CN116551575A - 磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法，其中自动化加工系统包括射流工装单元、执行机构、磨料循环系统、供水系统和控制单元。射流工装单元包括工作台和装夹机构，执行机构包括机械臂和射流工具，磨料循环系统包括磨料循环过滤单元、磨料烘干单元、磨料振动筛分单元和磨料自动供给单元。供水系统连接射流工具，用于向射流工具供水。与现有技术相比，本发明的自动化加工系统及方法能够实现磨料的自动化清理，提高磨料水射流表面强化的加工效率，降低加工成本，实现水射流表面强化的自动化加工。

Description

磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法

技术领域

本发明涉及表面强化技术领域，特别是涉及一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法。

背景技术

水射流表面强化技术具有空间受限部位可达性高、操作简便以及绿色环保等优点，长期以来备受国内外研究学者和工程技术人员的关注。水射流表面强化技术发展至今已经形成了多类强化工艺，主要包括纯水射流强化、空化射流强化、脉冲水射流强化和磨料水射流强化，其中磨料水射流表面强化技术的强化效果尤为显著。磨料水射流表面强化技术的基本原理是通过高压水驱动磨料介质高速冲击到零部件表面，进而使工件表面发生塑性变形和加工硬化并引入一定残余压应力。磨料水射流表面强化技术的磨料主要是金属、陶瓷或石英颗粒制成的球状弹丸，金属弹丸是最为常用的磨料类型。

磨料水射流表面强化技术虽然强化效果显著，但是，强化加工后的磨料堆积在射流水箱中无法自动化清理。现有的磨料回收清理方法大多依赖人工干预，并且清理后的磨料无法直接再次利用，导致后处理操作复杂、生产和维护成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法，实现磨料的自动化清理。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，包括：

射流工装单元，所述射流工装单元包括工作台和装夹机构，所述装夹机构用于装夹工件，所述工作台具有积液槽，所述积液槽位于所述装夹机构下方；

执行机构，所述执行机构包括机械臂和射流工具；所述射流工具安装于所述机械臂上，以在所述机械臂的驱动下调整射流方向；

磨料循环系统，所述磨料循环系统包括磨料循环过滤单元、磨料烘干单元、磨料振动筛分单元和磨料自动供给单元；所述磨料循环过滤单元连接所述积液槽，以抽吸所述积液槽内的积水并滤出磨料；所述磨料烘干单元连接所述磨料循环过滤单元，用于接收所述磨料并烘干所述磨料；所述磨料振动筛分单元连接所述磨料烘干单元，用于将不符合要求的所述磨料去除；所述磨料自动供给单元分别连接所述磨料振动筛分单元和所述射流工具，用于将符合要求的所述磨料输送至所述射流工具并调节所述磨料的流量；

供水系统，所述供水系统连接所述射流工具，用于向所述射流工具供水；

控制单元，所述控制单元分别与所述射流工装单元、所述执行机构、所述磨料循环系统、所述供水系统通信连接。

优选地，所述装夹机构包括驱动单元和卡盘，所述驱动单元连接所述卡盘，以控制所述卡盘的动作，所述控制单元与所述驱动单元通信连接。

优选地，所述供水系统包括纯水净化器和高压水增压器；所述纯水净化器连接水源，用于净化水流；所述高压水增压器分别连接所述纯水净化器和所述射流工具，用于将净化后的水流增压后输送至所述射流工具。

优选地，所述高压水增压器的出水口处安装有常闭式水开关阀，所述常闭式水开关阀连接有气压系统，以在气压的驱动下开启，所述气压系统与所述控制单元通信连接。

优选地，还包括标定单元，所述标定单元包括固定标定尖，所述固定标定尖用于供所述射流工具对齐，以实现所述射流工具坐标系的标定。

优选地，所述射流工具为直喷射流工具、单侧偏转射流工具、双侧偏转射流工具中的一种；

所述标定单元还包括换刀架，所述换刀架上设置有多个放置位，多个所述放置位分别用于放置所述直喷射流工具、所述单侧偏转射流工具和所述双侧偏转射流工具。

优选地，所述磨料自动供给单元包括储料罐、电子控料阀和送料管线；所述储料罐用于接收所述磨料振动筛分单元输出的所述磨料；所述送料管线分别连接所述储料罐和所述射流工具，以将所述储料罐内的所述磨料输送至所述射流工具；所述电子控料阀设置于所述送料管线上，以控制所述送料管线内所述磨料的流量，所述电子控料阀与所述控制单元通信连接。

