基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置及方法与流程

本发明涉及一种对金属薄板同时施以超声振动和工具头旋转并具有实时反馈功能的旋转超声复合渐进成形装置及方法，属于塑性加工技术领域。

背景技术：

渐进成形工艺作为一种新兴的柔性无模板料成形技术，采用“分层制造”的思想，无需模具，在开发时间和经济成本上都得到了优化，尤其是在小批量、定制化生产中。超声辅助渐进成形的提出主要针对渐进成形在加工薄板零件时的底部扭转、回弹现象等成形缺陷问题，从而达到提高成形几何精度和表面质量的目的。

中国专利文献CN104690138A公开了《一种镁合金板材超声振动单点渐进成形装置及其渐进成形方法》。该方法的装置包括超声波振动系统、镁合金板材单点渐进成形系统和微电脑控制系统。超声波发生器经导线将高频电信号传递到换能器，继而传递到变幅杆，变幅杆与工具头焊接。

首先，现有的超声辅助渐进成形技术为有线连接，能量损耗大且增加了工作的不稳定性并不利于工具头转速的引入；整个超声波振动系统采用的是各部件累加的方式，未能实现超声刀柄的通用化和系列化；由于成形力监测设备多为单独的台式压电式测力仪，没有与超声振动系统融合，因此超声参数的设定不能根据加工的实际需求来进行实时调整。再者，渐进成形技术在成形大角度零件时存在较大的限制，而且对于镁合金和钛合金等在室温下难成形的材料，未能找到一种操作简单、价格低廉的加热方式来加工镁合金和钛合金等难成形的材料。

技术实现要素：

针对现有超声辅助渐进成形技术在装置的整体结构、连接方式和成形性能、可加工材料范围方面存在的不足，本发明提供一种可实现旋转超声复合渐进成形技术的装置及成形方法。本发明的特点在于使超声辅助渐进成形装置便于维修更换、通用化和系列化，同时采用无线能量传输方式来减少能量损耗并通过工具头高速旋转来实现局部加热。通过应变式传感器实时监测成形力，完成成形力的实时反馈，通过及时调整工艺参数，使成形力保持在合理大小范围及变化趋势，避免零件的破裂等缺陷产生。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于实时反馈的旋转超声复合渐进成形装置，包括一个工作台，在所述的工作台上安装有一个支撑架，在所述的支撑架上固定有待加工板材，在固定支撑架的上方设有旋转超声刀柄加工单元，所述的旋转超声刀柄加工单元包括加工主轴，所述的加工主轴与安装锥柄相连，在所述安装锥柄的圆柱孔内安装超声波换能器，所述超声波换能器的电极铜片通过导线与磁接收器的接收线圈相连，与所述的磁接收器相对的设有一个磁发生器，所述的磁发生器与超声波发生器相连；所述的超声波换能器与变幅杆相连，所述的变幅杆与成形工具头相连。所述变幅杆外圆开有环形槽，用以粘贴作为力传感器使用的应变片，所述的应变片与信号采集发射模块相连，所述的信号采集发射模块与信息处理显示装置通讯。

进一步的，三组Wheatstone全电桥粘贴在环形槽上，每个电桥由四个应变片组成，用以测量轴向和两个弯曲方向的受力。环形槽上下各有一个带有内孔的圆柱形板，与变幅杆外圆相配合。圆柱形板与外侧圆筒形密封盖一起形成封闭空间，可放置电源和信号采集发射模块。

采用集超声波发生器、换能器、变幅杆、成形工具头、无线电能传输装置、反馈装置及相关组件于一体的超声刀柄系统安装在现有的普通数控机床主轴内，将普通数控机床主轴的转动、在三维空间内的可控移动与超声刀柄系统的纵向振动结合在一起，实现渐进成形的高频断续挤压。

