CN210849479U - 一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备，包括床身、X轴导轨、X轴伺服滑块、第一驱动装置、Y轴导轨基座、Y轴导轨、Y轴伺服滑块、第二驱动装置、Y’轴导轨、试样装夹机构、单向气缸活塞。所述X轴导轨设置在所述床身上；所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；所述第一驱动装置驱动所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；所述Y轴导轨基座固定在所述X轴伺服滑块上；所述Y轴导轨设置在Y轴导轨基座上；本实用新型在提高同批试拉伸样件的可靠性、一致性的同时，提高了拉伸试样件制备生产效率的专用设备。

Description

一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备

技术领域

本实用新型属于拉伸试样件加工领域，尤其涉及一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备。

背景技术

航空材料测试领域，对于材料拉伸试样件，由于大部分属于轴类回旋加工零件，包括外圆的车、磨加工(切削速度，车：约50-300米/分钟，磨：约1000-2000米/分钟)，属于与轴线成空间正交的加工轨迹，从而产生环状加工纹路及相应的加工应力层。

据有关研究表明：切削层包含三种不同的区域，分别是大变形的纳米结构表面层，小变形的亚表面层和未受影响的基体层。亚表面层是由加工释放的机械热驱动的，从而造成由多余剪力形成的塑性和晶体细化作于切削表面。而且切削加工，在切削方向随着切削速度的增加，残留应力由压应力逐步改变为拉应力；但在进给方向，始终残留为压应力，这种压应力与拉伸方向垂直。

包括外圆磨削对轴类拉伸试样件加工很可能产生的烧伤和环形裂纹，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。这些与拉伸方向垂直的裂纹和应力均对拉伸试样的拉伸物理力学性能指标测试产生不利影响，使测试数据不能真实表征材料的实际性能。

业内通常的处理办法，是加工拉伸试样件时在直径方向按公差上限再预留0.01-0.02mm，然后采用人工方式，用800-2000#的砂纸，手工对拉伸试样件使用区域进行轴向打磨，除去这0.01-0.02mm左右的大变形的纳米结构表面应力层，再开始作拉伸(蠕变)性能测试。这样的操作，存在效率低下，劳动强度大，试样稳定性、一致性差的状况。

本发明的目的，就是为了解决上述问题，设计一种去除拉伸试样件表面加工应力装置及其方法尽量保证原始材料状态真实性，提高同批试拉伸样件的可靠性、一致性的同时，提高了拉伸试样件制备的生产效率的专用设备。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，一种去除轴类拉伸试样件工作区加工表面大变形的纳米结构表面应力层的专用设备和方法。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案是，

一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备，包括

床身；

X轴导轨，所述X轴导轨设置在所述床身上；

X轴伺服滑块，所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；

第一驱动装置，所述第一驱动装置驱动所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；

Y轴导轨基座，所述Y轴导轨基座固定在所述X轴伺服滑块上；

Y轴导轨，所述Y轴导轨设置在Y轴导轨基座上；

Y轴伺服滑块，所述Y轴伺服滑块沿所述Y轴导轨移动，所述Y轴伺服滑块上设置有主轴机座和磨头电主轴、夹头和磨头；

第二驱动装置，所述第二驱动装置驱动所述Y轴伺服滑块沿所述Y轴导轨移动；

Y’轴导轨，所述Y’轴导轨设置在所述床身上，所述Y’轴导轨与所述Y轴导轨平行；

试样装夹机构，所述试样装夹机构沿所述Y’轴导轨运动；

单向气缸活塞，所述单向气缸活塞设置在所述床身上，所述单向气缸活塞向所述试样装夹机构在Y轴向反方向施加恒定推力。

进一步的，所述试样装夹机构包括

Y’轴导轨滑块，所述Y’轴导轨滑块沿所述Y’轴导轨移动；

轨道架，所述轨道架设置在Y’轴导轨滑块上，随Y’轴导轨滑块一起移动；

旋转进给总成；

工件顶紧总成，所述旋转进给总成的主轴轴线与工件顶紧总成的轴线共线并与X轴平行，装卡定位后的工件轴线与X轴平行。

进一步的，所述旋转进给总成包括头架、前端带顶尖的头架主轴、轴承、推力轴承、联轴器、A轴伺服电机组成；所述头架固定在所述轨道架上。

进一步的，所述工件顶紧总成包括尾架、尾座顶尖部件、双向气缸、双向气缸活塞组成；所属尾座顶尖部件包括尾顶尖座、顶尖、轴承、推力轴承组成；所述尾架在所述轨道架上移动和定位。

