CN115056147B - 回转工件水射流表面强化抛光装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种回转工件水射流表面强化抛光装置及其加工方法，包括多自由度关节机器人、旋转体夹具模块和驱动模块、总控制系统模块、增压器、水射流强化与抛光工具、水射流强化与抛光工具移动驱动及夹具模块。多自由度关节机器人夹持水射流强化与抛光工具，回转工件安装于旋转体夹具模块上，多自由度关节机器人、旋转驱动模块、工具移动驱动模块集成在总控制系统模块中，以对三者进行协同控制，保证回转加工过程中工艺参数稳定和加工表面的全覆盖；可通过改变工件的夹持方式，分别对回转工件的内、外壁加工。加工过程中，强化和抛光的射流方向均与待加工工件轴线垂直，并在工件截面径向不同距离处同时进行加工，以实现表面强化与抛光一体化加工。

Description

回转工件水射流表面强化抛光装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及机械零件表面处理技术领域，特别是涉及一种回转工件水射流表面强化抛光装置及其加工方法。

背景技术

疲劳失效是机械零件的主要失效形式之一，零件的疲劳寿命及其表面性能与表面质量关系密切。表面强化是改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能的工艺方法；但传统喷丸强化后的金属表面往往会出现凹凸不平的形貌特征，需要进一步抛光处理，以优化其表面质量，以期提高零件的疲劳寿命，但这也暴露了传统强化加工的时间成本较高，工艺繁琐等问题。水射流技术是一种新型表面处理技术，具有热影响小、可调性高、适应性强的优点，在表面改性领域有着广泛的应用前景。

目前，水射流加工设备大多根据数控车床结构改装而成，研究对象多为平板类试验件。在对水射流加工工艺的研究中，我们发现，一方面，对于回转类工件和复杂受限空间区域，传统机床结构难以满足其加工需求，也难以实现双喷嘴协同调控，加工形式单一；另一方面，水射流强化后的工件表面形貌较为粗糙，在一定程度上对工件的疲劳寿命产生消极影响。并且目前针对回转工件水射流强化抛光装置尚未出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种回转工件水射流表面强化抛光装置及其加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现回转工件内外壁表面强化与抛光一体化加工，极大地提高了加工效率，节省了时间成本；加工后工件的表面质量得到良好改善，并在工件表面引入一定的残余压应力，有望提高其疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种回转工件水射流表面强化抛光装置，包括多自由度关节机器人、总控制系统模块、旋转体夹具模块、旋转体驱动模块、水箱、水射流强化工具和水射流抛光工具，

所述多自由度关节机器人为具有六个旋转轴的关节手臂机器人；所述旋转体夹具模块用于装夹和固定旋转体；与旋转体夹具模块连接的所述旋转体驱动模块用于驱动旋转体绕Z轴旋转；与增压器连接的所述水射流强化工具和水射流抛光工具分别用于对旋转体的内外壁进行强化和抛光，所述水射流强化工具和水射流抛光工具分别通过水射流强化工具夹具模块和水射流抛光工具夹具模块固定在多自由度关节机器人上，并在多自由度关节机器人的带动下沿Z轴移动；水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动分别用于驱动水射流强化工具夹具模块和水射流抛光工具夹具模块带动水射流强化工具和水射流抛光工具在沿工件截面径向移动；所述总控制系统模块与多自由度关节机器人、旋转体驱动模块、水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动电联接。

优选地，所述旋转体驱动模块包括电机和蜗轮蜗杆机构，所述电机用于驱动所述蜗轮蜗杆机构运动，所述旋转体夹具模块安装在蜗轮蜗杆机构中的蜗轮上并随蜗轮正反向转动。

优选地，所述水射流强化工具和水射流抛光工具沿Z轴错位安装，所述水射流强化工具和水射流抛光工具的射流出口方向均与旋转体的轴线垂直，且水射流强化工具和水射流抛光工具分别定位安装在与旋转体待加工表面不同距离处。

优选地，所述水射流强化工具包括高压水入口、介质混合腔和斜向出口喷嘴，所述高压水入口通过管路与增压器相连，所述增压器中的水通过高压水入口进入所述介质混合腔进行介质混合，所述介质混合腔的出口处设置斜向出口喷嘴，所述斜向出口喷嘴朝向旋转体的内壁或外壁。

