CN110869163A

CN110869163A - 超声辊抛光系统和方法以及用于机加工部件的方法

Info

Publication number: CN110869163A
Application number: CN201780089436.4A
Authority: CN
Inventors: 高清; 武颖娜; 托马斯·爱德华·维克特; 鲍莹斌
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2020-03-06
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP2020517469A; US20200048725A1; US11136635B2; EP3638449A1; WO2018191931A1; EP3638449A4; CN110869163B; JP6972169B2; EP3638449B1

Abstract

一种超声辊抛光系统包括辊和控制器。该辊被配置成抵靠工件的表面被按压至按压深度，以进给速率在表面上滚压，并且在背压下以超声频率振动。该辊由驱动马达所驱动的运动单元按压并滚压。辊的振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动。控制器被配置成基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者，以在工件中产生残余压缩应力，该残余压缩应力在基于预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。

Description

超声辊抛光系统和方法以及用于机加工部件的方法

背景技术

本公开的实施方案整体涉及超声辊抛光系统和方法，并且更具体地涉及用于机加工部件的方法。

残余压缩应力是指在移除初始应力原因之后保留在固体材料中的压缩应力。残余压缩应力可有效地延长部件的疲劳寿命，缓解腐蚀疲劳并减少应力腐蚀开裂。

在常规方法中，可通过超声辊抛光方法将残余压缩应力引入部件中。在一些情况下，对于部件的不同区域分别需要具有不同值的残余压缩应力。然而，常规的超声辊抛光方法不能控制引入的残余压缩应力的值，因此无法很好地满足部件的性能要求。

因此，期望提供用于机加工部件以解决上述问题的新型超声辊抛光系统和方法以及新型方法。

发明内容

在一个方面，超声辊抛光系统包括辊和控制器。该辊被配置成抵靠工件的表面被按压至按压深度，以进给速率在表面上滚压，并且在背压下以超声频率振动，其中辊由驱动马达所驱动的运动单元按压并滚压，并且辊的振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动。控制器被配置成基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者，以在工件中产生残余压缩应力，该残余压缩应力在基于预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。

在另一方面，超声辊抛光方法包括：将辊抵靠工件的表面按压至按压深度；以及由驱动马达所驱动的运动单元驱动辊以进给速率在表面上滚压；在背压下以超声频率振动辊，其中辊的振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动；以及基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者，以在工件中产生残余压缩应力，该残余压缩应力在基于预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。

在另一方面，用于机加工部件的方法包括确定部件的残余压缩应力的预期分布，其中预期分布包括部件上的至少一个预期区域的位置信息和对应于预期区域的预期残余压缩应力。该方法还包括用包括辊的超声辊抛光装置机加工预期区域，以在预期区域中产生残余压缩应力，该残余压缩应力在基于对应的预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。该机加工步骤包括将辊抵靠预期区域的表面按压至按压深度，以及由驱动马达所驱动的运动单元驱动辊以进给速率在表面上滚压；在背压下以超声频率振动辊，其中辊的振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动；以及基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中类似的符号在整个附图中表示类似的零件，其中：

图1为根据本公开的示例性实施方案的超声辊抛光系统的草图，其中超声辊抛光系统包括控制器；

图2为根据本公开的示例性实施方案的图1中的控制器的草图；

图3为示出根据本公开的示例性实施方案的超声辊抛光方法的流程图；

图4为示出根据本公开的另一个示例性实施方案的超声辊抛光方法的流程图；

图5是示出根据本公开的示例性实施方案的用于机加工部件的方法的流程图；并且

图6是示出根据本公开的示例性实施方案的部件的残余压缩应力分布的草图。

具体实施方式

为了提供这些实施方案的简明描述，未在一个或多个具体的实施方案中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守系统相关和业务相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。

除非另有定义，否则本文所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。如本文所用，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等不表示任何顺序，数量或重要性，而是用来将一个元件与另一个元件区分开。此外，术语“一个”和“一种”并不表示数量的限制，而是表示所引用项目中的至少一者的存在。术语“或”旨在为包含性的，并且是指任何、若干个或所有列出的项目。本文所用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。

本公开的实施方案涉及一种可广泛应用于零件制造和机加工的超声辊抛光系统。该系统可在部件的表面层中引入残余压缩应力并且控制残余压缩应力的值或垂直分布，以便优化部件的性能。

图1示出了根据本公开的示例性实施方案的超声辊抛光系统10的草图。参见图1，超声辊抛光系统10包括被配置成机加工工件40的超声辊抛光装置20，以及被配置成控制超声辊抛光装置20来机加工工件40的控制器30。

