CN113265526A - 一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床及强化方法 - Google Patents

一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床及强化方法 Download PDF

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周天丰
沈文华
周磊
杜宇超
马悦
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Abstract

本发明提供一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床及强化方法，该数控机床主要包括：机床主体；扭应力场辅助发生装置，主要包括左右伺服电机座、左右伺服电机、左右联轴器、转矩检测仪和光电编码器，伺服电机座与机床主轴相连，可以与机床主轴同步转动，伺服电机通过联轴器与扭力轴相连；滚压装置。扭力轴扭应力场辅助滚压强化方法，首先将扭力轴两端与联轴器相连并打开检测装置，接着利用左右伺服电机对扭力轴施加扭转应力，最后在扭应力场作用下，对扭力轴进行滚压强化。该数控机床结构简单，操作方便，且扭应力辅助滚压强化方法可以显著提高扭力轴弹性极限、表层残余压应力和硬化层深度，对于提高扭力轴的使用寿命具有很高的实用价值。

Description

一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床及强化方法
技术领域
本发明涉及一种扭力轴滚压强化的数控机床，具体涉及一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控滚压机床及强化方法。
背景技术
扭力轴作为特种车辆的核心部件，通过产生扭转变形吸收能量，达到缓冲和减震的作用，然而大应力、大应变和循环冲击载荷的作用，易造成扭力轴扭转疲劳断裂。因此，提高扭力轴工作性能及疲劳寿命是提高车辆整体性能的关键因素。
滚压强化作为表面强化的主要方法之一，可以改善工件表层性能，促使表面微裂纹闭合，减少表面粗糙度，强化工件表层组织，形成残余压应力层和硬化层，一定程度上可以提高扭力轴的性能。然而随着科学技术发展，对扭力轴的抗疲劳性能提出了更高的要求，传统的滚压方法已经不能满足扭力轴复杂环境下的抗疲劳性能的要求。
与传统静态扭力轴滚压强化相比，扭力轴在扭转应力作用下滚压强化可以显著提高扭力轴弹性极限、表层残余压应力和硬化层深度，进而大幅度提高扭力轴的抗疲劳性能，但是目前对于扭应力下的滚压强化装置及方法还没有提及和应用，无法实现扭力轴扭应力场下滚压强化。
发明内容
本发明的目的就是致力于解决上面的问题，提出了一种用于扭力轴扭应力场辅助滚压的数控机床及强化方法，利用一对伺服电机对扭力轴施加与工作扭转方向一致的扭矩，并在保持扭应力场不变的情况下，对扭力轴进行滚压强化，可以实现提高扭力轴弹性极限、表层残余压应力和硬化层深度的目的，进而显著提高扭力轴的抗疲劳性能。
实现本发明的技术方案如下：
一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床，其特征在于，包括机床主体、扭应力场辅助发生装置和滚压装置。
进一步地，所述的扭应力场辅助发生装置主要包括左侧伺服电机座、左侧伺服电机、左侧联轴器、右侧联轴器、右侧伺服电机、右侧伺服电机座、转矩检测仪、光电编码器，伺服电机座与机床主轴相连，可以与机床主轴同步转动，伺服电机安装在伺服电机座内，并通过联轴器与扭力轴相连。
进一步地，所述的转矩检测仪安装在扭力轴左侧，测量范围为0-100000N·m，精度要求为0.003N·m，采用相位差原理对扭力轴扭矩进行检测。
进一步地，所述的光电编码器安装在扭力轴右侧，可以精确检测扭应力场下扭力轴变形角度，且光电编码器选择角度测量精度为0.01°，每转36000个脉冲。
进一步地，所述的滚压装置主要包括拖板箱、水平移动丝杠、主轴伺服电机、皮带传动装置、主轴、滚压装置，主轴伺服电机安装在机床主体上，通过皮带传动装置带动主轴进行转动，进而带动扭力轴进行转动，滚压装置安装在位于水平移动丝杠上的拖板箱上，而水平移动丝杠安装在机床主体上，可以实现滚压装置在水平方向的移动。
一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的强化方法，包括如下步骤：
步骤S1、将扭力轴两端分别与左右联轴器相连；
步骤S2、打开转矩测量仪和光电编码器，监测扭应力场下的扭力轴的扭矩和扭转角度；
步骤S3、打开左右伺服电机，并保证伺服电机按照相反的转动方向进行转动，实现对扭力轴施加扭应力场，并观察转矩测量仪和光电编码器的变化值；
步骤S4、当扭力轴在扭应力场下表层剪切力超过屈服极限且低于强度极限时，启动主轴伺服电机，带动扭应力场辅助发生装置和扭力轴一起进行旋转，同时滚压装置对扭应力场下的扭力轴进行滚压强化。
进一步地，上述步骤S3中所述的对扭力轴施加扭应力场，具体为利用相反转动的左右伺服电机，将扭力轴扭转一个角度，且这个角度大于使用最大扭角，使扭力轴的表层剪应力超过屈服极限，但低于强度极限，并保持这个扭转角度不变。
本发明提供一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床和强化方法，利用左右伺服电机对扭力轴施加扭应力场，同时在扭应力场辅助作用下，对扭力轴进行滚压强化，可以显著提高扭力轴弹性极限、表层残余压应力和硬化层深度，同时设备结构简单，操作简单方便，使用维护成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本例中所需要的附图作简要地介绍。
图1为被加工件扭力轴；
图2为扭力轴扭应力场辅助滚压强化数控机床的安装示意图；