优选地，所述送料管线包括多个，每个所述送料管线上均设有所述电子控料阀。

优选地，所述磨料循环过滤单元的出水口连接所述积液槽，以将过滤后的水排入所述积液槽。

本发明还公开了一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工方法，使用上述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，包括如下步骤：

1)通过装夹机构对工件进行装夹，并对工件进行坐标系标定；

2)选择与工件加工区域匹配的射流工具，在机械臂的辅助下安装射流工具，并对射流工具进行坐标系标定；

3)设计磨料水射流表面强化的工艺参数，生成强化加工轨迹；工艺参数包括射流压强、射流靶距、加工轨迹间隔、移动速度和磨料流量；

4)向积液槽内注水并淹没工件；

5)向控制单元输入开始加工的信号；

6)将完成强化的工件取出，并进行超声清洗、风干、包装。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的自动化加工系统及方法能够实现磨料的自动化清理，提高磨料水射流表面强化的加工效率，降低加工成本，实现水射流表面强化的自动化加工。

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为本发明实施例自动化加工系统的示意图；

图2为射流工具标定过程示意图；

图3为本发明实施例自动化加工系统加工轴类零件的示意图；

图4为本发明实施例自动化加工系统加工航空发动机风扇叶片的示意图；

图5为本发明实施例自动化加工系统加工涡轮盘榫槽的示意图；

图6为本发明实施例自动化加工系统加工压气机小型叶片的示意图；

图7为本发明实施例自动化加工方法的示意图。

附图标记说明：

1-机械臂；2-射流工装单元；21-驱动单元；22-卡盘；23-顶尖；24-工作台；25-进液口；26-出液口；3-控制单元；4-射流工具；41-直喷射流工具；42-单侧偏转射流工具；43-双侧偏转射流工具；431-射流工具聚焦管；432-射流工具标定尖；5-磨料循环过滤单元；6-磨料烘干单元；7-磨料振动筛分单元；8-磨料自动供给单元；81-电子控料阀；82-送料管线；9-纯水净化器；10-高压水增压器；101-常闭式水开关阀；102-高压水管线；11-标定单元；111-固定标定尖；112-换刀架；12-轴类零件；13-航空发动机风扇叶片；14-涡轮盘；15-压气机小型叶片。

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磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统及方法，实现磨料的自动化清理。

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例对本发明作进一步详细的说明。

参照图1～图7，本实施例提供一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统(简称为自动化加工系统)，包括射流工装单元2、执行机构、磨料循环系统、供水系统和控制单元3。

射流工装单元2包括工作台24和装夹机构，装夹机构用于装夹工件，工作台24具有积液槽，积液槽位于装夹机构下方。积液槽内的水应没过工件，以避免磨料飞溅。工件可以是轴类零件12，也可以是航空发动机风扇叶片13、涡轮盘14、压气机小型叶片15等其它类型的零件。

