本實用新型涉及一種對金屬薄板同時施以超聲振動和工具頭旋轉(zhuǎn)并具有實時反饋功能的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形裝置，屬于塑性加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

漸進(jìn)成形工藝作為一種新興的柔性無模板料成形技術(shù)，采用“分層制造”的思想，無需模具，在開發(fā)時間和經(jīng)濟(jì)成本上都得到了優(yōu)化，尤其是在小批量、定制化生產(chǎn)中。超聲輔助漸進(jìn)成形的提出主要針對漸進(jìn)成形在加工薄板零件時的底部扭轉(zhuǎn)、回彈現(xiàn)象等成形缺陷問題，從而達(dá)到提高成形幾何精度和表面質(zhì)量的目的。

中國專利文獻(xiàn)CN104690138A公開了《一種鎂合金板材超聲振動單點(diǎn)漸進(jìn)成形裝置及其漸進(jìn)成形方法》。該方法的裝置包括超聲波振動系統(tǒng)、鎂合金板材單點(diǎn)漸進(jìn)成形系統(tǒng)和微電腦控制系統(tǒng)。超聲波發(fā)生器經(jīng)導(dǎo)線將高頻電信號傳遞到換能器，繼而傳遞到變幅桿，變幅桿與工具頭焊接。

首先，現(xiàn)有的超聲輔助漸進(jìn)成形技術(shù)為有線連接，能量損耗大且增加了工作的不穩(wěn)定性并不利于工具頭轉(zhuǎn)速的引入；整個超聲波振動系統(tǒng)采用的是各部件累加的方式，未能實現(xiàn)超聲刀柄的通用化和系列化；由于成形力監(jiān)測設(shè)備多為單獨(dú)的臺式壓電式測力儀，沒有與超聲振動系統(tǒng)融合，因此超聲參數(shù)的設(shè)定不能根據(jù)加工的實際需求來進(jìn)行實時調(diào)整。再者，漸進(jìn)成形技術(shù)在成形大角度零件時存在較大的限制，而且對于鎂合金和鈦合金等在室溫下難成形的材料，未能找到一種操作簡單、價格低廉的加熱方式來加工鎂合金和鈦合金等難成形的材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有超聲輔助漸進(jìn)成形技術(shù)在裝置的整體結(jié)構(gòu)、連接方式和成形性能、可加工材料范圍方面存在的不足，本實用新型提供一種可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形技術(shù)的裝置及成形方法。本實用新型的特點(diǎn)在于使超聲輔助漸進(jìn)成形裝置便于維修更換、通用化和系列化，同時采用無線能量傳輸方式來減少能量損耗并通過工具頭高速旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)局部加熱。通過應(yīng)變式傳感器實時監(jiān)測成形力，完成成形力的實時反饋，通過及時調(diào)整工藝參數(shù)，使成形力保持在合理大小范圍及變化趨勢，避免零件的破裂等缺陷產(chǎn)生。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案：

基于實時反饋的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形裝置，包括一個板材漸進(jìn)成形夾具單元，在板材漸進(jìn)成形夾具單元的上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元，所述的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元包括加工主軸，所述的加工主軸與安裝錐柄相連，在所述安裝錐柄的圓柱孔內(nèi)安裝超聲波換能器，所述超聲波換能器的電極銅片通過導(dǎo)線與磁接收器的接收線圈相連，與所述的磁接收器相對的設(shè)有一個磁發(fā)生器，所述的磁發(fā)生器與超聲波發(fā)生器相連；所述的超聲波換能器與變幅桿相連，所述的變幅桿與成形工具頭相連。所述變幅桿外圓開有環(huán)形槽，用以粘貼作為力傳感器使用的應(yīng)變片，所述的應(yīng)變片與信號采集發(fā)射模塊相連，所述的信號采集發(fā)射模塊與信息處理顯示裝置通訊。

進(jìn)一步的，三組Wheatstone全電橋粘貼在環(huán)形槽上，每個電橋由四個應(yīng)變片組成，用以測量軸向和兩個彎曲方向的受力。環(huán)形槽上下各有一個帶有內(nèi)孔的圓柱形板，與變幅桿外圓相配合。圓柱形板與外側(cè)圓筒形密封蓋一起形成封閉空間，可放置電源和信號采集發(fā)射模塊。

