CN109531170B - 一种加工表面质量调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种基于组合式加工的装置及加工表面质量调控方法，本发明的组合式加工装置，包括滚光部件、支架部件、基座部件、套筒、滚光体外壳、测力螺栓、垫片、弹簧、传力杆、支撑环、滚光球、挡圈、支架、导槽件、基座、工控机；本发明通过一体化组合加工装置，将车削和滚光同时进行，并采用测力螺栓和工控机精确控制所需要的滚光力，节省了专用滚光设备，结构简单、成本低、易操作；本发明通过设置两组球滚光部件，能够独立调整滚光力，同时逐一对已加工表面施加作用力，使得滚光效果进一步增强。

Description

一种加工表面质量调控方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种基于组合式加工的装置的加工表面质量调控方法。
背景技术
切削加工作为一种零件精加工手段，其表面完整性质量往往偏低，容易产生拉伸残余应力和较高的表面粗糙度值。为了克服这些问题，球滚光工艺是最常用的处理方法之一，其能获得更优的表面粗糙度，产生的残余压应力可达到加工表面以下几十微米的范围，对加工零件表面的次表层能产生有利的影响。然而，滚光加工工艺通常是在常规切削加工后进行的，需要采用专用的球滚光设备。在专利US 005826453A中公开了一种球滚光装置，但该装置存在以下两方面的不足：(一)该装置需要在车削加工完成后再进行滚光加工，不能实现车削-滚光一体化加工；(二)该装置所需的滚光压力由高压水提供，需要额外的高液压水装置，使得整个装置构成增多、结构复杂、成本高。International Journal ofPrecision Engineering and Manufacturing期刊公开了一篇文章：Some insights onCombined Turning-Burnishing(CoTuB)process on workpiece surface integrity，虽然文中使用了组合加工装置，但其存在的不足有：(一)弹簧的弹力通过3个支撑环传递给滚光球，但在滚光过程中，滚光球与工件表面接触因受到随机的作用力，会导致滚光球跑偏，无法正常滚光，会导致工件局部受力增大，引起已加工表面损伤；(二)缺乏滚压力大小反馈功能，所需滚压力的大小只是靠手动调整测力螺栓的旋入长度来调整，误差大，无法精确控制滚压力值；(三)采用一组滚光装置，不利于调节滚光位置，无法达到最优的滚光效果。上述现有技术在实际应用中存在以下问题：滚光加工工艺多在常规切削加工后进行，需要采用专用的球滚光设备和多次重复滚压，存在成本高、耗时和工艺复杂等问题，给工业生产带来不便，需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种能够将车削和滚光同时进行，使得零件已加工表面具有低表面粗糙度，成本低廉、操作方便的车削-球滚光组合式加工装置及加工表面质量调控方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：
①建立车削-球滚光组合式加工装置；
所述车削-球滚光组合式加工装置包括设置在工件上的滚光部件、支架部件、设有车刀的基座部件和工控机，所述支架部件设置在基座部件上，所述滚光部件设置在支架部件上，所述滚光部件与工控机连接，所述滚光部件的个数为2组；
所述滚光部件包括套筒、滚光体外壳、测力螺栓、第一垫片、第二垫片、弹簧、传力杆、支撑环、滚光球、挡圈、第一紧固螺母、第一紧固螺钉和连接螺栓螺母组；所述套筒设有轴向通孔，所述滚光体外壳穿过所述套筒的通孔，并通过第一紧固螺母和第一紧固螺钉设置在套筒内；所述测力螺栓通过轴向通孔设置在滚光体外壳内，所述测力螺栓底端通过第一垫片与弹簧顶端接触，所述传力杆顶端通过第二垫片与弹簧底端接触；所述滚光体外壳底端设有滚光球，所述滚光球通过挡圈设置在支撑环上，所述支撑环通过螺纹连接设置在传力杆上；
