CN114515937B - 一种电脉冲辅助滚压加工平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电脉冲辅助滚压加工平台，包括支撑装置、测力装置、滚压刀具、电脉冲装置以及工件支撑块，支撑装置固定设置在测力装置上，工件支撑块设置在支撑装置上，滚压刀具设置在待加工的工件的上方预定位置处，滚压刀具的上端与机床连接，通过机床的控制完成对工件表面的滚压强化加工，电脉冲装置设置在支撑装置的侧部，为待加工工件提供脉冲电流。本发明通过设计并搭建电脉冲辅助滚压加工实验平台，在滚压加工中施加脉冲电流，利用电脉冲的电致塑性、绕流效应、焦耳热效应和趋肤效应等突破传统滚压加工中塑性变性和晶粒细化的极限，抑制加工硬化，提升金属材料的表面质量，从而获得高耐磨、高硬度、高疲劳寿命的金属表面。

Description

一种电脉冲辅助滚压加工平台

技术领域

本发明属于金属材料滚压加工技术领域，具体涉及一种电脉冲辅助滚压加工平台。

背景技术

表面是机械装备寿命的主要载体，腐蚀、磨损、疲劳等失效形式通常由表面萌生并扩展，因此通过表面工程技术改善材料表面性能从而提升机械装备的使役性能和服役寿命是一种可行的方案。金属材料的表面滚压加工是较为热门的表面工程技术，通过滚压刀具引入剧烈塑性变形细化表层晶粒形成纳米梯度结构从而强化金属表面。但是常规塑性变形制备的纳米层较薄、强化层不均匀，且加工过程中易发生加工硬化，很难获得高质量的金属表面。

电脉冲作为一种外场辅助加工技术可以应用到金属材料的塑性成型加工中，其电致塑性效应可以显著提升材料的塑性变形能力，抑制加工硬化，促进塑性加工过程的顺利进行。电脉冲的焦耳热效应、绕流效应和趋肤效应同样对材料的加工性能和组织结构产生积极影响。因此通过设计并搭建一套电脉冲辅助滚压加工实验平台，具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题情况，本发明提供一种电脉冲辅助滚压加工平台，解决传统滚压加工过程中金属材料塑性变形能力弱，易发生加工硬化等技术问题。通过在传统滚压加工过程中引入电脉冲，解决常规塑性变形中金属材料高硬度低塑性的局限性，获得高质量的金属表面强化层，提升金属材料耐磨、抗疲劳等综合性能。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种电脉冲辅助滚压加工平台，包括支撑装置、测力装置、滚压刀具、电脉冲装置以及工件支撑块，所述支撑装置固定设置在测力装置上，所述工件支撑块设置在支撑装置上，用于放置待加工的工件，滚压刀具设置在待加工的工件的上方预定位置处，滚压刀具的上端与机床连接，通过机床的控制完成对工件表面的滚压强化加工，电脉冲装置设置在支撑装置的侧部，为待加工工件提供脉冲电流。

进一步的，所述支撑装置包括支撑底座、丝杠、固定钳口和活动钳口，支撑底座上设置有螺纹孔，用于与测力装置螺纹连接，所述固定钳口固定在支撑底座的一端，活动钳口连接有丝杠设置在支撑底座的另一端，工件支撑块设置在固定钳口和活动钳口之间，丝杠转动带动活动钳口移动并将待加工的工件夹持在固定钳口和活动钳口之间。

进一步的，所述工件支撑块的沿支撑装置轴向方向的尺寸小于待加工工件沿支撑装置轴向方向的尺寸。

进一步的，所述活动钳口上靠近工件支撑块的一侧安装固定推块，固定推块的厚度等于工件夹紧时工件支撑块到活动钳口的距离。

进一步的，所述电脉冲装置在工件夹紧后通过螺纹连接在固定钳口和活动钳口的侧部，包括电刷、缩紧弹簧、支撑杆、限位圈、导电板和导流接头，支撑杆安装在固定钳口和活动钳口上，与活动钳口相连的支撑杆上开设的连接槽为直槽口；电刷前端凹槽装卡工件，电刷尾部通过支撑杆与导电板相连，缩紧弹簧安装在电刷和支撑杆之间，限位圈安装在电刷尾部，且与导电板的相对位置保持固定，导流接头与脉冲电源连接，使脉冲电源、电脉冲装置和工件形成闭合回路。

