一种滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具的制作方法

本发明涉及一种平面滚压刀具，尤其是一种滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具。

背景技术：

滚压法是指在滚压刀具的作用下，外力诱导金属材料表面发生强塑性变形，通过近表层材料的塑性流动激活晶体内部的位错、层错等非平衡缺陷，通过位错增殖、孪生、滑移等晶体学运动将小角大晶界逐渐切割为大角小晶界，实现表面大晶粒被分割细化为超细晶或纳米晶。滚压加工是无切屑加工的一种，它不仅可以达到很高的光洁度，而且可提高被加工零件的机械性能——表面硬度、材料的疲劳性能、材料的耐腐蚀性能等。滚压法的实质是利用高硬度的无刃工具——滚珠或滚轮，使其对被加工工件表面造成局部高压。由于工具沿被加工表面滚动，形成了表面材料的弹性-塑性变形，使前一工序留于表面的微观凸峰被碾平，并且使材料的表层晶粒变小，最终变成纳米晶。

滚压刀具通过刀柄与铣床等机床的主轴连接，带动刀头转动，从而带动刀头上的滚轮在工件表面滚动来实现滚压加工。滚压刀具一般分为刚性和弹性两种。对于刚性结构的滚压刀具，只适合于滚压粗大的零件，传统的滚压器是无弹性的，加工是刚性的，易使工件表面产生“麻点”、“起皮”等缺陷。刚性滚压时，工艺系统刚性差将造成滚压力的波动，使表面质量不均匀。当滚轮的滚压力和滚压件的材料很均勾时，才能获得良好的滚压效果。因此，在表面质量要求高的滚压加工时，选用柔性滚压工具，柔性滚压工具在滚压过程中能起到缓冲的作用，能够使滚轮保持相同的滚压量，试件表面变形量一致，故可获得均匀光整的滚压表面，但其缺点是具有较低的修正形状误差.由于结构中安装了弹性元件，因此可以避免机床震动、材料不均造成的滚压力的巨大波动，在一定程度上，也可以适当减轻滚压工具在加工过程中受到的冲击。但滚压刀具仅有弹簧的话，滚压力难以控制，滚压力过大，零件表面局部应力加大，容易形成破裂、起鳞，反而降低了表面质量。滚压刀具滚压力太小，不能使待加工工件表面的波峰压下去，达不到理想的粗糙度。

电火花沉积是直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行沉积处理的工艺。它是直接利用火花放电的能量，将电极材料转移至工作表面，构成沉积层的沉积方法。电极材料与工件材料产生冶金结合形成沉积层。由于形成含电极材料的合金化的表面沉积层，使工件表面的物理性能、化学性能和力学性能得到改善，而其心部的组织和力学性能不发生变化。但传统的电火花沉积的沉积层厚度小、沉积时间长、表面粗糙度低，所以有很多缺陷。而当材料表面进行滚压加工后，表面的粗晶细化成纳米晶，纳米晶体中存在大量的晶界、三叉晶界和非平衡缺陷，可以作为原子扩散的通道。纳米晶体中原子较常规粗晶具有更大的活性，大量晶界上的原子可动性很大，原子容易脱离晶格束缚，更易扩散。研究表明原子在纳米晶中扩散较常规粗晶容易，主要表现在扩散系数提高，扩散激活能降低。

技术实现要素：

为克服现有滚压刀具存在滚压力无法控制的不足，本发明提供一种可实时检测滚压力、加工工件表面的质量较好、避免机床震动的滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具，包括刀柄和刀头，所述刀柄的上端设有与机床主轴连接的螺纹孔，所述刀头包括刀柄连接块、用于检测被加工表面滚压力的力传感器、传感器固定座、滚轮组件、柔性导向组件和电极，所述刀柄连接块位于所述刀柄的下方并与刀柄固定连接，所述传感器固定座位于所述刀柄连接块的下方并与刀柄连接块之间设有间隙；

所述滚轮组件包括滚轮安装座、两个滚轮和滚轮安装轴，所述滚轮安装座为T型，所述滚轮安装座的下端左右横向设有所述滚轮安装轴，两个滚轮可转动地安装在所述滚轮安装轴的左右两端并对称布置；所述滚轮安装座的下端前后纵向分别设有凸台，所述电极通过可上下伸缩的电致伸缩块安装在所述凸台的底部；

所述滚轮安装座位于所述传感器固定座的下方，所述传感器固定座的底面中部开有传感器安装槽，所述力传感器安装在所述传感器安装槽内并向下伸出，所述滚轮安装座与所述力传感器接触，所述滚轮安装座和传感器固定座均通过上下移动组件可上下移动的安装在刀柄连接块上；