优选地，所述水射流抛光工具包括高压水入口、介质混合腔和斜向出口喷嘴，所述高压水入口通过管路与增压器相连，所述增压器中的水通过高压水入口进入所述介质混合腔进行介质混合，所述介质混合腔的出口处设置斜向出口喷嘴，所述斜向出口喷嘴朝向旋转体的内壁或外壁。

优选地，所述水射流抛光工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述多自由度关节机器人的工作端安装有基座，所述水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动上下平行装配在所述基座上。

优选地，所述水射流抛光工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述水射流抛光工具夹具模块装配在所述滚珠丝杠上的丝杠螺母上，所述电机用于驱动滚珠丝杠运动。

优选地，所述水射流强化工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述水射流强化工具夹具模块装配在所述滚珠丝杠上的丝杠螺母上，所述电机用于驱动滚珠丝杠运动。

本发明还提供一种回转工件水射流表面强化抛光的加工方法，应用于上述的回转工件水射流表面强化抛光装置，包括以下步骤：

首先在旋转体夹具模块上固定好旋转体，然后总控制系统模块驱动多自由度关节机器人带动水射流强化工具和水射流抛光工具移动到位；

旋转体驱动模块启动，驱动旋转体夹具模块转动并带动旋转体绕Z轴做旋转运动，水射流强化工具和水射流抛光工具沿Z轴错位安装，调节射流出口方向使射流方向与旋转体轴线垂直，且水射流强化工具和水射流抛光工具分别定位安装在与旋转体待加工表面不同距离处；

水射流强化工具和水射流抛光工具在多自由度关节机器人的控制下沿Z轴移动，水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动将按照预先建模的旋转体轮廓形状，实时调节径向距离，以适应不同的旋转体曲面轮廓，对旋转体的内外壁完成先强化后抛光的加工要求。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提出了一种针对回转类工件内外壁的水射流表面强化与抛光一体工艺装置及加工方法，采用多自由度关节机器人辅助夹持水射流表面强化及抛光工具，协同配合旋转驱动模块和工具移动驱动模块，实现回转工件内外壁表面强化与抛光一体化加工。一方面，利用水射流技术灵活、可调的特点，结合工具移动驱动模块，实现不同轮廓形状回转体表面的全覆盖式自适应加工；另一方面，为进一步提高水射流表面强化加工后表面光洁度，提出了一种强化抛光一体的水射流加工装置和方法，强化与抛光同时进行，极大地提高了加工效率，节省了时间成本；加工后工件的表面质量得到良好改善，并在工件表面引入一定的残余压应力，有望提高其疲劳寿命。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为回转工件水射流表面强化抛光装置的整体结构示意图；

图2为回转工件外壁旋转水射流表面强化与抛光示意图；

图3为回转工件外壁旋转水射流表面强化与抛光示意图；

图4为回转工件外壁旋转水射流表面强化与抛光加工过程示意图；

其中，1、多自由度关节机器人；2、总控制系统模块；3、旋转体夹具模块；4、旋转驱动模块；5、水箱；6、增压器；7、旋转体；8、水射流强化工具；9、水射流抛光工具；10、水射流抛光工具移动驱动；11、水射流强化工具移动驱动；12、水射流抛光工具夹具模块；13、水射流强化工具夹具模块。

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回转工件水射流表面强化抛光装置，以解决上述现有技术存在的问题，实现回转工件内外壁表面强化与抛光一体化加工，极大地提高了加工效率，节省了时间成本；加工后工件的表面质量得到良好改善，并在工件表面引入一定的残余压应力，有望提高其疲劳寿命。

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。

本发明中的回转工件水射流表面强化抛光装置，包括多自由度关节机器人1、总控制系统模块2、旋转体夹具模块3、旋转体驱动模块4、水箱5、增压器6、旋转体7、水射流强化工具8、水射流抛光工具9、水射流抛光工具移动驱动10、水射流强化工具移动驱动11、水射流抛光工具夹具模块12、水射流强化工具夹具模块13；被加工对象为旋转体7。多自由度关节机器人1夹持水射流强化与抛光工具，回转工件安装于旋转体夹具模块3上，多自由度关节机器人1、旋转驱动模块4、工具移动驱动模块集成在总控制系统模块2中，以对三者进行协同控制，保证回转加工过程中工艺参数稳定和加工表面的全覆盖。回转加工过程中，强化和抛光的射流方向均与待加工工件轴线垂直，并在工件截面径向不同距离处同时进行加工，以实现表面强化与抛光一体化加工。进一步地，可以通过改变工件的夹持方式，分别开展回转工件的内壁、外壁加工。水箱5用于回收强化后的水及磨料，防止水和磨粒四处飞溅。