超声辊抛光装置20包括运动单元、壳体29、背压装置23、超声振动单元22和辊26。运动单元包括驱动马达28和多个运动部件211、212、213，该多个运动部件被配置成驱动壳体29相对于工件40移动。超声振动单元22包括超声发生器221、超声换能器222和超声变幅杆223。背压装置23、超声换能器222、超声变幅杆223被接纳在壳体29中。辊26可旋转地联接到超声变幅杆223并且被部分地接纳在壳体29中。辊26可围绕其自身的轴线或中心旋转，并且可呈球体或圆柱体的形状，但不限于这些形状。

超声振动单元22被配置成接收输入电流I并驱动辊26以超声频率振动。超声发生器221被配置成接收输入电流I并且以超声频率输出振荡电流。下文提及的超声频率是指高于20千赫的频率，例如在约20千赫至约30千赫的范围内。超声换能器222与超声发生器221联接并且被配置成以超声频率将振荡电流转换成机械振动。超声换能器222可包括磁致伸缩换能器、压电陶瓷换能器或它们的组合。超声变幅杆223与超声换能器222联接并且被配置成放大机械振动的振幅。辊26与超声变幅杆223联接，使得超声变幅杆223被配置成直接驱动辊26以超声频率振动。辊具有对应于输入电流I的值的振动强度。在一些实施方案中，辊具有小于100微米，例如在约10微米至约50微米，或约10微米至约12微米的范围内的振动振幅。在一些实施方案中，辊在垂直于工件40的表面的方向上振动。

背压装置23被配置成在辊26上施加背压BP，并且因此辊将该压力传递到工件40。背压BP也被配置成增加对辊26的振动的阻力，从而提高振动的稳定性。背压装置23可包括气动装置、液压装置、弹簧或它们的组合。在一些实施方案中，背压装置23包括气动装置，该气动装置通过在其中压缩气体来产生背压。背压装置23还可包括比例阀以用于调节气体的压力，并因此调节施加在辊26上的背压的值。

由驱动马达驱动的运动单元被配置成相对于工件40移动壳体29以及辊26。例如，运动单元被配置成在垂直于工件表面的方向上移动辊26。因此，运动单元被配置成将辊26按压至工件的表面上至按压深度D，其中按压深度D可根据来自控制器30的命令或指令进行调节。运动单元还被配置成驱动辊26以进给速率在工件40的表面上滚压。因此，辊26可在其以进给速率在表面上滚压的同时抵靠工件的表面被按压。

当超声辊抛光装置工作时，辊压靠在表面上，同时在表面上滚压并振动，以便抛光工件的表面并在工件中引入残余压缩应力。驱动马达的输出功率可指示引入的残余压缩应力，并且驱动马达的输出功率取决于按压深度D、背压BP、输入电流I和进给速率f。因此，驱动马达的输出功率以及残余压缩应力可通过调节按压深度D、背压BP、输入电流I和进给速率f中的至少一者来控制。

控制器30被配置成基于驱动马达28的预期残余压缩应力S_e和实时输出功率P_r来调节按压深度D、背压、输入电流I和进给速率f中的至少一者，以在工件中产生残余压缩应力。所产生的残余压缩应力在基于预期残余压缩应力S_e而预先确定的预期范围内。在一些实施方案中，期望的残余压缩应力是指某个深度处的残余压缩应力的值，或某个深度范围内的残余压缩应力的平均值。预期范围是指残余压缩应力的值或平均值周围的值范围。具体地讲，控制器30被配置成基于预期残余压缩应力S_e和实时输出功率P_r来计算预期按压深度D_e、预期背压BP_e、预期输入电流I_e和预期进给速率f_e中的至少一者。然后，按压深度D、背压、输入电流I和进给速率f中的至少一者根据预期按压深度D_e、预期背压BP_e、预期输入电流I_e和预期进给速率f_e中的至少一者来调节。

在一些实施方案中，控制器30被配置成基于预期残余压缩应力S_e和实时输出功率P_r来计算预期按压深度D_e、预期背压BP_e、预期输入电流I_e和预期进给速率f_e。然后，按压深度D、背压、输入电流I和进给速率f根据预期按压深度D_e、预期背压BP_e、预期输入电流I_e和预期进给速率f_e来调节。

参见图2，控制器30包括第一控制器31和第二控制器32。第一计算器31被配置成基于预期残余压缩应力S_e来计算预期输出功率P_e。第二计算器32被配置成基于预期输出功率P_e和实时输出功率P_r来计算预期按压深度D_e、预期背压BP_e、预期输入电流I_e和预期进给速率f_e中的至少一者。