所述柔性导向组件包括导向柱、弹簧和滚珠套，所述滚轮安装座的上端开有滚珠套安装槽，所述滚珠套位于所述滚珠套安装槽内，所述传感器固定座的四周开有第一通孔，所述导向柱的上端与所述刀柄连接块过盈配合，所述导向柱的下端依次穿过弹簧、传感器固定座的第一通孔伸入到滚珠套内，所述弹簧的上端顶触在刀柄连接块上，所述弹簧的下端顶触在传感器固定座上；

所述电致伸缩块通过电线与机床控制装置连接，所述力传感器与机床控制装置的显示仪表连接，所述电极与电极供电装置连接。

进一步，所述滚轮安装座包括滚轮安装座本体和承力板，所述承力板固定在所滚轮安装座本体的顶面上，所述承力板位于所述传感器固定座的下方，所述承力板的顶面与所述力传感器的底面接触。

再进一步，所述传感器固定座上还设有第二通孔，所述滚轮安装座上设有通孔，所述滚轮安装座的通孔与所述传感器固定座的第二通孔上下正对；

所述上下移动组件包括等高套筒和定位螺栓，所述等高套筒的上端穿过所述传感器固定座的第二通孔顶触在所述刀柄连接块上，所述滚轮安装座的通孔可上下移动的安装在所述等高套筒的下端上，所述定位螺栓自下而上穿过等高套筒固定在刀柄连接块上，所述定位螺栓的螺栓头顶在所述等高套筒的下端面上。

再进一步，两个滚轮分别通过轴承可转动地安装在滚轮安装轴的左右两端，所述轴承与滚轮安装座的下端之间还设有用于轴承定位的定位套筒，所述滚轮安装轴的左端设有挡块，所述滚轮安装轴的右端依次穿过左端的轴承、左端的定位套筒、滚轮安装座、右端的定位套筒、右端的轴承与锁紧螺母连接。

再进一步，所述传感器固定座的外径与承力板的外径、滚轮安装座本体的外径相同。

更进一步，所述凸台为圆形凸台，所述凸台的底部设有圆形槽，所述电极通过电致伸缩块安装在所述圆形槽内。

本发明的有益效果：能够实时准确地检测工件表面的滚压力，且适应较不平整的工件表面；能够可以避免机床震动、材料不均造成的滚压力的巨大波动，在一定程度上，也可以适当减轻滚压工具在加工过程中受到的冲击；并且还能实现滚压加工和电火花沉积协同加工。

附图说明

图1是一种滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具的剖视图。

图2是图1的侧剖图。

图3是图1中滚轮的放大图。

图4是图2中电极的放大图。

图5是刀柄的主视图，其中左部剖面。

图6是图5的右视图。

图7是图5的俯视图。

图8是图1的仰视图。

图9是刀柄连接块的剖视图。

图10是传感器固定座的俯视图。

图11是滚轮安装座的俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照图1～图11，一种滚压力可测的柔性电火花沉积滚压刀具，包括刀柄1和刀头，所述刀柄1的上端设有与机床主轴连接的螺纹孔，所述刀头包括刀柄连接块3、用于检测被加工表面滚压力的力传感器9、传感器固定座8、滚轮组件、柔性导向组件和电极19，所述刀柄连接块3位于所述刀柄1的下方并与刀柄1固定连接，所述传感器固定座8位于所述刀柄连接块3的下方并与刀柄连接块3之间设有间隙；

所述滚轮组件包括滚轮安装座、两个滚轮14和滚轮安装轴11，所述滚轮安装座为T型，所述滚轮安装座的下端左右横向设有所述滚轮安装轴11，两个滚轮14可转动地安装在所述滚轮安装轴11的左右两端并对称布置；所述滚轮安装座的下端前后纵向分别设有凸台，所述电极19通过可上下伸缩的电致伸缩块18安装在所述凸台的底部；

所述滚轮安装座位于所述传感器固定座8的下方，所述传感器固定座8的底面中部开有传感器安装槽，所述力传感器9安装在所述传感器安装槽内并向下伸出，所述滚轮安装座与所述力传感器9接触，所述滚轮安装座和传感器固定座8均通过上下移动组件可上下移动的安装在刀柄连接块3上；