②基于车削-球滚光装置，建立球滚光后表征工件表面质量的粗糙度模型，以及滚光部件夹角变化的滚光表面粗糙度调控模型：
201从工控机获取测力螺栓受到的弹簧作用的弹力值，即为滚光球和工件的接触力P，通过该接触力计算出滚光球压入工件表面后所形成的椭圆的短轴a和接触变形位移δ：
其中，C1和C′1为接触点处工件的最大和最小曲率半径，C2和C′2为接触点处滚光球的最大和最小曲率半径，a为滚光球压入工件表面后所形成的椭圆的短轴，δ为滚光球压入工件表面引起的变形位移长度，r＝0.999，m＝1.0482，K1和K2表示如下：
其中，ν1,E1为工件材料的泊松比和杨氏模量，ν2,E2为滚光球材料的泊松比和杨氏模量，其相应的曲率半径为：
其中，R1是工件半径，R2为滚光球的半径；
202建立由前一道工序加工后所得的表面粗糙度Rti与滚光后的表面粗糙度Rt关系式：
Rt＝Rti-δ+h1 (六)
其中，h1为滚光球I滚光后材料的残留高度，其为h1＝125f2/R2，f为每转进给量；203所述两个滚光部件轴线的夹角为θ，在滚光球II的滚光过程中，其滚光路径覆盖滚光球I滚光后的残留区域，加工表面的残留材料被进一步削平，此时残留材料的高度为：
此时，最终表面粗糙度值为：
式(八)中，Rt为方程式(六)的值，ψ为以滚光球的球心为圆心，滚光球与工件接触所形成的圆弧的圆心角，表示为：
所述支架部件包括支架、螺钉和导槽件，所述支架设有立板，所述立板设有调节孔，所述导槽件利用螺钉设置在立板上；所述的基座部件包括调位螺栓、基座、第二紧固螺母和第二固定螺钉，所述车刀通过第二紧固螺母和第二固定螺钉设置在基座上，所述基座通过调位螺栓与支架部件连接。
所述套筒上部设有支角，所述套筒的轴向通孔与其上部支角构成Z形。
所述导槽件横截面呈圆弧形，设有滑槽，所述套筒通过连接螺栓螺母组设置在滑槽内。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过一体化组合加工装置，将车削和滚光同时进行，并采用测力螺栓和工控机精确控制所需要的滚光力，节省了专用滚光设备，结构简单、成本低、易操作；本发明通过设置两组球滚光部件，能够独立调整滚光力，同时逐一对已加工表面施加作用力，使得滚光效果进一步增强；本发明通过导槽件上设置的圆弧形通槽，可根据不同的加工需求调整滚光部件的相对安装角度，获得最佳滚光角度；本发明通过建立加工表面调控模型，将两组滚光与加工表面质量进行联系，能够实时调控加工质量，提高了工件加工效率和加工质量。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的车削-球滚光组合式加工装置的结构示意图；
图2为本发明的装置的前视局部剖面视图；
图3为本发明的装置球滚光部位局部放大图；
图4为本发明方法的工作流程图；
图5为本发明方法中两组滚光部件调整相对位置后的滚光原理图；
图6为本发明方法的表面粗糙度原理模型示意图；
图7为本发明方法的表面粗糙度原理模型结果图；
图8为本发明方法的两组滚光球轨迹对表面粗糙度影响原理示意图；
图9为本发明方法的两组滚光球轨迹对表面粗糙度影响结果图；
在图中：1滚光部件、2支架部件、3基座部件、4工件、101套筒、102滚光体外壳、103测力螺栓、104a第一垫片、104b第二垫片、105弹簧、106传力杆、107支撑环、108滚光球、109挡圈、110第一紧固螺母、111第一紧固螺钉、201支架、202螺钉、203导槽件、203a滑槽、301基座、302第二紧固螺母、303第二固定螺钉、5螺栓螺母组、6调位螺栓、7车刀、8工控机、θ两个滚光体部件轴线夹角、h0滚光前表面残留高度、h1滚光球I滚光后表面残留高度、h1滚光球II滚光后表面残留高度、f每转进给量、Vf进给速度、DP待滚光表面、P滚压力、a接触宽度、R2滚光球半径、Rti滚光前表面粗糙度、Rt滚光后表面粗糙度。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