本公开的实施方案还涉及用于机加工工件的超声辊抛光方法。该方法可通过实时监测驱动马达的输出功率来有效地控制工件中引入的残余压缩应力的值或状态。

图3是示出根据本公开的示例性实施方案的用超声辊抛光装置机加工工件的超声辊抛光方法50的流程图，其中超声辊抛光装置包括辊和运动单元。参见图3，方法50包括步骤51至55。虽然方法50的动作被示出为功能块，但图3中所示的块的顺序和各个块之中的动作的分离并非旨在进行限制。例如，块可以按不同的顺序执行，并且与一个块相关联的动作可以与一个或多个其他块组合，或者可以被细分为多个块。

在步骤51中，根据实际需要确定工件的预期残余压缩应力。预期的残余压缩应力是指期望被引入的残余压缩应力的预期状态，其可包括某个深度处的残余压缩应力的值，某个深度范围内的残余压缩应力的分布，某个深度范围内的残余压缩应力的平均值，或它们的组合。

在步骤52中，运动单元将超声辊抛光装置的辊抵靠工件的表面按压至按压深度，并驱动辊以进给速率在表面上滚压。运动单元由驱动马达驱动。在一些实施方案中，运动单元驱动辊沿着预设路径在表面上滚压。

在步骤53中，辊在背压下以超声频率振动，其中辊的振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动。可通过改变输入电流的频率或振幅来调节振动的振幅或强度。在一些实施方案中，辊的振动在垂直于表面的方向上进行。施加在辊上的背压由背压装置产生。

在步骤54中，检测驱动马达的实时输出功率。驱动马达的输出功率可指示引入的残余压缩应力，因此残余压缩应力可通过控制驱动马达的输出功率来控制。在驱动的输出功率和所产生的残余压缩应力之间存在关系，其中该关系可由一个或多个数学模型表示。

在步骤55中，基于在步骤51中确定的预期残余压缩应力和在步骤54中检测到的驱动马达的实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者，以便在工件中产生在基于预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内的残余压缩应力。

在一些实施方案中，该方法还包括基于预期残余压缩应力来计算预期输出功率。该调节包括基于预期输出功率和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者。具体地讲，当预期输出功率高于实时输出功率时，该调节包括增加按压深度、背压和输入电流中的至少一者，以及/或者减小进给速率。当预期输出功率低于实时输出功率时，该调节包括减小按压深度、背压和输入电流中的至少一者，以及/或者增加进给速率。

在一些实施方案中，步骤55还包括基于预期残余压缩应力和实时输出功率来计算预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者，然后根据预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者。

在一些实施方案中，对预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者的计算包括基于预期残余压缩应力来计算预期输出功率；以及基于预期输出功率和实时输出功率来计算预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者。

在一些实施方案中，基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的全部。因此，步骤55包括计算预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率，然后根据预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率。值得提及的是，可基于预期残余压缩应力和实时输出功率来获得多组预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率。可根据实际需要选择它们的最佳组作为调整基础。

在一些实施方案中，为了改善响应速度，仅选择四个参数(即，按压深度、背压、输入电流和进给速率)的一部分进行调节。

图4为示出根据本公开的另一个示例性实施方案的超声辊抛光方法60的流程图。

步骤61-64分别类似于图3中所示的方法50的步骤51-54，此处将不再重复该步骤。

在步骤65中，检测到实时按压深度、实时背压、实时输入电流和实时进给速率中的至少一者。所检测到的实时参数将用作其他参数以及预期残余压缩应力和实时输出功率的调节基础。

在步骤66中，基于在步骤65中获得的预期残余压缩应力、实时输出功率和实时参数来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者。

例如，在步骤65中检测到实时输入电流。然后，在步骤66中，基于预期残余压缩应力、实时输出功率和实时输入电流来调节按压深度、背压和进给速率。具体地讲，基于预期残余压缩应力、实时输出功率和实时输入电流来计算预期按压深度、预期背压和预期进给速率，然后根据预期按压深度、预期背压和预期进给速率来调节按压深度、背压和进给速率。

本公开的实施方案还涉及用于机加工部件的方法，该方法可广泛应用于涡轮叶片或飞机叶片的制造中。该方法包括确定部件的残余压缩应力的预期分布，其中预期分布包括部件上的至少一个预期区域的位置信息和对应于预期区域的预期残余压缩应力。该方法还包括用包括辊的超声辊抛光装置处理预期区域，以在预期区域中产生残余压缩应力，该残余压缩应力在基于对应的预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内，使得可在该部件中引入残余压缩应力的期望分布。

图5是示出根据本公开的示例性实施方案的用于机加工部件的方法70的流程图。参见图5，方法70包括步骤71至73。

在步骤71中，确定部件的残余压缩应力的预期分布。如图6所示，预期分布包括部件上的第一预期区域81的位置信息、对应于第一预期区域81的第一预期残余压缩应力S₁、部件上的第二预期区域82的位置信息和对应于第二预期区域82的第二预期残余压缩应力S₂。