所述柔性导向组件包括导向柱4、弹簧7和滚珠套10，所述滚轮安装座的上端开有滚珠套安装槽，所述滚珠套10位于所述滚珠套安装槽内，所述传感器固定座8的四周开有第一通孔，所述导向柱4的上端与所述刀柄连接块3过盈配合，所述导向柱4的下端依次穿过弹簧7、传感器固定座8的第一通孔伸入到滚珠套10内，所述弹簧7的上端顶触在刀柄连接块3上，所述弹簧7的下端顶触在传感器固定座8上；

所述电致伸缩18块通过电线与机床控制装置连接，所述力传感器9与机床控制装置的显示仪表连接，所述电极19与电极供电装置连接。

进一步，所述滚轮安装座包括滚轮安装座本体16和承力板17，所述承力板17固定在所滚轮安装座本体16的顶面上，所述承力板17位于所述传感器固定座8的下方，所述承力板17的顶面与所述力传感器9的底面接触。

再进一步，所述传感器固定座8上还设有第二通孔，所述滚轮安装座上设有通孔，所述滚轮安装座的通孔与所述传感器固定座8的第二通孔上下正对；

所述上下移动组件包括等高套筒6和定位螺栓5，所述等高套筒6的上端穿过所述传感器固定座8的第二通孔顶触在所述刀柄连接块3上，所述滚轮安装座的通孔可上下移动的安装在所述等高套筒6的下端上，所述定位螺栓5自下而上穿过等高套筒6固定在刀柄连接块3上，所述定位螺栓5的螺栓头顶在所述等高套筒6的下端面上。

再进一步，两个滚轮14分别通过轴承13可转动地安装在滚轮安装轴11的左右两端，所述轴承13与滚轮安装座的下端之间还设有用于轴承13定位的定位套筒15，所述滚轮安装轴11的左端设有挡块，所述滚轮安装轴11的右端依次穿过左端的轴承、左端的定位套筒、滚轮安装座、右端的定位套筒、右端的轴承与锁紧螺母12连接。

再进一步，所述传感器固定座8的外径与承力板17的外径、滚轮安装座本体的外径相同。

更进一步，所述凸台为圆形凸台，所述凸台的底部设有圆形槽，所述电极19通过电致伸缩块18安装在所述圆形槽内。

如图1、图5、图6和图7，刀柄1成锥体形状，上端中心开有螺纹孔，能够被铣床等设备的主轴所装夹，刀柄连接块3的上部形状和刀柄1相契合。刀柄1的底部设有导向圆柱，保证刀柄1和刀柄连接块3的同轴度以及便于各螺纹孔定位；刀柄1的底部还有矩形块，用来传递力矩和转速；安装的时候只要把刀柄1和刀柄连接块3相应的凸台与台阶对齐合上就行了。刀柄1和刀柄连接块3通过正立的内六角螺栓2连接，刀柄连接块3上部开有4个螺纹孔用来和刀柄1连接，刀柄连接块3下端有四个圆孔，将四根导向柱4的上端插入四个圆孔，由于导向柱4和圆孔是过盈配合，所以需要一定的方法插入，将四个导向柱4的上端完全插入。

如图1和图2，力传感器9安装在传感器固定座8的传感器安装槽内，机床主轴有电刷，就可以实现传感器在滚压刀具工作时仍然传送数据。传感器固定座8、承力板17、滚轮安装座本体16直径一样，将它们三个相应于刀柄连接块3下端的圆孔的位置钻出四个孔，传感器固定座8和承力板17上的是通孔，滚轮安装座本体16上的不是通孔；将四个滚珠套10插入滚轮安装座本体16的四个滚珠套安装槽中。然后依次将弹簧7、传感器固定座8、承力板17、滚轮安装座本体16的滚珠套10从四个导向柱穿入。然后将等高套筒6插入滚轮安装座的通孔中，一直顶到刀柄连接块3底面上，然后将内六角螺栓5从等高套筒6穿过与刀柄连接块3的螺纹孔联接，将螺栓头一直拧到等高套筒上，使滚轮安装座不会脱离刀具。因为内六角螺栓5的存在使得滚轮安装座在Z轴上有一个下限，在传感器安装座8上表面和刀柄连接块3的下表面有一定的间隙，中间由四个弹簧7隔开，这样滚轮安装座1在Z轴的位移大小由滚压力和弹簧刚度共同决定，同时四个导向柱4还将转速和力矩传递到滚轮14上。力传感器9的下方是承力板17，力传感器9在自由状态下和承力板有一定的压力，滚压加工前要调零。传感器固定座8上部开有小孔，刀柄连接块3和传感器固定座8有间隙，从机床上的电刷连下来的线通过间隙和传感器固定座8上的小孔连接到力传感器9上，使得力传感器9在滚压加工时也能正常工作。承力板17的底面和滚轮安装座本体16的顶面贴合在一起。承力板17的顶面和力传感器9接触；承力板17的作用就是承受力，防止滚轮安装座本体16损坏。等高套筒的作用是保证传感器固定座8上和刀柄连接块3之间留有一定的间隙并且又能保证滚轮安装座只在一定的行程内移动，这样才能实现柔性滚压。滚珠套10的作用是当滚轮14接触工件表面时，会导致滚轮安装座沿着导向柱4向上移动，滚珠套10可以使滚轮安装座和导向柱14之间的摩擦力减小；因为滚压加工是精密加工，这就要求滚压刀具的制造精度高，垂直度好，滚珠套10能满足这两点。