执行机构包括机械臂1和射流工具4。射流工具4安装于机械臂1上，以在机械臂1的驱动下调整射流方向。本实施例中，机械臂1为六自由度机械臂，以增大射流角度调整范围。

磨料循环系统包括磨料循环过滤单元5、磨料烘干单元6、磨料振动筛分单元7和磨料自动供给单元8。磨料循环过滤单元5连接积液槽，以抽吸积液槽内的积水并滤出磨料。磨料烘干单元6连接磨料循环过滤单元5，用于接收磨料并烘干磨料。磨料振动筛分单元7连接磨料烘干单元6，用于将不符合要求的磨料去除。磨料自动供给单元8分别连接磨料振动筛分单元7和射流工具4，用于将符合要求的磨料输送至射流工具4并调节磨料的流量。磨料循环过滤单元5在滤除磨料后，剩余的积水可排放至积液槽内，实现循环用水，也可以排放至积液槽外。部分磨料在使用一次后会发生破碎，通过磨料振动筛分单元7可将这部分尺寸变小的磨料去除，以得到符合要求的磨料。磨料烘干单元6将磨料烘干后，能够避免磨料粘附在磨料振动筛的内部，使磨料能够更好地振动和流动。

供水系统连接射流工具4，用于向射流工具4供水。供水系统提供的水流和磨料循环系统提供的磨料在射流工具4内混合，随后一同向工件喷出。

控制单元3分别与射流工装单元2、执行机构、磨料循环系统、供水系统通信连接，能够分别控制装夹机构、机械臂1、磨料循环系统和供水系统的动作。本实施例中，通信连接可以是有线通信连接方式，也可以是无线通信连接方式。

本实施例自动化加工系统的工作原理如下：

磨料循环系统可实现对积液槽的自动清理，清理过程可与加工过程同时进行，不必安排特定的人员和时段对积液槽进行清理，从而提高加工效率，降低工人劳动强度。另一方面，磨料循环系统可对使用过的部分磨料再次利用，降低了加工成本。

作为一种可能的示例，本实施例中，装夹机构包括驱动单元21和卡盘22，驱动单元21连接卡盘22，以控制卡盘22的动作，卡盘22的动作指卡盘22的夹紧动作和旋转动作。控制单元3与驱动单元21通信连接，以对驱动单元21进行控制。本实施例中，卡盘22为四爪自定心卡盘，用于直接或间接夹紧工件的一端。参照图5，在对零件的一端进行加工时(例如加工涡轮盘14的榫槽)，可使卡盘22位于工件下侧，使被加工面朝上。参照图3、图4、图6，在对零件的侧面进行加工时，装夹机构还包括顶尖23，顶尖23与卡盘22共轴线。顶尖23与卡盘22的轴线可以水平设置，顶尖用于和工件背离卡盘22的一端接触定位。驱动单元21连接顶尖23，以控制顶尖23的动作，顶尖23的动作指顶尖23沿自身轴线的平移动作。驱动单元21的壳体优选为封闭式结构，以避免磨料、工件碎屑、水花等进入。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它类型的装夹机构。

作为一种可能的示例，本实施例中，供水系统包括纯水净化器9和高压水增压器10。纯水净化器9连接水源，用于净化水流。高压水增压器10分别连接纯水净化器9和射流工具4，用于将净化后的水流增压后输送至射流工具4。本实施例中，高压水增压器10可将水增压至20MPa～300MPa。根据实际加工需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它压强范围。

作为一种可能的示例，本实施例中，高压水增压器10的出水口处安装有常闭式水开关阀101，常闭式水开关阀101连接有气压系统，以在气压的驱动下开启，气压系统与控制单元3通信连接。常闭式水开关阀101通过高压水管线102与射流工具4相连，以向射流工具4供水。强化加工过程中，首先开启常闭式水开关阀101，再开启高压水增压器10，将特定压强的水通过高压水管线102供给给射流工具4。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它形式的开关阀及开阀方式。

作为一种可能的示例，本实施例中，还包括标定单元11，标定单元11包括固定标定尖111。射流工具4在射流工具标定尖432的辅助下(射流工具聚焦管431、射流工具标定尖432均是射流工具4的一部分，与射流工具4一同运动)与固定标定尖111在多个姿态条件下对齐，以实现射流工具4坐标系的标定。

作为一种可能的示例，本实施例中，射流工具4为直喷射流工具41、单侧偏转射流工具42、双侧偏转射流工具43中的一种，使用时可根据实际加工需要选择相应的射流工具4。标定单元11还包括换刀架112，换刀架112上设置有多个放置位，多个放置位分别用于放置直喷射流工具41、单侧偏转射流工具42和双侧偏转射流工具43，可通过机械臂1的末端夹取相应的射流工具4。参照图6，在加工压气机小型叶片15时使用的是双侧偏转射流工具43。

