阅读说明：本技术 一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置 (Static pressure controllable ultrasonic surface rolling method and device ) 是由 王帅 付秀丽 周彬 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置,所述方法根据两点确定一条直线、两条相交直线确定一个平面的原理,通过红外位移传感器检测,利用线性拟合和求均值的方法,实现对待加工工件表面水平度的测定,以实现对静压力的规划。所述装置通过控制电磁铁中通入电流大小调节其与永磁铁间的磁力,进而调控静压力的大小。电磁铁和永磁铁组成的系统属于柔性系统,当加工面平面度变化较小时,静压力可自动维持稳定。另外,滚压头和滚压头安装壳采用同极永磁铁,可使得滚压头位置保持相对稳定,并在减小其间摩擦的同时增加散热。本发明具有结构简单、反应速度快、对加工面水平度要求较低、加工质量较高的优点。(The invention relates to an ultrasonic surface rolling method and device with controllable static pressure, wherein the method realizes the measurement of the levelness of the surface of a workpiece to be processed by using a method of linear fitting and averaging through the detection of an infrared displacement sensor according to the principle that one straight line is determined at two points and the two intersected straight lines determine one plane, so as to plan the static pressure. The device adjusts the magnetic force between the electromagnet and the permanent magnet by controlling the current passing through the electromagnet, so as to adjust and control the static pressure. The system composed of the electromagnet and the permanent magnet belongs to a flexible system, and when the flatness of the machined surface changes slightly, the static pressure can be automatically maintained to be stable. In addition, the rolling head and the rolling head mounting shell adopt homopolar permanent magnets, so that the position of the rolling head can be kept relatively stable, and the friction between the rolling head and the rolling head mounting shell is reduced while the heat dissipation is increased. The invention has the advantages of simple structure, high reaction speed, low requirement on the levelness of a processing surface and high processing quality.)

一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置

技术领域

本发明涉及金属表面强化领域，特别涉及一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置。

背景技术

作为表面强化技术中的一种，超声表面滚压可以有效的提高材料表面的平面度，增强材料的表面显微硬度，产生残余压应力，同时也可以改变材料表层的微观结构，从而有效改善材料的耐磨性和抗疲劳性能。在超声滚压加工过程中，静压力是影响表面加工精度的一个重要因素，合适的静压力可以获得较好的表面强化效果。材料本身由于前处理加工难免会存在凸起或凹坑，导致表面平面度大小不一，目前所用的超声滚压装置不能很好的响应静压力的变化并维持静压力的稳定，当材料表面存在凸起时，静压力会增大，进而抑制滚压头的机械振动，使得滚压头与材料的摩擦力增加，材料表面容易出现脱落或划痕；当材料有凹坑时，静压力变小，难以在材料表面产生塑性变形或塑性变形的深度较低，进而难以有效提高材料表面性能。同时，操作过程中总会存在微小的偏差，当待加工面放置倾斜时静压力也会发生相应的变化。在航空航天等高科技技术迅速发展的今天，对机械零部件的要求也将会越来越高，通过超声表面滚压提高关键零部件的表面质量，增加关键零部件的安全运行时间具有重要意义。因此，对静压力的大小做出调整并稳定静压力在超声滚压系统中具有重要意义。

另外，滚压头处于高速振动状态，滚压头与滚压头安装壳之间难免会存在摩擦，不仅会对其摩擦面造成磨损，还会产生大量摩擦热，严重影响滚压头和滚压头安装壳的使用寿命。为保持滚压的均匀性，滚压头与滚压头安装壳的位置应相对固定。通常情况下，若滚压头和滚压头安装壳的间隙较大，散热较好，但是在加工面不平整时滚压头与滚压头安装壳相对位置易发生变动，若滚压头和滚压头安装壳的间隙较小，滚压头与滚压头安装壳相对位置固定，但是散热较差且摩擦较为严重。滚压头和滚压头安装壳采用同极永磁铁既可以在增大其间隙增加散热的同时使得滚压头相对于滚压头安装壳的位置保持固定，还可以避免摩擦的产生，极大提高了滚压头和滚压头安装壳的使用寿命，使得超声滚压的零件质量也得到了大幅的提升。因此，减小对滚压头的磨损，增加散热，同时保持滚压头的相对位置稳定在超声滚压系统中也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置，不仅能够提供超声滚压过程中的静压力，还可以根据待加工面的倾斜程度对静压力大小做出预调整，根据材料表面的实际平面度进行实时调整，保证材料表面的加工性能。另外由于电磁铁和永磁铁组成的系统属于柔性系统，响应速度快，且对静压力的控制和调节更为精准。同时，滚压头和滚压头外壳采用磁铁同极相斥原理，可稳定滚压头，减小摩擦，增加散热。

