[发明专利]一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置及其加工方法

权利要求书

1.一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置，其特征在于：包括机架、三轴运动系统和超声冲击设备；

所述三轴运动系统包括X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；

所述X向运动机构包括X向滑台、X向丝杆和X向电机，所述X向滑台沿X向滑动连接于机架顶部的横梁上，X向丝杆沿X向转动连接于机架顶部的横梁上，且X向丝杆与X向滑台上的螺母座传动连接，所述X向电机与X向丝杆的一端传动连接；

所述Y向运动机构包括Y向滑台、Y向丝杆和Y向电机，所述Y向滑台沿Y向滑动连接于机架底部的台面上，Y向丝杆沿Y向转动连接于机架底部的台面上，且Y向丝杆与Y向滑台上的螺母座传动连接，所述Y向电机与Y向丝杆的一端传动连接；所述Y向滑台的顶部为装夹面，待加工的工件通过装夹机构固定在装夹面上；

所述Z向运动机构包括固定连接在X向滑台上的Z向导轨以及同轴设置在X向滑台上的压力加载系统和定时冲击控制系统，所述超声冲击设备滑动连接于Z向导轨上；所述压力加载系统连接超声冲击设备，用于对超声冲击设备施加静载荷；所述定时冲击控制系统连接超声冲击设备，用于快速抬起或下降超声冲击设备以控制超声冲击时间。

2.根据权利要求1所述的一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置，其特征在于：所述超声冲击设备包括超声冲击枪、装夹固定板和电源，装夹固定板的背部固定有上滑块和下滑块，上滑块和下滑块分别滑动连接于Z向导轨上；所述超声冲击枪通过螺栓固定连接在装夹固定板上，并连接电源使其工作。

3.根据权利要求1所述的一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置，其特征在于：所述压力加载系统位于超声冲击设备的上方，压力加载系统包括压力加载丝杆、压力加载电机、压力加载滑台、压力加载滑块、弹簧和压力传感器，所述压力加载滑台和压力加载滑块从上至下依序滑动连接于Z向导轨上，所述压力加载丝杆沿Z向转动连接于X向滑台上，且压力加载丝杆与压力加载滑台上的螺母座传动连接，所述压力加载电机与压力加载丝杆的一端传动连接；所述压力加载滑台对压力加载滑块施加压力，所述压力传感器固定在位于超声冲击设备背部的上滑块顶面，所述弹簧的一端与压力加载滑块底部固定连接，弹簧的另一端连接于压力传感器的检测端；通过压力指令控制器控制压力加载电机驱动压力加载丝杆、压力加载滑台进给，对压力加载滑块和弹簧施加压力，并由压力传感器反馈到压力指令控制器，实现恒定压力输出。

4.根据权利要求1所述的一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置，其特征在于：所述定时冲击控制系统位于超声冲击设备的下方，定时冲击控制系统由高速精确升降机构组成，高速精确升降机构包括液压缸、液压泵和电磁换向阀；所述液压缸通过螺栓固定连接在X向滑台的下端，液压缸的活塞杆末端通过螺母与位于超声冲击设备背部的下滑块底面锁紧连接，所述液压缸、电磁换向阀、液压泵按顺序依次连接；通过定时冲击指令控制器控制换向阀改变液压缸的活塞杆进给的方向，使超声冲击加工系统快速抬起或下降。

5.采用权利要求1-4任意一项所述的一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置的加工方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：工件通过装夹机构固定在装夹面上，工件的待加工表面与水平面平行；

步骤2：通过运动指令控制器完成三轴运动系统所需加工参数的设置，同时运动指令控制器控制三轴运动系统进给到预定位置，并通过压力加载系统控制超声冲击设备进给，使超声冲击枪的冲击头接触工件，进行预冲击；

步骤3：完成预冲击后，压力指令控制器控制压力加载系统开始施加给定的压力；

步骤4：压力施加完成后，超声冲击枪开始冲击；

步骤5：完成当前位置冲击后，定时冲击指令控制器控制定时冲击控制系统，通过高速精确升降机构在短时间内完成超声冲击枪的抬起与下降，同时三轴运动系统通过预设的加工参数快速进给到下一位置。

6.根据权利要求5所述的一种用于定量表面强化的超声冲击加工装置的加工方法，其特征在于：所述加工参数的设置包括：

(1)三轴运动系统一次行程的进给量为10μm，以10-15mm/min速度微量进给；

(2)压力加载系统加载压力值为1-500N；精度为1N；其中：

ΔF＝ΔL×K

上式中，ΔF-压力；ΔL-Z向进给量；K-系数，可设定K＝1，1.5，2……4，4.5，5；

(3)定时冲击控制系统进给量为1-2mm；精度为0.1mm；其中：

ΔS₂＝Δt×v₂

即：

上式：ΔS₁-Z向进给量；v₁-Z向进给速度；ΔS₂-X、Y向进给量；v₂-X、Y进给速度；Δt-时间；

(4)超声冲击设备输出功率：500-2000W；输出频率：20-40kHz；输出振幅：0-100um。