CN112063832A - 一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法，涉及高精度超声冲击加工领域，该系统包括龙门架，所述龙门架上固定安装有位移调节装置，所述位移调节装置包括粗动位移装置，所述粗动位移装置上方连接有微动位移装置，所述微动位移装置上固定安装有超声冲击枪；所述龙门架底部安装有水平位移台，所述水平位移台上安装有力检测装置，所述力检测装置上固定设置有工件夹具，所述工件夹具用于安装工件，所述工件夹具位于所述超声冲击枪下方。以本发明上述系统为基础的对刀方法，使超声冲击加工微织构过程中对刀简单、对刀精度高。

Description

一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法

技术领域

本发明涉及高精度超声冲击加工技术领域，特别是涉及一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法。

背景技术

超声冲击加工是一种广泛应用的冷表面处理技术，普遍应用于提高焊接金属零件的疲劳寿命，降低残余应力。利用高能冲击头对工件表面的高频冲击作用，可以消除工件表面表层有害的残余拉应力，引入残余压应力，从而提高了工件的机械性能和力学性能。此外，通过提高冲击振幅可以在加工表面产生永久性塑性变形，同时配合精密运动台对加工路径进行控制，可以实现高精度功能表面微织构的加工。在超声冲击加工材料表面微织构的过程中，控制超声冲击加工微织构的深度精度尤为重要，而要想获得高精度的微织构深度，前提便是要做到精准对刀。这里“对刀”是指确定冲击球14与加工工件表面的位置。

与传统加工方式加工过程中，加工装置(刀具)本身不发生运动或者只发生旋转运动不同，超声冲击加工过程中，冲击球14会在竖直方向产生超高频的振动，因此传统对刀方法难以适用超声冲击加工。目前一种可行的静态对刀方法，即在关闭超声冲击枪的前提下，通过移动超声冲击枪来确定冲击头与工件的位置，但是这种方式无法确定冲击枪关闭状态下，超声变幅杆15处于振动周期中的位置，并且受到重力的影响，冲击球14与超声变幅杆15间会产生间隙，严重影响对刀的精度，如图1和2所示，图1为超声变幅杆处于在最高处时的状态示意图，图2为超声变幅杆处于在最低处时的状态示意图。因此，需要一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，通过传感器实时监测冲击过程中冲击球与超声变幅杆的位置，反馈给超声冲击枪的竖直驱动装置，来实现精准对刀。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法，以解决上述现有技术存在的问题，使超声冲击加工微织构过程中对刀简单、对刀精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，包括龙门架，所述龙门架上固定安装有位移调节装置，所述位移调节装置包括粗动位移装置，所述粗动位移装置上方连接有微动位移装置，所述微动位移装置上固定安装有超声冲击枪；所述龙门架底部安装有水平位移台，所述水平位移台上安装有力检测装置，所述力检测装置上固定设置有工件夹具，所述工件夹具用于安装工件，所述工件夹具位于所述超声冲击枪下方。

可选的，所述位移调节装置包括与所述龙门架固定连接的导轨固定板，所述导轨固定板一侧设置有竖直的导轨，所述粗动位移装置包括粗动滑块，所述微动位移装置包括微动滑块；所述粗动滑块一端和所述微动滑块一端均滑动设置于所述导轨上；所述粗动滑块连接有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆末端连接有驱动电机；所述微动滑块上固定安装有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器底部与所述粗动滑块顶部抵接。

可选的，所述压电陶瓷驱动器通过沉头螺钉固定于所述微动滑块下方的横板上。

可选的，所述力检测装置包括力传感器、信号放大器和信号采集器，所述力传感器选用压电石英力传感器，固有频率大于100kHz；所述信号采集器采用频率为100kHz。

本发明还提供一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统的对刀方法，包括如下步骤：

步骤一；启动超声冲击枪，固定加工工件，启动力检测装置；驱动粗动位移装置带动超声冲击枪向下移动；

步骤二；判断力检测装置信号，若力检测装置没有检测到力变化信号，则重复步骤一，若检测到力变化信号则进行下一步骤；

步骤三；停止粗动位移装置，启动微动位移装置；并判断动态冲击力的峰值是否满足预定范围，若不满足，则根据冲击力判断结果调节微动位移装置，若满足，则进行下一步骤；

步骤四；微动位移装置带动超声冲击枪持续向上运动，并判断动态冲击力是否持续为0，若不是，则微动位移装置带动超声冲击枪继续向上运动，若是，则微动位移装置停止，完成对刀。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明结构简单，对刀简单快捷，精度高，力检测装置检测精度高，效果好。

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为现有技术中超声变幅杆处于在最高处时的状态示意图；

图2为现有技术中超声变幅杆处于在最低处时的状态示意图；

图3为本发明用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统结构示意图；

图4a为本发明位移调节装置示意图；

图4b为本发明微动滑块和粗动滑块连接示意图；

图4c为本发明位移调节装置与龙门架连接示意图；

图5为本发明单次冲击周期内冲击球位移与冲击力的关系；

其中，1为超声冲击枪、2为工件夹具、3为力检测装置、4为水平位移台、5为粗动位移装置、6为微动位移装置、7为龙门架、8为冲击枪夹具、9为压电陶瓷驱动器、10为导轨、11为导轨固定板、12为粗动滑块、13为微动滑块、14为冲击球、15为超声变幅杆。

