本發(fā)明公開的實施方式涉及一種超聲滾壓加工系統(tǒng)和方法，及一種零件的加工方法。

背景技術：

殘余應力是指由于物體受力后所產(chǎn)生的應變超過彈性范圍，使得物體內(nèi)部無法恢復原來的狀態(tài)而殘存的應力，其對零件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能等有顯著的敏感性。殘余應力通常包括殘余拉應力和殘余壓應力。零件表層的殘余壓應力可顯著提高零件的疲勞壽命，降低零件對腐蝕疲勞的敏感性，抑制應力腐蝕裂紋的萌生。

可采用超聲滾壓法對零件進行加工，以在零件表面引入殘余壓應力。有些特殊的零件，如：渦輪葉片等，需要在零件的不同部位引入大小不同的殘余壓應力,以滿足實際應用的需求。然而，傳統(tǒng)的超聲滾壓加工方法無法控制所產(chǎn)生的殘余壓應力的大小，所以無法滿足這類零件的設計需求。

因此，有必要提供一種超聲滾壓加工系統(tǒng)和方法及零件加工方法來解決上述技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

一方面，本發(fā)明提供一種超聲滾壓加工系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括超聲滾壓裝置和控制器。所述超聲滾壓裝置用來以一預壓深度壓在工件的表面上，對所述工件施加背壓力，在所述工件的表面上滾動且做超聲頻的機械振動，以產(chǎn) 生作用于所述工件的滾壓力。其中，所述超聲頻的機械振動是通過輸入電流驅動的。所述控制器用來基于期望殘余壓應力和實時滾壓力調(diào)節(jié)所述預壓深度、所述背壓力和所述輸入電流中的至少一個，以在所述工件內(nèi)產(chǎn)生大致符合所述期望殘余壓應力的殘余壓應力。

另一方面，本發(fā)明提供一種超聲滾壓加工方法。該方法包括：產(chǎn)生作用于工件的滾壓力，及基于期望殘余壓應力和實時滾壓力調(diào)節(jié)所述預壓深度、所述背壓力和所述輸入電流中的至少一個，以在所述工件內(nèi)產(chǎn)生大致符合所述期望殘余壓應力的殘余壓應力。所述產(chǎn)生滾壓力的步驟包括：將超聲滾壓裝置以一預壓深度壓在所述工件的表面上；通過所述超聲滾壓裝置對所述工件施加背壓力；在所述工件的表面上滾動所述超聲滾壓裝置；及通過輸入電流驅動所述超聲滾壓裝置做超聲頻的機械振動。

又一方面，本發(fā)明提供一種零件的加工方法。該方法包括：確定所述零件的期望殘余壓應力分布，所述分布包括至少一個期望區(qū)域的位置信息和對應該期望區(qū)域的期望殘余壓應力；及產(chǎn)生作用于所述期望區(qū)域的滾壓力，以在所述期望區(qū)域產(chǎn)生大致符合所述期望殘余壓應力的殘余壓應力。所述產(chǎn)生殘余壓應力的步驟包括：將超聲滾壓裝置以一預壓深度壓在所述期望區(qū)域內(nèi)，通過所述超聲滾壓裝置對所述期望區(qū)域施加背壓力，在所述期望區(qū)域內(nèi)滾動所述超聲滾壓裝置，通過輸入電流驅動所述超聲滾壓裝置做超聲頻的機械振動，及基于所述期望殘余壓應力和實時滾壓力調(diào)節(jié)所述背壓力、所述預壓深度和所述輸入電流中的至少一個。

附圖說明

通過結合附圖對于本發(fā)明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的超聲滾壓加工系統(tǒng)的示意圖；

圖2為圖1中的控制器的示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的超聲滾壓加工方法的流程示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明另一具體實施例的超聲滾壓加工方法的流程示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的零件加工方法的流程示意圖；及

圖6為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的零件的期望殘余壓應力分布示意圖。

具體實施方式

為幫助本領域的技術人員能夠確切地理解本發(fā)明所要求保護的主題，下面結合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施方式。在以下對這些具體實施方式的詳細描述中，本說明書對一些公知的功能或構造不做詳細描述以避免不必要的細節(jié)而影響到本發(fā)明的披露。

