多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法，属于机械精密加工共性技术领域，本发明专利技术要解决的技术问题为如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能，采用的技术方案为：其结构包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置、超声耦合剂循环结构以及冲击振动结构，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构。本发明专利技术还公开了多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法。

Ultrasonic composite self-adaptive fatigue precision machining system and method with multi curvature surfaces

The invention discloses an ultrasonic compound self-adapting anti-fatigue precision machining system and method for multi-curvature curved surface, belonging to the common technical field of mechanical precision machining. The technical problem to be solved in the invention is how to process the curved surface of the key parts with multi-curvature curved surface to ensure the anti-fatigue performance of the parts with multi-curvature curved surface. The technical scheme adopted is as follows: the structure includes flexible grinding head device and control unit, the control unit electrically connects and controls the flexible grinding head device, the ultrasonic coupling agent circulation structure and the impact vibration structure, the flexible grinding head device is used to process the multi-curvature curved surface of the parts, and the control unit is used to control the work of the flexible grinding head device. The flexible grinding head device includes flexible adjusting box, ultrasonic coupling agent circulation structure and impact vibration structure. The impact vibration structure is arranged in the flexible adjusting box, and the flexible adjusting box is connected with the ultrasonic coupling agent circulation structure. The invention also discloses an ultrasonic composite self-adapting fatigue resistant precision machining method for multi curvature surfaces.

【技术实现步骤摘要】
多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法
本专利技术属于机械精密加工共性
，具体地说是一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法。
技术介绍
随着产品性能需求的不断提升，越来越多的多曲率曲面关键零部件被广泛地应用于航空航天、国防军工、生物医学等许多重要领域，如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能是目前亟需解决的技术问题。比如气门，气门广泛应用于地面上各种运输车辆（汽车、拖拉机、内燃机车等）、矿山、石油、建筑及工程等机械，农林业机械、发电站和军事装备等方面的内燃机。气门在工作中不仅承受着高频冲击、交替变化的拉应力及热应力，而且承受着高温腐蚀与高速燃气冲刷。在恶劣的工作环境下容易产生气门密封作用失效，甚至疲劳断裂。气门失效时，轻则损及发动机功率，重则机器报废甚至产生恶性事故。气门典型的断裂形式有：气门杆部断裂、杆部与头部连接处断裂和气门盘部断裂。