进一步的，所述的安装锥柄与加工主轴的主轴孔相配合，使超声刀柄可以实现高速旋转，从而实现超声刀柄的通用化和系列化，便于维修和更换。

进一步的，所述的加工主轴为数控机床的加工主轴。

进一步的，所述的变幅杆与渐进成形工具头通过螺纹连接，并保证换能器、变幅杆、工具头和主轴同轴顺次连接。

进一步的，所述的磁发生器与磁接收器均包括磁芯和线圈，两者保持一定的间隔径向对置。磁发生器内的发射线圈通过导线与超声波发生器相连接。磁发生器与磁接收器共同作为无线传输装置依据电磁感应原理无线传输电能量，从而减少之前因为摩擦接触损失的能量，并有利于自动换刀的实现和转速的引入。

进一步的，所述的应变片通过导线与信号采集发射模块相连，然后信号采集发射模块将信号以无线Wi-Fi的形式传递到信息处理显示装置，保证成形力的实时监测和反馈，从而可以通过调节振幅大小达到理想的成形力。

进一步的，所述的支撑架上设有支撑板，在所述的支撑板上设置待加工板材，所述的待加工板材通过上压板压在支撑板上，上压板与支撑板用螺丝连接压紧，防止成形过程中的移动。

支撑板的作用是抑制非成形区材料的不必要变形，提高成形精度。上压板位于板材上部并与其接触提供预压。支撑架固定在机床工作台上。

所述数控机床及其控制系统是实现上述旋转超声辅助渐进成形工艺的载体。旋转超声刀柄加工单元与机床主轴相连，运动轨迹可以由数控机床控制系统进行编程。板材渐进成形夹具单元固定在机床工作台上。

具体的加工方法如下：

第一步，将待加工板材装夹到板材渐进成形夹具单元上；

第二步，启动超声波发生器的电源，设置超声振动参数，超声波发生器产生的高频电信号经导线传输到磁发生器的发射线圈，依据电磁感应原理无线传输到磁接收器；接收线圈经导线传输到换能器的电极铜片；经压电效应转换为机械振动后传输到变幅杆，继而传输到成形工具头，使成形工具头达到设定的振动频率和振幅；

第三步，根据复杂薄壁件中的薄壁壳体形状和尺寸建模编程，建立三维数字模型，根据工艺参数生成工具头的运动轨迹；

第四步，控制工具头对板材进行挤压局部成形，按照数控编程路径，逐层对板材进行成形加工，以运动轨迹的包络面代替模具的型面，直至加工成所需薄壁件；利用应变片传感器实时监测加工过程中的成形力，并进行反馈，通过改变超声波发生器的振动参数，进而改变变幅杆的振幅大小来使成形力达到理想要求，监测成形力的变化，若有急剧下降趋势，应立即改变工艺参数避免零件破裂现象发生。

本发明的旋转超声复合渐进成形技术可以改善板材在渐进成形过程中的塑性变形行为，提高材料变形极限，改善成形件表面质量、精度以及力学性能，延长有效服役寿命，减少成形缺陷的产生。

本发明的有益效果如下：

本发明的特点是在原有的超声辅助渐进成形工艺的基础上改进为采用相对独立、使用先进的无线电能传输方式且可跟随主轴旋转的旋转超声刀柄加工系统，使其在超声辅助渐进成形加工中引入一定范围内的转速，这种改进后的旋转超声复合加工方式可以减小摩擦系数、提升成形工具头与待加工板材之间的局部温度，从而减小成形力，提高成形极限，扩大渐进成形应用的范围。

同时，信号采集发射模块可实时采集成形力信号并将其传输到信息处理显示装置，实现轴向力(即成形力)的实时监测，通过信息处理显示装置处理实现反馈功能，调节振幅的大小来控制成形力达到理想水平。

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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明中旋转超声刀柄加工单元的结构示意图；

