基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的數(shù)控超聲波噴丸工藝方法
【專利摘要】一種基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的超聲波噴丸工藝方法，屬于噴丸加工【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法基于普通三軸數(shù)控機(jī)床，將超聲波噴丸過程中撞針沖擊到材料表面反彈后的沖擊力作為監(jiān)測信號，通過陶瓷電容式壓力傳感器和壓力動態(tài)測量系統(tǒng)對比分析實(shí)時壓力信號與規(guī)定信號的差距，進(jìn)而驅(qū)動升降工作臺伺服電機(jī)動作使壓力信號逼近規(guī)定信號，使得噴丸區(qū)域材料所受沖擊力大小保持穩(wěn)定；待噴件變形過程中，工件通過克服動態(tài)夾緊裝置在XYZ方向移動所需的橡膠摩擦力延展或收縮，使夾緊裝置實(shí)時適應(yīng)待噴件裝夾點(diǎn)的空間位置。該方法能夠使得各區(qū)域噴丸強(qiáng)度與工藝規(guī)定的理論值一致，實(shí)現(xiàn)高精度噴丸成形與強(qiáng)化的效果，在大型航空結(jié)構(gòu)件的噴丸加工方面有較高的可行性和實(shí)用性。
【專利說明】基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的數(shù)控超聲波噴丸工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及先進(jìn)噴丸【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是能對具有復(fù)雜幾何特征的整體噴丸工件進(jìn)行等強(qiáng)度超聲波噴丸強(qiáng)化、成形或校形。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波噴丸(USP)是一種新型的表面改性方法，該技術(shù)利用超聲振動機(jī)械能驅(qū)動彈丸或撞針對金屬表面高速撞擊，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸，引入殘余壓應(yīng)力的同時，逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的彎曲變形而達(dá)到所需外形的一種先進(jìn)噴丸成形與強(qiáng)化工藝。與傳統(tǒng)噴丸相比，超聲波噴丸能獲得更大的硬化層深度和壓應(yīng)力值，且工件表面粗糙度精度良好，同時其具有容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)、成形工序簡單等優(yōu)勢，因此在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，具有十分重要的研究價值。為了充分利用超聲波噴丸技術(shù)裝備簡單靈活的特點(diǎn)及其高質(zhì)量的成形與校形能力，隨著數(shù)控技術(shù)的引進(jìn)，數(shù)控超聲波噴丸技術(shù)逐漸成為超聲波噴丸技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，使其在大尺寸、復(fù)雜幾何特征的金屬板件處理方面實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CNC —體化，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]目前，雖然國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)中多次提到數(shù)控超聲波噴丸技術(shù)，但相關(guān)的設(shè)備功能仍不完善。國外專業(yè)噴丸公司曾公開其研制的工業(yè)機(jī)器人手臂和超聲波噴丸技術(shù)相結(jié)合的數(shù)控超聲波噴丸設(shè)備，能夠保證撞針的沖擊方向始終與金屬表面垂直，但因機(jī)器人手臂的加工范圍和剛度問題，導(dǎo)致待噴工件尺寸大小和材料有限，無法滿足航空航天制造業(yè)類似高強(qiáng)度整體壁板工件的噴丸要求。