一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置及方法，它解决了现有技术中喷丸均匀度较差，压力不可控的问题，具有有效减小工件表面粗糙度，提高表面质量的有益效果，其方案如下：复合装置，包括至少一个撞针伸缩驱动机构，撞针伸缩驱动机构包括壳体，壳体设置凹槽，凹槽内设置驱动动力源，壳体内设有穿过壳体设置的撞针，撞针在壳体内通过斜齿轮与驱动动力源连接，壳体底部设置与控制器连接的压力传感器，控制器与驱动动力源连接。

权利要求

1.一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，包括：至少一个撞针伸缩驱动机构，撞针伸缩驱动机构包括壳体，壳体设置凹槽，凹槽内设置驱动动力源，壳体内设有穿过壳体设置的撞针，撞针在壳体内通过斜齿轮与驱动动力源连接，壳体底部设置与控制器连接的压力传感器，控制器与驱动动力源连接；

所述撞针竖直设置，在壳体中设置用于撞针穿过的盲孔；

撞针从上到下依次包括三段，第一段的直径小于第二段的直径，第二段外表面设置与盲孔配合的螺纹，第三段与斜齿轮进行啮合，第一段顶部为球面。

2.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述斜齿轮设于驱动动力源轴的端部。

3.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述压力传感器通过粘结剂固定于壳体的底部。

4.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述驱动动力源通过紧固件与所述的壳体固定。

5.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述驱动动力源的轴线与撞针轴线垂直设置。

6.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述壳体底部设有定位孔，壳体外侧设置外壳，撞针可穿过外壳设置，壳体通过定位孔与外壳实现连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述撞针材料为合金钢。

8.根据权利要求7所述的一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，其特征在于，所述撞针伸缩驱动机构设有至少4个，所有的撞针伸缩驱动机构均设置于外壳内。

9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

1)将压力传感器放置在撞针伸缩驱动机构的底部，用以测量加工过程中撞针伸缩驱动机构所受到的最大压力；

2)未加工工件时，将最大压力值记下，作为自身重力；

3)将设定压力值加上重力值输入控制器中，开始加工工件，在压力传感器测试到的最大压力值大于输入值时，控制器发出指令，驱动动力源正向转动，带动撞针转动，撞针缩回撞针伸缩驱动机构；在压力传感器测试到的最大压力值小于输入值时，控制器发出指令，驱动动力源反向转动，带动撞针转动，撞针伸出撞针伸缩驱动机构。

说明书

一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种零件表面的强化技术，特别是涉及一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置及方法。

背景技术

[0002] 表面强化技术是一种主要用来提高金属件疲劳性能的表面改性技术，已在工业领域得到广阔的应用。它利用冲击力或挤压力等形式的机械作用使金属材料近表面区域产生局部的弹塑性变形，导致在材料表面产生了残余压应力，并使材料显微结构发生改变，增强了其抵抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力。

[0003] 超声波喷丸强化技术(Ultrasonic Shot Peening，USP)是目前最具有前景的金属材料冷加工表面强化处理工艺之一，它不但克服了传统喷丸的不足，且强化效果优于传统喷丸，有更好的工艺可控性。这项技术目前在很多工业领域普遍应用，例如航空航天、汽车、铁路和桥梁结构，这些领域所需的材料需要有很高的强度、疲劳寿命、磨损和腐蚀抗性。在这项工艺中，超声波能被转化为撞针或者弹丸对金属材料表面的高速冲击，使金属表面产生较大的塑性变形，有害残余拉应力得以有效消除，并在金属表面形成残余压应力层；发生表面形变强化，并导致表面晶粒的细化和微观组织的改善；而且喷丸残余应力的存在使裂纹闭合效应增强，有效抑制了疲劳裂纹的扩展。因此，超声波喷丸强化技术可以增加金属表面显微硬度和强度，提高腐蚀抗性以及疲劳性能。

[0004] 由于使用弹丸时，喷丸的动力完全是由超声振动的变幅杆提供，不能发挥超声喷丸的全部优势，而且在喷丸的过程中有着冲击次数，均匀度等明显的不可控因素，尤其对于曲面强化，现有技术只能实现单点冲击，压力不能实现完全可控。因此，急需一种合理有效的复合装置来实现曲面的可控强化。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，该装置通过压力传感器的设置，控制器对驱动电机进行实时控制，可有效减小工件表面粗糙度，提高表面质量。