图2是本发明中旋转超声复合渐进成形系统的结构示意图；

图3是本发明的无模单点渐进成形加工过程示意图；

图4是工具头渐进成形轨迹示意图；

图5是应变片位置图；

图6是电桥电路图。

图中，1工作台，2支撑架，3支撑板，4待加工板材，5压板，6成形工具头，7变幅杆，8换能器，9超声波发生器，10主轴，11主轴支架，12连杆，13磁发生器，14磁接收器，15安装锥柄,16应变片，17信号采集发射模块，18电源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，在现有的超声辅助渐进成形技术为有线连接，能量损耗大且增加了工作的不稳定性并不利于工具头转速的引入；整个超声波振动系统采用的是各部件累加的方式，未能实现超声刀柄的通用化和系列化；由于成形力监测设备多为单独的台式压电式测力仪，没有与超声振动系统融合，因此超声参数的设定不能根据加工的实际需求来进行实时调整。再者，渐进成形技术在成形大角度零件时存在较大的限制，而且对于镁合金和钛合金等在室温下难成形的材料，未能找到一种操作简单、价格低廉的加热方式来加工镁合金和钛合金等难成形的材料。工具头的旋转能够改变与板材的摩擦接触状态，在高速旋转时可产生高温有助于材料的塑性成形。因此，本发明提供一种可满足旋转超声复合渐进成形技术的装置及其方法，振幅可根据实时监测的成形力进行调节。本发明中的旋转超声复合成形装置，包括旋转超声刀柄加工单元、板材渐进成形夹具单元、数控机床及其控制系统。

本发明中的旋转超声刀柄加工单元，如图1所示，包括超声波发生器9，换能器8，变幅杆7，成形工具头6，磁发生器13，磁接收器14，安装锥柄15。其中，安装锥柄15与主轴孔10相配合，超声波换能器8安装在锥柄圆柱孔内，换能器8内的电极铜片通过导线与磁接收器14的接收线圈相连，换能器8与变幅杆7相连接，变幅杆7与成形工具头6通过螺纹连接，并保证换能器8、变幅杆7、工具头6和主轴10同轴顺次连接。磁发生器13的壳体通过连杆12与固定在机床床身的主轴支架11连接，磁发生器13与磁接收器14均包括磁芯和线圈，两者保持一定的间隔径向对置。磁接收器14安置在换能器8的外壳圆面上，磁发生器13内的发射线圈通过导线与超声波发生器相连接。从而实现依靠电磁感应原理的无线电能传输且不妨碍工具头转动。应变片16粘贴在环形槽内壁，通过导线与信号采集发射模块17连接，电源18为采集发射装置供电。上下圆柱板与密封盖组成的外壳通过螺钉固定在变幅杆上。

超声波发生器9、换能器8和变幅杆7都是超声波振动的常规部件。超声波发生器9可以将工频交流电转换为超声波换能器可识别的超声频电震荡信号。换能器8的原理是利用压电陶瓷的压电效应将超声波发生器9产生的高频电震荡信号转换成渐进成形工具头6竖直方向下压所需的往复机械振动。变幅杆7又称超声变速杆或超声聚能器，其作用是放大换能器所获得并传递来的超声振动振幅，以满足超声辅助渐进成形的需要，同时将超声能量集中在较小的面积上。实际操作中还需要频率自动跟踪电路等反馈装置来反馈输出功率和频率，频率自动跟踪电路的主要作用是保持超声电源输出电能的频率始终与超声振动单元的谐振频率一致，即达到共振效果，进而保证效率最高，工作最稳定。

所述旋转超声刀柄加工单元将超声振动引入到工具头6中，工具头的振动频率、振幅可调，超声装置参数设定为超声功率1.5kW-2.2kW，频率20-40kHz(通过测控单元调整输出功率并结合频率自动跟踪调整设备来实现)，振幅5-20μm，工具头转速为2000-3000rpm。

在工具头垂直下压的过程中，改变以往连续接触下压的方式，给工具头施加以一定方向、频率和振幅的可控超声振动，使工具头与工件之间能够产生瞬间的分离，摩擦力矢量反向，使得在振动周期的部分时间里摩擦力反而有利于变形加工；局部热效应的作用，使得局部粘焊现象减少，振动改善了加工润滑条件，表面成形质量将显著提高。同时，超声振动使得金属材料内部的结构关系发生重大变化，降低材料的流动应力。同时，旋转超声刀柄加工系统在主轴的带动下给成形工具头施加2000-3000rpm范围内的转速，摩擦和热效应的双重作用使成形力得到减小，以最大成形角和成形深度表征的成形性能得到提高。超声刀柄系统在数控机床主轴的带动下以可控的转速旋转，从而改变传统渐进成形中工具头不转动、与板材在挤压过程中维持滑动摩擦的状态。较低转速范围时，主要是通过摩擦形式的改变；而较高转速范围时主要是通过热效应和内部的动态再结晶，从而达到减小成形力和提高成形性能的效果。