數(shù)控超聲波設(shè)備的研制瓶頸主要在于以下幾個方面:①對于幾何特征較為復(fù)雜或幾何尺寸較大的航空航天結(jié)構(gòu)件，持續(xù)的噴丸過程使得材料在垂直于沖擊方向的平面上延伸或收縮，并且凸起變形作用會將工件邊緣各點(diǎn)向沖擊方向上發(fā)生位移，給工件噴丸前的裝夾帶來困難；②由于超聲波噴丸技術(shù)中撞針的振幅A較小、速度V較高，因此在有效沖擊范圍內(nèi)，沖擊力對受噴區(qū)域在沖擊方向的位移特別敏感，容易造成實(shí)際沖擊強(qiáng)度和事先規(guī)定的沖擊強(qiáng)度不一致，導(dǎo)致同一批噴丸工件的處理效果不一致，且無法保證工件噴丸工藝規(guī)劃與噴丸效果的穩(wěn)定關(guān)系；③對于薄板工件的成形和校形過程中，隨超聲波噴丸工具頭的移動，工件一直處于振動和變形狀態(tài)，要求超聲波噴丸工具頭根據(jù)板料的變形自動調(diào)整沖擊方向的位置，保證對規(guī)劃區(qū)域的有效沖擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決數(shù)控超聲波噴丸技術(shù)研制中的問題，本專利提出了一種采用普通三軸數(shù)控機(jī)床即可對復(fù)雜工件進(jìn)行超聲波噴丸強(qiáng)化、成形或校形的工藝方法。本發(fā)明的目的在于將超聲波噴丸強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為撞針對變幅桿的壓力信號，對其進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測，通過與規(guī)定的壓力信號進(jìn)行對比分析，驅(qū)動伺服電機(jī)控制工作臺的升降，使壓力信號實(shí)時逼近規(guī)定的壓力信號，達(dá)到等強(qiáng)度噴丸的目的；同時本發(fā)明提出了一種自適應(yīng)的動態(tài)夾緊裝置，以解決板料變形和延伸過程中的裝夾問題。該發(fā)明具有可行性強(qiáng)、成本低、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)?fù)雜的金屬工件進(jìn)行等強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化、成形或校形。[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明使用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的超聲波噴丸工藝方法，主要操作步驟如下:
[0007](I)確定工件的噴丸目的，即噴丸強(qiáng)化、噴丸成形或噴丸校形，對材料表面進(jìn)行走刀速度為V的試噴，調(diào)整噴丸距離(即超聲波噴丸工具頭與材料表面在沖擊方向的距離)和超聲波發(fā)生器電流I，觀察壓力傳感器傳出的壓力信號，直到其壓力幅值與工藝要求的壓力幅值F。接近；
[0008](2)根據(jù)試噴結(jié)果，確定工件噴丸工藝參數(shù)，包括噴丸距離、超聲波發(fā)生器電流、噴丸壓力F。以及走刀速度V，并確定噴丸過程中壓力信號允許變化的上下限(F。土 e )和動態(tài)壓力信號采集周期Ttl，將上述參數(shù)儲存到H軸電機(jī)驅(qū)動模塊；
[0009](3)制定工件的噴丸路徑并生成刀軌文件，將工件裝夾到工作臺上，根據(jù)噴丸強(qiáng)度、噴丸區(qū)域大小與工件尺寸、材料的關(guān)系預(yù)估工件裝夾點(diǎn)的位移區(qū)間，適當(dāng)選擇動態(tài)夾緊裝置中的橡膠；
[0010](4)手動調(diào)整機(jī)床主軸，慢速接近工件設(shè)定程序零點(diǎn)，要求檢測到的噴丸壓力信號F需滿足:
[0011]F0+ e ≤F ≤ F0- e ；
[0012](5)運(yùn)行程序，噴丸加工過程中，噴丸壓力信號以TO為周期輸入到H軸電機(jī)驅(qū)動模塊與設(shè)定的壓力信號對比:
[0013]①刀軌路徑出現(xiàn)G01/G02/G03等走刀模態(tài)代碼，如果噴丸壓力| F | > | F。| + e，H軸電機(jī)驅(qū)動工作臺向下移動，使壓力信號逼近設(shè)定信號；
[0014]②刀軌路徑出現(xiàn)G01/G02/G03等走刀模態(tài)代碼，如果噴丸壓力|F|〈|FQ|-e，H軸電機(jī)驅(qū)動工作臺向上移動，使壓力信號逼近設(shè)定信號；
[0015]③刀軌路徑出現(xiàn)G00/G04等非走刀模態(tài)代碼，H軸電機(jī)不工作，工作臺無動作；
[0016]④噴丸過程中工件發(fā)生較大變形，動態(tài)夾緊裝置在某一方向受力f?過大，夾緊裝置發(fā)生位移，直到受力f小于摩擦力f0，停止移動；
[0017](6)刀軌路徑出現(xiàn)M02等程序結(jié)束代碼，機(jī)床主軸退刀，加工過程完成，此時有:
[0018]|f0|-e ≤ F ≤ |f0| + e
[0019]f ^ f0
[0020]需要注意的是:文中所述的噴丸壓力信號是指撞針對變幅桿的撞擊壓力信號；在每次機(jī)床主軸下刀時，由于在有效噴丸距離內(nèi)，噴丸壓力對噴丸距離特別敏感，因此在采用CAM軟件(如UG)進(jìn)行規(guī)劃數(shù)控噴丸路徑時，要特別控制噴丸工具頭接近工件時的速度在
0.1mm/s ~1mm/s 范圍內(nèi)。
