本發明涉及超聲加工領域，具體而言，涉及一種強化裝置、數控機床、強化模具的方法。

背景技術：

現有技術中具有復雜型腔的金屬模具使用過程中經常會出現開裂、塑性變形、磨損等失效形式，并且有可能同時出現多種損壞形式，各種損傷之間又相互滲透、相互促進、各自發展。損壞的發展會導致模具疲勞壽命縮短，進而失去正常功能，甚至失效。疲勞壽命是指零件和構件在低于自身材料屈服極限的交變應力(或應變)的反復作用下，應力集中部位萌生裂紋并在一定條件下擴展，最終突然斷裂的時間。目前降低模具失效提高模具疲勞壽命的方法主要采用模具表面強化工藝，典型有：氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強化法、滲硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強化法、離子注入法、等離子噴涂法等。

但是，這些模具表面強化工藝對于模具基體材料的原始綜合力學性能具有一定的削弱或影響作用，反而會影響模具使用壽命。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種強化裝置，通過高頻錘擊于模具表面，在模具表面形成殘余壓應力，從而延長材料的疲勞壽命、耐磨損以及耐腐蝕強度。

本發明的另一目的在于提供一種數控機床，可便捷精確地控制強化裝置。

本發明的另一目的在于提供一種強化模具的方法，可使得強化裝置有效地作用于帶強化的模具表面，從而提高模具表面的疲勞壽命、耐磨損以及耐腐蝕強度。

本發明是這樣實現的：

一種強化裝置，用于對模具進行強化處理，強化裝置包括：強化工具頭、與強化工具頭連接并驅動強化工具頭以預設的方式敲擊模具的超聲波換能器，強化工具頭具有用于與模具接觸的敲擊面，敲擊面的硬度大于模具的硬度。

優選地，敲擊面的形狀為弧形。

優選地，敲擊面的曲率半徑小于模具與敲擊面的接觸區域的曲率半徑。

優選地，強化裝置還包括用于為超聲波換能器提供電源并可控地調節超聲波換能器的輸出振幅和頻率的超聲波發生器，超聲波發生器與超聲波換能器電連接。

優選地，強化裝置還包括用于增加振幅的變幅桿，變幅桿一端與超聲波換能器連接，另一端與強化工具頭連接。

優選地，變幅桿與強化工具頭剛性連接。

一種數控機床，包括強化裝置。

優選地，數控機床還包括與強化裝置匹配連接的傳動軸，傳動軸受控地驅動強化工具頭使敲擊面按預設的軌跡運動。

一種強化模具的方法，包括以下步驟：將待強化的模具設置于數控機床，使敲擊面與待強化的模具相對；通過超聲波換能器驅動強化工具頭，使敲擊面以預設的頻率和振幅敲擊待強化的模具。

優選地，在將待強化的模具設置于數控機床的步驟中，敲擊面與待強化的模具之間的距離小于超聲波換能器空載時的最小振幅，且敲擊面與待強化的模具之間的距離大于極限間隙。

上述方案的有益效果：

本發明提供了一種強化裝置、數控機床、強化模具的方法，強化裝置的超聲波換能器能提供為純粹的機械振動的高頻振動，此高頻振動錘擊于模具的表面，形成殘余壓應力，從而延長材料的疲勞壽命、耐磨損以及耐腐蝕強度。數控機床采用了此強化裝置，通過聯動控制強化裝置，可便捷精確地控制強化工具頭錘擊于模具表面。并且提供了一種強化模具的方法，將待強化的模具設置于數控機床，使敲擊面與待強化的模具相對。通過超聲波換能器驅動強化工具頭，使敲擊面以預設的頻率和振幅敲擊待強化的模具。能提高模具表面的疲勞壽命、耐磨損及耐蝕強度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為為本發明實施例1提供的強化裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例1提供的強化裝置作用于模具表面的結構示意圖；

圖3為圖2的Ⅲ部位的局部放大示意圖；

圖4為本發明實施例1提供的數控機床的結構示意圖；

圖5為本發明實施例2提供的數控機床的結構示意圖。

圖標：100-強化裝置；200-數控機床；300-數控機床；105-傳動軸；107-底座；109-床身；111-工作臺；113-模具；115-超聲波換能器；117-超聲波發生器；119-變幅桿；121-強化工具頭；123-第一端；125-第二端；127-機床夾具；129-數字顯示屏裝置；131-第三端；133-第四端。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例1

本實施例提供了一種強化裝置100，參閱圖1，強化裝置100包括：超聲波發生器117、超聲波換能器115、變幅桿119、強化工具頭121。超聲波發生器117分別與超聲波換能器115、超聲波換能器115連接，變幅桿119分別與超聲波換能器115、強化工具頭121連接。強化工具頭121作用于如圖2所示的模具113。強化裝置100所提供的強化方式為純粹機械振動，與現有技術中采用的與模具113基體表面材料發生熱、元素之間的交換或反應不同，純粹的機械振動不會削弱或影響模具113基體材料的原始綜合力學性能，也不會影響模具113使用壽命。