具体地，多自由度关节机器人1为具有六个旋转轴的关节手臂机器人，可以实现强化与抛光工具定位及移动的精准控制；旋转体夹具模块3用于装夹和固定旋转体7；旋转体驱动模块4由电机、蜗轮蜗杆机构等组成；旋转体驱动模块4通过与旋转体夹具模块3连接，驱动旋转体7绕Z轴旋转；通过改变旋转体夹具3对旋转体7的夹持方式，可实现圆筒的内壁、外壁强化与抛光一体化加工如图1、图2所示。与增压器6连接的水射流强化工具8和水射流抛光工具9由高压水入口、介质混合腔、斜向出口喷嘴等零件组成，水射流强化工具8和水射流抛光工具9分别通过水射流强化工具夹具模块13和水射流抛光工具夹具模块12固定在多自由度关节机器人1上，并在多自由度关节机器人1的带动下沿Z轴缓慢移动；水射流抛光工具移动驱动10和水射流强化工具移动驱动11均分别由电机和滚珠丝杠组成，可驱动水射流强化工具夹具模块12和水射流抛光工具夹具模块13在沿工件截面径向移动，以适应工件表面轮廓；在加工过程中，可以根据预先建模的工件表面轮廓，驱动水射流强化工具8和水射流抛光工具9实时调节径向距离，以保证强化与抛光效果的均匀性。总控制系统模块3中集成了多自由度关节机器人1、旋转体驱动模块4、水射流抛光工具移动驱动10和水射流强化工具移动驱动11，通过对多组件协调控制实现旋转体7的表面强化与抛光一体化加工。

回转工件内外壁水射流表面强化与抛光一体化的加工方法如下：

旋转体7的水射流表面强化与抛光一体化加工轨迹由旋转体7绕Z轴的旋转运动、水射流强化工具8和水射流抛光工具9沿Z轴直线运动和在旋转体7截面的径向移动复合而成。

加工过程中，水射流强化工具8和水射流抛光工具9沿Z轴错位安装，并调节射流出口方向，使射流方向与旋转体7轴线垂直，且水射流强化工具8和水射流抛光工具9分别定位安装在与旋转体7待加工表面不同距离处，以实现先强化、后抛光的加工要求。旋转驱动模块4控制旋转体7旋转，水射流强化工具8和水射流抛光工具9在多自由度关节机器人1的控制下缓慢沿Z轴移动，水射流抛光工具移动驱动10和水射流强化工具移动驱动11将按照预先建模的旋转体7轮廓形状，实时调节径向距离，以适应不同的旋转体曲面轮廓，保证表面加工质量的均匀性。

实施例一

如图4所示，以旋转体7内壁加工截面为例介绍该回转工件内外壁水射流表面强化与抛光一体化加工方法。

该被加工截面轮廓线按照形状划分，可分为圆弧面部分和长方形面部分，如图3、4所示。首先，为了保证内壁加工的均匀性，水射流强化、抛光时应保证喷嘴距离加工面靶距分别一致，且保证水射流抛光工具9与加工面的靶距要大于水射流强化工具8与加工面的靶距。在此基础上根据旋转体7的CAD模型形成水射流强化工具8与水射流抛光工具9的加工轨迹，然后根据所求工具的加工轨迹及对加工面的处理时间设置旋转驱动模块4以及水射流抛光工具移动驱动10水射流强化工具移动驱动11的移动速度，通过总控制系统模块2上传移动轨迹及速度。在水射流强化磨抛加工过程中，旋转驱动模块4控制旋转体7不断旋转，多自由度关节机器人1不断上升，使得加工轨迹呈螺旋线般移动。水射流抛光工具9处于水射流强化工具8下侧，待水射流抛光工具9走到水射流强化工具8起始位置时再开启水射流抛光工具9，确保强化后的加工面经抛光处理。在旋转过程中随着加工面从圆弧面变为长方形面，通过水射流抛光工具移动驱动10水射流强化工具移动驱动11的分别驱动，保证加工工具与加工面的间距时刻不变，提高加工的均匀性。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (4)