[0021]本實(shí)用新型的有益效果是，將超聲波噴丸過程中變化非常復(fù)雜的撞針沖擊速度、回彈速度以及噴丸工具頭與材料表面的距離轉(zhuǎn)化為撞針回彈時的沖擊壓力，便于進(jìn)行噴丸強(qiáng)度的評估、壓力信號的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度噴丸；采用閉環(huán)控制的H軸電機(jī)伺服驅(qū)動能夠達(dá)到與X軸、Y軸伺服驅(qū)動同樣的精度和反應(yīng)速度，保證工作臺上下移動精度達(dá)到
0.0Olmm,完全能夠通過調(diào)整上下高度實(shí)現(xiàn)高精度的等強(qiáng)度噴丸；根據(jù)工藝需要，通過簡單地更換動態(tài)夾緊裝置的摩擦介質(zhì)，能夠方便的控制工件延伸、收縮或扭轉(zhuǎn)所需克服的阻力。
【專利附圖】

【附圖說明】[0022]為了更加詳盡詮釋本專利的內(nèi)容和操作步驟，接下來通過對噴丸制件的曲率和厚度測量實(shí)例來加以說明，該實(shí)例只作為對實(shí)例所涉及噴丸制件的解釋，并不對專利的權(quán)力要求保護(hù)范圍有所限定。
[0023]實(shí)例包括六張示意圖:
[0024]圖1是數(shù)控超聲波噴丸工藝流程圖；
[0025]圖2是數(shù)控超聲波噴丸工藝裝配示意圖；
[0026]圖2中:1.H軸絲杠，2.升降工作臺，3.超聲波噴丸工具頭，4.動態(tài)夾緊裝置，5.Z軸導(dǎo)軌，6.Z軸滑塊，7.動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，8.超聲波發(fā)生器，9.XY軸工作臺，10.導(dǎo)柱，
11.H軸伺服電機(jī)(閉環(huán)控制)，12.Y軸伺服電機(jī)，13.導(dǎo)套，14.X軸伺服電機(jī)，15.待噴工件。
[0027]圖3是超聲波噴丸工具頭示意圖；
[0028]圖3中:3-1.電纜插座，3-2.變幅桿，3_3.工具頭外殼，3_4.緊固端蓋，3_5.可更換連接部件，3-6.陶瓷電容式電壓傳感器-固定電極，3-7.陶瓷電容式電壓傳感器-可動電極，3-8.緊固螺釘，3-9.撞針限位部件(下)，3-10.撞針，3-11.撞針限位部件(上)，
3-12.陶瓷電容式電壓傳感器-壓力信號數(shù)據(jù)線。
[0029]圖4是動態(tài)夾緊裝置示意圖；
[0030]圖4中:4-1.X軸移動滑塊，4-2.X軸摩擦橡膠，4_3.橡膠緊固螺釘，4-4.Z軸移動導(dǎo)軌，4-5.Y軸移動導(dǎo)軌(Z軸移動滑塊)，4-6.球鉸，4-7.夾鉗口，4-8.夾鉗緊固螺釘，4-9.滑塊。
[0031]圖5是待噴工件與噴丸路徑規(guī)劃圖；
[0032]圖6是噴丸前后工件裝夾位置對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本實(shí)例采用為整體航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控超聲波噴丸成形過程，該過程的整體工藝流程如圖1所示，噴丸成形加工前的裝夾如圖2所示:在原有三軸數(shù)控機(jī)床(圖中5、6、9、12、14部件)的基礎(chǔ)上，附加一個能上下運(yùn)動的“T”形槽升降工作臺2，通過H軸閉環(huán)伺服驅(qū)動11控制升降臺在Z軸方向的運(yùn)動，同時由導(dǎo)柱導(dǎo)套(10、13)配合保證其相對運(yùn)動精度；動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)7實(shí)時監(jiān)測、分析和計算超聲波噴丸工具頭3中的噴丸壓力信號，將計算結(jié)果傳送到H軸伺服驅(qū)動11作為驅(qū)動信號；采用八個動態(tài)夾緊裝置4將工件邊緣適當(dāng)裝夾固定；超聲波噴丸工具頭的電流大小通過超聲波發(fā)生器8調(diào)節(jié)。
[0034]超聲波噴丸工具頭如圖3所示:采用可更換連接部件3-5連接變幅桿3-2和撞針上限位部件3-11 ;陶瓷電容式電壓傳感器的固定電極3-6固定在變幅桿端部，可動電極3-7固定在可更換連接部件3-5上；傳感器上、下電極的間的電容信號通過數(shù)據(jù)線3-12實(shí)時傳送到動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)7中。動態(tài)夾緊裝置如圖4所示:裝置包括XYZ三個方向的移動滑塊與移動導(dǎo)軌，各滑塊(如4-1)兩側(cè)布置有摩擦橡膠，橡膠4-2與滑塊通過緊固螺釘
4-3固定；裝置采用夾鉗4-7和緊固螺釘4-8夾持工件邊緣，夾鉗與滑塊4-9之間通過球鉸
4-6連接。
[0035]本發(fā)明所述的一種基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的超聲波噴丸工藝方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0036](I)根據(jù)工藝加工要求和經(jīng)驗數(shù)據(jù)(如所需要的走刀速度V、超聲波發(fā)生器電流I等)，在與工件材料相同的試驗件上進(jìn)行試噴，根據(jù)噴丸壓力信號的變化確定所需的噴丸壓力幅值Ftl，并確定相應(yīng)的噴丸壓力允許誤差e和動態(tài)分析測試系統(tǒng)的壓力信號采樣周期T0;
