[发明专利]一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置

说明书

本发明公开了一种机器人专用超声应力场‑激光热场复合滚压装置，属于磨抛机器人装备技术领域。本发明的机器人专用超声应力场‑激光热场复合滚压装置，由五个功能组件构成，包括超声波发生组件、超声波控制组件、激光热场发生组件、激光热场控制组件、复合滚压总控制器；本发明的复合滚压装置由重载型六自由度工业机器人夹持进行滚压加工，可以实现对复杂结构工件、舱体类构件内壁等的滚压加工；本发明利用超声应力场与激光热场的耦合作用，在改善工件表面粗糙度的同时，使得工件内部产生高残余压应力深度与高显微硬度深度，实现工件抗疲劳性能的显著提高。

技术领域

本发明涉及机器人加工装备技术领域，尤其涉及复杂曲面构件表面滚压强化加工装置。

背景技术

超声-热场复合滚压加工技术是一种将超声振动、表面预热与静载滚压相结合的新兴表面强化工艺。在滚压前先对表面进行加热，在不改变表面组织的温度下软化工件表层，进一步在超声振动冲击与滚压力的耦合结合下工件表层产生更为显著的塑性流动，通过滚光作用降低表面粗糙度，细化工件次表层的晶粒，最终改善工件表层的残余应力状态和分布，实现工件耐磨性、耐腐蚀性等物理化学学性能的提升，进而提高工件的疲劳寿命，在工业生产中应用广泛。

传统的超声-热场复合辅助超声滚压装置，通常通过连接柄安装在数控机床刀架上,利用数控机床的分度功能控制滚压的进刀量，其预热设备通常是独立的，并一般使用燃气燃烧对工件进行预热，这种方式可以更为高效地将工件整体预热，同时超声与热场的耦合可以加工强度硬度超高的工件，并在滚压结束后引入更深的残余应力层深度，实现超声热场复合深滚压。而缺点在于采用数控机床滚压受限于其机械结构和控制能力，无法进行复杂曲面以及某些腔体工件内部的滚压加工，可五轴联动的数控机床虽然具备滚压复杂曲面的能力，但是其同样不适用于加工工件腔体内壁，而且这类数控机床价格昂贵，数控改造困难，不适用于大批量生产加工；独立式的燃气加热设备，由于初期加热过程需要进行较好隔热保护，而在达到预期温度后，还要持续的加热保持设定温度，其空间利用率低，甚至可能会导致加热设备与超声滚压设备的干涉，对机床的自由度提出了更高的要求，化石燃料的不充分燃烧还可能产生一氧化碳等有毒气体，同时在环境复杂的工厂内进行燃气供应本身较为危险，存在较大的安全隐患，不适用于工厂实际使用。

因此，综合考虑传统机床用超声滚压装置自由度受限与燃气加热设备使用不便和存在安全隐患的问题，如何提出一种适用于复杂结构件滚压加工、同时能够高效地加热待滚压区域形成局部热场、有效保障使用可靠性与安全性的超声-热场复合滚压装置具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，旨在形成适用于复杂超高强度结构件的应力场-热场耦合的机器人滚压设备，降低表面粗糙度，细化工件次表层的晶粒，最终改善工件表层的残余应力状态和分布，实现工件耐磨性、耐腐蚀性等物理化学学性能的提升，进而提高工件的疲劳寿命。

本发明提供的具体技术方案如下：

一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置，包括六自由度工业机器人、六维力传感器、超声波发生组件、超声波控制组件、激光热场发生组件、激光热场控制组件、复合滚压总控制柜；所述六维力传感器通过定制高刚度连接法兰固定安装在重载型机器人第六关节末端，用以判断接触发生并监控滚压加工全过程的滚压力；所述超声波发生组件通过连接件和保护外壳固定在所述六维力传感器的另一端面法兰上，用以生成并放大超声波振动；所述激光热场发生组件固定连接在超声波发生组件的保护外壳上，用以为待滚压区域进行局部加热；所述激光热场控制组件与所述超声波控制组件全部固定安装在复合滚压总控制柜中，用以控制复合滚压过程中的机构动作与工艺参数。