一种声电耦合表面强化与光整加工装置

技术领域

本发明涉及平面滚压加工技术领域，具体涉及一种声电耦合表面强化与光整加工装置。

背景技术

滚压加工是使高硬度光滑的滚柱与金属表面滚压接触，使其表层局部发生微量塑性变形来改善表面粗糙度的塑性加工方法。但是，滚压加工存在下压量难以把控、工件存在明显的变化层、塑性变化层容易和基材分离等缺陷。因此，引入电脉冲与超声能场。

超声振动使金属材料出现声软化效应与声弹性效应，减小加工硬化，提高材料的塑性变形能力。但加工后，工件表面强化层硬度大，塑性变形能力显著下降，阻碍强化层进一步拓展，难以加工高硬度低塑性工件。而电脉冲产生的电致塑性使材料变形抗力急剧下降、塑性明显提高。将电脉冲、超声能场与滚压技术耦合，使金属塑性增加、晶粒细化，形成纳米梯度结构，大大提高工件耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

在加工之前，需要确保工件与刀具的垂直度，避免工件加工不均匀、影响层深度浅等问题。传统加工前，通过铣刀将工件铣平来保证与滚压刀具的垂直度，但更换刀具后，垂直度仍不能完全保证，且会造成工件的浪费，对于薄板类零件难以加工；当工件需要两面滚压时，铣平造成的影响难以忽略。因此搭建自动垂直度调节装置用于监测刀具与工件垂直度，并进行自动调节。

加工工件时，电脉冲产生的焦耳热和滚压时的摩擦热会使金属材料表面温度剧烈升高，影响工件的组织结构，极大制约了工件的加工质量。因此搭建温控机构用于实时监测工件表面温度，并进行自动调节，提升工件表面的力学性能。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种声电耦合表面强化与光整加工装置，解决传统滚压加工中下压量难以把控、塑性变化层易与基材分离等问题，提升工件的表面质量，获得高硬度、高耐磨、高疲劳寿命的金属表面。

本发明的技术方案如下：

一种声电耦合表面强化与光整加工装置，包括工件、声电耦合加工平台、自动垂直度调节机构、声电耦合加工机构、温控机构及电动推杆，所述工件固定于声电耦合加工平台上，所述声电耦合加工机构位于工件的上方，所述声电耦合加工机构的侧部靠近下方设有温控机构，温控机构对称面设有电脉冲组件，所述声电耦合加工机构的顶部设有自动垂直度调节机构，所述自动垂直度调节机构的顶部设有电动推杆，所述自动垂直度调节机构调节声电耦合加工机构与工件的垂直度，垂直度调好后声电耦合加工机构对工件进行加工，同时温控机构实时监测工件表面温度并调节使工件表面温度保持在设定范围内。

进一步地，所述声电耦合加工机构包括电机、主轴、导电滑环、转轴、超声波换能器、变幅杆及刀具组件，所述主轴上部和底部分别固定设有主轴上端盖和主轴下端盖，所述主轴上端盖的顶部设有电机，所述主轴内从上至下设有导电滑环和转轴，所述导电滑环与主轴上端盖的下部固定连接，所述转轴与主轴转动连接，所述转轴上固定设有转轴上端盖，所述电机的输出轴穿过导电滑环插接于转轴上端盖上，所述转轴内从上至下依次设有超声波换能器、变幅杆及刀具组件，所述超声波换能器与变幅杆螺纹连接，所述变幅杆与刀具组件紧邻，所述刀具组件与转轴卡接，导电滑环与超声波换能器电性连接。

进一步地，所述导电滑环包括导电滑环上端盖、一组深沟球轴承、导电滑环外壳、电环、导电滑环下端盖及导电滑环电刷，所述导电滑环外壳的上端设有导电滑环电源线，所述电环的下端设有电环输电线，所述电环设置于导电滑环外壳内，所述电环中部开设有凹槽一，其中导电滑环电刷组件设置于凹槽一内，所述电环上端和下端分别套设有深沟球轴承，所述导电滑环外壳的上端和下端分别设有导电滑环上端盖和导电滑环下端盖，且其上下端盖的凸缘抵住深沟球轴承外圈，所述导电滑环电源线穿过导电滑环上端盖设置，所述电环输电线穿过导电滑环下端盖设置。