采用集超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、成形工具頭、無線電能傳輸裝置、反饋裝置及相關(guān)組件于一體的超聲刀柄系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的普通數(shù)控機(jī)床主軸內(nèi)，將普通數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動、在三維空間內(nèi)的可控移動與超聲刀柄系統(tǒng)的縱向振動結(jié)合在一起，實現(xiàn)漸進(jìn)成形的高頻斷續(xù)擠壓。

進(jìn)一步的，所述的安裝錐柄與加工主軸的主軸孔相配合，使超聲刀柄可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)超聲刀柄的通用化和系列化，便于維修和更換。

進(jìn)一步的，所述的加工主軸為數(shù)控機(jī)床的加工主軸。

進(jìn)一步的，所述的變幅桿與漸進(jìn)成形工具頭通過螺紋連接，并保證換能器、變幅桿、工具頭和主軸同軸順次連接。

進(jìn)一步的，所述的磁發(fā)生器與磁接收器均包括磁芯和線圈，兩者保持一定的間隔徑向?qū)χ?。磁發(fā)生器內(nèi)的發(fā)射線圈通過導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器相連接。磁發(fā)生器與磁接收器共同作為無線傳輸裝置依據(jù)電磁感應(yīng)原理無線傳輸電能量，從而減少之前因為摩擦接觸損失的能量，并有利于自動換刀的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)速的引入。

進(jìn)一步的，所述的應(yīng)變片通過導(dǎo)線與信號采集發(fā)射模塊相連，然后信號采集發(fā)射模塊將信號以無線Wi-Fi的形式傳遞到信息處理顯示裝置，保證成形力的實時監(jiān)測和反饋，從而可以通過調(diào)節(jié)振幅大小達(dá)到理想的成形力。

進(jìn)一步的，所述的板材漸進(jìn)成形夾具單元包括一個工作臺，在所述的工作臺上安裝有一個支撐架，在所述的支撐架上固定有待加工板材。

進(jìn)一步的，所述的支撐架上設(shè)有支撐板，在所述的支撐板上設(shè)置待加工板材，所述的待加工板材通過上壓板壓在支撐板上，上壓板與支撐板用螺絲連接壓緊，防止成形過程中的移動。

支撐板的作用是抑制非成形區(qū)材料的不必要變形，提高成形精度。上壓板位于板材上部并與其接觸提供預(yù)壓。支撐架固定在機(jī)床工作臺上。

所述數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)是實現(xiàn)上述旋轉(zhuǎn)超聲輔助漸進(jìn)成形工藝的載體。旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元與機(jī)床主軸相連，運(yùn)動軌跡可以由數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。板材漸進(jìn)成形夾具單元固定在機(jī)床工作臺上。

具體的加工方法如下：

第一步，將待加工板材裝夾到板材漸進(jìn)成形夾具單元上；

第二步，啟動超聲波發(fā)生器的電源，設(shè)置超聲振動參數(shù)，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)酱虐l(fā)生器的發(fā)射線圈，依據(jù)電磁感應(yīng)原理無線傳輸?shù)酱沤邮掌?；接收線圈經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)綋Q能器的電極銅片；經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動后傳輸?shù)阶兎鶙U，繼而傳輸?shù)匠尚喂ぞ哳^，使成形工具頭達(dá)到設(shè)定的振動頻率和振幅；

第三步，根據(jù)復(fù)雜薄壁件中的薄壁殼體形狀和尺寸建模編程，建立三維數(shù)字模型，根據(jù)工藝參數(shù)生成工具頭的運(yùn)動軌跡；

第四步，控制工具頭對板材進(jìn)行擠壓局部成形，按照數(shù)控編程路徑，逐層對板材進(jìn)行成形加工，以運(yùn)動軌跡的包絡(luò)面代替模具的型面，直至加工成所需薄壁件；利用應(yīng)變片傳感器實時監(jiān)測加工過程中的成形力，并進(jìn)行反饋，通過改變超聲波發(fā)生器的振動參數(shù)，進(jìn)而改變變幅桿的振幅大小來使成形力達(dá)到理想要求，監(jiān)測成形力的變化，若有急劇下降趨勢，應(yīng)立即改變工藝參數(shù)避免零件破裂現(xiàn)象發(fā)生。