作为一种可能的示例，本实施例中，磨料自动供给单元8包括储料罐、电子控料阀81和送料管线82。储料罐用于接收磨料振动筛分单元7输出的磨料，实现磨料的暂时存储。送料管线82分别连接储料罐和射流工具4，以将储料罐内的磨料输送至射流工具4。电子控料阀81设置于送料管线82上，以控制送料管线82内磨料的流量，电子控料阀81与控制单元3通信连接。

作为一种可能的示例，本实施例中，送料管线82包括多个，每个送料管线82上均设有电子控料阀81。当送料管线82上的电子控料阀81均开启时，多个送料管线82可同时输送磨料，以提高磨料的输送能力。

作为一种可能的示例，本实施例中，磨料循环过滤单元5的出水口连接积液槽，以将过滤后的水排入积液槽。具体的，积液槽上设有出液口26和进液口25，出液口26与磨料循环过滤单元5具有抽吸口、磨料出口和液体出口。抽吸口与出液口26相连，用于抽吸积液槽内的积水和磨料。经过磨料循环过滤单元5的过滤后，磨料由磨料出口排出至磨料烘干单元6的入口。液体出口与进液口25相连，以将剩余的水排放至积液槽内，实现水循环。在上述循环过程中，由于烘干等因素，积液槽内的水不可避免的会逐渐减少，可通过人工或补水机构向积液槽内补水。

本实施例中，射流工具4固定在六自由度机械臂的末端，可以实现任意姿态的调节。实际加工时，可根据不同的加工需要选择对应的射流工具4，射流工具4在六自由度机械臂的驱动下可实现自动换刀和标定。通过将六自由度机械臂的动作与卡盘22的旋转相结合，并选用所需的射流工具4，可以实现轴类、盘类、孔类、复杂曲面、筒体内壁等多类工件的自动化磨料水射流表面强化加工。磨料循环过滤、烘干、筛分、自动供给实现磨料的自动化循环再利用；磨料自动供给单元8包括多个电子控料阀81，可实现磨料流量的精确供给控制；控制单元3实现射流工具4换刀与标定、加工轨迹运动、高压水供给、磨料供给和磨料循环再利用的总体控制。该自动化加工系统大大提高了磨料水射流表面强化的加工效率，有效降低了生产成本，实现水射流表面强化的自动化加工。

本实施例还提供一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工方法(简称为自动化加工方法)，使用上述的自动化加工系统，包括如下步骤：

1)通过装夹机构对工件进行装夹，并对工件进行坐标系标定。具体装夹方案可根据工件的几何特征进行设计，装夹机构可直接接触工件，也可在装夹机构与工件间设置中间结构。

2)选择与工件加工区域匹配的射流工具4，在机械臂1的辅助下安装射流工具4，并对射流工具4进行坐标系标定。

3)设计磨料水射流表面强化的工艺参数，生成强化加工轨迹。工艺参数包括射流压强、射流靶距、加工轨迹间隔、移动速度和磨料流量。

4)向积液槽内注水并淹没工件。淹没的高度优选为不小于超过5倍的射流靶距，以避免磨料飞溅。

5)向控制单元3输入开始加工的信号。之后，在控制单元3的控制下，自动化加工系统开始进行加工。具体加工过程包括：①首先开启磨料循环过滤单元5和磨料自动供料单元，②携带射流工具4的机械臂1移动至加工轨迹的初始位置，③打开常闭式水开关阀101，④打开高压水增压器10，⑤打开电子控料阀81，⑥运行加工轨迹。

6)将完成强化的工件取出，并进行超声清洗、风干、包装。加工过程完成后，在控制单元3的控制下，自动化加工系统自动停止工作，此时可将完成强化的工件取出。

7)持续进行磨料循环过滤至积液槽内无明显磨料，符合要求的磨料被收集在磨料自动供给单元8的储料罐内，以供下次使用。

本说明书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 (10)