进一步地，所述导电滑环电源线穿过主轴上端盖伸至外面与外部电源电性连接；所述电环输电线穿过转轴上端盖与超声波换能器连接。

进一步地，所述电脉冲组件包括电刷、电刷弹簧、连接块、一对电刷防护板及铜导线，所述电刷的一端与刀柄接触，且其另一端固定设有连接轴，所述连接轴上套设有电刷弹簧，所述连接轴的另一端固定于连接块的端部，所述连接块上固定设有一对电刷防护板，所述电刷防护板设置于电刷弹簧上，所述铜导线的一端与连接块固定连接，所述铜导线的另一端穿过主轴的壁厚与脉冲电源电性连接。

进一步地，所述转轴从上至下依次套设有轴承一、套筒及轴承，所述转轴的上部设有凸起，其中凸起抵住轴承一的轴承内圈，所述套筒抵住轴承一的外圈；所述转轴上端盖与电机的输出轴配合处设有凹槽二，所述电机的输出轴插接于凹槽二内；所述超声波换能器的下端开设有外螺纹，所述变幅杆的上端开设有与外螺纹相匹配的内螺纹孔，且其下端绝缘。

进一步地，所述刀具组件包括刀柄、刀杆、弹簧夹头、刀杆旋紧环及一组滚珠，所述刀杆的下部开设有与滚珠大小相匹配的圆环槽，所述滚珠镶嵌于圆环槽内，所述刀柄中部设有圆孔，该圆孔内嵌有激光水平校准仪，所述激光水平校准仪与自动垂直度调节机构通过蓝牙连接，所述刀杆外套设有弹簧夹头，所述弹簧夹头外设有刀柄，所述刀柄下设有刀杆旋紧环，二者螺纹连接，刀杆旋紧环的中心为偏心环，伸入弹簧夹头外壁凹槽旋紧。

进一步地，所述温控机构包括喷枪盖、喷嘴、喷枪枪身、卡扣、输气管、红外激光温度传感器及调节螺钉，所述喷枪枪身的前端设有喷嘴，所述喷嘴与喷枪枪身螺纹连接，所述喷枪枪身上设有螺纹孔，所述螺纹孔内设有调节螺钉，所述卡扣的大端圆套设于输气管上，且其小段圆卡接有红外激光温度传感器，所述输气管与喷枪枪身尾部螺纹连接，所述喷嘴上设有喷枪盖。

进一步地，所述自动垂直度调节机构包括一组伺服电机、一组齿条、一组齿轮、一组支撑杆、一组固定支架、圆柱销及外壳，所述主轴上端盖一端对称设有齿条，其另一端对称设有支撑杆，所述齿条和支撑杆均与主轴上端盖通过圆柱销连接，所述伺服电机的输出轴套设有齿轮，所述齿轮与齿条相啮合，所述伺服电机固定于固定支架上，所述固定支架固定于外壳上。

进一步地，包括虎钳，所述工件通过虎钳固定于声电耦合加工平台上，所述虎钳的一端为钳口，其另一端为控制钳口的把手，所述声电耦合加工平台为铣床工作台，所述铣床工作台上设有绝缘板，所述绝缘板固定于铣床工作台上，所述虎钳固定于绝缘板，所述工件被夹于虎钳的左右钳口处，所述工件的下方设有导电铜板，所述导电铜板下方设有绝缘垫块。

与现有技术相比较，本发明的有益效果：

1）将电脉冲、超声能场与滚压技术耦合，并集成在主轴上，可以高效、实时准确的进行加工控制，方便收集数据的同时降低了成本，相比于传统滚压，本设备提高了材料的塑性，并形成纳米梯度结构，大大提高工件耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命，设计并搭建实验平台解决传统滚压加工过程中塑性变形制备的纳米层较薄、强化层不均匀等问题；

2）通过在声电耦合加工机构中集成了自动垂直度调节机构，使刀具在加工过程中自动保证与工件的垂直度要求，解决加工过程中由于垂直度不达标造成工件加工不均匀的情况，避免传统加工的繁琐步骤，操作更加便捷，减少了材料的浪费，提升了材料的整体质量与合格率；

3）通过在声电耦合加工机构上集成温控机构，使工件表面加工温度保持在合理范围，避免剧烈升温造成的影响，解决脉冲电流引起的焦耳热和滚压过程摩擦生热造成的工件表面温度剧烈上升对工件的影响，确保在平衡工件表面温度的基础上充分发挥电脉冲、超声能场与滚压技术耦合的作用。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明自动垂直度调节机构结构示意图；