1.一种回转工件水射流表面强化抛光装置，其特征在于：包括多自由度关节机器人、总控制系统模块、旋转体夹具模块、旋转体驱动模块、增压器、水射流强化工具和水射流抛光工具，

所述多自由度关节机器人为具有六个旋转轴的关节手臂机器人；所述旋转体夹具模块用于装夹和固定旋转体；与旋转体夹具模块连接的所述旋转体驱动模块用于驱动旋转体绕Z轴旋转；与增压器连接的所述水射流强化工具和水射流抛光工具分别用于对旋转体的内外壁进行强化和抛光，所述水射流强化工具和水射流抛光工具分别通过水射流强化工具夹具模块和水射流抛光工具夹具模块固定在多自由度关节机器人上，并在多自由度关节机器人的带动下沿Z轴移动；水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动分别用于驱动水射流强化工具夹具模块和水射流抛光工具夹具模块带动水射流强化工具和水射流抛光工具在沿工件截面径向移动；所述总控制系统模块与多自由度关节机器人、旋转体驱动模块、水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动电联接；

所述水射流强化工具和水射流抛光工具沿Z轴错位安装，所述水射流强化工具和水射流抛光工具的射流出口方向均与旋转体的轴线垂直，且水射流强化工具和水射流抛光工具分别定位安装在与旋转体待加工表面不同距离处；

所述水射流强化工具包括高压水入口、介质混合腔和斜向出口喷嘴，所述高压水入口通过管路与增压器相连，所述增压器中的水通过高压水入口进入所述介质混合腔进行介质混合，所述介质混合腔的出口处设置斜向出口喷嘴，所述斜向出口喷嘴朝向旋转体的内壁或外壁；

所述水射流抛光工具包括高压水入口、介质混合腔和斜向出口喷嘴，所述高压水入口通过管路与增压器相连，所述增压器中的水通过高压水入口进入所述介质混合腔进行介质混合，所述介质混合腔的出口处设置斜向出口喷嘴，所述斜向出口喷嘴朝向旋转体的内壁或外壁；

所述水射流抛光工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述多自由度关节机器人的工作端安装有基座，所述水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动上下平行装配在所述基座上；所述水射流抛光工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述水射流抛光工具夹具模块装配在所述滚珠丝杠上的丝杠螺母上，所述电机用于驱动滚珠丝杠运动；所述水射流强化工具移动驱动包括电机和滚珠丝杠，所述水射流强化工具夹具模块装配在所述滚珠丝杠上的丝杠螺母上，所述电机用于驱动滚珠丝杠运动。

2.根据权利要求1所述的回转工件水射流表面强化抛光装置，其特征在于：所述旋转体驱动模块包括电机和蜗轮蜗杆机构，所述电机用于驱动所述蜗轮蜗杆机构运动，所述旋转体夹具模块安装在蜗轮蜗杆机构中的蜗轮上并随蜗轮正反向转动。

3.根据权利要求1所述的回转工件水射流表面强化抛光装置，其特征在于：还包括有水箱，所述水箱用于回收水射流表面强化抛光后的水及磨料。

4.一种回转工件水射流表面强化抛光的加工方法，应用于权利要求1-3中任一项所述的回转工件水射流表面强化抛光装置，其特征在于，包括以下步骤：

首先在旋转体夹具模块上固定好旋转体，然后总控制系统模块驱动多自由度关节机器人带动水射流强化工具和水射流抛光工具移动到位；

旋转体驱动模块启动，驱动旋转体夹具模块转动并带动旋转体绕Z轴做旋转运动，水射流强化工具和水射流抛光工具沿Z轴错位安装，调节射流出口方向使射流方向与旋转体轴线垂直，且水射流强化工具和水射流抛光工具分别定位安装在与旋转体待加工表面不同距离处；

水射流强化工具和水射流抛光工具在多自由度关节机器人的控制下沿Z轴移动，水射流抛光工具移动驱动和水射流强化工具移动驱动将按照预先建模的旋转体轮廓形状，实时调节径向距离，以适应不同的旋转体曲面轮廓，对旋转体的内外壁完成先强化后抛光的加工要求。