除非另作定義，本權利要求書和說明書中所使用的技術術語或者科學術語應當為本發(fā)明所屬技術領域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個?！鞍ā被蛘摺熬哂小钡阮愃频脑~語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件?！斑B接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。

本發(fā)明的具體實施例涉及一種超聲滾壓加工系統(tǒng)，可廣泛適用于零件的加工制造領域，該系統(tǒng)能夠在零件表面引入殘余壓應力，并且控制所引入的殘余壓應力的狀態(tài)或大小，以優(yōu)化零件的整體性能。

圖1為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的超聲滾壓加工系統(tǒng)10的示意圖。參見圖1，超聲滾壓加工系統(tǒng)10包括超聲滾壓裝置20和用于控制超聲滾壓裝置20的控制器30。

超聲滾壓裝置20或其部分元件用來以一預壓深度d壓在工件40的表面上，對工件40施加背壓力，在工件40的表面上滾動且做超聲頻的機械振動，以產(chǎn)生作用于工件40的滾壓力，從而使工件40的表面平滑。經(jīng)過一段時間的超聲滾壓處理后，工件40的內(nèi)部會產(chǎn)生殘余壓應力，產(chǎn)生的殘余壓應力與工件40所承受的滾壓力存在對應關系。

所述預壓深度是指超聲滾壓裝置20或其部分元件被壓入工件40的深度，表征了超聲滾壓裝置或其部分元件與工件40之間接觸的緊密程度。對工件40施加背壓力的目的在于增加機械振動的阻力，從而提高超聲滾壓裝置20在工件40表面運動的穩(wěn)定性。在一些實施例中，所述背壓力為彈性力。背壓力可由彈簧、空氣、液體或它們的任意組合提供。背壓力p可能沿工件40表面的法線方向，所述法線方向是指垂直于平面的方向或者與曲面的切平面垂直的方向。在一些實施例中，超聲滾壓裝置20或其部分元件沿特定路徑在工件40表面滾動。

所述超聲頻的機械振動是基于輸入電流i產(chǎn)生的。在一些實施例中，輸入電流的大小與所述機械振動的強度間存在對應關系。在一些實施例中，所述超聲頻的機械振動的幅值大約為小于100微米，或者進一步地大約為10-50微米，或者更進一步地大約為10微米左右。在一些實施例中，超聲滾壓裝置20或其部分元件沿垂直于工件40表面的方向做超聲頻的機械振動。本發(fā)明提及的“超聲頻”是指大于20千赫茲的頻率，例如，大約為20-30千赫茲。

預壓深度、背壓力和輸入電流共同影響滾壓力，因而，可以通過調(diào)節(jié)預壓深度、背壓力和輸入電流中的至少一個來控制產(chǎn)生的滾壓力，從而控制引入的殘余壓應力的狀態(tài)或大小。

控制器30用于基于期望殘余壓應力s0和實時滾壓力fr調(diào)節(jié)預壓深度d、背壓力和輸入電流i中的至少一個，以在工件40內(nèi)部，例如：工件表層，產(chǎn)生大致符合期望殘余壓應力s0的殘余壓應力。其中，期望殘余壓應力s0是指殘余應壓力的期望狀態(tài)，可能包括殘余應壓力的期望大小、期望方向或其組 合，其可根據(jù)零件的實際應用需求來確定。實時滾壓力fr是指滾壓力的實時狀態(tài)，其可通過儀器實時檢測而得。在一些實施例中，系統(tǒng)10進一步包括滾壓力檢測器27，設置于基座213內(nèi)，用于檢測工件40所承受的實時滾壓力fr。