在步骤72中，机加工第一预期区域81以在第一预期区域中产生第一残余压缩应力，该第一残余压缩应力在基于第一预期残余压缩应力S₁而预先确定的第一预期范围内。

在步骤73中，机加工第二预期区域82以在第二预期区域中产生第二残余压缩应力，该第二残余压缩应力在基于第二预期残余压缩应力S₂而预先确定的第二预期范围内。

步骤72或73包括将辊抵靠预期区域的表面按压至按压深度；由驱动马达所驱动的运动单元驱动辊以进给速率在表面上滚压；在背压下以超声频率振动辊，其中辊的振动由输入电流驱动；以及基于驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节按压深度、背压、输入电流和进给速率中的至少一者。

如本领域的技术人员将会理解的，本公开可以以其他具体形式体现，而不依赖于其实质或基本特性。因此，本文的公开内容和描述旨在举例说明，但不限于以下权利要求书中所阐述的本公开的范围。

Claims

1.一种超声辊抛光系统，包括：

辊，所述辊被配置成抵靠工件的表面被按压至按压深度，以进给速率在所述表面上滚压，并且在背压下以超声频率振动，其中所述辊由驱动马达所驱动的运动单元按压并滚压，并且所述辊的所述振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动；

控制器，所述控制器被配置成基于所述驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者，以在所述工件中产生残余压缩应力，所述残余压缩应力在基于所述预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述预期残余压缩应力和所述实时输出功率来计算预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者，并且根据所述预期按压深度、所述预期背压、所述预期输入电流和所述预期进给速率中的至少一者来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器包括：

第一计算器，所述第一计算器被配置成基于所述预期残余压缩应力来计算预期输出功率；和

第二计算器，所述第二计算器被配置成基于所述预期输出功率和所述实时输出功率来计算所述预期按压深度、所述预期背压、所述预期输入电流和所述预期进给速率中的至少一者。

4.一种超声辊抛光方法，包括：

将辊抵靠工件的表面按压至按压深度，并且由驱动马达所驱动的运动单元驱动所述辊以进给速率在所述表面上滚压；

在背压下以超声频率振动所述辊，其中所述辊的所述振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动；以及

基于所述驱动马达的预期残余压缩应力和实时输出功率来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者，以在所述工件中产生残余压缩应力，所述残余压缩应力在基于所述预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述调节包括：

基于所述预期残余压缩应力和所述实时输出功率来计算预期按压深度、预期背压、预期输入电流和预期进给速率中的至少一者；以及

根据所述预期按压深度、所述预期背压、所述预期输入电流和所述预期进给速率中的至少一者来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述计算包括：

基于所述预期残余压缩应力来计算预期输出功率；以及

基于所述预期输出功率和所述实时输出功率来计算所述预期按压深度、所述预期背压、所述预期输入电流和所述预期进给速率中的至少一者。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述调节包括：基于所述预期残余压缩应力、所述实时输出功率，以及实时按压深度、实时背压、实时输入电流和实时进给速率中的至少一者来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述调节包括：

基于所述预期残余压缩应力，所述实时输出功率和所述实时输入电流来计算预期按压深度、预期背压和预期进给速率；以及

根据所述预期按压深度、所述预期背压和所述预期进给速率来调节所述按压深度、所述背压和所述进给速率。

9.一种用于机加工部件的方法，包括：

确定所述部件的残余压缩应力的预期分布，所述预期分布包括所述部件上的至少一个预期区域的位置信息和对应于所述预期区域的预期残余压缩应力；以及

用包括辊的超声辊抛光装置机加工所述预期区域，以在所述预期区域中产生残余压缩应力，所述残余压缩应力在基于所述对应的预期残余压缩应力而预先确定的预期范围内，其包括：

将所述辊抵靠所述预期区域的表面按压至按压深度，并且由驱动马达所驱动的运动单元驱动所述辊以进给速率在所述表面上滚压，

在背压下以超声频率振动所述辊，其中所述辊的所述振动由具有输入到其中的输入电流的超声振动单元驱动，以及

基于所述驱动马达的所述预期残余压缩应力和实时输出功率来调节所述按压深度、所述背压、所述输入电流和所述进给速率中的至少一者。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预期分布包括第一预期区域的位置信息和对应于所述第一预期区域的第一预期残余压缩应力，以及第二预期区域的位置信息和对应于所述第二预期区域的第二预期残余压缩应力；并且所述残余压缩应力的产生包括：

机加工所述部件的所述第一预期区域以在所述第一预期区域中产生第一残余压缩应力，所述第一残余压缩应力在基于所述第一预期残余压缩应力而预先确定的第一预期范围内；以及

机加工所述部件的所述第二预期区域以在所述第二预期区域中产生第二残余压缩应力，所述第二残余压缩应力在基于所述第二预期残余压缩应力而预先确定的第二预期范围内。