实施本发明目的的技术方案是：一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置，其特征在于包括电磁铁、永磁铁、挡板、压力传感器、超声换能器、变幅杆、滚压头、外套筒后盖、外套筒、变幅杆导向套、滚压头安装壳、传感器保持架、紧固螺钉、红外位移传感器和控制系统，电磁铁固定于外套筒后盖上，外套筒后盖沿外套筒的轴向位置可控，电磁铁和永磁铁之间保持一定的距离，永磁铁固定于挡板上端，挡板下端与压力传感器相连，压力传感器下端依次有超声换能器、变幅杆、变幅杆导向套、滚压头安装壳和滚压头，变幅杆导向套和滚压头安装壳通过螺纹连接，且滚压头放置于滚压头安装壳的锥孔中；其主要零部件中外套筒、外套筒后盖、电磁铁以及变幅杆导向套和滚压头安装壳处于固定状态，其余均处于同步浮动状态；红外位移传感器固定于传感器保持架上，传感器保持架通过紧固螺钉固定于外套筒上。

所述电磁铁和永磁铁之间的磁力提供静压力并维持静压力的稳定。

所述电磁铁和永磁铁之间的距离可以调节，进而改变电磁铁和永磁铁之间的磁力系数。

所述外套筒、外套筒后盖、挡板、变幅杆、变幅杆导向套等均为非铁磁材料。

所述传感器保持架与外套筒接触处应采用弹塑性材料，以增强连接的可靠性。

所述传感器保持架肩部开槽且肩部可旋转调整角度。

所述两传感器安装时沿传感器保持架对称轴线对称安放，且传感器保持架上按角度标有能显示两传感器直线距离的刻度。

所述控制系统采用神经网络PID控制，使用BP算法，利用电磁铁和永磁铁之间的悬浮间隙作为实验训练数据，超调量较小且刚度较大，鲁棒性更好。

所述滚压头和滚压头安装壳采用同极永磁铁，滚压头始终位于滚压头安装壳内孔中心位置，可在减小滚压头与滚压头外壳摩擦的同时增加散热。

此外，本发明提供一种滚压方法包括：所述红外位移传感器共有两个，固定于传感器保持架上，可根据工件大小调整位置，正式加工前根据实际情况让两个传感器同时沿机床X轴或Y轴方向移动至覆盖整个工件平面或者让其中任意一个传感器分别沿机床X轴和Y轴方向移动至覆盖整个工件平面，控制系统根据预设程序均匀记录移动轨迹上各点的参数，并在机床X轴和Y轴方向分别作线性拟合，分析得出工件的水平度，规划静压力的变化范围。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1.由电磁铁和永磁铁之间的磁力提供静压力，结构简单，响应速度快。

2.电磁铁和永磁铁组成的系统属于柔性系统，且弹性系数可调，可自动维持静压力的稳定。

3.降低工件安装要求，预先检测待加工面的水平度，设定静压力范围，压力传感器实时检测静压力，判断是否在预设范围内，准确性更高，自动化程度较高。

4.使滚压头和滚压头安装壳相对位置保持稳定，并减小了磨损，增加了散热，延长了滚压头和滚压头安装壳的使用寿命，提高了零件的加工质量。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明加工面水平度检测部分的结构示意图