在一些實施例中，控制器30基于期望殘余壓應力s0和實時滾壓力fr調(diào)節(jié)預壓深度d、背壓力和輸入電流i。具體地，控制器30基于期望殘余壓應力s0和實時滾壓力fr計算期望預壓深度d0、期望背壓力p0和期望輸入電流i0，且根據(jù)期望預壓深度d0、期望背壓力p0和期望輸入電流i0調(diào)節(jié)預壓深度d、背壓力和輸入電流i。其中，期望預壓深度d0是指預壓深度d的期望值；期望背壓力p0是指背壓力的期望狀態(tài)，可能包括背壓力的期望大小、期望方向或其組合；期望輸入電流i0是指輸入電流的期望狀態(tài)，可能包括輸入電流的期望頻率、期望幅值、期望大小或其任意組合。在一些實施例中，將預壓深度d調(diào)節(jié)至大致等于期望預壓深度d0，將背壓力調(diào)節(jié)至大致符合期望背壓力p0，將輸入電流i調(diào)節(jié)至大致符合期望輸入電流i0。

在一些實施例中，控制器30基于期望殘余壓應力s0計算期望滾壓力f0，然后基于期望滾壓力f0和實時滾壓力fr計算期望預壓深度d0、期望背壓力p0和期望輸入電流i0。其中，期望滾壓力f0是指滾壓力的期望狀態(tài)，可能包括滾壓力的期望大小、期望方向或其組合。在圖2所示的實施例中，控制器30包括第一計算器31、第二計算器32。第一計算器31用于基于期望殘余壓應力s0計算期望滾壓力f0。第二計算器32用于基于期望滾壓力f0和實時滾壓力fr計算期望預壓深度d0、期望背壓力p0和期望輸入電流i0。在一些實施例中，第二計算器32包括減法器(未圖示)，該減法器用于計算期望滾壓力f0和實時滾壓力fr的滾壓力差值，該滾壓力差值被進一步作為計算期望預壓深度d0、期望背壓力p0和期望輸入電流i0的依據(jù)。

再次參見圖1，在一些實施例中，超聲滾壓裝置20包括超聲波發(fā)生器22、超聲波換能器24、變幅器25、滾壓頭26、背壓力裝置23及運動機構211、 212、213。

超聲波發(fā)生器22用于接收輸入電流i并輸出超聲頻的振蕩電流。超聲波換能器24與超聲波發(fā)生器22連接，用于將超聲頻的振蕩電流轉換成超聲頻的機械振動。超聲波換能器22可能包括磁滯伸縮換能器、壓電陶瓷換能器或其組合。變幅器25與超聲波換能器24連接，用于放大所述機械振動的幅值。滾壓頭26與變幅器25機械連接，其能在變幅器25的驅動下做超聲頻的機械振動。在一些實施例中，變幅器25上具有與滾壓頭26的形狀相匹配的凹槽，用于容納部分滾壓頭，滾壓頭26能夠在該凹槽中轉動。在一些實施例中，滾壓頭26包括球形體、柱形體或其它異形體。在一些實施例中，變幅器25與滾壓頭26之間有潤滑油，以減小滾壓頭26和變幅器25之間的摩擦力。

背壓力裝置23用于向工件40表面施加背壓力，背壓力裝置23可能包括氣動裝置、液壓裝置、彈簧或其任意組合。在一些實施例中，背壓力裝置23為氣動裝置，其通過密封的氣體來產(chǎn)生壓力，該氣動裝置可能包括比例調(diào)壓閥(未圖示)，用于調(diào)節(jié)氣體壓力，從而調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的背壓力。參見圖1，背壓力裝置23、超聲波換能器24、變幅器25及滾壓頭26被依次容納于外殼29中，背壓力裝置23通過超聲波換能器24、變幅器25和滾壓頭26向表面施加背壓力。

運動機構用于在系統(tǒng)10工作時將滾壓頭26壓在工件表面，且使?jié)L壓頭26在工件40表面的預壓深度d可被調(diào)節(jié)。在圖1所示的實施例中，運動機構包括基座213、主軸212和支架211，基座213用于承載工件40，主軸212豎直固定于基座213之上，支架211的一部分與主軸212滑動連接，支架211的另一部分與外殼29固定連接，這樣，支架211能夠帶動外殼29及容納于外殼29中的元件沿主軸212滑動，這樣，滾壓頭26與工件40之間在縱向上的相對位置可被調(diào)節(jié)。本領域內(nèi)技術人員應當能夠理解的是，運動機構還可能包括橫向進給裝置(未圖示)，用于驅動滾壓頭26沿工件表面滾動。在一些實施例中，橫向進給裝置驅動滾壓頭26沿特定路徑在工件表面上滾動。