本发明中的板材渐进成形夹具单元，如图3所示，包括支撑架2，支撑板3，上压板5和待加工金属板材4。支撑架2保证待加工板材4向下渐进成形所需的容纳空间。支撑架2设置于数控机床工作台1上，数控机床工作台1作为渐进成形加工过程的平台，来承载所需的夹持装置和金属板材，为整个加工过程中的工具头下压提供支撑。支撑板3设置于支撑架2上，用于支撑待加工板材4。压板5设置于支撑板3上，将待加工板材4压紧在支撑板3上，支撑板3的作用是抑制非成形区材料的不必要变形，提高成形精度。

工具头6沿着模型的内表面运动，板料的边缘固定不动，工具头6由边缘向心部逐渐成形，直至成形完成。工具头6渐进成形的轨迹如图4所示。

在变幅杆环形槽上贴有三组Wheatstone全电桥，每组电桥由四个应变片组成，用以测量轴向和两个弯曲方向的受力，从而组成应变传感器。应变传感器由应变片R₁、R₂、R₃、R₄组成，布置位置如图5所示，电桥电路如图6所示。其中U₀为电桥的供电电压，U_F为测量轴向力的输出电压，通过测量输出电压就可以间接的测量轴向力。

在本实施例中为旋转超声复合渐进成形提供一种易维修更换、采用无线电能传输方式且可跟随主轴旋转的旋转超声刀柄加工单元以及整套渐进成形系统，从而降低成本、减少能量损耗以及工作的不稳定性；而一定范围内转速的引入，通过摩擦和热效应的双重作用减小了成形力并提高了成形极限。这种改进后的旋转超声复合加工方式可以改善板材在渐进成形过程中的塑性变形行为，提高材料成形极限，改善成形件表面质量、精度以及力学性能，减小所需的成形力，延长有效服役寿命，并将渐进成形技术推广到室温下难成形的镁、钛等材料。

以下以图4所示的圆锥台薄壁件为例详细说明上述旋转超声复合成形的具体过程。

第一步，将待加工板材4装夹到板材渐进成形夹具单元上，工件下表面接触支撑板3，上表面由上压板5压紧，支撑板3和上压板5由夹具提供紧固，固定在工作台2上；

第二步，启动超声电源，设置超声振动参数，超声波发生器9产生的高频电信号经导线传输到磁发生器13的发射线圈，依据电磁感应原理无线传输到磁接收器14。接收线圈经导线传输到换能器8的电极铜片。经压电效应转换为机械振动后传输到变幅杆7，继而传输到成形工具头6，使成形工具头达到设定的振动频率和振幅；

第三步，根据复杂薄壁件中的薄壁壳体形状和尺寸建模编程，利用CAD软件建立三维数字模型，再采用CAM软件根据优选的工艺参数生成工具头6的运动轨迹。

第四步，控制工具头6对板材进行挤压局部成形，按照数控编程路径，逐层对板材进行成形加工，以运动轨迹的包络面代替模具的型面，在运动过程中实时监测成形力的大小及其变化趋势，保证零件的有效加工，直至加工到所需薄壁件。

图4中给出的圆锥台薄壁件，板材材质为7075铝合金，厚度为0.8-1.2mm，相关工艺参数定为：

工具头6的直径选择为8-10mm，由控制系统控制下压，每次下压量为0.1-0.2mm，按照生成的工具头6的运动轨迹，工具头2的进给速率为1000-2000mm/min，直至加工出所述形状零件。工具头超声振动频率20-23kHz，振幅为6-8μm，工具头转速为2000-3000rpm。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。