进一步的，所述第一驱动装置包括X轴伺服电机、螺纹杆和设置在所述X轴伺服滑块的螺纹孔，所述X轴伺服电机驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆与所述X轴伺服滑块的螺纹孔配合。

进一步的，所述第二驱动装置包括Y轴伺服电机、螺纹杆和设置在所述Y轴伺服滑块的螺纹孔，所述Y轴伺服电机驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆与所述Y轴伺服滑块的螺纹孔配合。

进一步的，还包括第一行程接近开关和第二行程接近开关；所述第一行程接近开关设置在试样装夹机构行程的起始位置，所述第二行程接近开关设置在试样装夹机构行程的结束位置。

本发明的有益效果：

1、采用与轴向拉伸类试样前期加工产生的环状加工纹垂直的磨削方向加工去除原加工纹及表面硬化层的同时，低速切削不产生新的加工应力，特别避免与拉伸方向垂直的裂纹造成的应力集中问题产生的过早失效断裂，让材料的轴向拉伸性能指标在测试中被真实的表征。实现去除拉伸类试样件表面加工应力的全自动机械加工，提高了工作效率，降低工人劳动强度，保证试样件稳定性，避免试样件一致性差的状况；

2、磨头在加工过程中在Y轴方向对工件始终保持恒定压力，恒定压力补偿了柔性磨头的加工损耗及尺寸误差所造成的磨削量不均。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的磨头与试样件的加工运动原理图；

图2为本实用新型可编程控制器的运动控制原理图；

图3为第一行程接近开关和第二行程接近开关的信号状态图；

图4为本实用新型实施例结构示意图；

图5为本实用新型实施例数控伺服轴相互坐标位置关系及运动示意图；

图6为本实用新型实施例示意图左视图；

图7为本实用新型实施例示意图A-A剖视图；

图8为本实用新型实施例示意图B-B剖视图；

图9为本实用新型实施例示意图E-E剖视图；

其中，1.轨道架，2.尾架，3.双向气缸，4.拉伸试样件，5.床身，6.Y伺服轴导轨的基座，7.磨头主轴机座，8.磨头电主轴，9.单向气缸活塞，10.单向气缸，11.双向气缸活塞，12.尾顶尖座，13.顶尖，14.轴承，15.推力轴承，16.头架，17.头架主轴，18.A轴伺服电机，19.联轴器，20.Y’轴导轨，21.X轴导轨，22.Y’轴导轨滑块，23.Y轴导轨，24.Y轴伺服滑块，25.X轴伺服滑块，26.X轴伺服电机，27.Y轴伺服电机，28.伺服电机座，29.磨头，30.第一行程接近开关，31.第二行程接近开关，32.X轴丝杆，33.Y轴丝杆，34.夹头。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2、图4所示

一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备，属于机、电、气一体化设备。最少3轴(XYA)运动控制器控制，由电气控制系统(包括具有HMI界面的可编程控制器，伺服驱动器，伺服电机，行程接近开关，常规电器元件等组成)和气动系统(包括精密调压阀，手动换向阀，气压表、双向气缸，单向气缸等气压原件组成)和机械系统的床身5，床身5上的(纵向)X轴导轨21，(纵向)X轴导轨21上有X轴伺服滑块25、X轴伺服电机26，床身上的(横向)Y’轴导轨20，可在Y’导轨上横向浮动的试样装夹机构，和叠加在X轴伺服滑块25上的Y轴导轨基座6、Y轴伺服电机27及和(横向)Y轴导轨23、Y轴伺服滑块24及Y轴伺服滑块24上固定的主轴机座7，磨头主轴基座7上安装的磨头电主轴8，磨头电主轴8下端固定的夹头34；夹头上装卡的直径5-20的柔性磨头29等组成。

