CN105689959A - 可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈*** - Google Patents

可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈*** Download PDF

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赵小辉
赵博
刘宇
彭志刚
张艳君
薛桂连
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Abstract

本发明涉及一种可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，属于金属表面处理领域。包括超声换能器、超声变幅杆、滚压头、电动推杆、压力传感器等。压力传感器通过紧固螺栓固定在内套筒的后端，具有螺纹的轴头固定在压力传感器上，电动推杆紧固在外套筒后盖上，通过推杆的伸缩可以使超声振动***作轴向运动来产生静压力。当负载发生变化时，压力传感器的信号发送到PLC，PLC对实时压力值与预设值进行比较，然后对电动推杆进行伸缩控制，来保持加工过程中静压力的恒定。本发明具有操作简单、精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制的优点。

Description

可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域，特别涉及一种可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***。
背景技术
机械零部件广泛地应用于船舶、车辆、桥梁、压力容器、海洋工程、航空航天、冶金、电力等重要领域，然而这些重要的机械零部件和结构会因疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等问题引起失效，其中疲劳损伤、腐蚀和磨损问题较常见。如由于提速，已使机械零部件疲劳问题成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的重要损伤机制，再如轧钢设备中冷轧辊接触疲劳损伤问题迄今为止也没有得到妥善的解决，而损伤问题在那些存在动态接触摩擦的机械装备中广泛存在并严重的影响它们的使用寿命。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面加工处理新方法，用于保护机械装备可靠地安全运行，延长其有效服役寿命，防止其过早的失效，具有重要的经济和使用价值，有着广泛的应用前景。
超声表面滚压加工方法是新近的一种超声辅助加工技术，与传统的滚压工艺比较，该方法在加工过程中工作头与零件表面摩擦力小，可以获得光洁度高、硬度大及耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能强的优质材料表面。
在超声表面滚压加工过程中，静压力是影响超声表面滚压加工精度的一个较重要因素，合适的静压力不仅可以降低滚压加工表面的粗糙度，还能有效的提高被加工表面的硬度，耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。但在实际的超声表面滚压加工过程中，静压力不能够被准确的测量和控制，特别是在加工偏心轴类工件时，不能始终保证滚压过程中静压力的恒定，从而导致被加工工件表面受力不均，这样就不利于材料表面的强化。当静压力较小时，不能在材料表面产生塑性变形或塑形变形的深度较低，而当静压力过大时，较大的静压力就会抑制滚压头做超声频的机械振动，使得滚压头与材料表面摩擦力增加，材料表面容易出现脱落或划痕，从而使超声表面滚压失去应有的优势和效果。因此，急需一种能够精确控制静压力的滚压加工反馈***，特别是在超声滚压加工过程中保持静压力的恒定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，能够精确测量和控制超声表面滚压加工时的静压力，解决了在加工偏心轴类工件时无法保证滚压加工过程中静压力的恒定，而使加工表面受力不均，表面强化效果不理想等问题，本发明是在超声表面滚压装置基础上引入一种新的滚压加工反馈***，从而实现对于静压力的精确测量和自动化控制。