①建立表征本发明方法的车削-球滚光组合式加工装置：
如图1-3所示，所述车削-球滚光组合式加工装置由滚光部件1、支架部件2、基座部件3、工件4、套筒101、滚光体外壳102、测力螺栓103、垫片104、弹簧105、传力杆106、支撑环107、滚光球108、挡圈109、第一紧固螺母110、第一紧固螺钉111、支架201、螺钉202、导槽件203、基座301、第二紧固螺母302、第二固定螺钉303、螺栓螺母组5、调位螺栓6、车刀7、工控机8构成。所述工控机8的型号为SXS PLNX-2，所述测力螺栓103的型号为SXS ST7/8。
滚光部件1有两组，每组包括套筒101、滚光体外壳102、测力螺栓103、垫片104、弹簧105、传力杆106、支撑环107、滚光球108、挡圈109、第一紧固螺母110和第一紧固螺钉111，所述套筒101为Z形构件，Z形的一个分支为沿轴向开有通孔，外周的一侧沿轴向加工出平面的扁状管体，另一个分支为L形板；所述扁状管体的外周平面侧开有两个通孔，在通孔位置的外侧与通孔同轴焊接有两个第一紧固螺母110，套筒101的L形板上还开设有一个圆形通孔，通过螺栓螺母组5与支架部件2实现安装。
所述滚光体外壳102为沿轴向在一端开有螺纹孔，另一侧为通孔的轴向贯通的扁状管体，滚光体外壳102内依次装有滚光球108、支撑环107、传力杆106、第二垫片104b，弹簧105、第一垫片104a和测力螺栓103，在滚光体外壳102靠近工件4的一侧安装挡圈109，滚光球108的前侧与工件4的已加工表面接触，后侧通过多个支撑环107与传力杆106实现传递由弹簧105产生的弹力；支撑环107内侧设有锥形孔，滚光球108通过支撑环107实现自动定心并能自适应与工件4的已加工表面的接触条件而绕自身球心转动且不会窜动，滚光体外壳102穿过所述套筒101的通孔，并通过第一紧固螺母110和第一紧固螺钉111压紧，测力螺栓103通过工控机8显示当前的滚光力数值，并指导进行滚光力的精确设置。
所述支架部件2包括支架201、螺钉202和导槽件203，所述支架201为一个L形构件，L形构件的其中一支的立板上开设有多个圆形通孔，另一支上开设有一个腰子孔；导槽件203为一整体形圆弧板，圆弧板的平面侧开有两个圆心角为30°的弧形通槽，在靠近支架201的一侧还对应开设有多个螺纹孔；所述支架201和导槽件203通过两者对应位置开设的孔，使用螺钉202进行连接；所述螺栓螺母组5，穿过所述的套筒101的L形构件上的通孔和所述导槽件203上的弧形通槽，实现滚光体部件1和支架部件2的连接；所述的调位螺栓6(由螺栓、弹簧垫片和平垫片组成)穿过所述的腰子孔，并与基座部件3上对应开设的螺纹孔紧固，实现支架部件2和基座部件3的连接。
所述的基座部件3包括基座301、第二紧固螺母302和第二固定螺钉303，所述基座301上开设有两个通孔，所述通孔位置的外侧同轴焊接有两个第二紧固螺母302，车刀7通过所述基座301上预留的安装槽，通过所述的第二固定螺钉303和第二紧固螺母302锁紧安装；所述基座301上还预留了本发明所述的装置与车床刀架安装的部位。
②基于车削-球滚光装置，建立表征球滚光后表征工件4表面质量的粗糙度Rt的模型，以及两组滚光部件1夹角变化的加工表面粗糙度调控模型：