1.一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，包括：

射流工装单元，所述射流工装单元包括工作台和装夹机构，所述装夹机构用于装夹工件，所述工作台具有积液槽，所述积液槽位于所述装夹机构下方；

执行机构，所述执行机构包括机械臂和射流工具；所述射流工具安装于所述机械臂上，以在所述机械臂的驱动下调整射流方向；

磨料循环系统，所述磨料循环系统包括磨料循环过滤单元、磨料烘干单元、磨料振动筛分单元和磨料自动供给单元；所述磨料循环过滤单元连接所述积液槽，以抽吸所述积液槽内的积水并滤出磨料；所述磨料烘干单元连接所述磨料循环过滤单元，用于接收所述磨料并烘干所述磨料；所述磨料振动筛分单元连接所述磨料烘干单元，用于将不符合要求的所述磨料去除；所述磨料自动供给单元分别连接所述磨料振动筛分单元和所述射流工具，用于将符合要求的所述磨料输送至所述射流工具并调节所述磨料的流量；

供水系统，所述供水系统连接所述射流工具，用于向所述射流工具供水；

控制单元，所述控制单元分别与所述射流工装单元、所述执行机构、所述磨料循环系统、所述供水系统通信连接。

2.根据权利要求1所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述装夹机构包括驱动单元和卡盘，所述驱动单元连接所述卡盘，以控制所述卡盘的动作，所述控制单元与所述驱动单元通信连接。

3.根据权利要求1所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述供水系统包括纯水净化器和高压水增压器；所述纯水净化器连接水源，用于净化水流；所述高压水增压器分别连接所述纯水净化器和所述射流工具，用于将净化后的水流增压后输送至所述射流工具。

4.根据权利要求3所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述高压水增压器的出水口处安装有常闭式水开关阀，所述常闭式水开关阀连接有气压系统，以在气压的驱动下开启，所述气压系统与所述控制单元通信连接。

5.根据权利要求1所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，还包括标定单元，所述标定单元包括固定标定尖，所述固定标定尖用于供所述射流工具对齐，以实现所述射流工具坐标系的标定。

6.根据权利要求5所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述射流工具为直喷射流工具、单侧偏转射流工具、双侧偏转射流工具中的一种；

所述标定单元还包括换刀架，所述换刀架上设置有多个放置位，多个所述放置位分别用于放置所述直喷射流工具、所述单侧偏转射流工具和所述双侧偏转射流工具。

7.根据权利要求1所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述磨料自动供给单元包括储料罐、电子控料阀和送料管线；所述储料罐用于接收所述磨料振动筛分单元输出的所述磨料；所述送料管线分别连接所述储料罐和所述射流工具，以将所述储料罐内的所述磨料输送至所述射流工具；所述电子控料阀设置于所述送料管线上，以控制所述送料管线内所述磨料的流量，所述电子控料阀与所述控制单元通信连接。

8.根据权利要求7所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述送料管线包括多个，每个所述送料管线上均设有所述电子控料阀。

9.根据权利要求1所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，其特征在于，所述磨料循环过滤单元的出水口连接所述积液槽，以将过滤后的水排入所述积液槽。

10.一种磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任意一项所述的磨料循环再利用的水射流表面强化自动化加工系统，包括如下步骤：

1)通过装夹机构对工件进行装夹，并对工件进行坐标系标定；

2)选择与工件加工区域匹配的射流工具，在机械臂的辅助下安装射流工具，并对射流工具进行坐标系标定；

3)设计磨料水射流表面强化的工艺参数，生成强化加工轨迹；工艺参数包括射流压强、射流靶距、加工轨迹间隔、移动速度和磨料流量；

4)向积液槽内注水并淹没工件；

5)向控制单元输入开始加工的信号；

6)将完成强化的工件取出，并进行超声清洗、风干、包装。