图3为扭力轴扭应力场辅助滚压强化强化方法流程图
1-机床主体，2-拖板箱，3-水平移动丝杠，4-主轴伺服电机，5-机床主轴，6-皮带传动装置，7-左侧伺服电机座，8-左侧伺服电机，9-左侧联轴器，10-扭力轴，11-滚压装置，12-右侧联轴器吧，13-右侧伺服电机，14-右侧伺服电机座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为扭力轴示意图；
图2为扭力轴扭应力场辅助滚压强化数控机床的安装示意图，包括：
机床主体1，拖板箱2、水平移动丝杠3、主轴伺服电机4均安装在机床主体上；
扭应力场辅助发生装置包括左侧伺服电机座7、左侧伺服电机8、左侧联轴器9、右侧联轴器12、右侧伺服电机13、右侧伺服电机座14、转矩检测仪、光电编码器，伺服电机座与机床主轴相连，可以与机床主轴同步转动，伺服电机安装在伺服电机座内，并通过联轴器与扭力轴相连；
滚压装置主要包括拖板箱2、水平移动丝杠3、主轴伺服电机4、皮带传动装置6、机床主轴5、滚压装置11，主轴伺服电机4安装在机床主体上，通过皮带传动装置6带动机床主轴5进行转动，进而带动扭应力场辅助发生装置和扭力轴10进行转动，滚压装置11安装在位于水平移动丝杠上的拖板箱2上，而水平移动丝杠3安装在机床主体1上，可以实现滚压装置11在水平方向的移动。
进一步地，所述的转矩测量仪安装在扭力轴左侧，测量范围为0-100000N·m，精度要求为0.003N·m，采用相位差原理对扭力轴扭矩进行检测。
进一步地，所述的光电编码器安装在扭力轴右侧，可以精确检测扭应力场下扭力轴变形角度，且光电编码器选择角度测量精度为0.01°，每转36000个脉冲。
同时，本发明提供一种扭力轴扭应力场辅助滚压装置的强化方法，如图3所示，主要步骤如下：
步骤(1)、将扭力轴10两端分别与左联轴器9和右联轴器12相连；
步骤(2)、打开转矩测量仪和光电编码器，监测扭应力场下的扭力轴的扭矩和扭转角度；
步骤(3)、打开左伺服电机8和右伺服电机13，并保证左右伺服电机按照相反的转动方向进行转动，通过左联轴器9和右联轴器12传动对对扭力轴10施加扭应力场，并观察转矩测量仪和光电编码器的变化值；
步骤(4)、当扭力轴10在扭应力场下表层剪切力超过屈服极限且低于强度极限时，启动主轴伺服电机4，带动扭应力场辅助发生装置和扭力轴10一起进行旋转，同时滚压装置11对扭应力场下的扭力轴10进行滚压强化。
进一步地，上述步骤(3)中所述的对扭力轴施加扭应力场，具体为利用相反转动的左右伺服电机，将扭力轴扭转一个角度，且这个角度大于使用最大扭角，使扭力轴的表层剪应力超过屈服极限，但低于强度极限，并保持这个扭转角度不变。
综上所述，本发明提供一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床和强化方法，该数控机床结构简单，操作方便，使用维护成本低，且可以显著提高扭力轴弹性极限、表层残余压应力和硬化层深度，进而提高扭力轴的抗疲劳性能，对于提高扭力轴的使用寿命具有很高的实用价值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于扭力轴扭应力场辅助滚压强化的数控机床，其特征在于，包括机床主体、扭应力场辅助发生装置和滚压装置。
2.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，所述扭应力场辅助发生装置包括左侧伺服电机座(7)、左侧伺服电机(8)、左侧联轴器(9)、右侧联轴器(12)、右侧伺服电机(13)、右侧伺服电机座(14)、转矩检测仪、光电编码器，伺服电机座与机床主轴相连，可以与机床主轴同步转动，伺服电机安装在伺服电机座内，并通过联轴器与扭力轴相连。
3.根据权利要求2所述的数控机床，其特征在于，所述转矩检测仪的测量范围为0-100000N·m，精度要求为0.003N·m，采用相位差原理对扭力轴扭矩进行检测。
4.根据权利要求2所述的数控机床，其特征在于，所述光电编码器安装在扭力轴右侧，可以精确检测扭应力场下扭力轴变形角度，且光电编码器选择角度测量精度为0.01°，每转36000个脉冲。
5.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，所述滚压装置包括拖板箱(2)、水平移动丝杠(3)、主轴伺服电机(4)、皮带传动装置(6)、机床主轴(5)、滚压装置(11)，主轴伺服电机(4)安装在机床主体(1)上，通过皮带传动装置(6)带动机床主轴(5)进行转动，进而带动扭应力场辅助发生装置和扭力轴(10)进行转动，滚压装置(11)安装在位于水平移动丝杠上的拖板箱(2)上，而水平移动丝杠(3)安装在机床主体(1)上，可以实现滚压装置(11)在水平方向的移动。
6.一种扭力轴扭应力场辅助滚压强化方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的数控机床进行，包括如下步骤：
(1)将扭力轴两端分别与左右联轴器相连；
(2)打开转矩测量仪和光电编码器，监测扭应力场下的扭力轴的扭矩和扭转角度；
(3)打开左右伺服电机，并保证伺服电机按照相反的转动方向进行转动，实现对扭力轴施加扭应力场，并观察转矩测量仪和光电编码器的变化值；
(4)当扭力轴在扭应力场下表层剪切力超过屈服极限且低于强度极限时，启动主轴伺服电机，带动扭应力场辅助发生装置和扭力轴一起进行旋转，同时滚压装置对扭应力场下的扭力轴进行滚压强化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，上述步骤(3)中所述的对扭力轴施加扭应力场，具体为利用相反转动的左右伺服电机，将扭力轴扭转一个角度，且这个角度大于使用最大扭角，使扭力轴的表层剪应力超过屈服极限，但低于强度极限，并保持这个扭转角度不变。
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