[0037](2)將工件15裝夾到工作臺上，采用八個動態(tài)夾緊裝置將邊緣固定，并根據(jù)工藝要求對每個動態(tài)夾緊裝置4的摩擦橡膠4-2進(jìn)行更換；
[0038](3)采用CAM軟件對三維待噴工件模型的加工過程進(jìn)行模擬，并生成數(shù)控刀軌文件，導(dǎo)入機(jī)床，如圖5所示；
[0039](4)采用手動控制機(jī)床進(jìn)行對刀，設(shè)置程序零點(diǎn)，要求必須檢測到有效穩(wěn)定的壓力信號，壓力信號盡量控制在F。土 e范圍內(nèi)；
[0040](5)運(yùn)行程序，加工過程中壓力信號的調(diào)節(jié)和動態(tài)夾緊裝置的動作過程如圖1所示，并時刻觀察加工過程，以免引起撞刀等其他緊急情況；
[0041](6)程序運(yùn)行結(jié)束，卸下工件。
[0042]程序運(yùn)行結(jié)束后，根據(jù)該實(shí)例待噴工件的幾何特征和噴丸路徑規(guī)劃，工件在XY平面上向四周延展，在Z軸方向上出現(xiàn)“凸起”，由于“凸起”高度的不一致，每個動態(tài)加緊裝置的球鉸轉(zhuǎn)動變量不同，如圖6所示。圖中陰影部分的加緊裝置在X、Y、Z方向的位移分別為
a、b、0，球鉸在XY、XZ、YZ平面的轉(zhuǎn)動角度分別為O、P、Y。
【權(quán)利要求】
1.一種基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的數(shù)控超聲波噴丸工藝方法，該方法基于普通三軸數(shù)控機(jī)床，將超聲波噴丸工具頭安裝到機(jī)床主軸上，包括一個附加的升降工作臺(2)，該工作臺由高精度閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)(11)控制，其特征在于:所述的升降工作臺伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制信號為超聲波噴丸工具頭(3)中撞針(3-10)沖擊到材料表面反彈后的實(shí)時沖擊壓力信號，該信號通過動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(7)傳送到伺服驅(qū)動系統(tǒng)(11);工件裝夾采用動態(tài)夾緊裝置(4)，該裝置安裝于升降工作臺(2)橫向與縱向的“T”形槽內(nèi)； 其中，超聲波噴丸工具頭內(nèi)安裝有陶瓷電容式壓力傳感器電極，傳感器固定電極(3-6)緊固在變幅桿(3-2)端部，傳感器可動電極(3-7)緊固在可更換連接部件(3-5)上，該部件一邊與變幅桿螺紋連接，另一邊與撞針上限位部件(3-11)螺紋連接，噴丸過程中撞針與可更換部件直接接觸；動態(tài)夾緊裝置(3)包括XYZ三個方向的移動滑塊與移動導(dǎo)軌，各滑塊(4-1)兩側(cè)布置有與對應(yīng)方向?qū)к壗佑|的摩擦橡膠(4-2)，橡膠(4-2)與滑塊通過緊固螺釘(4-3)固定，該裝置采用夾鉗(4-7)和緊固螺釘(4-8)夾持工件邊緣，夾鉗與滑塊4-9)之間通過球鉸(4-6)連接； 數(shù)控噴丸加工過程前，先在與工件材料相同的試驗件上進(jìn)行試噴，試噴過程由手動操作機(jī)床完成，試噴工藝所采用的走刀速度V、電流I和噴丸工具頭與材料之間的距離根據(jù)工件噴丸工藝文件而定，監(jiān)測到有效、穩(wěn)定的壓力信號后，規(guī)定噴丸加工過程中所有噴丸區(qū)域所需的噴丸壓力信號區(qū)間F與動態(tài)壓力信號的采集周期Ttl ;裝夾工件，根據(jù)工件變形過程中邊緣材料的變形力大小范圍更換動態(tài)夾緊裝置的橡膠。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于動態(tài)壓力信號調(diào)節(jié)的數(shù)控超聲波噴丸工藝方法，其特征在于:采用所述方法對大型薄板工件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化時，為保證強(qiáng)化后工件的幾何尺寸不發(fā)生明顯變化，在試噴環(huán)節(jié)，需嚴(yán)格控制規(guī)定的壓力信號區(qū)間(匕± ￡)，具體可參見《航空零件噴丸強(qiáng)化工藝》標(biāo)準(zhǔn)篩選合 適的工藝參數(shù)。
【文檔編號】B24C1/10GK103522197SQ201310539416
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】魯世紅, 郭超亞, 劉朝訓(xùn), 朱一楓 申請人:南京航空航天大學(xué)