加工运动原理如图1所示，

该设备的加工运动是由磨头旋转主运动Cp、工件旋转进给Cf 2个旋转运动副，加上其磨头进给为Xf和Yf两个垂直方向运动和工件在Y向受到磨头的压力F作用，固定工件的试样装夹机构下端受F’作用可在在Yf进给方向平行的Y’f运动至少3个平移运动副，需要5个以上运动副的机械结构执行，完成对工件表面的相切法(旋切法)加工，除去拉伸试样件(以后均称为工件)的环状加工纹的表面0.01-0.02应力层。

上述试样装夹机构，由轨道架部件、固定在轨道架部件上的旋转进给总成、可沿轨道架部件上的轨道移动并定位的工件顶紧总成三大部分组成，来完成对工件的定位装卡和旋转进给功能。

旋转进给总成，图9所示，由头架16、前端带顶尖的头架主轴17、轴承14、推力轴承15、联轴器19、A轴伺服电机18组成；旋转进给总成由头架16固定在轨道架1上。由A轴伺服电机18通过联轴器19驱动头架主轴17旋转，并通头架主轴17其前端顶尖与工件4端部中心孔的摩擦力带动工件执行分度、旋转动作。

工件顶紧总成，由尾架2、尾座顶尖部件、双向气缸3、双向气缸活塞11组成；尾座顶尖部件又由尾顶尖座12、顶尖13、轴承14、推力轴承15组成。工件顶紧总成由尾架2在轨道架1上移动和定位。可移动的工件顶紧总成适用于不同长度的工件；尾座顶尖部件的尾部与双向气缸的活塞11连接，尾座顶尖部件内的顶尖13可自由旋转，尾座顶尖部件外园与尾架2内孔为滑动配合，由换向阀控制气缸的前后动作下可对工件执行顶紧和放松的动作功能。

该试样装夹机构中的轨道架部件由轨道架1和Y’导轨滑块22组成，Y’导轨滑块22使试样装夹机构可在上述与Y轴平行的装在床身上的Y’轴导轨20上横向浮动。该试样装夹机构上工件旋转进给总成的主轴轴线与工件顶紧总成上的尾座顶尖的轴线共线并与轨道架的轨道、X轴平行，因此装卡定位后的工件轴线即A轴伺服轴与X轴平行。

工件4两端由中心孔被顶在试样装夹机构的旋转进给总成和工件顶紧总成的两个顶尖17、13之间；由旋转进给总成的A轴伺服电机18通过联轴器19驱动头架主轴17旋转，并通过头架主轴17其前端顶尖与工件4端部中心孔的摩擦力带动工件执行分度、旋转功能动作。尾座顶尖部件内的顶尖可自由旋转，尾座顶尖部件外园与尾架内孔为滑动配合，工件顶紧总成的尾座顶尖部件的尾部与双向气缸活塞11连接，并在双向气缸活塞的动作下可对工件执行顶紧和防松的功能动作。

床身上试样装夹机构的轨道架部件正面还固定有单向气缸10，床身上在单向气缸的对面，轨道架部件的另一侧还装有限位块32和第一行程接近开关30；床身上单向气缸9的同侧装有第二行程接近开关31。

其特点在于磨削时，浮动的轨道架部件受单向气缸活塞9在Y向的反方向施加的恒定推力F’作用，该力平衡抵消工件4在Y向受到磨头29施加的压力F，即在不考虑Y’导轨平移运动副的摩擦力时，磨头29在加工过程中在Y向对工件4始终保持的压力F就是单向气缸设定的恒定压力F’，F＝-F’。

上述单向气缸活塞9恒定推力F’用于补偿柔性磨头的加工损耗及尺寸误差所造成的磨削量不均。设定的单向气缸力10恒定推力的大小决定了磨削加工过程中柔性磨头29对工件4加工面的磨削力大小。

