本發明涉及一種平面滾壓刀具，尤其是一種滾壓力可測的柔性電火花沉積滾壓刀具。

背景技術：

滾壓法是指在滾壓刀具的作用下，外力誘導金屬材料表面發生強塑性變形，通過近表層材料的塑性流動激活晶體內部的位錯、層錯等非平衡缺陷，通過位錯增殖、孿生、滑移等晶體學運動將小角大晶界逐漸切割為大角小晶界，實現表面大晶粒被分割細化為超細晶或納米晶。滾壓加工是無切屑加工的一種，它不僅可以達到很高的光潔度，而且可提高被加工零件的機械性能——表面硬度、材料的疲勞性能、材料的耐腐蝕性能等。滾壓法的實質是利用高硬度的無刃工具——滾珠或滾輪，使其對被加工工件表面造成局部高壓。由于工具沿被加工表面滾動，形成了表面材料的彈性-塑性變形，使前一工序留于表面的微觀凸峰被碾平，并且使材料的表層晶粒變小，最終變成納米晶。

滾壓刀具通過刀柄與銑床等機床的主軸連接，帶動刀頭轉動，從而帶動刀頭上的滾輪在工件表面滾動來實現滾壓加工。滾壓刀具一般分為剛性和彈性兩種。對于剛性結構的滾壓刀具，只適合于滾壓粗大的零件，傳統的滾壓器是無彈性的，加工是剛性的，易使工件表面產生“麻點”、“起皮”等缺陷。剛性滾壓時，工藝系統剛性差將造成滾壓力的波動，使表面質量不均勻。當滾輪的滾壓力和滾壓件的材料很均勾時，才能獲得良好的滾壓效果。因此，在表面質量要求高的滾壓加工時，選用柔性滾壓工具，柔性滾壓工具在滾壓過程中能起到緩沖的作用，能夠使滾輪保持相同的滾壓量，試件表面變形量一致，故可獲得均勻光整的滾壓表面，但其缺點是具有較低的修正形狀誤差.由于結構中安裝了彈性元件，因此可以避免機床震動、材料不均造成的滾壓力的巨大波動，在一定程度上，也可以適當減輕滾壓工具在加工過程中受到的沖擊。但滾壓刀具僅有彈簧的話，滾壓力難以控制，滾壓力過大，零件表面局部應力加大，容易形成破裂、起鱗，反而降低了表面質量。滾壓刀具滾壓力太小，不能使待加工工件表面的波峰壓下去，達不到理想的粗糙度。

電火花沉積是直接利用電能的高密度能量對金屬的表面進行沉積處理的工藝。它是直接利用火花放電的能量，將電極材料轉移至工作表面，構成沉積層的沉積方法。電極材料與工件材料產生冶金結合形成沉積層。由于形成含電極材料的合金化的表面沉積層，使工件表面的物理性能、化學性能和力學性能得到改善，而其心部的組織和力學性能不發生變化。但傳統的電火花沉積的沉積層厚度小、沉積時間長、表面粗糙度低，所以有很多缺陷。而當材料表面進行滾壓加工后，表面的粗晶細化成納米晶，納米晶體中存在大量的晶界、三叉晶界和非平衡缺陷，可以作為原子擴散的通道。納米晶體中原子較常規粗晶具有更大的活性，大量晶界上的原子可動性很大，原子容易脫離晶格束縛，更易擴散。研究表明原子在納米晶中擴散較常規粗晶容易，主要表現在擴散系數提高，擴散激活能降低。

技術實現要素：

為克服現有滾壓刀具存在滾壓力無法控制的不足，本發明提供一種可實時檢測滾壓力、加工工件表面的質量較好、避免機床震動的滾壓力可測的柔性電火花沉積滾壓刀具。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種滾壓力可測的柔性電火花沉積滾壓刀具，包括刀柄和刀頭，所述刀柄的上端設有與機床主軸連接的螺紋孔，所述刀頭包括刀柄連接塊、用于檢測被加工表面滾壓力的力傳感器、傳感器固定座、滾輪組件、柔性導向組件和電極，所述刀柄連接塊位于所述刀柄的下方并與刀柄固定連接，所述傳感器固定座位于所述刀柄連接塊的下方并與刀柄連接塊之間設有間隙；