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做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。

本发明的目的是提供一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统及对刀方法，以解决上述现有技术存在的问题，使超声冲击加工微织构过程中对刀简单、对刀精度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，如图3所示，包括超声冲击枪1、工件夹具2、力检测装置3、水平位移台4、粗动位移装置5、微动位移装置6、龙门架7。其中，超声冲击枪1通过夹具与微动位移装置6连接，微动位移装置6安装在粗动位移装置5上，从而实现粗、微复合运动；工件安装在工件夹具2上，工件夹具2固定在力检测装置3上，从而实现冲击力的检测；力检测装置3包括力传感器、信号放大器、信号采集器等，由于超声冲击加工过程中冲击头的振动频率可达25kHz，力传感器选用压电石英力传感器，要求固有频率超过100kHz；为对振动过程进行追踪，信号采集器采用频率要求达100kHz。

其中，粗-微复合运动位移装置的安装方式如图4a所示，超声冲击枪1通过冲击枪夹具8固定到微动滑块13上，同时将压电陶瓷驱动器9通过沉头螺钉固定到微动滑块13的横板上，如图4b所示，并在重力的作用下，压电陶瓷驱动器9下部紧紧抵在粗动滑块12上，粗动滑块12与滚珠丝杆连接，导轨固定板11通过螺丝与龙门架7连接固定，粗动滑块12和微动滑块13均滑动设置于导轨10上，如图4c所示。在对刀过程中，电机驱动滚珠丝杆的方式驱动粗动滑块12，从而带动超声冲击枪实现粗动，之后电机停止，通过压电陶瓷驱动器9带动超声冲击枪1实现微动。

本发明超声冲击加工动态对刀方法包括：首先将工件固定在工件夹具2上，并打开力检测装置3，打开超声冲击枪1使冲击球产生超高频振动，通过粗动位移装置5带动超声冲击枪1向下移动，当力检测装置3检测到力变化信号后反馈给控制器，自动停止粗动位移装置5，并启动微动位移装置6，继续带动超声冲击枪1运动，并根据力检测信号结果对其进行反馈调节，直到动态冲击力的最大值与最小值满足理论计算获得接触力的范围，然后微动位移装置6带动超声冲击枪1向上运动，直到动态冲击力持续为零，即为超声冲击加工的零点。

其中，单次冲击过程中的冲击力与冲击球位移的关系可以简化为：

其中E为加工工件的材料杨氏模量，v为泊松比，R为冲击球的半径，α为冲击球的位移。根据理论计算可以得到单次冲击周期内冲击球位移与冲击力的关系如图5所示，若处于超声冲击的零点，则当超声变幅杆处于最顶端时，冲击力为0，超声冲击杆处于最低端时，冲击力为最大值，随着超声冲击杆带动冲击球上下运动，冲击力也随着在最大冲击力与最小冲击力间波动。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，其特征在于：包括龙门架，所述龙门架上固定安装有位移调节装置，所述位移调节装置包括粗动位移装置，所述粗动位移装置上方连接有微动位移装置，所述微动位移装置上固定安装有超声冲击枪；所述龙门架底部安装有水平位移台，所述水平位移台上安装有力检测装置，所述力检测装置上固定设置有工件夹具，所述工件夹具用于安装工件，所述工件夹具位于所述超声冲击枪下方。

2.根据权利要求1所述的用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，其特征在于：所述位移调节装置包括与所述龙门架固定连接的导轨固定板，所述导轨固定板一侧设置有竖直的导轨，所述粗动位移装置包括粗动滑块，所述微动位移装置包括微动滑块；所述粗动滑块一端和所述微动滑块一端均滑动设置于所述导轨上；所述粗动滑块连接有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆末端连接有驱动电机；所述微动滑块上固定安装有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器底部与所述粗动滑块顶部抵接。

3.根据权利要求2所述的用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器通过沉头螺钉固定于所述微动滑块下方的横板上。

4.根据权利要求1所述的用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统，其特征在于：所述力检测装置包括力传感器、信号放大器和信号采集器，所述力传感器选用压电石英力传感器，固有频率大于100kHz；所述信号采集器采用频率为100kHz。

5.一种用于超声冲击加工的高精度动态对刀系统的对刀方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一；启动超声冲击枪，固定加工工件，启动力检测装置；驱动粗动位移装置带动超声冲击枪向下移动；

步骤二；判断力检测装置信号，若力检测装置没有检测到力变化信号，则重复步骤一，若检测到力变化信号则进行下一步骤；

步骤三；停止粗动位移装置，启动微动位移装置；并判断动态冲击力的峰值是否满足预定范围，若不满足，则根据冲击力判断结果调节微动位移装置，若满足，则进行下一步骤；

步骤四；微动位移装置带动超声冲击枪持续向上运动，并判断动态冲击力是否持续为0，若不是，则微动位移装置带动超声冲击枪继续向上运动，若是，则微动位移装置停止，完成对刀。

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