采用宏/微观检验、化学成分分析和硬度测试等方法对断裂部位进行分析表明气门断裂源自于疲劳失效。发动机气门的疲劳失效由产品质量和使役环境（介质及载荷）决定，但是使役环境在气门服务期内受其服务功能制约基本是不可改变的，所以疲劳寿命在更大的程度上取决于气门的加工表面完整性加工表面完整性主要包括表面粗糙度、三维微观表面形貌、残余应力及其分布、加工硬化、微观组织结构等。常用气门材料（如高镍合金NiCr20TiAl、Ni30、Inconel751）属于典型的难加工材料，对应力集中、应变率非常敏感，在高应变速率条件下容易产生微裂纹。因此，气门的加工表面完整性及疲劳寿命是发动机制造业关注的热点和焦点问题。由于机械零件的疲劳破坏一般总是从表面层开始的，所以在机械加工阶段开发新制造工艺并定量设计工艺参数使零件具有优化的加工表面完整性从而获得最长疲劳寿命是机械与制造科学领域的关键共性技术问题。目前气门制造企业大多仍采用渗氮、渗碳、镀铬等传统热处理工艺对气门表面进行强化处理，其本质在于通过对气门表面进行改性处理以强化表面力学性能从而提高疲劳寿命。然而，为了达到气门表面的精度要求，在表面强化处理工艺之后仍需要进一步精磨加工，加工过程复杂，加工成本高。气门表面由圆柱面（导杆部）、圆锥面（盘锥面）和过渡曲面组成，属于典型的多曲率复杂曲面。其导杆部、盘锥面和过渡曲面的磨削加工需要不同的砂轮或成型砂轮，因而传统的气门精密加工工艺需要较多的工序才能完成。另外，普通磨削由于磨削高温、反复碾压材料过度变形、微裂纹、残余应力和表面层污染等形成表面缺陷层，同时表面粗糙度和波纹度也较大，这将影响零件疲劳强度、抗蚀性和接触刚度等使役性能。故气门的抗疲劳性能也急需提高。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是提供一种多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统及方法，来解决如何加工具有多曲率曲面的关键零部件的曲面，保证具有多曲率曲面零件的抗疲劳性能的问题。本专利技术的技术任务是按以下方式实现的，多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置、超声耦合剂循环结构以及冲击振动结构，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置运动实现工件的加工。作为优选，所述柔性调节箱体的上端设置有壳体，下端设置有磨头，磨头采用陶瓷磨粒；柔性调节箱体与壳体的接触处设置有保护膜；冲击振动结构包括压电晶片和若干钢珠，钢珠设置在由保护膜与柔性调节箱体组成的空腔内；压电晶片设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，压电晶片通过电缆线连接电源为其供电，压电晶片采用压电陶瓷晶片，压电晶片通电后进行纵向往复伸缩运动并输出超声波，将电能转换成超声波并输出，压电晶片输出的超声波驱动钢珠高速振动。作为优选，所述壳体上端面的两侧分别开设有耦合剂入口和耦合剂出口，耦合剂入口和耦合剂出口用于超声耦合剂的进入和流出；所述超声耦合剂循环结构包括耦合剂流入伺服电机、耦合剂流入螺杆泵、耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵，耦合剂流入伺服电机通过联轴器连接耦合剂流入螺杆泵，耦合剂流入螺杆泵的出料口通过耦合剂流入管路连通耦合剂入口，耦合剂入口通过耦合剂进入通道连通柔性调节箱体，其中，耦合剂流入管路上设置有耦合剂流入阀；耦合剂排出伺服电机通过联轴器连接耦合剂排出螺杆泵，耦合剂排出螺杆泵的进料口通过耦合剂排出管路连通耦合剂出口，耦合剂出口通过耦合剂排出通道连通柔性调节箱体，其中，耦合剂排出管路上设置有耦合剂排出阀。更优地，所述柔性调节箱体是由两平行的侧面和圆弧形底面组成的U型半封闭箱体结构，磨头沿圆弧底面设置；柔性调节箱体是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层、三维编织复合材料层和复合基层形成的材料制成。更优地，所述压电晶片上侧面设置有阻尼块，阻尼块设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，阻尼块采用胶泥块或阻尼片。更优地，所述壳体内壁与阻尼块之间设置有压电式冲击力传感器，压电式冲击力传感器对称设置有两个，压电式冲击力传感器用于采集压电晶片的冲击压力值。更优地，所述柔性调节箱体的内侧壁上设置有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器位于柔性调节箱体上部边缘处，热电偶温度传感器用于采集柔性调节箱体内的温度值。更优地，所述壳体外侧壁上设置有位移传感器，位移传感器用于测试径向位移量，即径向抛光厚度。作为优选，所述控制单元包括电源、单片机、数据采集器一、数据采集器二、数据采集器三、A/D转换器一、A/D转换器二、A/D转换器三、D/A转换器一、D/A转换器二和D/A转换器三，电源电连接单片机为其供电；控制单元是由三个循环回路组成，一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器一、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、温度传感器、A/D转换器一、数据采集器一和单片机组成的循环回路；另一路是由依次电连接的单片机、D/A转换器二、压电晶片、压电式冲击力传感器、A/D转换器二、数据采集器二和单片机组成的循环回路；再一路是由单片机、D/A转换器三、相互串联的耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵以及与之并联的耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵、磨头、位移传感器、A/D转换器三、数据采集器三和单片机组成的循环回路。