一种精密切削及跨克能复合制造装备与方法技术

本发明专利技术提供了一种精密切削及跨克能复合制造装备与方法，包括床身和安装在床身内的XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统、数控系统和转台，通过多自由度机构联动运行，并通过激光微熔化，超声微冲击锻造可实现复杂曲面零件表面残余拉应力向压应力的转变，解决了目前高性能零件表面在传统加工过程中存在残余拉应力，导致抗疲劳性能和抗腐蚀性能较差，且容易出现表面裂纹的难题，本发明专利技术对不同材质的表面都有非常好的处理效果，通用性强，处理后的表面能显著提高耐磨性，抗腐蚀性和抗疲劳性，满足高性能装备对高性能表面的要求。足高性能装备对高性能表面的要求。足高性能装备对高性能表面的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种精密切削及跨克能复合制造装备与方法


[0001]本专利技术涉及机械加工设备
，尤其涉及一种精密切削及跨克能复合制造工艺与装备与方法。

技术介绍

[0002]传统的磨削、切削加工不可避免地会在工件表面产生残余应力。残余应力的存在对高性能设备可靠稳定运行产生影响。残余应力的分布不均匀，随着深度的变化而变化。在进行切削和磨削过程时，零件外表面受到切削力，当切削力超过材料的屈服强度时发生塑性变形，而切削面以下的内部组织处于弹性变形阶段。在外力撤去之后，弹性变形无法恢复到原始状态，限制了内部弹性变形的恢复，最终导致表面产生残余压应力，内部产生残余拉应力。由于残余拉应力的存在，导致高性能装备抗疲劳性能和抗腐蚀性能较差，容易出现表面裂纹剥落，是国际上不可解决的问题。近年来随着对工件表面残余应力的深入研究，发现当残余应力呈现负值时，即残余应力为压应力状态时，零件表面完整性得到极大的改善，零件的尺寸精度、抗疲劳性能、抗腐蚀性能和可靠性在原有基础上得到较大的提高，满足高性能装备对高性能表面的要求。
[0003]因此，设计出能在高性能表面将残余拉应力转变为残余压应力的工艺与装备对高性能表面加工制造及高性能装备的发展具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，而提供一种精密切削及跨克能复合制造装备与方法，可以实现复杂曲面切削加工后表面残余拉应力转变为表面残余压应力，解决了传统加工技术不满足高性能表面的加工要求。本专利技术采用的技术手段如下：
[0005]一种精密切削及跨克能复合制造装备，包括床身和安装在床身内的XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统、数控系统和转台，所述XYZ轴运动机构包括Y轴运动机构、纵梁、X轴运动机构、Z轴运动机构和回转头，各部件联动运行用于调整工作头的空间位姿，所述超声系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和工作头，在工作时为工作头提供超声作用力，所述激光系统包括激光光源和激光头，用于微熔化代加工表面，所述数控系统集成联动控制XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统和转台的运行，所述转台用于夹装待加工零件。
[0006]进一步地，所述XYZ轴运动机构包括Y轴运动机构、纵梁、X轴运动机构、Z轴运动机构和回转头，各部件联动运行用于调整工作头的空间位姿，Y轴运动机构提供Y向平移自由度，纵梁安装于Y轴运动机构，X轴运动机构安装于纵梁并提供X向平移自由度，Z轴运动机构安装于X轴运动机构提供X向平移自由度，回转头安装于Z轴运动机构底部提供绕Z轴的旋转自由度。
[0007]进一步地，所述超声系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和工作头，所述超声发生器用于产生与换能器相匹配的高频交流电信号驱动换能器工作，所述换能器用于将电信号转换为机械能，所述变幅杆用于放大换能器产生的机械振动质点位移和速度，并将超声
能量集中在工作头，所述工作头安装在变幅杆尾端，工作头的材质包括红宝石、金刚石、金属合金、石墨烯复合材料，形状为圆球形或可根据需求加工成异性，工作头可单个半包裹(能转动)或者镶嵌(固定)在变幅杆顶端，也可多个阵列在变幅杆顶端。工作头直径在1000μm～10nm范围内，在处理钛合金、镍合金、铝合金等金属表面时采用微米级直径，处理石英、蓝宝石、硅片等硬脆材料时采用纳米级直径。超声系统开启时，根据加工要求控制超声发生器使得变幅杆输出微米或纳米级高频振动，频率可调，进而驱动工作头微冲击锻造激光系统微熔化的代加工表面，降低表面微观波峰波谷值，降低表面粗糙度，改善表面质量，加工后使得表面产生残余压应力。
[0008]进一步地，所述激光系统包括激光光源和激光头，激光光源与激光头通过光纤相连通，并提供连续激光，激光头安装于摆动头箱底部，各激光头聚焦于工作头四周，在加工时进给方向的激光头快速加热并微熔化待加工表面，根据加工要求调整激光功率，控制熔化深度。激光头聚焦光斑与工作头直径一致。加工时进给反方向的激光头可根据实际需要开闭。