其特点在于所采用的低线速(20-40米/分钟)磨削加工过程中，磨头29进给由上述X、Y两轴伺服系统驱动。磨头29旋转轴线与拉伸试样件4回旋轴线成空间垂直状态，加工轨迹接近拉伸试样件的拉伸方向,相切法除去拉伸试样件的环状加工纹路的表面应力层。

开始工作前，根据工件长度，调整工件顶紧总成的顶尖到头架的距离略小于工件长度5-10mm，然后在轨道架锁紧固定工件顶紧总成。扳动换向阀，工件顶紧总成上的双向气缸活塞11后退，向后拉动尾座顶尖部件，放上工件，扳动换向阀，工件顶紧总成上的双向气缸活塞11前顶，推动工件顶紧总成的顶尖部件向前顶住工件。

工作时，根据加工工件材质，加工量通过精密调压阀设定单向气缸10的压力，在磨头29未接触工件加工区域时，装卡工件4的试样装夹机构被单向气缸推在限位块32止定位置，图3所示，此时的第一行程接近开关30处于开通状态，第二行程接近开关31处于关闭状态，系统程序判定处于准备状态。

启动加工程序后，程序控制XY伺服驱动磨头29向工件4设定的加工初始位运动，直到磨头推动装卡工件4的试样装夹机构在Y轴方向移动一定距离，第一行程接近开关30进入关闭状态，并且第二行程接近开关31处于关闭状态后，此时系统程序判定进入磨削状态。

当第一行程接近开关30进入关闭状态，当第二行程接近开关进入开通状态时，系统程序判定进入超程状态，程序强制执行磨头在Y向后退命令。

由于采用3轴以上运动控制系统，加工过程可采用XY+A的两轴联动方式和XYA三轴联动方式进行。

XY+A的两轴联动方式程序运作如下：

进入磨削状态后磨头在X、Y方向的插补运动在数控模式下按工件加工区域在XY平面的轮廓投影进行，磨头29按系统程序完成一次XY的插补运动的X方向行程后，沿Y向离开工件4。

轨道架1再次被单向气缸推在限位块32止定位置，第一行程接近开关30处于开通状态，第二行程接近开关30处于关闭状态，系统程序判定处于准备状态。

系统程序让旋转进给总成的伺服电机18的驱动工件4旋转一个设定角度，磨头29再次沿Y轴进给推动工件，直到第一行程接近开关30进入关闭状态，第二行程接近开关30处于关闭状态，系统程序判定处于磨削状态，按系统程序按工件轮廓轴插补运动完成下一次磨削，如此不断重复，直到工件完成整个圆周的均匀磨削过程，该加工方式的特征是加工状态是按圆周分度次数多次由准备状态进入加工状态来完成的，加工纹理成过工件轴线的平面与加工面的交线成平行方向。

XYA的三轴联动方式程序运作如下：

进入磨削状态后，磨头29旋转并在X、Y方向的插补运动在数控模式下按工件4加工区域在XY平面的轮廓投影进行，同时A轴连续驱动工件4转动，磨头29按系统程序完成一次XY的插补运动的X方向行程后，沿Y向离开工件4，磨头29在工件4的加工区域的加工轨迹成单头变径螺旋线状态。加工轨迹可成多头变径螺旋线，比如n头螺旋线，即需要磨头29按系统程序完成一次XY的插补运动的X方向行程后，沿Y向离开工件4后，程序控制工件转(360/n)°后再作1次进给，磨头29沿Y向进给进入磨削状态后完成一次XY的插补运动的X方向行程后，沿Y向离开工件，如此循环n次后即可。该加工方式的特征是圆周分度次数即加工的状态由准备状态进入加工状态变化次数，也就是螺旋线头数，加工纹理成过工件轴线的平面与加工面的交线成交叉角度方向。XYA三轴的联动速度越小，磨头转速越快，螺旋线头数越多，上述交叉角度越小，加工纹理亦越接近拉伸试样件4的拉伸方向。

磨削完成后，扳动换向阀，工件顶紧总成的双向气缸活塞11后退，向后拉动尾座顶尖部件，即松开工件，卸下工件。

磨头29直径的选择保证始终小于被加工的工件4的加工段曲线的最小曲率半径乘以2；其转速根据其直径大小的不同，在500-2000RPM范围。最佳的，最佳的磨头直径在10-16mm范围，其加工线速在控制在20-40米/分钟。