图3为本发明传感器保持架的俯视图

图4为本发明红外位移传感器运动路径图

图中：1、外套筒后盖；2、外套筒；3、电磁铁；4、永磁铁；5、挡板；6、压力传感器；7、超声换能器；8、变幅杆；9、变幅杆导向套；10、滚压头安装壳；11、滚压头；12、红外位移传感器；13、紧固螺钉；14、传感器保持架；15、控制系统；16、滑动槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置，如图2、3所示，红外位移传感器12使用两个紧固螺钉13均匀固定于传感器保持架14上，运行前先转动传感器保持架14肩部调整滑动槽16的位置，若工件较大，如图4(a)所示，即两个传感器可同时位于工件表面以上，调整红外位移传感器12的位置，使得两红外位移传感器12均位于待加工面正上方，让其沿机床X轴(Y轴)方向移动至覆盖整个工件平面，若工件较小，如图4(b)所示，即两个传感器不能同时位于工件表面以上，调整红外位移传感器12的位置，使得其中一个位于待加工面正上方，让其分别沿机床X轴和Y轴方向移动至覆盖整个工件平面，控制系统根据预设程序均匀记录移动轨迹上各点的参数，并在机床X轴和Y轴方向分别作线性拟合，分析得出工件的水平度，规划静压力的变化范围。例如，当加工面沿工作方向相对向上倾斜时，负载压力也将变大，电磁铁3中通入电流应根据加工面的水平度作出相应的减小，磁力减弱，进而使得静压力维持稳定；当加工面沿工作方向相对向下倾斜时，负载压力变小，电磁铁3中通入电流应根据加工面的水平度作出相应的增大，磁力增强，进而使得静压力维持稳定。详细内容如下：取滚压头初始位置为坐标原点，取样点数n既可由控制系统计数获得也可手动输入，采样点距离既可手动输入也可由程序自行控制。

第一种情况：采用a、b两个传感器，每隔距离d₁取一个采样点，两个传感器之间距离为2d₂，测得的数值分别为a₁,a₂,……,a_n和b₁,b₂,……,b_n；

分别计算a_i+b_i的平均值z_i(i＝1,2,……,n)，得到一组数据点(d₁,0,z₁)(2d₁,0,z₂)……(nd₁,0,z_n)，采用最小二乘法计算得到一直线方程①；分别计算 得到一组数据点((n+1)d₁/2,d₂,Z₁)((n+1)d₁/2,-d₂,Z₂)，计算得到一直线方程②；联立方程①②即可得到平面方程。

第二种情况：只采用传感器c，沿X轴和Y轴方向的采样点距离均为d，测得的数值分别为c₁,c₂,……,c_n和f₁,f₂,……,f_n；

分别得到一组数据点(d,0,c₁)(2d,0,c₂)……(nd,0,c_n)，采用最小二乘法计算得到一直线方程③；和一组数据点(0,d,f₁)(0,2d,f₂)……(0,nd,f_n)，采用最小二乘法计算得到一直线方程④；联立方程③④即可得到平面方程。

进而可计算得出平面度，对静压力大小进行规划。

如图1所示，压力传感器6测得静压力的大小，将信号传送给控制系统，通过控制电磁铁3中通入电流的大小改变磁力的大小，进而改变滚压所需要的静压力或维持静压力的稳定。例如，当加工面有凸起时，负载压力变大，压力传感器6信号发生改变，控制系统15控制电磁铁3中通入电流相应的减小，磁力减弱，进而使得静压力维持稳定；当加工面有凹坑时，负载压力变小，压力传感器6信号发生改变，控制系统15控制电磁铁3中通入电流相应的减小，磁力减弱，进而使得静压力维持稳定。

如图1所示，滚压头11和滚压头安装壳10采用同极电磁铁，根据磁铁同极相斥原理，滚压头11可处于滚压头安装壳10的内孔中心位置且互不接触，极大减小了其间的摩擦力，同时增加了散热。

电磁铁3和永磁铁4与滚压头11和滚压头安装壳10组成的系统均属于柔性系统，可在一定范围内自动维持静压力的稳定。

以上所述仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。