[0009]进一步地，所述数控系统集成联动控制XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统和转台的运行，并集成控制各加工参数。
[0010]进一步地，所述转台用于夹装待加工零件，其具备Z轴旋转自由度。
[0011]本专利技术还公开了一种基于所述精密切削及跨克能复合制造装备的制造方法，包括如下步骤：
[0012]将待加工零件装夹在转台上；
[0013]控制数控系统调节XYZ轴运动机构的位置关系，使得超声系统的工作头能够设置于对加工零件加工的初始位置；
[0014]开始加工，根据实际加工需求，调节超声系统参数和激光系统参数，
[0015]超声系统开启时，根据加工要求控制超声发生器使得变幅杆输出微米或纳米级高频振动，频率可调，进而驱动工作头微冲击锻造激光系统微熔化的代加工表面，降低表面微观波峰波谷值，降低表面粗糙度，改善表面质量，加工后使得表面产生残余压应力；
[0016]激光头开启时，各激光头聚焦于工作头四周，在加工时进给方向的激光头快速加热并微熔化待加工表面，根据加工要求调整激光功率，控制熔化深度。
[0017]本专利技术具有以下优点：
[0018]本专利技术提供了一种精密切削及跨克能复合制造装备，其通过多自由度机构联动运行，并通过激光微熔化，超声微冲击锻造可实现复杂曲面零件表面残余拉应力向压应力的转变，解决了目前高性能零件表面在传统加工过程中存在残余拉应力，导致抗疲劳性能和抗腐蚀性能较差，且容易出现表面裂纹的难题。工作头可为红宝石、金刚石、金属合金、石墨烯复合材料等材质，针对处理钛合金、镍合金、铝合金等金属表面时采用微米级直径，处理石英、蓝宝石、硅片等硬脆材料时采用纳米级直径，石英等硬脆表面在熔融状态下的微小冲击不会产生脆性断裂，只会产生塑性变形。因此，对不同材质的表面都有非常好的处理效果，通用性强，处理后的表面能显著提高耐磨性，抗腐蚀性和抗疲劳性，满足高性能装备对高性能表面的要求。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术实施例中装置的三维总装结构示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例中摆动头的结构示意图。
[0022]图3为本专利技术实施例中单个工作头的截面示意图。
[0023]图4为本专利技术实施例中阵列式工作头的结构示意图。
[0024]图中：1、床身；2、Y轴运动机构；3、纵梁；4、Z轴运动机构；5、X轴运动机构；6、超声发生器；7、数控系统；8、激光光源；9、转台；10、摆动头；10.1、摆动头箱；10.2、激光头；10.3、换能器；10.4、变幅杆；10.5、工作头；11、回转头。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精密切削及跨克能复合制造装备，其特征在于，包括床身和安装在床身内的XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统、数控系统和转台，所述XYZ轴运动机构包括Y轴运动机构、纵梁、X轴运动机构、Z轴运动机构和回转头，各部件联动运行用于调整工作头的空间位姿，所述超声系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和工作头，在工作时为工作头提供超声作用力，所述激光系统包括激光光源和激光头，用于微熔化代加工表面，所述数控系统集成联动控制XYZ轴运动机构、超声系统、激光系统和转台的运行，所述转台用于夹装待加工零件。2.根据权利要求1所述的精密切削及跨克能复合制造装备，其特征在于，所述XYZ轴运动机构包括Y轴运动机构、纵梁、X轴运动机构、Z轴运动机构和回转头，各部件联动运行用于调整工作头的空间位姿，Y轴运动机构提供Y向平移自由度，纵梁安装于Y轴运动机构，X轴运动机构安装于纵梁并提供X向平移自由度，Z轴运动机构安装于X轴运动机构提供X向平移自由度，回转头安装于Z轴运动机构底部提供绕Z轴的旋转自由度。3.根据权利要求1所述的精密切削及跨克能复合制造装备，其特征在于，所述超声系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和工作头，所述超声发生器用于产生与换能器相匹配的高频交流电信号驱动换能器工作，所述换能器用于将电信号转换为机械能，所述变幅杆用于放大换能器产生的机械振动质点位移和速度，并将超声能量集中在工作头，所述工作头安装在变幅杆尾端，工作头的材质包括红宝石、金刚石、金属合金、石墨烯复合材料。4.根据权利要求3所述的精密切削及跨克能复合制造装备，其特征在于，工作头的形状为圆球形或可根据需求加工成异性，工作头可为能转动的单个半包裹形式或者是固定镶嵌在变幅杆顶端的形式，或是多个形成阵列式排布在变幅杆顶端。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，李玉彪，顾秦铭，宋壮壮，雷霄霏，刘璐，孟凡宁，周红秀，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：