CN110735104B - 一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法，它解决了现有技术中加工时易划伤加工表面、破坏涂层的完整性、滚压加工效率不高的问题，能够在板材热喷涂后进行原位滚压而无需二次装夹，有利于提高热喷涂涂层制备和涂层表面处理的工作效率。其技术方案为：包括热喷涂喷头和滚压工具，热喷涂喷头通过纵向调节装置与横向调节装置相连；滚压工具安装于旋转机构下方，旋转机构连接于横向调节装置一侧，使滚压工具与热喷涂喷头之间的距离可调；滚压工具包括多个均匀安装的滚压头，滚压头与待加工板材之间形成滚动摩擦；滚压头在远离加工端与超声装置连接；滚压头在远离加工端与超声装置连接；滚压头的端部安装滚珠，滚珠的安装位置设有凹坑。

Description

一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及金属表面加工领域，尤其涉及一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法。

背景技术

热喷涂技术是利用某种热源将用于喷涂的材料迅速加热至熔融或者半熔融状态，再将熔化后的喷涂材料喷溅到待加工的零件表面，以形成表面涂层的加工技术。通过热喷涂增材技术，可以在普通的材料表面上制备耐磨层、耐腐蚀层或者各种功能层，以达到提高工件表面性能、延长寿命、节约材料或者节约能源的目的。

随着现代工业的发展，越来越多的机械设备需要在恶劣环境下工作，往往需要在设备表面喷涂保护涂层来增加其使用寿命。但是，热喷涂过程中由于涂层与基体之间存在着较大的温度梯度，而且两者的材料存在物理特性的差异，因此涂层与基体间会产生残余应力，致使涂层在使用过程中发生断裂、翘曲、脱落等失效，严重地影响零件的使用寿命。因此，热喷涂之后还需要对涂层进行表面强化，以提高涂层与基体的结合强度，增加零件的使用寿命。

发明人发现，传统的表面强化技术主要有喷丸、滚压等，但是喷丸处理往往会增大零件的表面粗糙度，降低其抗疲劳性能，在处理薄板工件时，容易使工件发生变形。而传统的滚压加工会划伤被加工表面，破坏涂层的完整性，且在加工时需要更换工具头或者对工件进行二次装夹，使得滚压加工的效率不高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法，能够在板材热喷涂后进行原位滚压而无需二次装夹，有利于提高热喷涂涂层制备和涂层表面处理的工作效率。

本发明采用下述技术方案：

一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，包括：

热喷涂喷头，其通过纵向调节装置与横向调节装置相连；热喷涂喷头外接三根塑胶管，为喷涂提供能量支持及粉末供应；

滚压工具，安装于旋转机构下方，所述旋转机构连接于横向调节装置一侧，使滚压工具与热喷涂喷头之间的距离可调；

其中，所述滚压工具包括多个均匀安装的滚压头，滚压头与待加工板材之间形成滚动摩擦；工作时，滚珠与板材的接触轨迹不再是传统的直线接触轨迹，而是螺旋线轨迹，提高了滚压加工的效率；所述滚压头在远离加工端与超声装置连接。

进一步的，所述滚压头的端部安装滚珠，所述滚珠的安装位置设有用于储存润滑脂的凹坑。

进一步的，所述超声装置包括变幅杆和换能器，所述变幅杆一端与滚压头可拆卸连接，另一端与换能器相连，且多个换能器输入同一超声信号。

进一步的，所述滚压头顶部安装上保护壳，所述上保护壳顶端连接第一盖板，第一盖板的中心位置安装集流环，超声信号通过导线传递至集流环，之后再传递至换能器。

进一步的，所述上保护壳的内壁设有水冷循环管道。

进一步的，所述滚压工具下端安装测力装置，所述测力装置包括应变片、电路板和电池，所述应变片连接电路板，且电路板与电池对称安装，所述电路板的安装位置设有配重块。

进一步的，所述横向调节装置包括驱动电机、导向机构和连杆机构，所述驱动电机通过导向机构与连杆机构相连并驱动连杆机构拉伸或缩短；

所述连杆机构一端与纵向调节装置滑动连接。

进一步的，所述导向机构包括纵向设置的第一丝杠、与第一丝杠平行设置的导杆、与第一丝杠螺纹连接的第一滑块，所述第一滑块与连杆机构相连。

进一步的，所述纵向调节装置包括由第二丝杠和第二滑块组成的丝杠副，所述第二滑块与热喷涂喷头可拆卸连接，所述第二丝杠连接驱动电机。

热喷涂用原位超声滚压一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将所述一体化装置安装在机械臂上；

2)对待加工板材进行喷砂处理，之后将板材装夹在机床上；

3)调节喷涂距离及横向距离，并调节机械臂的初始位置；

4)热喷涂系统开机，等待电弧稳定后送粉；

5)送粉稳定后，启动驱动电机，并接入超声信号，开始加工；

6)加工完成后取下板材，设备关机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对热喷涂喷头以及滚压工具的有效组合，使得板材在进行热喷涂处理后，不需要更换工具头或者重新装夹即可实现后续的滚压加工，提高了涂层与板材的结合强度以及涂层的致密度，极大地提高了加工效率；