具有操作简单、精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制的优点，提高了超声表面滚压加工时工艺参数的稳定性和可控性。本发明是一种具有自我调节的可在加工过程中精确控制静压力和保持静压力平衡的反馈***。本发明在滚压轴类零件时因轴类零件不可避免的存在偏心等加工误差，可通过此反馈***保持静压力的恒定，从而消除偏心等加工误差对于滚压形成的纳米晶表层粗糙度、组织均匀性及力学性能的有害影响。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，通过导线与电源箱17相连，其特征在于：压力传感器5通过紧固螺栓6固定在内套筒4的内套筒后盖14上，具有螺纹的轴头拧入压力传感器5中心的螺孔内；电动推杆10通过两个螺母9固定在外套筒12的外套筒后盖11上，前端与压力传感器5螺纹连接；内套筒4通过紧固螺钉15与外套筒12连接，超声波振动装置3置于内套筒4内，所述超声波振动装置3由固定连接在一起的变幅杆2和换能器组成，变幅杆2前端的中心处有半球形或半圆柱形凹槽；滚压头16通过内套筒4固定于超声波振动装置3的前端；通过电动推杆10的伸缩使超声振动***3做轴向运动，以产生静压力。
所述的换能器为压电陶瓷换能器。
所述的滚压头16为圆柱体或球体。
所述的电动推杆10是一种将电动机旋转运动转变为推杆直线往复运动的电力驱动装置，由精密滚珠丝杆配合伺服马达组成，伺服马达上安装霍尔线路板，通过霍尔原理准确反馈马达旋转圈数，以实现对推杆进行精确控制的目的，通过推杆的伸缩提供静压力。
所述的压力传感器5把压力信号转变成电信号，并把收集到的信号传递给PLC，以此来调节加工时静压力的恒定。
所述的电源箱17上有压力显示器18、电源开关19、调零按钮20、压力调节旋钮21、电流调节旋钮22、电流电压振幅显示器23，在滚压加工前进行调零，然后设定加工时所需的静压力。
所述的外套筒12的外部设置执行开关7、电源插口8、夹块13
本发明的有益效果在于：实现了超声表面滚压加工时静压力的准确显示和精确控制，具有操作简单、精确度高、运行平稳、可实现同步自动化控制的优点，提高了超声表面滚压加工时工艺参数的可控性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电源箱的结构示意图；
图3为本发明的压力传感器的主视示意图；
图4为本发明的压力传感器的侧视示意图；
图5为现有技术加工的偏心轴类零件周向硬度分布曲线图；
图6为本发明加工的偏心轴类零件周向硬度分布曲线图。
图中：1、工件；2、变幅杆；3、超声波振动装置；4、内套筒；5、压力传感器；6、紧固螺栓；7、执行开关；8、电源插口；9、螺母；10、电动推杆；11、外套筒后盖；12、外套筒；13、夹块；14、内套筒后盖；15、紧固螺钉；16、滚压头；17、电源箱；18、压力显示器；19、电源开关；20、调零按钮；21、压力调节旋钮；22、电流调节旋钮；23、电流电压振幅显示器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，包括换能器、变幅杆、滚压头、电动推杆、压力传感器等，压力传感器5通过紧固螺栓6固定在内套筒4的内套筒后盖14上，具有螺纹的轴头可以拧入压力传感器5中心的螺孔内；电动推杆10通过两个螺母9固定在外套筒12的外套筒后盖11上，前端与压力传感器5螺纹连接；内套筒后盖14和外套筒后盖11具有螺纹，而内套筒4和外套筒12内有与之相对应的螺纹，这样就把后盖固定在其后面，并通过紧固螺钉15固定，超声波振动装置3置于内套筒4内，所述超声波振动装置3由固定连接在一起的变幅杆2和换能器组成，变幅杆2前端的中心处有半球形或半圆柱形凹槽，变幅杆2为半波长超声变幅杆；滚压头16通过内套筒4固定于超声波振动装置3的前端。超声滚压加工时可将球体或圆柱体放入凹槽中使用。内套筒4和外套筒12上有八个通风口利于超声波振动***3的散热。
通过电动推杆10的伸缩可以使超声振动***3做轴向运动，以此来产生加工时的静压力，通过导线与电源箱17相连，电源箱一方面将工频交流电转换为超声振荡，为超声滚压装置提供能量，另一方面通过处理压力传感器的信号来调控电动推杆的伸缩，使静压力达到预设值并保持恒定。压力传感器可以通过数字转换精确的显示出加工时静压力的大小，而当负载发生变化时，压力传感器将信号发送到PLC，PLC对压力实时值与预设值进行比较，然后对电动推杆进行伸缩控制，来保持加工过程中静压力的恒定。