进一步的，所述滚压刀具包括固定螺柱、滚压刀头、刀具连接筒和刀柄连接块，滚压刀头通过固定螺柱安装在刀具连接筒内，刀具连接筒与刀柄连接块相连接，刀柄连接块安装在机床上。在滚压刀头与刀具连接筒之间设置有绝缘片，所述固定螺柱上套有绝缘胶套。

进一步的，所述测力装置包括力传感器，力传感器的上设置有航空插座，所述航空插座连接有航空插头，将力传感器的测量信号传输到显示终端。

再进一步的，所述在支撑装置和力传感器之间设置有第一电木板。

更进一步的，所述力传感器下方设置有方形螺母，支撑装置通过贯通螺栓与力传感器连接并与通过方形螺母固定在机床上，支撑装置和贯通螺栓之间设置有第二电木板。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下有益效果：

（1）实现了滚压加工中电脉冲的引入

通过设计支撑装置、测力装置和电脉冲装置等完成电脉冲辅助滚压加工实验平台的搭建，并考虑实验过程中脉冲电流对其他设备的影响完成对滚压刀具和测力系统的绝缘处理。在滚压加工中引入脉冲电场，通过电脉冲的电致塑性、绕流集中、焦耳热等效应解决常规塑性变形中金属材料高硬度低塑性的局限性，获得高质量的金属表面强化层，提升金属材料耐磨、抗疲劳等综合性能。

（2）实现了滚压加工中力信号的采集

电脉冲辅助滚压加工实验平台中安装了压电式力传感器，可以在加工过程中采集力信号并通过数据采集器和信号放大器传输到计算机显示端，最后根据整合的数据对滚压加工过程的下压力进行调控，提升滚压加工的质量。

（3）实现加工工件压紧和可变调节

电脉冲装置中安装缩紧弹簧和限位圈，使得整个电脉冲装置具有一定的伸缩调整空间从而适应工件尺寸的变化，此外电刷在缩进弹簧的作用下对工件施加一定的压力，保证了电刷与工件的紧密接触，使得脉冲电流可以均匀的施加在工件两端。

附图说明

图1为本发明的电脉冲辅助滚压加工平台结构示意图；

图2为本发明的支撑装置结构示意图；

图3为本发明的电脉冲装置结构示意图；

图4为本发明的滚压刀具结构示意图；

图5为本发明的测力装置结构示意图；

图中：1、支撑装置；2、测力装置；3、工件；4、滚压刀具；5、电脉冲装置；6、工件支撑块；7、支撑底座；8、丝杠；9、固定钳口；10、活动钳口；11、固定推块；12、电刷；13、缩紧弹簧；14、支撑杆；15、限位圈；16、导电板；17、导流接头；18、固定螺柱；19、滚压刀头；20、绝缘片；21、刀具连接筒；22、刀柄连接块；23、力传感器；24、第二电木板；25、第一电木板；26、方形螺母；27、航空插座；28、贯通螺栓。

具体实施方式

下面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。

如图1和图2所示，一种电脉冲辅助滚压加工平台，主要包括：支撑装置1、测力装置2、滚压刀具4、电脉冲装置5和工件支撑块6。所述支撑装置1固定设置在测力装置2上，所述工件支撑块6设置在支撑装置6上，用于放置待加工的工件3，滚压刀具4设置在待加工的工件3的上方预定位置处，滚压刀具4的上端与机床连接，通过机床的控制完成对工件表面的滚压强化加工，电脉冲装置5设置在支撑装置1的侧部，为待加工工件3提供脉冲电流。

所述支撑装置1选用改装过的平底虎钳，支撑装置1主要由支撑底座7、丝杠8、固定钳口9、活动钳口10和固定推块11组成。丝杠8转动带动活动钳口10移动并将工件3夹持在固定钳口9和活动钳口10之间，工件装夹时加工表面应高于支撑装置1，避免工件加工过程中滚压刀具4与支撑装置1发生干涉，此外加工时应防止工件受力发生倾斜，因此需要在工件3下面安装工件支撑块6。工件支撑块6尺寸应小于工件3从而保证活动钳口10拧紧时工件受力固定，此外若工件厚度较薄夹紧时可能因受力过大发生翘曲，因此需要在活动钳口10上安装固定推块11，保证工件3夹紧时工件支撑块6也受到夹紧力，固定推块11的安装厚度等于工件夹紧时工件支撑块6到活动钳口10的距离，实验中可以根据工件尺寸安装相应的固定推块11。支撑底座7、固定钳口9和活动钳口10开设相应的安装槽和螺纹孔用于安装固定测力装置2和电脉冲装置5。