本實用新型的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形技術(shù)可以改善板材在漸進(jìn)成形過程中的塑性變形行為，提高材料變形極限，改善成形件表面質(zhì)量、精度以及力學(xué)性能，延長有效服役壽命，減少成形缺陷的產(chǎn)生。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型的特點(diǎn)是在原有的超聲輔助漸進(jìn)成形工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)為采用相對獨(dú)立、使用先進(jìn)的無線電能傳輸方式且可跟隨主軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工系統(tǒng)，使其在超聲輔助漸進(jìn)成形加工中引入一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速，這種改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合加工方式可以減小摩擦系數(shù)、提升成形工具頭與待加工板材之間的局部溫度，從而減小成形力，提高成形極限，擴(kuò)大漸進(jìn)成形應(yīng)用的范圍。

同時，信號采集發(fā)射模塊可實時采集成形力信號并將其傳輸?shù)叫畔⑻幚盹@示裝置，實現(xiàn)軸向力（即成形力）的實時監(jiān)測，通過信息處理顯示裝置處理實現(xiàn)反饋功能，調(diào)節(jié)振幅的大小來控制成形力達(dá)到理想水平。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型中旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型中旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型的無模單點(diǎn)漸進(jìn)成形加工過程示意圖；

圖4是工具頭漸進(jìn)成形軌跡示意圖；

圖5是應(yīng)變片位置圖；

圖6是電橋電路圖。

圖中，1工作臺，2支撐架，3支撐板，4待加工板材，5壓板，6成形工具頭，7變幅桿，8換能器，9超聲波發(fā)生器，10主軸，11主軸支架，12連桿，13磁發(fā)生器，14磁接收器，15安裝錐柄,16應(yīng)變片，17信號采集發(fā)射模塊，18電源。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，在現(xiàn)有的超聲輔助漸進(jìn)成形技術(shù)為有線連接，能量損耗大且增加了工作的不穩(wěn)定性并不利于工具頭轉(zhuǎn)速的引入；整個超聲波振動系統(tǒng)采用的是各部件累加的方式，未能實現(xiàn)超聲刀柄的通用化和系列化；由于成形力監(jiān)測設(shè)備多為單獨(dú)的臺式壓電式測力儀，沒有與超聲振動系統(tǒng)融合，因此超聲參數(shù)的設(shè)定不能根據(jù)加工的實際需求來進(jìn)行實時調(diào)整。再者，漸進(jìn)成形技術(shù)在成形大角度零件時存在較大的限制，而且對于鎂合金和鈦合金等在室溫下難成形的材料，未能找到一種操作簡單、價格低廉的加熱方式來加工鎂合金和鈦合金等難成形的材料。工具頭的旋轉(zhuǎn)能夠改變與板材的摩擦接觸狀態(tài)，在高速旋轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生高溫有助于材料的塑性成形。因此，本實用新型提供一種可滿足旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形技術(shù)的裝置及其方法，振幅可根據(jù)實時監(jiān)測的成形力進(jìn)行調(diào)節(jié)。本實用新型中的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合成形裝置，包括旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元、板材漸進(jìn)成形夾具單元、數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)。