图3为本发明自动垂直度调节机构俯视图；

图4为本发明伺服电极固定在外壳内壁图；

图5为本发明声电耦合加工机构结构示意图；

图6为本发明声电耦合加工机构俯视图；

图7为本发明导电滑环爆炸图；

图8为本发明导电滑环剖面图；

图9为本发明电脉冲组件结构示意图；

图10为本发明温控机构爆炸图；

图11为本发明刀具组件结构示意图；

图12为本发明中声电耦合加工平台示意图；

图13为本发明电动推杆安装示意图。

图中：1、工件；2、声电耦合加工平台；3、自动垂直度调节机构；301、伺服电机；302、齿条；303、齿轮；304、支撑杆；305、固定支架；306、圆柱销；307、外壳；4、声电耦合加工机构；401、电机；402、主轴；403、导电滑环；4031、导电滑环上端盖；4032、深沟球轴承；4033、导电滑环外壳；4034、电环；4035、导电滑环下端盖；4036、导电滑环电刷；4037、导电滑环电源线；4038、电环输电线；404、转轴；4041、凸起；405、超声波换能器；406、变幅杆；407、刀具组件；4071、刀柄；4072、刀杆；4073、弹簧夹头；4074、刀杆旋紧环；4075、滚珠；408、主轴上端盖；409、转轴上端盖；410、轴承一；411、套筒；412、轴承二； 413、主轴下端盖；414、水平校准仪；5、温控机构；501、喷枪盖；502、喷嘴；503、喷枪枪身；504、卡扣；505、输气管；506、红外激光温度传感器；507、调节螺钉；6、电动推杆；7、虎钳；8、绝缘板；9、导电铜板；10、绝缘垫块；11、电脉冲组件；1101、电刷；1102、电刷弹簧；1103、连接块；1104、电刷防护板；1105、铜导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明，但本发明所保护的范围不限于所述范围。

如图1-13所示，一种声电耦合表面强化与光整加工装置，包括工件1、声电耦合加工平台2、自动垂直度调节机构3、声电耦合加工机构4、温控机构5及电动推杆6，工件1固定于声电耦合加工平台2上，声电耦合加工机构4位于工件1的上方，声电耦合加工机构4的侧部靠近下方设有温控机构5，温控机构5对称面设有电脉冲组件11，声电耦合加工机构4的顶部设有自动垂直度调节机构3，自动垂直度调节机构3的顶部设有电动推杆6，自动垂直度调节机构3调节声电耦合加工机构4与工件1的垂直度，垂直度调好后声电耦合加工机构4对工件1进行加工，同时温控机构5实时监测工件表面温度并调节使工件表面温度保持在设定范围内。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，声电耦合加工平台2为铣床工作台，铣床工作台上固定设有绝缘板8，绝缘板8上固定有虎钳7，保证虎钳7与绝缘板8绝缘，保障工作人员与实验装置的安全，工件1被夹于虎钳7的左右钳口处，其中虎钳7的左右钳口处为绝缘板制成，工件1的下方设有导电铜板9，导电铜板9下方设有绝缘垫块10，进一步保障实验环境的安装，本实施例中虎钳7为DVC-5-180MC精密虎钳。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，声电耦合加工机构4包括电机401、主轴402、导电滑环403、转轴404、超声波换能器405、变幅杆406及刀具组件407，主轴402上部和底部分别固定设有主轴上端盖408和主轴下端盖413，主轴上端盖408的顶部设有电机401，主轴402内从上至下设有导电滑环403和转轴404，导电滑环403与主轴上端盖408的下部固定连接，转轴404与主轴402转动连接，转轴404上固定设有转轴上端盖409，电机401的输出轴穿过导电滑环403插接于转轴上端盖409上，使其与电机401的输出轴一同转动，在工件加工过程中，滚压与超声能场会给整个转轴带来巨大的轴向力与振动频率，而双列圆柱滚子轴承具有回转精度大、刚度大的特点被选用。转轴404内从上至下依次设有超声波换能器405、变幅杆406及刀具组件407，超声波换能器405与变幅杆406螺纹连接，变幅杆406与刀具组件407紧邻，刀具组件407与转轴404卡接，导电滑环403与超声波换能器405电性连接。