[0006] 一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置的具体方案如下：

[0007] 一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，包括：

[0008] 至少一个撞针伸缩驱动机构，撞针伸缩驱动机构包括壳体，壳体设置凹槽，凹槽内设置驱动动力源，壳体内设有穿过壳体设置的撞针，撞针在壳体内通过斜齿轮与驱动动力源连接，壳体底部设置与控制器连接的压力传感器，控制器与驱动动力源连接。

[0009] 该复合装置，在工件表面强化工作中，撞针顶部与工件接触，压力传感器为薄膜压力传感器，用于测量工作中机构所受压力变化，可将压力信号转换为电信号，传递到控制器(PLC控制器)，驱动动力源可正反转旋转，通过编程，利用控制器控制撞针的伸缩来将工件所受的最大压力控制在设定值，以满足曲面的加工。

[0010] 其中，为了实现撞针的伸缩运动，所述斜齿轮设于驱动动力源轴的端部，驱动动力源轴与斜齿轮过盈配合，撞针靠近壳体的一个角设置。

[0011] 所述撞针竖直设置，在壳体中设置用于撞针穿过的盲孔，撞针插入到盲孔内进行安装并沿着盲孔上下运动，撞针从上到下依次包括三段，第一段的直径小于第二段的直径，第二段外表面设置与盲孔配合的螺纹，第三段设置斜齿与斜齿轮进行啮合，第一段顶部为球面，用于曲面的加工。

[0012] 所述压力传感器通过粘结剂固定于壳体的底部，该粘结剂可以是胶水。

[0013] 所述驱动动力源通过紧固件与所述的壳体固定，驱动动力源为驱动电机，在壳体上设有与凹槽相通的螺纹孔，紧固件如螺钉通过该螺纹孔与驱动电机进行固定。

[0014] 所述驱动动力源的轴线与撞针轴线垂直设置，以保证撞针伸缩限度不被电机位置所限制，伸缩空间最大。

[0015] 所述壳体底部设有定位孔，壳体外侧设置外壳，撞针可穿过外壳设置，外壳内部设置与定位孔配合的定位凸起，壳体通过定位孔与外壳实现连接，若撞针伸缩驱动机构的数量为4个，则定位孔有12个，每个撞针伸缩驱动机构对应三个定位孔，用销钉穿过定位孔实现壳体与外壳的连接。

[0016] 在外壳的两侧开有多个开孔，驱动电机的电源线和压力传感器的传输线穿过开孔设置，再连接到控制器，控制器设于外壳侧部。

[0017] 所述撞针材料为合金钢，壳体盲孔为螺纹盲孔，这样撞针可通过转动达到伸出和缩进运动，螺纹盲孔内螺纹由顶部至孔深度的三分之一处，使撞针有更大的伸缩空间。

[0018] 所述撞针伸缩驱动机构设有至少4个，所有的撞针伸缩驱动机构均设置于外壳内，这样四个撞针集中设置在外壳顶部的中心位置，工作台带动曲面工件不断移动作业的时候，通过该装置可实现不同位置的受力均匀。

[0019] 在加工曲面工件时，通过控制撞针的伸缩，将工件所受的最大压力控制在设定值。因此，在工作台带动曲面工件不断移动作业的时候，通过该装置可实现不同位置的受力均匀，同时能够减小表面粗糙度，提高表面质量。并且，可安装四个撞针，可有效提高工作效率。

[0020] 为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于曲面加工中压力恒定控制方法，步骤如下：

[0021] 1)将压力传感器放置在撞针伸缩驱动机构的底部，用以测量加工过程中撞针伸缩驱动机构所受到的最大压力；

[0022] 2)未加工工件时，将最大压力值记下，作为自身重力；

[0023] 3)将设定压力值加上重力值输入控制器中，开始加工工件，在压力传感器测试到的最大压力值大于输入值时，控制器发出指令，驱动动力源正向转动，带动撞针转动，撞针缩回撞针伸缩驱动机构；在压力传感器测试到的最大压力值小于输入值时，控制器发出指令，驱动动力源反向转动，带动撞针转动，撞针伸出撞针伸缩驱动机构。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0025] 1)撞针设计为中部螺纹，下端与斜齿轮配合，有利于撞针的转动带动其上下伸缩运动。

