一种柔性复合超声振动渐进成形装置及方法与流程

本发明涉及金属材料加工制造装备及工艺技术领域，特别是涉及一种柔性复合超声振动渐进成形装置及方法。

背景技术：

超声振动塑性加工技术是在传统塑性加工工艺中，对工具或工件施加振型、频率、振幅和方向可调的超声振动，从而达到降低成形力和回弹量、改善机床实际刚度、显著提高工件成形精度和表面质量等目的。目前，超声振动在拉拔、冲压、挤压、轧制、摆辗等方面的应用和研究十分丰富，在渐进成形方面的应用较少。已有的超声振动渐进成形装置属于单向垂直振动，不能克服传统渐进成形装置及方法面临的工件表面质量不佳、容易破裂和起皱等问题，严重影响超声振动在渐进成形领域方面的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柔性复合超声振动渐进成形装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用方向可调的超声振动实现工件的渐进成形和研磨复合加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种柔性复合超声振动渐进成形装置，包括工作台面和运动系统，所述工作台面用于固定待加工的工件，所述运动系统能够驱动角度调节机构相对于所述工件运动，所述角度调节机构能够驱动第一振动组件旋转，所述第一振动组件上设有第二振动组件，所述第二振动组件上设有加载系统，所述加载系统用于驱动加载工具旋转并提供加载力，所述第一振动组件和所述第二振动组件能够分别驱动所述加载工具沿水平方向和竖直方向振动。

优选地，所述运动系统包括依次连接的y轴运动机构、x轴运动机构和z轴运动机构。

优选地，所述y轴运动机构、所述x轴运动机构和所述z轴运动机构均包括直线滑动导轨和与所述直线滑动导轨滑动连接的电机驱动滑块，所述y轴运动机构的所述直线滑动导轨固定设置，所述x轴运动机构的所述直线滑动导轨与所述y轴运动机构的所述电机驱动滑块固定连接，所述z轴运动机构的所述直线滑动导轨与所述x轴运动机构的所述电机驱动滑块固定连接，所述z轴运动机构的所述电机驱动滑块固定连接悬臂的一端，所述悬臂的另一端与所述角度调节机构固定连接。

优选地，所述角度调节机构包括电机驱动旋转头和第一连接元件，所述第一连接元件设置在所述电机驱动旋转头的输出轴上，所述电机驱动旋转头能够驱动所述第一连接元件绕z轴旋转。

优选地，所述第一振动组件设置在所述第一连接元件上，所述第一振动组件通过第二连接元件与所述第二振动组件连接，所述第二振动组件通过第三连接元件与所述加载系统连接，所述第一振动组件能够驱动所述第二连接元件相对于所述第一连接元件沿水平方向振动，所述第二振动组件能够驱动所述第三连接元件相对于所述第二连接元件沿竖直方向振动；所述第一振动组件的水平方向振动与所述第二振动组件的竖直方向振动构成振动平面，所述振动平面与水平面保持垂直，所述加载工具在所述振动平面内振动。

优选地，所述第一振动组件和所述第二振动组件均包括依次连接的超声波发生器、换能器和变幅杆。

优选地，所述加载工具为半球头式结构。

优选地，所述工件通过定位夹具固定在所述工作台面上。

本发明还提供了一种柔性复合超声振动渐进成形法，工件固定在工作台面上，运动系统驱动加载工具沿加工轨迹移动，加载系统给加载工具施加旋转并提供加载力，加载工具在加工过程中，第一振动组件的水平方向振动与第二振动组件的竖直方向振动构成振动平面，振动平面与水平面保持垂直，第一振动组件和第二振动组件驱动加载工具在振动平面内振动，角度调节机构控制振动平面的角度，始终保证振动平面与加工轨迹在加载处的切线方向保持空间垂直，直到工件加工完成。

优选地，控制系统根据输入的工件的三维模型和材料参数，完成加工路径规划，在考虑加载工具单次进给步长的情况下，用n个平面截取工件三维模型得到n个二维平面轨迹，根据工件的外形特征和材料参数，考虑材料回弹变形，利用有限元模拟和实验手段确定回弹变形量，对加载工具的加工轨迹进行回弹补偿，获得加载工具的实际加工路径；

逐层加工工件，加载工具在当前层加工完成后向下进给一个步长到达下一层位置，单次进给步长h应满足h≤2rcosα，其中α为成形角，r为加载工具球头半径；

加载工具的振动方式与第一振动组件和第二振动组件各自的振型、振幅、频率和相位有关，加载工具的实际振动方式根据渐进成形工艺、材料性能特点和产品外形特征来择优选取；

第一振动组件和第二振动组件的振动频率和相位相同时，加载工具的振动方式为斜向直线振动，加载工具的振动轨迹与水平面相交的角度由第一振动组件和第二振动组件振幅的比例大小来决定，该角度应保证加载工具的振动轨迹与工件外形相贴合，加载工具振幅与第一振动组件振幅和第二振动组件振幅满足勾股定理；