(2)本发明滚压工具由伺服电机驱动旋转，且使用多个滚珠，滚珠与板材接触次数增加，极大地提高了滚压加工的效率；滚珠与板材之间为滚动摩擦，相比传统滚压时滚压工具与板材之间的滑动摩擦，具有改善滚压后喷涂层的表面质量的效果；

(3)本发明在滚珠安装位置加工出的微观尺度的凹坑可以储存润滑脂，在加工时为滚珠提供润滑，减少滚珠的磨损；上保护壳中的水冷循环管道能够降低加工过程中换能器的温度，延长使用寿命；

(4)本发明的横向距离调整装置可以根据热喷涂涂层不同的冷却速度，调节喷涂与滚压处理的间隔时间；通过丝杠副机构实现热喷涂喷头的上下移动，以满足不同材料对喷涂距离的要求；

(5)本发明安装多个换能器，且多个换能器输入同一超声信号，确保变幅杆的振动频率及振幅相同。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的滚压装置结构示意图；

图3为本发明实施例一的滚压头结构示意图；

图4为本发明实施例一的纵向调节装置结构示意图；

图5为本发明实施例一的上保护壳剖视图；

图6为本发明实施例一的工字滑块结构示意图；

图7为本发明实施例一的法兰结构示意图；

图8为本发明实施例一的测力装置爆炸图；

其中，1、连接座；2、第一电机箱；3、第一电机；4、第一盖板；5、上保护壳；6、下保护壳；7、滚珠压帽；8、滚珠；9、第二电机；10、第二电机箱；11、第一连杆；12、第二连杆；13、铰支座；14、第三电机；15、第三电机箱；16、导杆；17、第一丝杠；18、固定套；19、第一滑块；20、异形滑块；21、下端盖；22、安装轴筒；23、连接肋板；24、热喷涂喷头；25、滚压头；26、变幅杆；27、法兰；28、壳体；29、换能器；30、第二盖板；31、第二滑块；32、第二丝杠；33、第三盖板；34、PCB线路板；35、第四盖板；36、螺母；37、电池；38、外壳；39、支撑套筒；40、测力装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在加工时易划伤加工表面、破坏涂层的完整性、滚压加工效率不高的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置及方法。

实施例一：

下面结合附图1-图8对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，包括热喷涂喷头24、滚压工具、横向调节装置、纵向调节装置、旋转机构、超声装置和测力装置40，热喷涂喷头24外接三根塑胶管，为喷涂提供能量支持及粉末供应，热喷涂喷头24内的水冷循环管道连接两根高压水管，为整个装置进行降温。所述热喷涂喷头24通过纵向调节装置连接横向调节装置的一端，所述横向调节装置的另一端与旋转机构相连，且二者之间安装导向机构；纵向调节装置使喷涂距离可调，横向调节装置实现热喷涂喷头24与滚压工具之间距离的调节；滚压工具安装于旋转机构下方，通过旋转机构带动滚压工具旋转。

纵向调节装置包括安装轴筒22、第二丝杠32、第二滑块31、第三电机14，所述第二滑块31安装在第二丝杠32上，二者螺纹连接形成丝杠副，第三电机14位于安装轴筒22顶部，其与第二丝杠32相连且第三电机14安装在第三电机箱15内部，第三电机14驱动第二丝杠32旋转使第二滑块31上下移动。热喷涂喷头24通过连接肋板23与第二滑块31相连，第二滑块31带动热喷涂喷头24上下移动以实现喷涂距离的调节。

由于热喷涂距离对涂层的性能有较大的影响，且不同材料的最佳热喷涂距离不同，因此，本实施例设置由丝杠副组成的纵向调节装置，通过控制第三电机14的转动可以控制第二滑块31的上下移动，进而实现热喷涂距离的调整，以满足不同粉末的喷涂要求。