在系統(tǒng)10工作時，滾壓頭26在其他各元器件的共同驅動下被壓在工件表面上滾動，同時做超聲頻的小幅振動。滾壓頭將背壓力和超聲波沖擊振動傳遞到工件40表面，產(chǎn)生的沖擠作用使工件40表面產(chǎn)生彈塑性變形。加工后，工件40表面產(chǎn)生一定的彈性恢復，所產(chǎn)生的塑性流動將工件表面上的原來存在的凹部被凸部填滿或部分填滿，從而大大降低表面粗糙度，例如：可將工件表面粗糙度ra降低至0.2微米或0.2微米以下，此時，工件的表面可產(chǎn)生鏡面效果。這種方法同時能在工件表層產(chǎn)生期望的殘余壓應力，以提高零件的疲勞強度，優(yōu)化工件的整體性能。

本發(fā)明的另一方面涉及一種超聲滾壓加工方法，該方法通過對滾壓力進行實時地監(jiān)控和反饋，從而能夠有效地控制的最終產(chǎn)生的殘余壓應力，使之符合期望。該超聲滾壓加工方法至少包括：通過對工件的表面進行超聲滾壓處理，來產(chǎn)生作用于所述工件的滾壓力；及基于預設的期望殘余壓應力和檢測到的實時滾壓力調(diào)節(jié)背壓力、預壓深度和輸入電流中的至少一個，以在工件的表層產(chǎn)生大致符合期望殘余壓應力的殘余壓應力。

在圖3所示的實施例中，超聲滾壓加工方法70包括步驟71至步驟77。在步驟71中，根據(jù)實際需求確定需要在工件表層引入的期望殘余壓應力。該期望殘余壓應力為殘余壓應力的一種期望狀態(tài)，可能包括工件某一深度處的殘余壓應力值、工件表層的殘余壓應力值隨深度的變化情況、工件表層一定深度范圍內(nèi)殘余壓應力的平均值，或它們的任意組合。

在步驟72至步驟75中，對工件表面進行超聲滾壓處理，以產(chǎn)生作用于工件的滾壓力。在步驟72中，將超聲滾壓裝置以一預壓深度壓在工件的表面上。在步驟73中，通過超聲滾壓裝置對工件施加背壓力，在一些實施例中，對工件的表面施加垂直于工件表面的背壓力。在步驟74中，在工件的表面上滾動超聲滾壓裝置，在一些實施例中，超聲滾壓裝置沿一預設的路徑在工件表面上滾動。在步驟75中，通過輸入電流驅動超聲滾壓裝置做超聲頻的機械振動，可通過改變所述輸入電流的頻率、幅值或大小，來調(diào)節(jié)所述機械振動 的幅值、強度或其組合。在一些實施例中，所述超聲頻的機械振動的方向沿工件表面的法線方向。

在步驟76中，對由步驟72至步驟75產(chǎn)生的實時滾壓力進行檢測，實時滾壓力為滾壓力的實時狀態(tài)，檢測到的實時滾壓力可能包括滾壓力的大小、滾壓力的方向、滾壓力在一段時間內(nèi)的變化情況，或其任意組合。滾壓力和殘余壓應力間存在對應關系，基于檢測到的實時滾壓力可計算出最終得到的殘余壓應力的狀態(tài)，基于期望殘余壓應力也可計算出期望滾壓力。滾壓力和殘余壓應力間的對應關系可通過一個或多個數(shù)學模型來表征。

在步驟77中，基于在步驟71中確定的期望殘余壓應力和在步驟76中檢測到的實時滾壓力調(diào)節(jié)背壓力、預壓深度和輸入電流。具體地，基于期望殘余壓應力和實時滾壓力計算期望預壓深度、期望背壓力和期望輸入電流，然后根據(jù)期望預壓深度、期望背壓力和期望輸入電流調(diào)節(jié)預壓深度、背壓力和輸入電流。值得注意的是，基于期望殘余壓應力和實時滾壓力計算出的期望預壓深度、期望背壓力和期望輸入電流可能有多組，可以根據(jù)系統(tǒng)當前的情況從中選擇最優(yōu)的一組作為調(diào)節(jié)的依據(jù)。