所述滾輪組件包括滾輪安裝座、兩個滾輪和滾輪安裝軸，所述滾輪安裝座為T型，所述滾輪安裝座的下端左右橫向設有所述滾輪安裝軸，兩個滾輪可轉動地安裝在所述滾輪安裝軸的左右兩端并對稱布置；所述滾輪安裝座的下端前后縱向分別設有凸臺，所述電極通過可上下伸縮的電致伸縮塊安裝在所述凸臺的底部；

所述滾輪安裝座位于所述傳感器固定座的下方，所述傳感器固定座的底面中部開有傳感器安裝槽，所述力傳感器安裝在所述傳感器安裝槽內并向下伸出，所述滾輪安裝座與所述力傳感器接觸，所述滾輪安裝座和傳感器固定座均通過上下移動組件可上下移動的安裝在刀柄連接塊上；

所述柔性導向組件包括導向柱、彈簧和滾珠套，所述滾輪安裝座的上端開有滾珠套安裝槽，所述滾珠套位于所述滾珠套安裝槽內，所述傳感器固定座的四周開有第一通孔，所述導向柱的上端與所述刀柄連接塊過盈配合，所述導向柱的下端依次穿過彈簧、傳感器固定座的第一通孔伸入到滾珠套內，所述彈簧的上端頂觸在刀柄連接塊上，所述彈簧的下端頂觸在傳感器固定座上；

所述電致伸縮塊通過電線與機床控制裝置連接，所述力傳感器與機床控制裝置的顯示儀表連接，所述電極與電極供電裝置連接。

進一步，所述滾輪安裝座包括滾輪安裝座本體和承力板，所述承力板固定在所滾輪安裝座本體的頂面上，所述承力板位于所述傳感器固定座的下方，所述承力板的頂面與所述力傳感器的底面接觸。

再進一步，所述傳感器固定座上還設有第二通孔，所述滾輪安裝座上設有通孔，所述滾輪安裝座的通孔與所述傳感器固定座的第二通孔上下正對；

所述上下移動組件包括等高套筒和定位螺栓，所述等高套筒的上端穿過所述傳感器固定座的第二通孔頂觸在所述刀柄連接塊上，所述滾輪安裝座的通孔可上下移動的安裝在所述等高套筒的下端上，所述定位螺栓自下而上穿過等高套筒固定在刀柄連接塊上，所述定位螺栓的螺栓頭頂在所述等高套筒的下端面上。

再進一步，兩個滾輪分別通過軸承可轉動地安裝在滾輪安裝軸的左右兩端，所述軸承與滾輪安裝座的下端之間還設有用于軸承定位的定位套筒，所述滾輪安裝軸的左端設有擋塊，所述滾輪安裝軸的右端依次穿過左端的軸承、左端的定位套筒、滾輪安裝座、右端的定位套筒、右端的軸承與鎖緊螺母連接。

再進一步，所述傳感器固定座的外徑與承力板的外徑、滾輪安裝座本體的外徑相同。

更進一步，所述凸臺為圓形凸臺，所述凸臺的底部設有圓形槽，所述電極通過電致伸縮塊安裝在所述圓形槽內。

本發明的有益效果：能夠實時準確地檢測工件表面的滾壓力，且適應較不平整的工件表面；能夠可以避免機床震動、材料不均造成的滾壓力的巨大波動，在一定程度上，也可以適當減輕滾壓工具在加工過程中受到的沖擊；并且還能實現滾壓加工和電火花沉積協同加工。