第二丝杠32设于安装轴筒22内部，安装轴筒22底部安装下端盖22，在本实施例中，安装轴筒22为两侧开设导向槽的轴筒结构，如图4所示，其一侧的导向槽朝向热喷涂喷头24，用于连接肋板23与第二滑块31的连接，另一侧的导向槽朝向横向调节装置。第二滑块31两侧设有凸起部，安装轴筒22的内壁设有与所述凸起部相适配的导槽，所述凸起部与导槽相互配合使滑块第二31沿安装轴筒22轴线方向上下移动。

考虑到不同材料热喷涂后可进行滚压加工的间隔时间不同，设置横向调节装置以满足更多材料的喷涂要求。所述横向调节装置包括导向机构、连杆机构和第二电机9，所述连杆机构包括第一连杆11和第二连杆12，第一连杆11、第二连杆12交叉设置且二者中心位置转动连接；第一连杆11的一端与旋转机构铰接，另一端通过异形滑块20与安装轴筒22滑动连接，且异形滑块20与第一连杆11铰接。如图6所示，所述异形滑块20包括连接为一体的连接部和滑动部，为了适应安装轴筒22的形状，所述连接部的横截面为圆弧形；滑动部位于连接部的内侧，其横截面呈T字型，插入安装轴筒22的导向槽内部，并与导向槽的内壁配合，使异形滑块20能够沿安装轴筒22上下移动。

第二连杆12的一端与设置在第三电机箱15顶部的铰支座13转动连接，第二连杆12的另一端连接导向机构。所述导向机构包括第一滑块19、第一丝杠17和设于第一丝杠17两侧的导杆16，第一滑块19穿过第一丝杠17和导杆16，且与第一丝杠17螺纹连接。所述第一丝杠17连接第二电机9，第二电机9安装于第二电机箱10内，第二电机9驱动第一丝杠17旋转，使第一滑块19沿导杆16上下移动，第一滑块19带动第二连杆12横向移动，使第二连杆12与第一连杆11的夹角改变，从而实现热喷涂喷头24横向距离的调节。

本实施例中，由于第二电机9、第三电机14仅用于热喷涂横向以及纵向距离的调节，精度要求不太，不需要承受很大的转矩，工作时转速不高，因此选用价格较低的步进电机，以减少成本。

所述旋转机构包括第一电机3，第一电机3安装在第一电机箱2内部，第一电机箱2顶部安装连接座1，所述连接座1与第一连杆1铰接，所述第一电机3与滚压工具相连，驱动滚压工具旋转，使加工过程中滚珠8可以与板材多次接触，提高了滚压加工的效率。

考虑到异步电机的启动转矩不大，在实际工作过程中容易出现短时过载而烧毁，可靠性不高；步进电机在实际使用时如果操控不当会产生振动，无法获得较高的转速以及较大的转矩；而伺服电机加减速较快，抗过载能力较强，且控制精度较高。因此，第一电机3选用伺服电机。

所述滚压工具包括上保护壳5、下保护壳6、多个滚压头25，配置多个滚压头25极大地提高了滚压加工的效率。上保护壳5顶部安装第一盖板4，第一盖板4中心位置开孔，并安装集流环。下保护壳6套设于上保护壳5内部，上保护壳5与下保护壳6使用螺栓连接成一个整体，上保护壳5与下保护壳6可以减少变幅杆26外伸部分在工作过程中受到热喷涂喷头24喷出的材料粉末的污染。

所述下保护壳6的外侧固定有固定套18，固定套18与连接座1之间安装导向机构。在本实例中，上保护壳5和下保护壳6为内部中空的圆柱形结构，且上保护壳5的内壁设有水冷循环管道，能够降低加工过程中换能器的温度，延长使用寿命。如图5所示，水冷循环管道为螺旋状结构，嵌套于上保护壳5内壁开设的槽中，且上保护壳5的一侧开设出口，水冷循环管道从出口引出与热喷涂喷头24内的水冷循环管道连通，可降低加工过程中换能器29的温度。

如图2所示，滚压头25设于下保护壳6内部，且滚压头25顶部安装超声装置，可提高滚压加工后喷涂层的表面质量。所述超声装置包括变幅杆26和换能器29。每个滚压头25均连接一个变幅杆26，变幅杆26的顶端连接换能器29，且安装换能器29的一端通过法兰27设于壳体28内部，壳体28顶部安装第二盖板30。第二盖板30上开设有圆孔，连接换能器29及集流环的导线从圆孔中通过，使超声波信号由超声波发生器经由集流环传递到换能器29，多个换能器29输入同一超声信号。在本实施例中，有三个滚压头25，可以理解的，在其他实施例中，滚压头25的安装数目可以根据实际加工要求选择。

