器二和数据采集器二传送给单片机，单片机根据采集到的数据处理、反馈，得到冲击力与时间、温度与时间以及位移与时间的关系，并作出冲击压力与超声功率的调整；其中，超声功率通过电缆线电压调整，冲击压力通过调整耦合剂流入螺杆泵实现，通过调整耦合剂流入螺杆泵的流量调整超声耦合剂进入磨头腔体的压力来控制空腔内超声耦合剂流动的速度，进而控制磨头腔体中的温度，以防止高温抛光造成加工表面出现氧化情况。