附圖說明

圖1是一種滾壓力可測的柔性電火花沉積滾壓刀具的剖視圖。

圖2是圖1的側剖圖。

圖3是圖1中滾輪的放大圖。

圖4是圖2中電極的放大圖。

圖5是刀柄的主視圖，其中左部剖面。

圖6是圖5的右視圖。

圖7是圖5的俯視圖。

圖8是圖1的仰視圖。

圖9是刀柄連接塊的剖視圖。

圖10是傳感器固定座的俯視圖。

圖11是滾輪安裝座的俯視圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。

參照圖1～圖11，一種滾壓力可測的柔性電火花沉積滾壓刀具，包括刀柄1和刀頭，所述刀柄1的上端設有與機床主軸連接的螺紋孔，所述刀頭包括刀柄連接塊3、用于檢測被加工表面滾壓力的力傳感器9、傳感器固定座8、滾輪組件、柔性導向組件和電極19，所述刀柄連接塊3位于所述刀柄1的下方并與刀柄1固定連接，所述傳感器固定座8位于所述刀柄連接塊3的下方并與刀柄連接塊3之間設有間隙；

所述滾輪組件包括滾輪安裝座、兩個滾輪14和滾輪安裝軸11，所述滾輪安裝座為T型，所述滾輪安裝座的下端左右橫向設有所述滾輪安裝軸11，兩個滾輪14可轉動地安裝在所述滾輪安裝軸11的左右兩端并對稱布置；所述滾輪安裝座的下端前后縱向分別設有凸臺，所述電極19通過可上下伸縮的電致伸縮塊18安裝在所述凸臺的底部；

所述滾輪安裝座位于所述傳感器固定座8的下方，所述傳感器固定座8的底面中部開有傳感器安裝槽，所述力傳感器9安裝在所述傳感器安裝槽內并向下伸出，所述滾輪安裝座與所述力傳感器9接觸，所述滾輪安裝座和傳感器固定座8均通過上下移動組件可上下移動的安裝在刀柄連接塊3上；

所述柔性導向組件包括導向柱4、彈簧7和滾珠套10，所述滾輪安裝座的上端開有滾珠套安裝槽，所述滾珠套10位于所述滾珠套安裝槽內，所述傳感器固定座8的四周開有第一通孔，所述導向柱4的上端與所述刀柄連接塊3過盈配合，所述導向柱4的下端依次穿過彈簧7、傳感器固定座8的第一通孔伸入到滾珠套10內，所述彈簧7的上端頂觸在刀柄連接塊3上，所述彈簧7的下端頂觸在傳感器固定座8上；

所述電致伸縮18塊通過電線與機床控制裝置連接，所述力傳感器9與機床控制裝置的顯示儀表連接，所述電極19與電極供電裝置連接。

進一步，所述滾輪安裝座包括滾輪安裝座本體16和承力板17，所述承力板17固定在所滾輪安裝座本體16的頂面上，所述承力板17位于所述傳感器固定座8的下方，所述承力板17的頂面與所述力傳感器9的底面接觸。

再進一步，所述傳感器固定座8上還設有第二通孔，所述滾輪安裝座上設有通孔，所述滾輪安裝座的通孔與所述傳感器固定座8的第二通孔上下正對；

所述上下移動組件包括等高套筒6和定位螺栓5，所述等高套筒6的上端穿過所述傳感器固定座8的第二通孔頂觸在所述刀柄連接塊3上，所述滾輪安裝座的通孔可上下移動的安裝在所述等高套筒6的下端上，所述定位螺栓5自下而上穿過等高套筒6固定在刀柄連接塊3上，所述定位螺栓5的螺栓頭頂在所述等高套筒6的下端面上。

再進一步，兩個滾輪14分別通過軸承13可轉動地安裝在滾輪安裝軸11的左右兩端，所述軸承13與滾輪安裝座的下端之間還設有用于軸承13定位的定位套筒15，所述滾輪安裝軸11的左端設有擋塊，所述滾輪安裝軸11的右端依次穿過左端的軸承、左端的定位套筒、滾輪安裝座、右端的定位套筒、右端的軸承與鎖緊螺母12連接。