所述滚压头25的另一端安装滚珠8，以滚珠8所在端为加工端。如图3所示，滚珠8通过滚珠压帽7安装于滚压头25的端部，滚珠8与滚压头25之间存在缝隙，滚珠8的设置将滚压工具头和板材之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使滚压头25受力更小，还可以使得滚压加工后的涂层更加完整。滚压头25与滚珠8的接触部位加工有微观尺度的凹坑，凹坑内镶嵌有固体润滑剂，可以为滚珠8提供润滑，减少滚珠8的磨损，延长使用寿命。

所述下保护壳6下侧安装测力装置40，用于对滚压力的实时监控。所述测力装置40包括外壳38、应变片、电路板和电池37，外壳38顶部安装第三盖板33，底部安装第四盖板35，滚压头25端部穿过第四盖板35，并通过螺母36固定；滚压头25位于外壳38内部的部分套设有支撑套筒39,支撑套筒39一端与第三盖板33接触，另一端与第四盖板35接触，增加滚压头25的稳定性。

电路板为PCB线路板34，PCB线路板34上集成有应变片信号采集电路模块以及信号传输电路模块，应变片贴在滚压头25上，应变片的信号变化由PCB线路板34上的信号采集电路放大并转化为数字信号，而后传输到信号传输电路模块，信号传输电路模块将信号以无线的形式送到PC机终端。所述电池37采用锂电池为电路供电。

为了降低在使用过程中滚压工具的振动，需要对测力装置40进行动平衡，将PCB线路板34与电池37对称安装于外壳38的两侧，在电池37的安装位置加工出方形孔，并在PCB线路板34的安装位置上增加相应的配重块。

使用本实施例热喷涂用原位超声滚压一体化装置加工板材的方法为：

1)将所述一体化装置安装在机械臂上；

2)对待加工板材进行喷砂处理，之后将板材装夹在机床上；

3)通过控制第三电机14和第二电机9的转动调节喷涂距离及横向距离，并调节机械臂的初始位置；

4)热喷涂系统开机，等待电弧稳定后送粉；

5)送粉稳定后，启动驱动电机，并接入超声信号，开始加工；

6)加工完成后取下板材，设备关机。

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

Claims (10)

1.一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，包括：

热喷涂喷头，其通过纵向调节装置与横向调节装置相连；

滚压工具，安装于旋转机构下方，所述旋转机构连接于横向调节装置一侧，使滚压工具与热喷涂喷头之间的距离可调；

其中，所述滚压工具包括多个均匀安装的滚压头，滚压头与待加工板材之间形成滚动摩擦；所述滚压头在远离加工端与超声装置连接；所述滚压头的端部安装滚珠，所述滚珠的安装位置设有用于储存润滑脂的凹坑。

2.根据权利要求1所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述超声装置包括变幅杆和换能器，所述变幅杆一端与滚压头可拆卸连接，另一端与换能器相连，且多个换能器输入同一超声信号。

3.根据权利要求2所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述滚压头顶部安装上保护壳，所述上保护壳顶端连接第一盖板，第一盖板的中心位置安装集流环，超声信号通过导线传递至集流环，之后再传递至换能器。

4.根据权利要求3所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述上保护壳的内壁设有水冷循环管道。

5.根据权利要求1所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述滚压工具下端安装测力装置，所述测力装置包括应变片、电路板和电池，所述应变片连接电路板，且电路板与电池对称安装，所述电路板的安装位置设有配重块。

6.根据权利要求1所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述横向调节装置包括驱动电机、导向机构和连杆机构，所述驱动电机通过导向机构与连杆机构相连驱动连杆机构拉伸或缩短；

所述连杆机构一端与纵向调节装置滑动连接。

7.根据权利要求6所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述导向机构包括纵向设置的第一丝杠、与第一丝杠平行设置的导杆、与第一丝杠螺纹连接的第一滑块，所述第一滑块与连杆机构相连。

8.根据权利要求7所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述纵向调节装置包括由第二丝杠和第二滑块组成的丝杠副，所述第二滑块与热喷涂喷头可拆卸连接，所述第二丝杠连接驱动电机。

9.根据权利要求1所述的一种热喷涂用原位超声滚压一体化装置，其特征在于，所述热喷涂喷头连接多根塑胶管，为喷涂提供能量支持及粉末供应。

10.根据权利要求1-9任一所述的热喷涂用原位超声滚压一体化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述一体化装置安装在机械臂上；

2)对待加工板材进行喷砂处理，之后将板材装夹在机床上；

3)调节喷涂距离及横向距离，并调节机械臂的初始位置；

4)热喷涂系统开机，等待电弧稳定后送粉；

5)送粉稳定后，启动驱动电机，并接入超声信号，开始加工；

6)加工完成后取下板材，设备关机。

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