所述的换能器为压电陶瓷换能器。
所述的滚压头16为圆柱体或球体的滚柱或滚球。
所述的电动推杆10是一种将电动机旋转运动转变为推杆直线往复运动的电力驱动装置，由精密滚珠丝杆配合伺服马达组成，伺服马达上安装霍尔线路板，通过霍尔原理准确反馈马达旋转圈数，以实现对推杆进行精确控制的目的，通过推杆的伸缩提供加工时所需的稳定可控的静压力。
所述的压力传感器5可以把压力信号转变成电信号，并把收集到的信号传递给PLC，以此来调节加工时静压力的恒定。
所述的电源箱17上有压力显示器18、电源开关19、调零按钮20、压力调节旋钮21、电流调节旋钮22、电流电压振幅显示器23，在滚压加工前进行调零，然后设定加工时所需的静压力。
所述的外套筒12的外部设置执行开关7、电源插口8、夹块13，便于在加工时固定超声表面滚压装置。
所述的静压力自动调控是在加工负载发生变化时，压力传感器将采集的信号发送到PLC，PLC对静压力实时值与预设值进行比较，通过对信号的处理控制推杆的伸缩以达到压力的预设值，从而保证加工时静压力的恒定。
所述的压力传感器5上有八个螺孔，内套筒后盖14上有相同尺寸和数量的螺孔，压力传感器5通过紧固螺栓6固定在内套筒后盖14上。所述的电动推杆10的轴头和外壳都具有螺纹，轴头拧入压力传感器5的中心螺孔上，所述的外套筒后盖11中心有一螺孔，电动推杆10通过两个螺母固定于外套筒后盖11上。通过推杆的伸缩可实现超声波振动***3在壳体内做轴向运动，以此来产生静压力。
所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***在工作状态时，超声波振动***3沿轴线方向做超声频机械振动，滚压头16做超声振动，并对工件做超声滚压加工处理。
所述的电动推杆10是一种将电动机旋转运动转变为推杆直线往复运动的电力驱动装置，本发明使用的是精密滚珠丝杆配伺服马达，在伺服马达轴上安装霍尔线路板，当负载发生变化时，压力传感器5采集到变化信息，并将采集的信号发送到PLC，PLC作为中央处理器对反馈来的信号进行分析处理，对压力实时值与预设值进行比较，然后将指令发送到电动推杆10上的霍尔元件上，并通过霍尔原理来准确反馈马达旋转圈数，以实现对推杆进行精确的控制，通过推杆的伸缩使得静压力实时值恢复到原设定的压力值，以此保持滚压加工过程中静压力的恒定。
如图2所示，所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***通过导线与电源箱17相连，所述的电源箱17一方面将工频交流电转换为超声振荡，为超声滚压装置提供能量，另一方面通过处理压力传感器的信号来调控电动推杆的伸缩，从而调节静压力，使静压力实时值达到预设值并保持恒定。所述的电源箱17上有压力显示器18、电源开关19、调零按钮20、压力调节旋钮21、电流调节旋钮22、电流电压振幅显示器23。
本发明在实际使用时，将超声滚压装置通过外套筒12上的夹块13用螺栓固定在机床上。先打开电源开关19，通过调节车床横向进给的手轮使滚压头16与工件1相接触，停止机床，按调零按钮20调节静压力为零，旋转压力调节旋钮21进行静压力的设定，在压力显示器18上会显示出设定的压力值，调到预定值后，调节电流使超声滚压***达到滚压加工时所需要的振幅，之后打开超声滚压装置的执行开关进行滚压加工。
下面是现有和本发明反馈***的超声表面滚压装置对相同材料的偏心轴类工件进行表面强化处理的对比。
实施例一
使用现在技术对镁合金轴类工件表面进行处理。本实例中滚压加工的是存在加工偏心误差的轴类零件（轴类零部件采用机床加工时会存在微小的偏心误差，或者实际应用中存在一些偏心轴类零部件需要做滚压纳米加工处理）。滚压加工采用球状的工作头在工件表面滚动。
本实例中，各主要技术参数为：机床主轴转速为250r/min，冲击工作头进给量为10mm/min，静压力为100N，加工往返5次，选用乳化冷却液作为润滑液，工作头选用轴承钢，直径为15mm，工作头输出超声振幅为10μm。
本实例加工结果：由于偏心的存在，轴类零部件两侧受力大小不一致，一侧受力较为理想，该侧滚压效果较好，另一侧因偏心的存在，滚压力较大，滚压效果较差，已经在表面出现凹坑，其表面比较粗糙，甚至不如滚压前的效果。通过高精度电感表面粗糙度测试仪测量的两侧粗糙度Ra平均值约为1.2μm。
实施例二