如图3所示，电脉冲装置5为工件提供脉冲电流，电脉冲装置5主要由电刷12、缩紧弹簧13、支撑杆14、限位圈15、导电板16和导流接头17组成，其中支撑杆14在工件夹紧后通过螺栓与固定钳口9和活动钳口10上相应的螺纹孔相连用来支撑电脉冲装置5，假如工件尺寸发生变化工件夹紧时活动钳口10及螺栓孔位置也发生相应变化，因此与活动钳口10相连的支撑杆14上开设的连接槽为直槽口用来适应一定范围内工件尺寸的变化。尖波脉冲能释放很大的瞬时能量且热效应较小，可以充分激发金属材料的电致塑性同时避免产生过大的焦耳热，因此实验加工中选用尖波脉冲电源，其正负极导出的脉冲电流分别接在工件两端电脉冲装置5的导流接头17上，使得尖波脉冲电源、电脉冲装置5和工件形成闭合回路。电刷12前端凹槽装卡工件，尾部通过支撑杆14与导电板16相连，接收并传递脉冲电流。缩紧弹簧13安装在电刷12和支撑杆14之间使得电刷12对工件有一定的压紧力，保证电刷12与工件密切接触，从而使得脉冲电流更加均匀的施加在工件两端。缩紧弹簧13同时确保整个电脉冲装置5具有一定的收缩空间，若工件尺寸变大时，电刷12会压缩缩紧弹簧13从而带动限位圈15和导电板16向后移动，保证工件顺利装卡。限位圈15安装在电刷12尾部，且与导电板16的相对位置保持固定，限位圈15可以限制电刷12向前移动，避免缩紧弹簧13恢复过程中电刷12带动导电板16与支撑杆14发生碰撞，导致导电板16与电刷12发生脱离。

如图4所示，滚压刀具4主要由固定螺柱18、滚压刀头19、绝缘片20、刀具连接筒21和刀柄连接块22组成。滚珠滚压中滚珠与工件之间的接触是无滑动的滚动，可以获得比较理想的加工表面，因此滚压加工采用多珠滚压的加工方式，为了保证多珠之间的相对位置和回转精度，滚压刀头19使用标准化的推力球轴承，主要包括滚道、保持架和滚珠。滚压刀头19通过固定螺柱18安装在刀具连接筒21内。由于滚压加工中脉冲电流在工件上导通，而滚压刀头19又和工件表面相互接触。因此为避免工件加工时脉冲电流对机床造成影响或损坏，需要在滚压刀头19与刀具连接筒21之间加装绝缘片20并为固定螺柱18套上绝缘胶套，从而完成对刀具的绝缘处理，此外利用电木板将机床与地面绝缘。刀具连接筒21与刀柄连接块22相连接，最后通过刀柄安装到机床上。滚压加工中滚压刀具在机床控制下完成对工件表面的滚压强化加工。

如图5所示，测力装置2中的测力系统采用压电式力传感器23，通过传感器测量加工过程中的受力情况，力传感器23的航空插座27处连接航空插头并将力传感器23的测量信号通过数据采集器和信号放大器传输到计算机显示端。通过整合和分析采集数据实时调控滚压过程中的下压力，从而优化滚压加工的质量，获得理想的强化表面。工件加工中施加了脉冲电流，因此为了避免脉冲电流对力传感器23造成干扰和损坏，需要对其进行绝缘处理，在支撑装置1和力传感器23之间增设第一电木板25，保证力传感器23与支撑装置1绝缘。此外整个电脉冲辅助滚压加工实验平台需要连接贯通螺栓28支撑装置和力传感器并通过下方的方形螺母26卡装固定在机床上，因此同样需要对连接螺栓进行绝缘处理，在支撑装置1和连接螺栓之间安装第二电木板24，并将连接螺栓套上绝缘胶套再穿过整个实验平台与方形螺母26相连，这种连接方式既保证了绝缘效果，又具有很好的刚度，不会影响后续实验的加工精度。