优选的是，XY+A的两轴联动时的工件分度数根据工件直径大小为24—72为最佳，单件加工节拍在15—25分钟内。

优选的是，双向气缸11选用30mm以上的缸径，以便于在一般的0.8MPa下获得50Kgf上的稳定压力，以适合工件的顶紧力来保证获得工件旋转的摩擦力需求。

优选的是，单向气缸10选用12mm以下的缸径，以便于在一般的0.8MPa压缩空气在精密调压阀下单向气缸活塞获得5Kgf内的稳定推力，以适合柔性磨头的磨削条件。

优选的是，试样的前期加工，如采用精密数控车加工，在表面粗糙度Ra0.8-1.6的条件下，应按图纸外径尺寸公差的上差方向加0.01～0.02(mm)；如采用外园磨加工，在表面粗糙度Ra0.8-0.4的条件下，应按图纸外径尺寸公差的上差方向加0.005～0.01(mm)，以适合本设备的加工预留量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：包括

床身；

X轴导轨，所述X轴导轨设置在所述床身上；

X轴伺服滑块，所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；

第一驱动装置，所述第一驱动装置驱动所述X轴伺服滑块沿所述X轴导轨移动；

Y轴导轨基座，所述Y轴导轨基座固定在所述X轴伺服滑块上；

Y轴导轨，所述Y轴导轨设置在Y轴导轨基座上；

Y轴伺服滑块，所述Y轴伺服滑块沿所述Y轴导轨移动，所述Y轴伺服滑块上设置有主轴机座和磨头电主轴、夹头和磨头；

第二驱动装置，所述第二驱动装置驱动所述Y轴伺服滑块沿所述Y轴导轨移动；

Y’轴导轨，所述Y’轴导轨设置在所述床身上，所述Y’轴导轨与所述Y轴导轨平行；

试样装夹机构，所述试样装夹机构沿所述Y’轴导轨运动；

单向气缸活塞，所述单向气缸活塞设置在所述床身上，所述单向气缸活塞向所述试样装夹机构在Y轴方向施加恒定推力。

2.根据权利要求1所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：所述试样装夹机构包括

Y’轴导轨滑块，所述Y’轴导轨滑块沿所述Y’轴导轨移动；

轨道架，所述轨道架设置在Y’轴导轨滑块上，随Y’轴导轨滑块一起移动；

旋转进给总成；

工件顶紧总成，所述旋转进给总成的主轴轴线与工件顶紧总成的轴线共线并与X轴平行，装卡定位后的工件轴线与X轴平行。

3.根据权利要求2所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：所述旋转进给总成包括头架、前端带顶尖的头架主轴、轴承、推力轴承、联轴器、A轴伺服电机组成；所述头架固定在所述轨道架上。

4.根据权利要求2所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：所述工件顶紧总成包括尾架、尾座顶尖部件、双向气缸、双向气缸活塞组成；所属尾座顶尖部件包括尾顶尖座、顶尖、轴承、推力轴承组成；所述尾架在所述轨道架上移动和定位。

5.根据权利要求1-4任一所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：所述第一驱动装置包括X轴伺服电机、螺纹杆和设置在所述X轴伺服滑块的螺纹孔，所述X轴伺服电机驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆与所述X轴伺服滑块的螺纹孔配合。

6.根据权利要求1-4任一所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：所述第二驱动装置包括Y轴伺服电机、螺纹杆和设置在所述Y轴伺服滑块的螺纹孔，所述Y轴伺服电机驱动所述螺纹杆旋转，所述螺纹杆与所述Y轴伺服滑块的螺纹孔配合。

7.根据权利要求1-4任一所述去除拉伸试样件表面加工应力的设备，其特征在于：还包括第一行程接近开关和第二行程接近开关；所述第一行程接近开关设置在试样装夹机构行程的起始位置，所述第二行程接近开关设置在试样装夹机构行程的结束位置。

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