本发明反馈***的超声表面滚压装置对实例一所述的偏心镁合金轴类工件表面进行处理，首先进行静压力调零处理，然后设定好加工时所需要的静压力（预设值），本次加工仍采用球状的工作头在工件表面滚动。
本实例的各主要参数与实例一相同
本实例加工结果：使用包含本发明反馈***的超声表面滚压装置处理的镁合金偏心轴类工件表面非常光滑，通过高精度电感表面粗糙度测试仪测量的粗糙度Ra约为0.2μm。
通过实施案例一和实施案例二的表面粗糙度值的对比，可发现实用本发明反馈***的超声表面滚压装置可以很大程度上减少表面粗糙度，因为在整个加工过程中本发明反馈***能够使得静压力不受偏心的影响而一直保持恒定。可见在超声表面滚压过程中保持静压力的恒定对被加工表面的粗糙度有很大的影响。
实施例三
对未包含本发明反馈***的超声表面滚压装置加工的镁合金偏心轴类零件进行周向的硬度测定。
本实例采用布氏硬度计测量未包含本发明反馈***的超声表面滚压装置加工的镁合金轴类工件表层显微硬度。沿周向约每隔30°测量一次，最后得到该种处理方式镁合金周向显微硬度分布曲线。
本实例得到的硬度分布曲线如图5所示，可以直观的看出，从0°-180°硬度分布极其不均匀，且整体上硬度值相对较低，并未完全在材质表面实现纳米强化层。这充分说明由于偏心的存在，使得加工静压力在轴类零件的一侧不稳定。而曲线从180°-360°硬度分布基本均匀，且硬度值整体较高，是母材的1.5-2倍，这说明在该侧的实际静压力值和预设值是基本一致的，静压力在滚压过程中基本恒定。
实施例四
同样的方法对包含本发明反馈***的超声表面滚压装置加工的镁合金偏心轴类零件进行周向的硬度测定。
本实例得到的硬度分布曲线如图6所示，可以直观的看出，从0°-360°的硬度分布都非常均匀，硬度值整体较高，约为母材的2倍，这说明本发明的反馈***通过实时的控制实际静压力值与预设值相同，能够保证超声表面滚压纳米强化的质量，从而实现加工偏心轴类零部件的目的。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，通过导线与电源箱（17）相连，其特征在于：压力传感器（5）通过紧固螺栓（6）固定在内套筒（4）的内套筒后盖（14）上，具有螺纹的轴头拧入压力传感器（5）中心的螺孔内；电动推杆（10）通过两个螺母（9）固定在外套筒（12）的外套筒后盖（11）上，前端与压力传感器（5）螺纹连接；内套筒（4）通过紧固螺钉（15）与外套筒（12）连接，超声波振动装置（3）置于内套筒（4）内，所述超声波振动装置（3）由固定连接在一起的变幅杆（2）和换能器组成，变幅杆（2）前端的中心处有半球形或半圆柱形凹槽；滚压头（16）通过内套筒（4）固定于超声波振动装置（3）的前端；通过电动推杆（10）的伸缩使超声振动***（3）做轴向运动，以产生静压力。
2.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的换能器为压电陶瓷换能器。
3.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的滚压头（16）为圆柱体或球体。
4.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的电动推杆（10）是一种将电动机旋转运动转变为推杆直线往复运动的电力驱动装置，由精密滚珠丝杆配合伺服马达组成，伺服马达上安装霍尔线路板，通过霍尔原理准确反馈马达旋转圈数，以实现对推杆进行精确控制的目的，通过推杆的伸缩提供静压力。
5.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的压力传感器（5）把压力信号转变成电信号，并把收集到的信号传递给PLC，以此来调节加工时静压力的恒定。
6.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的电源箱（17）上有压力显示器（18）、电源开关（19）、调零按钮（20）、压力调节旋钮（21）、电流调节旋钮（22）、电流电压振幅显示器（23），在滚压加工前进行调零，然后设定加工时所需的静压力。
7.根据权利要求1所述的可自动调控静压力的超声表面滚压加工反馈***，其特征在于：所述的外套筒（12）的外部设置执行开关（7）、电源插口（8）、夹块（13）。
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