[0026] 2)撞针伸缩驱动机构利用电机转动，控制撞针轴向进给，达到伸缩的效果，结构简单，可操作性高。

[0027] 3)压力传感器设在撞针伸缩驱动机构底部，测试加工过程撞针伸缩驱动机构底部所受压力。

[0028] 4)控制器通过设定最大压力值，控制驱动电机转动，保持最大压力值恒定。

[0029] 5)外壳中可安装四个相同伸缩驱动机构，提高加工效率。

附图说明

[0030] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0031] 图1为本发明撞针伸缩驱动机构三维图；

[0032] 图2为本发明中内部结构示意图；

[0033] 图3为撞针伸缩驱动机构剖视图；

[0034] 图4为超声撞针复合装置整体示意图；

[0035] 图中，1、撞针；2、壳体；3、45度斜齿轮；4、驱动电机；5、螺纹孔；6、定位孔；7、电机驱动器；8、控制器；9、薄膜压力传感器；10、撞针伸缩驱动机构；11、外壳。

具体实施方式

[0036] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0037] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0038] 正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置及方法。

[0039] 本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于曲面加工的可控制超声撞针复合装置，包括至少一个撞针伸缩驱动机构，如图1所示，撞针伸缩驱动机构包括壳体，撞针1安装在壳体2顶端的盲孔中，驱动电机4安装在壳体2侧面的凹槽中，利用螺纹孔5，用螺栓将驱动电机4固定，驱动电机4轴端部与45度斜齿轮3过盈配合，45度斜齿轮与撞针1下端斜齿啮合，撞针1随着驱动电机4正反转实现撞针1的伸出与缩回，壳体2底部设置定位孔6，通过定位孔6，用销钉将撞针伸缩驱动机构10与外壳11相连，撞针1采用优质合金钢30CrMnMoTiA，控制器可以是计算机或者带显示屏的PLC控制器。

[0040] 如图2所示，撞针伸缩驱动机构剖视图，所述安装撞针的螺纹孔内螺纹由顶部延伸到孔的深度的三分之一处，使撞针有更大的伸缩空间，驱动电机4轴线和撞针1轴线垂直，以保证撞针1伸缩限度不被驱动电机4位置所限制，伸缩空间最大。

[0041] 如图3所示，超声撞针复合装置包括超声撞针1、薄膜压力传感器9、撞针伸缩驱动机构10、控制器8和外壳11，用胶水将薄膜压力传感器9固定于所述撞针伸缩驱动机构10底部，用来测量工作中装置所受压力变化，薄膜压力传感器9与控制器8相连，用以实时观测控制撞针伸缩驱动机构10底部所受压力，控制器8与电机驱动器7相连，当薄膜压力传感器9测试的最大压力值不等于设定的压力值时，控制器8将信号传递电机驱动器7，进而控制驱动电机4正转或反转。

[0042] 进行加工操作时，首先安装好撞针1，将薄膜压力传感器9用胶水固定于撞针伸缩驱动机构10中壳体底部，然后将撞针伸缩驱动机构10安装在外壳11内。再依次打开控制器8和电机驱动器7，设定压力值之前，先测试撞针伸缩驱动机构10自身的重力，在未加工工件时，将最大压力值记下，作为自身重力，然后在控制器8中设定最大压力值，设定压力值加上重力值输入控制器中，开始加工工件，在薄膜压力传感器测试到的最大压力值大于输入值时，控制器8发出指令，电机驱动器7控制驱动电机4正向转动，带动撞针1转动，撞针1缩回撞针伸缩驱动机构10；在薄膜压力传感器9测试到的最大压力值小于输入值时，控制器8发出指令，电机驱动器7控制驱动电机4反向转动，带动撞针1转动，撞针1伸出撞针伸缩驱动机构10。

[0043] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。