第一振动组件和第二振动组件的振动频率相同、振动相位相差四分之一周期时，加载工具的振动方式为椭圆振动，椭圆振动的长短轴分别为第一振动组件和第二振动组件的振幅；

加载工具的振幅应大于等于加载工具单次进给步长h的一半。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

柔性复合超声振动渐进成形装置采用的运动系统具有4个自由度，3个自由度的直线运动提供加载工具与工件之间的相对运动，可以满足工件的加工要求；1个自由度的角度调节机构可以实现加载工具振动方向与工件加载处的切线方向保持空间垂直。

区别于已有的单向振动系统，由2个相互垂直的第一振动组件和第二振动组件组成的复合振动系统可以根据工件外形柔性调节振动方式和方向，并保证加载工具振动方向贴合工件形状。兼具超声振动和旋转运动的加载工具在沿2维平面轨迹运动时，与相邻两层加工轨迹之间的残余波状材料相接触的过程实际上是一个塑性变形和磨削过程，振动可以看作是进给运动，旋转运动可以看作是主运动，因此利用超声振动辅助的塑性加工和研磨效应可以有效消除工件上相邻两层加工轨迹之间的残余材料，有助于提高工件表面质量和成形精度。

本发明柔性复合超声振动渐进成形加工方法，可以有效降低成形力和回弹量、提高产品成形精度和表面质量，且成形过程高效灵活可调，可用于金属材料塑性成形加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明柔性复合超声振动渐进成形装置的结构示意图；

图2为本发明中的第一振动组件和第二振动组件复合斜向振动原理图；

图3为本发明中的第一振动组件和第二振动组件复合椭圆振动原理图；

图4为本发明柔性复合超声振动渐进成形方法的振动方向分析示意图；

图5为图4的局部放大图；

其中：1-工作台面，2-定位夹具，3-工件，4-加载工具，5-加载系统，6-第三连接元件，7-第二振动组件，8-第二连接元件，9-第一振动组件，10-第一连接元件，11-电机驱动旋转头，12-悬臂，13-电机驱动滑块，14-直线滑动导轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示：本实施例提供了一种柔性复合超声振动渐进成形装置，包括工作台面1和运动系统，工作台面1用于固定待加工的工件3，工件3通过定位夹具2固定在工作台面1上。运动系统能够驱动角度调节机构相对于工件3运动，角度调节机构能够驱动第一振动组件9旋转，第一振动组件9上设有第二振动组件7，第二振动组件7上设有加载系统5，加载系统5用于驱动加载工具4旋转并提供加载力，加载工具4可选为半球头式结构。第一振动组件9和第二振动组件7能够分别驱动加载工具4沿水平方向和竖直方向振动。第一振动组件9和第二振动组件7构成的振动系统。

具体地，运动系统包括依次连接的y轴运动机构、x轴运动机构和z轴运动机构，y轴运动机构、x轴运动机构和z轴运动机构均包括直线滑动导轨14和与直线滑动导轨14滑动连接的电机驱动滑块13，y轴运动机构的直线滑动导轨14固定设置，x轴运动机构的直线滑动导轨14与y轴运动机构的电机驱动滑块13固定连接，z轴运动机构的直线滑动导轨14与x轴运动机构的电机驱动滑块13固定连接，z轴运动机构的电机驱动滑块13固定连接悬臂12的一端，悬臂12的另一端与角度调节机构固定连接。

角度调节机构包括电机驱动旋转头11和第一连接元件10，第一连接元件10设置在电机驱动旋转头11的输出轴上，电机驱动旋转头11能够驱动第一连接元件10绕z轴旋转。

第一振动组件9设置在第一连接元件10上，第一振动组件9通过第二连接元件8与第二振动组件7连接，第二振动组件7通过第三连接元件6与加载系统5连接，第一振动组件9能够驱动第二连接元件8相对于第一连接元件10沿水平方向振动，第二振动组件7能够驱动第三连接元件6相对于第二连接元件8沿竖直方向振动。第一振动组件9的水平方向振动与第二振动组件7的竖直方向振动构成振动平面，该振动平面与水平面保持垂直，加载工具4在该振动平面内振动。

进一步地，第一振动组件9和第二振动组件7均包括依次连接的超声波发生器、换能器和变幅杆，且第一振动组件9的超声波发生器的外壳与第一连接元件10固定连接，第一振动组件9的变幅杆与第二连接元件8固定连接，第二振动组件7的超声波发生器的外壳与第二连接元件8固定连接，第二振动组件7的变幅杆与第三连接元件6固定连接。