本實用新型中的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元，如圖1所示，包括超聲波發(fā)生器9，換能器8，變幅桿7，成形工具頭6，磁發(fā)生器13，磁接收器14，安裝錐柄15。其中，安裝錐柄15與主軸孔10相配合，超聲波換能器8安裝在錐柄圓柱孔內(nèi)，換能器8內(nèi)的電極銅片通過導(dǎo)線與磁接收器14的接收線圈相連，換能器8與變幅桿7相連接，變幅桿7與成形工具頭6通過螺紋連接，并保證換能器8、變幅桿7、工具頭6和主軸10同軸順次連接。磁發(fā)生器13的殼體通過連桿12與固定在機(jī)床床身的主軸支架11連接，磁發(fā)生器13與磁接收器14均包括磁芯和線圈，兩者保持一定的間隔徑向?qū)χ谩４沤邮掌?4安置在換能器8的外殼圓面上，磁發(fā)生器13內(nèi)的發(fā)射線圈通過導(dǎo)線與超聲波發(fā)生器相連接。從而實現(xiàn)依靠電磁感應(yīng)原理的無線電能傳輸且不妨礙工具頭轉(zhuǎn)動。應(yīng)變片16粘貼在環(huán)形槽內(nèi)壁，通過導(dǎo)線與信號采集發(fā)射模塊17連接，電源18為采集發(fā)射裝置供電。上下圓柱板與密封蓋組成的外殼通過螺釘固定在變幅桿上。

超聲波發(fā)生器9、換能器8和變幅桿7都是超聲波振動的常規(guī)部件。超聲波發(fā)生器9可以將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲波換能器可識別的超聲頻電震蕩信號。換能器8的原理是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)將超聲波發(fā)生器9產(chǎn)生的高頻電震蕩信號轉(zhuǎn)換成漸進(jìn)成形工具頭6豎直方向下壓所需的往復(fù)機(jī)械振動。變幅桿7又稱超聲變速桿或超聲聚能器，其作用是放大換能器所獲得并傳遞來的超聲振動振幅，以滿足超聲輔助漸進(jìn)成形的需要，同時將超聲能量集中在較小的面積上。實際操作中還需要頻率自動跟蹤電路等反饋裝置來反饋輸出功率和頻率，頻率自動跟蹤電路的主要作用是保持超聲電源輸出電能的頻率始終與超聲振動單元的諧振頻率一致，即達(dá)到共振效果，進(jìn)而保證效率最高，工作最穩(wěn)定。

所述旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元將超聲振動引入到工具頭6中，工具頭的振動頻率、振幅可調(diào)，超聲裝置參數(shù)設(shè)定為超聲功率1.5 kW-2.2kW，頻率 20-40 kHz（通過測控單元調(diào)整輸出功率并結(jié)合頻率自動跟蹤調(diào)整設(shè)備來實現(xiàn)），振幅 5-20 μm，工具頭轉(zhuǎn)速為2000-3000rpm。

在工具頭垂直下壓的過程中，改變以往連續(xù)接觸下壓的方式，給工具頭施加以一定方向、頻率和振幅的可控超聲振動，使工具頭與工件之間能夠產(chǎn)生瞬間的分離，摩擦力矢量反向，使得在振動周期的部分時間里摩擦力反而有利于變形加工；局部熱效應(yīng)的作用，使得局部粘焊現(xiàn)象減少，振動改善了加工潤滑條件，表面成形質(zhì)量將顯著提高。同時，超聲振動使得金屬材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系發(fā)生重大變化，降低材料的流動應(yīng)力。同時，旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工系統(tǒng)在主軸的帶動下給成形工具頭施加2000-3000rpm范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速，摩擦和熱效應(yīng)的雙重作用使成形力得到減小，以最大成形角和成形深度表征的成形性能得到提高。超聲刀柄系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床主軸的帶動下以可控的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而改變傳統(tǒng)漸進(jìn)成形中工具頭不轉(zhuǎn)動、與板材在擠壓過程中維持滑動摩擦的狀態(tài)。較低轉(zhuǎn)速范圍時，主要是通過摩擦形式的改變；而較高轉(zhuǎn)速范圍時主要是通過熱效應(yīng)和內(nèi)部的動態(tài)再結(jié)晶，從而達(dá)到減小成形力和提高成形性能的效果。