综上，本发明通过设计并搭建电脉冲辅助滚压加工实验平台，在滚压加工中施加脉冲电流，利用电脉冲的电致塑性、绕流效应、焦耳热效应和趋肤效应等突破传统滚压加工中塑性变性和晶粒细化的极限，抑制加工硬化，提升金属材料的表面质量，从而获得高耐磨、高硬度、高疲劳寿命的金属表面。

Claims (9)

1.一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，包括支撑装置（1）、测力装置（2）、滚压刀具（4）、电脉冲装置（5）以及工件支撑块（6），所述支撑装置（1）固定设置在测力装置（2）上，所述工件支撑块（6）设置在支撑装置（1）上，用于放置待加工的工件（3），滚压刀具（4）设置在待加工的工件（3）的上方预定位置处，滚压刀具（4）的上端与机床连接，通过机床的控制完成对工件表面的滚压强化加工，电脉冲装置（5）设置在支撑装置（1）的侧部，为待加工工件（3）提供脉冲电流；

所述支撑装置（1）包括支撑底座（7）、丝杠（8）、固定钳口（9）和活动钳口（10），支撑底座（7）上设置有螺纹孔，用于与测力装置（2）螺纹连接，所述固定钳口（9）固定在支撑底座（7）的一端，活动钳口（10）连接有丝杠（8）设置在支撑底座（7）的另一端;

所述电脉冲装置（5）在工件（3）夹紧后通过螺纹连接在固定钳口（9）和活动钳口（10）的侧部，包括电刷（12）、缩紧弹簧（13）、支撑杆（14）、限位圈（15）、导电板（16）和导流接头（17），支撑杆（14）安装在固定钳口（9）和活动钳口（10）上，与活动钳口（10）相连的支撑杆（14）上开设的连接槽为直槽口；电刷（12）前端凹槽装卡工件，电刷（12）尾部通过支撑杆（14）与导电板（16）相连，缩紧弹簧（13）安装在电刷（12）和支撑杆（14）之间，限位圈（15）安装在电刷（12）尾部，且与导电板（16）的相对位置保持固定，导流接头（17）与脉冲电源连接，使脉冲电源、电脉冲装置（5）和工件（3）形成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述工件支撑块（6）设置在固定钳口（9）和活动钳口（10）之间，丝杠（8）转动带动活动钳口（10）移动并将待加工的工件（3）夹持在固定钳口（9）和活动钳口（10）之间。

3.根据权利要求2所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述工件支撑块（6）的沿支撑装置（1）轴向方向的尺寸小于待加工工件（3）沿支撑装置（1）轴向方向的尺寸。

4.根据权利要求2所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述活动钳口（10）上靠近工件支撑块（6）的一侧安装固定推块（11），固定推块（11）的厚度等于工件（3）被夹紧时工件支撑块（6）到活动钳口（10）的距离。

5.根据权利要求1所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述滚压刀具（4）包括固定螺柱（18）、滚压刀头（19）、刀具连接筒（21）和刀柄连接块（22），滚压刀头（19）通过固定螺柱（18）安装在刀具连接筒（21）内，刀具连接筒（21）与刀柄连接块（22）相连接，刀柄连接块（22）安装在机床上。

6.根据权利要求5所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，在滚压刀头（19）与刀具连接筒（21）之间设置有绝缘片（20），所述固定螺柱（18）上套有绝缘胶套。

7.根据权利要求1所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述测力装置（2）包括力传感器（23），力传感器（23） 上设置有航空插座（27），所述航空插座（27）连接有航空插头，将力传感器（23）的测量信号传输到显示终端。

8.根据权利要求7所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述在支撑装置（1）和力传感器（23）之间设置有第一电木板（25）。

9.根据权利要求8所述的一种电脉冲辅助滚压加工平台，其特征在于，所述力传感器（23）下方设置有方形螺母（26），支撑装置（1）通过贯通螺栓（28）与力传感器（23）连接并与通过方形螺母（26）固定在机床上，支撑装置（1）和贯通螺栓（28）之间设置有第二电木板（24）。

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