本调控方法的流程如附图4所示。该方法的工作原理为：如附图5所示，车刀和滚光装置以进给量f沿着工件轴向做外圆车削加工，车刀切除材料的过程中，不可避免会在已加工表面形成高度为h0的材料残留区域，当滚光球I以相同的进给量滚过已加工表面时，由车削残留的材料高度h0被滚除一部分后，剩余残留高度为h1。经过合理位置调整，即调整两个滚光体的轴线夹角，使得工件转过的角度等于两滚光体轴线形成的夹角时，滚光球II经过已加工表面，再次对残留的材料进行滚除。此时，残留高度进一步减小，由h1降低到h2，获得粗糙度和光洁度更优的表面。此外，由于弹簧弹力的作用，滚光球向已加工表面施加了一定的压力，而切削过程中产生的热量有助于软化工件表层，压力能进一步加深材料硬化层深度，在零件表层和次表层获得一定的残余压应力。同时实现表面光整和表面强化，多数情况下可代替材料表面处理及精加工，属于无切屑强化技术。
附图6所示为滚光过程中零件表面形貌及滚光球与工件接触示意图。由赫兹接触理论可以推导出如下计算滚光球108和圆柱体工件4接触的接触应力和接触变形位移。
其中，C1和C′1为接触点处工件4的最大和最小曲率半径，C2和C′2为接触点处滚光球108的最大和最小曲率半径，r和m为两个常数，K1和K2表示如下：
其中，ν1,E1为工件材料的泊松比和杨氏模量，ν2,E2为滚光球材料的泊松比和杨氏模量，其相应的曲率半径为：
其中，R1是工件4的半径，R2为滚光球108的半径。
由前一道工序加工后所得的表面粗糙度Rti与滚光后的表面粗糙度Rt关系式：
Rt＝Rti-δ+h1 (六)
其中，h1为滚光球108I滚光后材料的残留高度，其为h1＝125f2/R2，f为每转进给量。
所述两个滚光部件1轴线的夹角为θ，在滚光球108II的滚光过程中，其滚光路径覆盖滚光球108I滚光后的残留区域，加工表面的残留材料被进一步削平，此时残留材料的高度为：
此时，最终表面粗糙度值为：
式(八)中，Rt为方程式(六)的值，ψ为以滚光球108的球心为圆心，滚光球108与工件4接触所形成的圆弧的圆心角，表示为：
所述滚光球108II和滚过球108I分别为两个滚光部件1末端所对应的球。
具体实施例:
因工件材料和滚光球材料是已知的，因此与材料有关的参数，如杨氏模量、泊松比等也是已知的。加工参数根据实际加工需求选取，可以认为也是已知的。工控机获得当前滚光力数值。将已知参数代入上述的建立的调控模型，即可求得滚光后的表面粗糙度值。根据模型得到的对比图(附图7)可知，滚光后表面粗糙度值得到很大的改善。
本实施例选用的材料和常数参数如下表所示：
滚光是小进给加工，当进给量f从0.05mm/r到0.35mm/r变化时，滚光前、滚光球I滚光后、滚光球II滚光后，表面粗糙度Rt随进给量f的变化趋势如附图7所示，从图中可以明显的看出，滚光后表面粗糙度值均比滚光前要低，且滚光球II滚光后粗糙度值再次降低。
通过设置两组滚光部件的相对位置夹角θ值，使得滚光球II的轨迹经过滚光球I未滚过的加工面，滚除残留的材料，以获得最佳表面粗糙度。本实施例中，值在5°到30°之间变化，进给量f＝0.1mm/r，带入式(一)～(九)，即可得出表面粗糙度值Rt随着两滚光部件的相对位置夹角θ的变化趋势，见附图8和附图9。
车削-球滚光组合加工装置的工作过程：滚光部件、支架部件和基座部件各自组装及相互安装完成后，将本装置整体安装于车床刀架上，根据实际加工需要，选择适配的滚光球和支撑环，调整滚光部件的数量和角度，使得滚光球与加工工件表面接触，滚光部件的轴线垂直指向工件轴心，调整滚光部件的测力螺栓，获得合适的弹簧弹力并将弹力传递到滚光球与工件表面的接触位置，进行车削滚光组合加工过程，在该过程中，滚光球能自适应接触条件绕着自身球心转动，保证已加工表面获得良好的表面完整性。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种加工表面质量调控方法，其特征在于采用如下步骤：
①建立车削-球滚光组合式加工装置；
所述车削-球滚光组合式加工装置包括设置在工件(4)上的滚光部件(1)、支架部件(2)、设有车刀(7)的基座部件(3)和工控机(8)，所述支架部件(2)设置在基座部件(3)上，所述滚光部件(1)设置在支架部件(2)上，所述滚光部件(1)与工控机(8)连接，所述滚光部件(1)的个数为2组；