多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工方法，该方法包括如下步骤：（1）、打开电源，通过电缆线为压电晶片和单片机供电；（2）、压电晶片通电后，产生纵向的往复伸缩运动，并输出超声波，超声波的能量传递给柔性调节箱体内的钢珠，钢珠在柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内高速振动，使压电晶片的输出振幅放大；（3）、同时，耦合剂流入伺服电机和耦合剂流入螺杆泵将超声耦合剂经耦合剂流入管路、耦合剂入口以及耦合剂进入通道进入柔性调节箱体与保护膜形成的空腔内，并在空腔内高速流动；（4）、超声耦合剂给钢珠施加冲击力，钢珠撞击柔性调节箱体的内侧壁，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于,包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性能；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置运动实现工件的去应力加工，进而提高加工零部件的抗疲劳性能。

【技术特征摘要】
1.多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于,包括柔性磨头装置和控制单元，控制单元电连接并控制柔性磨头装置，柔性磨头装置用于加工零部件的多曲率曲面，控制单元用于控制柔性磨头装置的工作状态；柔性磨头装置包括柔性调节箱体、超声耦合剂循环结构和冲击振动结构，冲击振动结构设置在柔性调节箱体内，柔性调节箱体内部连通超声耦合剂循环结构，超声耦合剂循环结构用于超声耦合剂在柔性磨头装置内的循环冷却，进而提高加工零部件的抗疲劳性能；冲击振动结构用于驱动柔性磨头装置运动实现工件的去应力加工，进而提高加工零部件的抗疲劳性能。2.根据权利要求1所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体的上端设置有壳体，下端设置有磨头；柔性调节箱体与壳体的接触处设置有保护膜；冲击振动结构包括压电晶片和若干钢珠，钢珠设置在由保护膜与柔性调节箱体组成的空腔内；压电晶片设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内，压电晶片通过电缆线连接电源为其供电，压电晶片通电后进行纵向往复伸缩运动并输出超声波，将电能转换成超声波并输出，压电晶片输出的超声波驱动钢珠高速振动。3.根据权利要求1或2所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体上端面的两侧分别开设有耦合剂入口和耦合剂出口，耦合剂入口和耦合剂出口用于超声耦合剂的进入和流出；所述超声耦合剂循环结构包括耦合剂流入伺服电机、耦合剂流入螺杆泵、耦合剂排出伺服电机和耦合剂排出螺杆泵，耦合剂流入伺服电机通过联轴器连接耦合剂流入螺杆泵，耦合剂流入螺杆泵的出料口通过耦合剂流入管路连通耦合剂入口，耦合剂入口通过耦合剂进入通道连通柔性调节箱体；耦合剂排出伺服电机通过联轴器连接耦合剂排出螺杆泵，耦合剂排出螺杆泵的进料口通过耦合剂排出管路连通耦合剂出口，耦合剂出口通过耦合剂排出通道连通柔性调节箱体。4.根据权利要求3所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体是由两平行的侧面和圆弧形底面组成的U型半封闭箱体结构，磨头沿圆弧底面设置；柔性调节箱体是采用从内到外依次设置的金属编织复合材料层、三维编织复合材料层和复合基层形成的材料制成。5.根据权利要求4所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述压电晶片上侧面设置有阻尼块，阻尼块设置在由保护膜与壳体的内侧壁形成的空腔内。6.根据权利要求5所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体内壁与阻尼块之间设置有压电式冲击力传感器，压电式冲击力传感器对称设置有两个，压电式冲击力传感器用于采集压电晶片的冲击压力值。7.根据权利要求6所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述柔性调节箱体的内侧壁上设置有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器位于柔性调节箱体上部边缘处，热电偶温度传感器用于采集柔性调节箱体内的温度值。8.根据权利要求7所述的多曲率曲面的超声复合自适配抗疲劳精密加工系统，其特征在于，所述壳体外侧壁上设置有位移传感器，位移传感器用于测试径向位移量。9.根据权利要求1所述的多曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜劲，郝甜妹，王立国，王一飞，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37