如图3所示，滚轮安装座本体16下部左右横向有一通孔，该通孔与滚轮安装轴11过盈配合。将特殊形状的滚轮14和轴承13过盈配合的套在一起，然后将轴承13穿入滚轮安装轴11，然后将定位套筒15穿入滚轮安装轴11，将轴承13固定；然后将滚轮安装轴11插入滚轮安装座本体16的横向通孔，使定位套筒15右边靠着滚轮安装座本体16，滚轮安装轴11会从通孔中穿出，然后将另一个定位套筒15穿入滚轮安装轴11中靠到滚轮安装座本体16上，然后依次穿入滚轮14、锁紧螺母12；两个定位套筒15要保证两个滚轮14的对称性。

如图2和图4所示，滚轮安装座的下端有伸出两个圆形槽，先将电致伸缩快18和电极19连接在一起，然后将电致伸缩快18朝上再放入圆形槽中。机床主轴上的旋转接头伸下来电线接在电致伸缩快18和电极19上；根据电极19的电流大小通过机床控制装置控制电致伸缩块18的伸长缩短，使得电极19处于最佳的工作位置；在滚压过程中实时控制电极19的位置，这样可以加工并不是太平整的工件表面。电火花沉积想要沉积效果好，就需要电极19和材料的距离保持在一个小的范围内，而且电极19是损耗的，所以电致伸缩块18的作用就是在加工过程中伸长缩短，保证电极19处在最佳的位置。电致伸缩是一种应力、应变与电场二次项相关的非线性现象，亦称电致伸缩效应。电致伸缩材料可以分为陶瓷电致伸缩材料和聚合物电致伸缩材料两种，驰豫铁电陶瓷电致伸缩材料的电致伸缩系数通常为l0^-6量级，在较低的驱动场强下.可以获得较大的形变量。

本发明的工作过程为：刀柄1和铣床主轴连接，铣床主轴将转速传递到刀柄1上，刀柄1通过螺栓2将转速传到刀柄连接块3上，刀柄连接块3通过导向柱4将转速传到滚轮安装座上，然后滚轮安装座通过滚轮安装轴11将转速传递到滚轮14上。

当滚轮14接触到被加工的工件表面时，会产生向上的力，然后滚轮14将力传到滚轮安装轴11上，滚轮安装轴11再传递到滚轮安装座上，滚轮安装座就向上移动与力传感器9接触，向上的力就全部传递到力传感器9上了，传感器安装座8上端有弹簧7支撑，这样就能测出滚压力了。本质上滚压力是由铣床下压量所产生，但是工件表面并不是那么均匀，会有部分杂质很硬，当滚压到这部分杂质时因为较硬所以变形小，就较其他材料突出就会对刀具形成一个较大的冲击，而刀具上的弹簧7能够吸收这种冲击并且使滚轮14向上移动从而使滚轮不会受到破坏，这就是柔性滚压。

当滚压开始的时候将电极19通电，电火花沉积是直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行沉积处理的工艺。它把电极材料作为工作电极，使之与被沉积的金属工件(阴极)之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，将电极材料转移至工作表面，构成沉积层的沉积方法。电极材料与工件材料产生冶金结合形成沉积层。由于形成含电极材料的合金化的表面沉积层，使工件表面的物理性能、化学性能和力学性能得到改善，而其心部的组织和力学性能不发生变化，边滚压边电沉积能使表面沉积层厚度加深，结合层形成速度加快。电致伸缩块18可以制作出来只发生上下伸缩的，电致伸缩块18通过施加电场而引起变形，电场的大小不同而变形大小不同。通过机床控制装置控制电致伸缩块18的电压大小，从而控制电致伸缩块18，进而控制电极19与工件表面之间的距离。

本发明可实时掌握滚压加工过程中的滚压力，可以对滚压工艺进一步优化，使被加工的工件表面质量更加好。