本實用新型中的板材漸進(jìn)成形夾具單元，如圖3所示，包括支撐架2，支撐板3，上壓板5和待加工金屬板材4。支撐架2保證待加工板材4向下漸進(jìn)成形所需的容納空間。支撐架2設(shè)置于數(shù)控機(jī)床工作臺1上，數(shù)控機(jī)床工作臺1作為漸進(jìn)成形加工過程的平臺，來承載所需的夾持裝置和金屬板材，為整個加工過程中的工具頭下壓提供支撐。支撐板3設(shè)置于支撐架2上，用于支撐待加工板材4。壓板5設(shè)置于支撐板3上，將待加工板材4壓緊在支撐板3上，支撐板3的作用是抑制非成形區(qū)材料的不必要變形，提高成形精度。

工具頭6沿著模型的內(nèi)表面運(yùn)動，板料的邊緣固定不動，工具頭6由邊緣向心部逐漸成形，直至成形完成。工具頭6漸進(jìn)成形的軌跡如圖4所示。

在變幅桿環(huán)形槽上貼有三組Wheatstone全電橋，每組電橋由四個應(yīng)變片組成，用以測量軸向和兩個彎曲方向的受力，從而組成應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器由應(yīng)變片R₁、R₂、R₃、R₄組成，布置位置如圖5所示，電橋電路如圖6所示。其中U₀為電橋的供電電壓，U_F為測量軸向力的輸出電壓，通過測量輸出電壓就可以間接的測量軸向力。

在本實施例中為旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合漸進(jìn)成形提供一種易維修更換、采用無線電能傳輸方式且可跟隨主軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)超聲刀柄加工單元以及整套漸進(jìn)成形系統(tǒng)，從而降低成本、減少能量損耗以及工作的不穩(wěn)定性；而一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的引入，通過摩擦和熱效應(yīng)的雙重作用減小了成形力并提高了成形極限。這種改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合加工方式可以改善板材在漸進(jìn)成形過程中的塑性變形行為，提高材料成形極限，改善成形件表面質(zhì)量、精度以及力學(xué)性能，減小所需的成形力，延長有效服役壽命，并將漸進(jìn)成形技術(shù)推廣到室溫下難成形的鎂、鈦等材料。

以下以圖4所示的圓錐臺薄壁件為例詳細(xì)說明上述旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合成形的具體過程。

第一步，將待加工板材4裝夾到板材漸進(jìn)成形夾具單元上，工件下表面接觸支撐板3，上表面由上壓板5壓緊，支撐板3和上壓板5由夾具提供緊固，固定在工作臺2上；

第二步，啟動超聲電源，設(shè)置超聲振動參數(shù)，超聲波發(fā)生器9產(chǎn)生的高頻電信號經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)酱虐l(fā)生器13的發(fā)射線圈，依據(jù)電磁感應(yīng)原理無線傳輸?shù)酱沤邮掌?4。接收線圈經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)綋Q能器8的電極銅片。經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動后傳輸?shù)阶兎鶙U7，繼而傳輸?shù)匠尚喂ぞ哳^6，使成形工具頭達(dá)到設(shè)定的振動頻率和振幅；

第三步，根據(jù)復(fù)雜薄壁件中的薄壁殼體形狀和尺寸建模編程，利用CAD軟件建立三維數(shù)字模型，再采用CAM軟件根據(jù)優(yōu)選的工藝參數(shù)生成工具頭6的運(yùn)動軌跡。

第四步，控制工具頭6對板材進(jìn)行擠壓局部成形，按照數(shù)控編程路徑，逐層對板材進(jìn)行成形加工，以運(yùn)動軌跡的包絡(luò)面代替模具的型面，在運(yùn)動過程中實時監(jiān)測成形力的大小及其變化趨勢，保證零件的有效加工，直至加工到所需薄壁件。

圖4中給出的圓錐臺薄壁件，板材材質(zhì)為7075鋁合金，厚度為0.8-1.2mm，相關(guān)工藝參數(shù)定為：

工具頭6的直徑選擇為8-10mm，由控制系統(tǒng)控制下壓，每次下壓量為0.1-0.2mm，按照生成的工具頭6的運(yùn)動軌跡，工具頭2的進(jìn)給速率為1000-2000mm/min，直至加工出所述形狀零件。工具頭超聲振動頻率20-23kHz，振幅為6-8μm，工具頭轉(zhuǎn)速為2000-3000rpm。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。