本实施例中电机401选用7BL55S06-230TF9直流电机，变幅杆406选用宁波新芝Φ34变幅杆，超声波换能器405选用东莞华拓超声波换能器20K。

转轴404从上至下依次套设有轴承一410、套筒411及轴承二412，转轴404的上部设有凸起4041，其中凸起4041抵住轴承一410的轴承内圈，用于限制其向上运动，套筒411抵住轴承一410的外圈；主轴下端盖413固定，其凸缘抵住轴承二412外圈以限制轴承二412的滑动，使其位置固定。

转轴上端盖409与电机401的输出轴配合处设有凹槽二，电机401的输出轴插接于凹槽二内；超声波换能器405的下端开设有外螺纹，变幅杆406的上端开设有与外螺纹相匹配的内螺纹孔，且其下端绝缘。

本实施例中轴承一410和轴承二412均选用双列圆柱滚子轴承，在工件1加工过程中，滚压与超声能场会给整个转轴404带来巨大的轴向力与振动频率，而双列圆柱滚子轴承具有回转精度大、刚度大的特点被选用。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，刀具组件407包括刀柄4071、刀杆4072、弹簧夹头4073、刀杆旋紧环4074及一组滚珠4075，刀柄4071上开设有凹槽三，转轴404下端设有与凹槽三相匹配的突出块，转轴404与刀柄4071通过突出块与凹槽三配合，用于传递扭矩，本实施例中滚珠4075的材质为硬质合金。

刀杆4072的下部开设有与滚珠4075大小相匹配的圆环槽，滚珠4075镶嵌于圆环槽内，一部分伸出来用于加工工件1，滚珠可以在圆环槽内自由滚动以保证滚珠磨损均匀，从而延长使用寿命，保证加工精度。刀柄4071中部设有圆孔，该圆孔内嵌有激光水平校准仪414，激光水平校准仪414与自动垂直度调节机构3通过蓝牙连接，刀杆4072外套设有弹簧夹头4073，弹簧夹头4073外设有刀柄4071，刀柄4071下设有刀杆旋紧环4074，二者螺纹连接，刀杆旋紧环4074的中心为偏心环，伸入弹簧夹头4073外壁凹槽旋紧。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，导电滑环403包括导电滑环上端盖4031、一组深沟球轴承4032、导电滑环外壳4033、电环4034、导电滑环下端盖4035及导电滑环电刷4036，导电滑环外壳4033的上端设有导电滑环电源线4037，电环4034的下端设有电环输电线4038，电环4034设置于导电滑环外壳4033内，电环4034中部开设有凹槽一，其中导电滑环电刷4036设置于凹槽一内，二者可相互转动，用于给旋转的超声波换能器405供电，电环4034上端和下端分别套设有深沟球轴承4032，导电滑环外壳4033的上端和下端分别设有导电滑环上端盖4031和导电滑环下端盖4035，且其上下端盖的凸缘抵住深沟球轴承4032外圈，导电滑环电源线4037穿过导电滑环上端盖4031设置，电环输电线4038穿过导电滑环下端盖4035设置。

导电滑环电源线4037穿过主轴上端盖408伸至外面，与外部电源电性连接；电环输电线4038穿过转轴上端盖409与超声波换能器405连接。

其中电流传导路径为导电滑环电源线4037、导电滑环电刷4036、电环4034、电环输电线4038、超声波换能器405。

电脉冲组件11的作用是为工件施加脉冲电场，电脉冲组件11包括电刷1101、电刷弹簧1102、连接块1103、一对电刷防护板1104及铜导线1105，电刷1101的一端与刀柄4071接触，且其另一端固定设有连接轴，连接轴上套设有电刷弹簧1102，连接轴的另一端固定于连接块1103的端部，连接块1103上固定设有一对电刷防护板1104，电刷防护板1104设置于电刷弹簧1102上，铜导线1105的一端与连接块1103固定连接，铜导线1105的另一端穿过主轴402与脉冲电源电性连接。