其中，計算期望預壓深度、期望背壓力和期望輸入電流的步驟可能包括：基于期望殘余壓應力計算期望滾壓力，及基于期望滾壓力和實時滾壓力計算期望預壓深度、期望背壓力和期望輸入電流。

在另一些實施例中，為了提高響應速度，優(yōu)化系統(tǒng)性能，不需要對預壓深度、背壓力和輸入電流這三個控制量中的每一個量都進行計算和調(diào)節(jié)，可以根據(jù)系統(tǒng)當前的情況僅對這三個控制量中任意一個或兩個進行計算和調(diào)節(jié)。在圖4所示的實施例中，超聲滾壓加工方法50包括步驟51至步驟58。

步驟51至步驟56分別與方法70中的步驟71至步驟76相類似，此處不再贅述。

在步驟57中，檢測實時預壓深度、實時背壓力和實時輸入電流中的至少一個。所檢測得到的實時值將在下一步驟中同期望殘余壓應力和實時滾壓力 一起作為計算其他控制量的依據(jù)。

在步驟58中，基于期望殘余壓應力、實時滾壓力、及在步驟56中檢測得到的實時預壓深度、實時背壓力和實時輸入電流中的至少一個，調(diào)節(jié)預壓深度、背壓力和輸入電流中的至少一個。在這一步驟中，將預壓深度、背壓力和輸入電流這三個控制量中任意一個或兩個的實時值同期望殘余壓應力和實時滾壓力一起作為計算依據(jù)，以計算出這三個控制量中的其他兩個或一個的期望值，然后根據(jù)計算出的期望值調(diào)節(jié)相應的控制量。例如：基于期望殘余壓應力、實時滾壓力和實時輸入電流，計算期望預壓深度和期望背壓力，然后根據(jù)期望預壓深度和期望背壓力調(diào)節(jié)預壓深度和背壓力，例如：將預壓深度和背壓力分別調(diào)節(jié)至大致符合期望預壓深度和期望背壓力。

本發(fā)明的另一方面涉及一種零件的加工方法，該方法能夠根據(jù)實際需求在零件上產(chǎn)生特定的殘余壓應力分布，可應用于渦輪葉片、風機葉片加工制造等領域。該方法至少包括：確定零件的期望殘余壓應力分布，所述分布包括至少一個需要引入殘余壓應力的期望區(qū)域的位置信息和對應該期望區(qū)域的期望殘余壓應力；及通過對所述零件上所述期望區(qū)域進行超聲滾壓加工，產(chǎn)生作用于所述期望區(qū)域的滾壓力，以在所述期望區(qū)域產(chǎn)生大致符合所述期望殘余壓應力的殘余壓應力。

在圖5所示的實施例中，方法60包括步驟61至步驟63.

在步驟61中，確定零件的期望殘余壓應力分布。例如，在圖6所示的實施例中，所述分布包括第一期望區(qū)域81的位置信息和對應第一期望區(qū)域81的第一期望殘余壓應力s1，及第二期望區(qū)域82的位置信息和對應第二期望區(qū)域82的第二期望殘余壓應力s2。

在步驟62中，產(chǎn)生作用于第一期望區(qū)域81的滾壓力，以在第一期望區(qū)域81產(chǎn)生大致符合第一期望殘余壓應力s1的殘余壓應力。

在步驟63中，產(chǎn)生作用于第二期望區(qū)域82的滾壓力，以在第二期望區(qū)域82產(chǎn)生大致符合第二期望殘余壓應力s2的殘余壓應力。

步驟62或步驟63包括：將超聲滾壓裝置以一預壓深度壓在相應的期望區(qū)域內(nèi)；通過超聲滾壓裝置對相應期望區(qū)域施加背壓力；在相應期望區(qū)域內(nèi)滾動超聲滾壓裝置；通過輸入電流驅動超聲滾壓裝置做超聲頻的機械振動；及基于相應的期望殘余壓應力和實時滾壓力調(diào)節(jié)背壓力、預壓深度和輸入電流中的至少一個。

雖然結合特定的實施方式對本發(fā)明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在于涵蓋在本發(fā)明真正構思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。