本实施例还包括控制系统，控制系统用于控制加载系统5的启停、转速、转动方向和加载力，还用于控制第一振动组件9和第二振动组件7各自的启停以及振动频率、振幅、相位和振型，以及角度调节机构的电机驱动旋转头11的转动角度，且上述加工参数可进行更改设置。

本实施例还提供了一种柔性复合超声振动渐进成形方法，利用上述的柔性复合超声振动渐进成形装置实施，工件3固定在工作台面1上，运动系统驱动加载工具4沿加工轨迹移动，加载系统5给加载工具4施加旋转并提供加载力，加载工具4在加工过程中，第一振动组件9和第二振动组件7驱动加载工具4在竖直的振动平面内振动，角度调节机构控制第一振动组件9和第二振动组件7的振动平面的角度，始终保证该振动平面与加工轨迹在加载处的切线方向保持空间垂直，直到工件3加工完成。

优选地，控制系统根据输入的工件3的三维模型和材料参数，完成加工路径规划，在考虑加载工具4单次进给步长的情况下，用n个平面截取工件3三维模型得到n个二维平面轨迹，根据工件3的外形特征和材料参数，考虑材料回弹变形，利用有限元模拟和实验手段确定回弹变形量，对加载工具4的加工轨迹进行回弹补偿，获得加载工具4的实际加工路径。

逐层加工工件3，具体地，分层加工第1层：加载工具4移动到系统坐标零点位置，开启振动系统和加载系统5，加载工具4向下进给一个步长到达第1层位置(垂直进给步长与材料参数和振动系统参数相关)，随后加载工具4沿着第1层平面加工轨迹运行一周，加载工具4在运动过程中，电机驱动旋转头11带动第一连接元件10转动一定角度，始终保证加载工具4振动方向与工件3加工区域外形曲线贴合，并与第1层平面加工轨迹在加载处的切线方向保持空间垂直；分层加工下一层：加载工具4向下进给一个步长到达下一层位置，随后加载工具4沿着下一层平面加工轨迹运行一周，加载工具4在运动过程中，电机驱动旋转头11带动第一连接元件10转动一定角度，始终保证加载工具4振动方向与工件3加工区域外形曲线贴合，并与下一层平面加工轨迹在加载处的切线方向保持空间垂直，并随时调整角度，直到工件3加工完成。

当选取的加载工具4为半球头式结构时，采用传统渐进成形工艺的工件3始终会在相邻两层加工轨迹之间留下一道残余材料难以消除，残余材料的高度称为预设残余波峰高度h。假设相邻两层加工轨迹上的加载工具4轮廓线相交于后一个加载工具4的球头根部，此时预设残余波峰高度h与成形角α、加载工具4球头半径r和单次进给步长h之间满足以下关系：h＝2rcosα，h＝r(1-sinα)。当单次进给步长h>2rcosα时，相邻两层加工轨迹之间的残余材料是非对称的；当单次进给步长h≤2rcosα时，相邻两层加工轨迹之间的残余材料是对称的，后者更有利于利用超声振动消除相邻两层加工轨迹之间的残余材料。由于单次进给步长h越小，则加工效率越低。因此在实际加工中，单次进给步长h的选取需要综合考虑工件3材料参数、加载工具4球头结构参数、成形角、振动系统振幅等多个因素，在加工质量和加工效率之间选取最优值。

优选地，加载工具4在当前层加工完成后向下进给一个步长到达下一层位置，单次进给步长h应满足h≤2rcosα，其中α为成形角，r为加载工具4球头半径。

加载工具4的振动方式与第一振动组件9和第二振动组件7各自的振型、振幅、频率和相位有关，加载工具4的实际振动方式根据渐进成形工艺、材料性能特点和工件3外形特征来择优选取。

第一振动组件9和第二振动组件7的振动频率和相位相同时，加载工具4的振动方式为斜向直线振动，加载工具4的振动轨迹与水平面相交的角度由第一振动组件9和第二振动组件7振幅的比例大小来决定，该角度应保证加载工具4的振动轨迹与工件外形相贴合，加载工具4振幅与第一振动组件9振幅和第二振动组件7振幅满足勾股定理。

第一振动组件9和第二振动组件7的振动频率相同、振动相位相差四分之一周期时，加载工具4的振动方式为椭圆振动，椭圆振动的长短轴分别为第一振动组件9和第二振动组件7的振幅。

加载工具4的振幅应大于等于加载工具4单次进给步长h的一半。

当然，本实施例在开始实施前还应包括制备工件3的坯料，坯料根据工件3外形特征，计算初始坯料形状和尺寸，并按照该初始坯料的形状和尺寸要求锻造、轧制和切割金属板材；以及工件3通过定位夹具2固定在工作台面1上，定位夹具2需根据工件3的外形特征和工作台面1的结构尺寸特征设计等步骤；工件3加工完成后还应包括取件和检验等步骤。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。