由于滚压加工时刀具组件的加工热以及电脉冲产生的焦耳热会破坏零件的加工质量。因此加工过程中需要温控机构5调控工件1表面温度，防止工件1表面温度剧烈上升导致表面氧化，并充分发挥电脉冲的电致塑性提高材料塑性变形能力。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，温控机构5包括喷枪盖501、喷嘴502、喷枪枪身503、卡扣504、输气管505、红外激光温度传感器506及调节螺钉507，喷枪枪身503的前端设有喷嘴502，喷嘴502与喷枪枪身503螺纹连接，可以通过旋转来控制冷气出口的大小，从而对散热面积进行调节，喷枪枪身503上设有螺纹孔，螺纹孔内设有调节螺钉507，通过旋转来控制冷气流量，实现冷气流通的大小及开关，卡扣504的大端圆套设于输气管505上，且其小段圆卡接有红外激光温度传感器506，输气管505与喷枪枪身503尾部螺纹连接，喷嘴502上设有喷枪盖501。

本发明的一种声电耦合表面强化与光整加工装置，自动垂直度调节机构3包括一组伺服电机301、一组齿条302、一组齿轮303、一组支撑杆304、一组固定支架305、圆柱销306及外壳307，主轴上端盖408一端对称设有齿条302，其另一端对称设有支撑杆304，齿条302和支撑杆304均与主轴上端盖408通过圆柱销306连接，伺服电机301的输出轴套设有齿轮303，齿轮303与齿条302相啮合，伺服电机301固定于固定支架305上，所述固定支架305固定于外壳307上，电动推杆6固定设置于外壳307上。

具体地对工件1的加工过程如下：

1）将工件1装夹在虎钳7上，从上往下依次为工件1、导电铜板9、绝缘垫块10，并转动虎钳7右边的旋转把手将工件1加紧即可，然后将声电耦合加工平台2移动到刀具组件407正下方；

2）启动自动垂直度调节机构3，激光水平校准仪414开始工作，向下朝工件1发射激光，如果垂直度保持良好，则激光水平校准仪414可以接收到工件1反射回来的激光，并通过蓝牙向自动垂直度调节机构3发射信号，使其不工作，自动垂直度调节机构3与激光水平校准仪414关闭；若垂直度未在设定的范围内，则激光水平校准仪414无法接收到工件1反射回来的激光，并通过蓝牙向自动垂直度调节机构3发射信号，令其工作，伺服电机301开始转动并带动齿轮303转动，齿轮303带动齿条302上下移动，齿条302下方通过圆柱销306连接主轴上端盖408，当齿条302上下运动时，会带动整个倾斜的主轴402偏转运动，直到激光水平校准仪414能接收到工件1反射回来的激光，此时完成垂直度校准，并通过蓝牙向自动垂直度调节机构3发射信号，使其工作停止，自动垂直度调节机构3与水平校准仪414关闭；

3）打开声电耦合加工机构4，对工件1进行加工，具体包括如下步骤：

S1、启动电机401，其输出轴通过键卡在转轴上端盖409上，并带动转轴404转动，接着启动电动推杆6，伸长推杆向下并带动整个主轴402向下与工件1接触；

S2、同时启动脉冲电源，脉冲电流通过铜导线1105、电刷1101、刀柄4071、刀杆4072、滚珠4075、工件1、导电铜板9再回到脉冲电源导通整个回路，对工件1施加脉冲电场；

S3、与此同时，启动超声波换能器405，电流通过导电滑环电源线4037、电刷1101、电环4034、电环输电线4038接入超声波换能器405，给超声波换能器405供电，使超声波换能器405发出超声振动，变幅杆406下端有绝缘物质，阻止脉冲电流向上传导，变幅杆406下端与刀具组件407接触，则超声振动通过超声波换能器405、变幅杆406、刀柄4071、刀杆4072、滚珠4075最终传递到工件1上，对工件1施加超声能场。

S4、同时激活温控机构5，红外激光温度传感器506发射红外激光指向工件1加工表面从而获取加工温度，当加工温度剧烈上升或超过设定阈值时，就通过蓝牙向喷嘴502与调节螺钉发出信号，将喷嘴502与调节螺钉507旋开，增大冷气流速与流量，使加工温度下降，反之，当监测到温度下降到一定范围时，则将喷嘴502与调节螺钉507旋紧，减小冷气流速与流量，使加工温度回复正常，使工件1在加工过程中保证加工温度的动态平衡；

4）控制声电耦合加工平台2前后左右移动，对工件1加工；

5）加工完成后，关闭声电耦合加工机构4电源，切断整个机器电源。