再進一步，所述傳感器固定座8的外徑與承力板17的外徑、滾輪安裝座本體的外徑相同。

更進一步，所述凸臺為圓形凸臺，所述凸臺的底部設有圓形槽，所述電極19通過電致伸縮塊18安裝在所述圓形槽內。

如圖1、圖5、圖6和圖7，刀柄1成錐體形狀，上端中心開有螺紋孔，能夠被銑床等設備的主軸所裝夾，刀柄連接塊3的上部形狀和刀柄1相契合。刀柄1的底部設有導向圓柱，保證刀柄1和刀柄連接塊3的同軸度以及便于各螺紋孔定位；刀柄1的底部還有矩形塊，用來傳遞力矩和轉速；安裝的時候只要把刀柄1和刀柄連接塊3相應的凸臺與臺階對齊合上就行了。刀柄1和刀柄連接塊3通過正立的內六角螺栓2連接，刀柄連接塊3上部開有4個螺紋孔用來和刀柄1連接，刀柄連接塊3下端有四個圓孔，將四根導向柱4的上端插入四個圓孔，由于導向柱4和圓孔是過盈配合，所以需要一定的方法插入，將四個導向柱4的上端完全插入。

如圖1和圖2，力傳感器9安裝在傳感器固定座8的傳感器安裝槽內，機床主軸有電刷，就可以實現傳感器在滾壓刀具工作時仍然傳送數據。傳感器固定座8、承力板17、滾輪安裝座本體16直徑一樣，將它們三個相應于刀柄連接塊3下端的圓孔的位置鉆出四個孔，傳感器固定座8和承力板17上的是通孔，滾輪安裝座本體16上的不是通孔；將四個滾珠套10插入滾輪安裝座本體16的四個滾珠套安裝槽中。然后依次將彈簧7、傳感器固定座8、承力板17、滾輪安裝座本體16的滾珠套10從四個導向柱穿入。然后將等高套筒6插入滾輪安裝座的通孔中，一直頂到刀柄連接塊3底面上，然后將內六角螺栓5從等高套筒6穿過與刀柄連接塊3的螺紋孔聯接，將螺栓頭一直擰到等高套筒上，使滾輪安裝座不會脫離刀具。因為內六角螺栓5的存在使得滾輪安裝座在Z軸上有一個下限，在傳感器安裝座8上表面和刀柄連接塊3的下表面有一定的間隙，中間由四個彈簧7隔開，這樣滾輪安裝座1在Z軸的位移大小由滾壓力和彈簧剛度共同決定，同時四個導向柱4還將轉速和力矩傳遞到滾輪14上。力傳感器9的下方是承力板17，力傳感器9在自由狀態下和承力板有一定的壓力，滾壓加工前要調零。傳感器固定座8上部開有小孔，刀柄連接塊3和傳感器固定座8有間隙，從機床上的電刷連下來的線通過間隙和傳感器固定座8上的小孔連接到力傳感器9上，使得力傳感器9在滾壓加工時也能正常工作。承力板17的底面和滾輪安裝座本體16的頂面貼合在一起。承力板17的頂面和力傳感器9接觸；承力板17的作用就是承受力，防止滾輪安裝座本體16損壞。等高套筒的作用是保證傳感器固定座8上和刀柄連接塊3之間留有一定的間隙并且又能保證滾輪安裝座只在一定的行程內移動，這樣才能實現柔性滾壓。滾珠套10的作用是當滾輪14接觸工件表面時，會導致滾輪安裝座沿著導向柱4向上移動，滾珠套10可以使滾輪安裝座和導向柱14之間的摩擦力減小；因為滾壓加工是精密加工，這就要求滾壓刀具的制造精度高，垂直度好，滾珠套10能滿足這兩點。