所述滚光部件(1)包括套筒(101)、滚光体外壳(102)、测力螺栓(103)、第一垫片(104a)、第二垫片(104b)、弹簧(105)、传力杆(106)、支撑环(107)、滚光球(108)、挡圈(109)、第一紧固螺母(110)、第一紧固螺钉(111)和连接螺栓螺母组(5)；所述套筒(101)设有轴向通孔，所述滚光体外壳(102)穿过所述套筒(101)的通孔，并通过第一紧固螺母(110)和第一紧固螺钉(111)设置在套筒(101)内；所述测力螺栓(103)通过轴向通孔设置在滚光体外壳(102)内，所述测力螺栓(103)底端通过第一垫片(104a)与弹簧(105)顶端接触，所述传力杆(106)顶端通过第二垫片(104b)与弹簧(105)底端接触；所述滚光体外壳(102)底端设有滚光球(108)，所述滚光球(108)通过挡圈(109)设置在支撑环(107)上，所述支撑环(107)通过螺纹连接设置在传力杆(106)上；
②基于车削-球滚光装置，建立球滚光后表征工件(4)表面质量的粗糙度模型，以及滚光部件(1)夹角变化的滚光表面粗糙度调控模型。
2.根据权利要求1所述的一种加工表面质量调控方法，其特征在于所述步骤②包括：
201 从工控机(8)获取测力螺栓(103)受到的弹簧(105)作用的弹力值，即为滚光球(108)和工件(4)的接触力P，通过该接触力计算出滚光球(108)压入工件(4)表面后所形成的椭圆的短轴a和接触变形位移δ：
其中，C1和C′1为接触点处工件(4)的最大和最小曲率半径，C2和C′2为接触点处滚光球(108)的最大和最小曲率半径，a为滚光球(108)压入工件(4)表面后所形成的椭圆的短轴，δ为滚光球压入工件表面引起的变形位移长度，r＝0.999，m＝1.0482，K1和K2表示如下：
其中，ν1,E1为工件材料的泊松比和杨氏模量，ν2,E2为滚光球材料的泊松比和杨氏模量，其相应的曲率半径为：
其中，R1是工件(4)半径，R2为滚光球(108)的半径；
202 建立由前一道工序加工后所得的表面粗糙度Rti与滚光后的表面粗糙度Rt关系式：
Rt＝Rti-δ+h1 (六)
其中，h1为滚光球I滚光后材料的残留高度，其为h1＝125f2/R2，f为每转进给量；
203 所述两个滚光部件(1)轴线的夹角为θ，在滚光球(108)II的滚光过程中，其滚光路径覆盖滚光球(108)I滚光后的残留区域，加工表面的残留材料被进一步削平，此时残留材料的高度为：
此时，最终表面粗糙度值为：
式(八)中，Rt为方程式(六)的值，ψ为以滚光球(108)的球心为圆心，滚光球(108)与工件(4)接触所形成的圆弧的圆心角，表示为：
3.根据权利要求1所述的一种加工表面质量调控方法，其特征在于：所述支架部件(2)包括支架(201)、螺钉(202)和导槽件(203)，所述支架(201)设有立板，所述立板设有调节孔，所述导槽件(203)利用螺钉(202)设置在立板上；
所述的基座部件(3)包括调位螺栓(6)、基座(301)、第二紧固螺母(302)和第二固定螺钉(303)，所述车刀(7)通过第二紧固螺母(302)和第二固定螺钉(303)设置在基座(301)上，所述基座(301)通过调位螺栓(6)与支架部件(2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种加工表面质量调控方法，其特征在于：所述套筒(101)上部设有支角，所述套筒(101)的轴向通孔与其上部支角构成Z形。
5.根据权利要求3所述的一种加工表面质量调控方法，其特征在于：所述导槽件(203)横截面呈圆弧形，设有滑槽(203a)，所述套筒(101)通过连接螺栓螺母组(5)设置在滑槽(203a)内。
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