如圖3所示，滾輪安裝座本體16下部左右橫向有一通孔，該通孔與滾輪安裝軸11過盈配合。將特殊形狀的滾輪14和軸承13過盈配合的套在一起，然后將軸承13穿入滾輪安裝軸11，然后將定位套筒15穿入滾輪安裝軸11，將軸承13固定；然后將滾輪安裝軸11插入滾輪安裝座本體16的橫向通孔，使定位套筒15右邊靠著滾輪安裝座本體16，滾輪安裝軸11會從通孔中穿出，然后將另一個定位套筒15穿入滾輪安裝軸11中靠到滾輪安裝座本體16上，然后依次穿入滾輪14、鎖緊螺母12；兩個定位套筒15要保證兩個滾輪14的對稱性。

如圖2和圖4所示，滾輪安裝座的下端有伸出兩個圓形槽，先將電致伸縮快18和電極19連接在一起，然后將電致伸縮快18朝上再放入圓形槽中。機床主軸上的旋轉接頭伸下來電線接在電致伸縮快18和電極19上；根據電極19的電流大小通過機床控制裝置控制電致伸縮塊18的伸長縮短，使得電極19處于最佳的工作位置；在滾壓過程中實時控制電極19的位置，這樣可以加工并不是太平整的工件表面。電火花沉積想要沉積效果好，就需要電極19和材料的距離保持在一個小的范圍內，而且電極19是損耗的，所以電致伸縮塊18的作用就是在加工過程中伸長縮短，保證電極19處在最佳的位置。電致伸縮是一種應力、應變與電場二次項相關的非線性現象，亦稱電致伸縮效應。電致伸縮材料可以分為陶瓷電致伸縮材料和聚合物電致伸縮材料兩種，馳豫鐵電陶瓷電致伸縮材料的電致伸縮系數通常為l0^-6量級，在較低的驅動場強下.可以獲得較大的形變量。

本發明的工作過程為：刀柄1和銑床主軸連接，銑床主軸將轉速傳遞到刀柄1上，刀柄1通過螺栓2將轉速傳到刀柄連接塊3上，刀柄連接塊3通過導向柱4將轉速傳到滾輪安裝座上，然后滾輪安裝座通過滾輪安裝軸11將轉速傳遞到滾輪14上。

當滾輪14接觸到被加工的工件表面時，會產生向上的力，然后滾輪14將力傳到滾輪安裝軸11上，滾輪安裝軸11再傳遞到滾輪安裝座上，滾輪安裝座就向上移動與力傳感器9接觸，向上的力就全部傳遞到力傳感器9上了，傳感器安裝座8上端有彈簧7支撐，這樣就能測出滾壓力了。本質上滾壓力是由銑床下壓量所產生，但是工件表面并不是那么均勻，會有部分雜質很硬，當滾壓到這部分雜質時因為較硬所以變形小，就較其他材料突出就會對刀具形成一個較大的沖擊，而刀具上的彈簧7能夠吸收這種沖擊并且使滾輪14向上移動從而使滾輪不會受到破壞，這就是柔性滾壓。

當滾壓開始的時候將電極19通電，電火花沉積是直接利用電能的高密度能量對金屬的表面進行沉積處理的工藝。它把電極材料作為工作電極，使之與被沉積的金屬工件(陰極)之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，將電極材料轉移至工作表面，構成沉積層的沉積方法。電極材料與工件材料產生冶金結合形成沉積層。由于形成含電極材料的合金化的表面沉積層，使工件表面的物理性能、化學性能和力學性能得到改善，而其心部的組織和力學性能不發生變化，邊滾壓邊電沉積能使表面沉積層厚度加深，結合層形成速度加快。電致伸縮塊18可以制作出來只發生上下伸縮的，電致伸縮塊18通過施加電場而引起變形，電場的大小不同而變形大小不同。通過機床控制裝置控制電致伸縮塊18的電壓大小，從而控制電致伸縮塊18，進而控制電極19與工件表面之間的距離。

本發明可實時掌握滾壓加工過程中的滾壓力，可以對滾壓工藝進一步優化，使被加工的工件表面質量更加好。