其中，超聲波發生器117作用是把市電轉換成與超聲波換能器115相匹配的高頻交流電信號，驅動超聲波換能器115工作。本實施例中，超聲波發生器117使用的超聲波頻率為25KHz。當然，在本實用新型的其他實施例中，也可根據需要，采用其他的超聲波頻率，例如20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz等。強化裝置100可以設置超聲波發生器117，也可以不設置超聲波發生器117，而是由其他的外設裝置如數字電源向超聲波換能器115提供匹配的電激勵。

其中，超聲波換能器115能把超聲波發生器117所輸出的電功率轉換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。

其中，變幅桿119是強化裝置100中一個重要的組成部分，它在振動系統中的主要作用是把機械振動的質點位移或速度放大，并將超聲能量集中在較小的面積上并聚能，還能同時提高振速比、效率，提高機械品質因數，加強耐熱性，擴大適應溫度范圍，延長換能器的使用壽命。本實施例中，變幅桿119用于提高強化工具頭121的振幅。在本發明的其他實施例中，可根據被強化的模具113具體的強化要求，選擇是否使用變幅桿119，當未使用變幅桿119時，強化工具頭121可與超聲波換能器115直接連接或者采用其他構件進行連接。參照圖1，變幅桿119包括第一端123與第二端125，第一端123與超聲波換能器115通過螺紋剛性連接，第二端125與強化工具頭121同樣采用螺紋剛性連接。當體系處于振動狀態時，螺紋連接能保證整個體系的剛度。當然，在本發明的其他實施例中，根據不同的需求，超聲波換能器115與變幅桿119、變幅桿119與強化工具頭121之間可采用其他連接方式。

其中，參照圖1與圖2，強化工具頭121設置有第三端131與第四端133，第三端131用于與變幅桿119連接，第四端133用于作用于模具113。強化工具頭121的第四端133的端面為敲擊面，敲擊面依據模具113的表面幾何曲面形狀設計成球冠狀的弧形面，使得放大了的超聲波機械振動作用于模具113的表面，更易實現超聲強化。并且，由于強化工具頭121的敲擊面的可設計性，使之針對復雜類型的模具113更適用。當然，在本發明的其他實施例中，敲擊面的具體形狀可根據不同需求進行選擇。并且，強化工具頭121的曲率半徑r小于模具113的曲率半徑R，這樣設計可避免強化工具頭121的機械振動作用于模具113的其他不需要被強化的位置。

本實施例提供了一種數控機床200，參照圖4，數控機床200包括強化裝置100、傳動軸105、進給傳動系統(圖未示)、數控系統(圖未示)、底座107、床身109、工作臺111、機床夾具127。強化裝置100集成于傳動軸105。床身109安裝于底座107上，傳動軸105、進給傳動系統(圖未示)、數控系統(圖未示)、工作臺111均安裝于床身109。傳動軸105、進給傳動系統、數控系統能聯動控制強化裝置100。模具113通過機床夾具127夾持于工作臺111上。本發明所采用的進給傳動系統、數控系統、底座107、床身109、工作臺111、機床夾具127采用的均市面上能買到的數控的機床部件。

在本實施例中，傳動軸105是用來實現數控機床200主運動的傳動構件，數控機床200的一個重要部分。數控機床200的傳動軸105與伺服電機(圖未示)采用齒形同步帶傳動，可以有效地提高機床的傳動速度，降低振動和噪音。并且強化裝置100集成于傳動軸105。

在本實施例中，進給傳動系統由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執行件和檢測反饋環節組成。提供驅動能，可驅動傳動軸105向著Z方向上下移動或以Z方向為中心軸在X方向與Y方向形成的平面內做一定角度旋轉運動。由于強化裝置100集成于的傳動軸105，當傳動軸105運轉時，強化裝置100可隨之運轉。強化裝置100與傳動軸105形成統一的設計不僅保證了整個體系的剛度同時也可改變強化工具頭121作用于模具113的位置點。

在本實施例中，數控系統采用CNC(Computer Numerical Control)形式，這種CNC裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現數控功能。CNC系統是一種位置控制系統，它是根據輸入數據插補出理想的運動軌跡，然后輸出到執行部件加工出所需要的零件。因此，數控系統主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構成。而所有這些工作都由計算機的系統程序進行合理地組織，使整個系統協調地進行工作。

在本實施例中，底座107為整個強化裝置100提供支撐力，并且保證整個強化裝置100的平穩性。由于整個強化裝置100長時間處于振動狀態，因此底座107設計為箱體結構，箱體中合理布置的筋板，不僅可以減輕強化裝置100的重量，還能獲得高的靜剛度與適當的固有頻率，保證整個振動過程的精確性與安全性。

在本實施例中，床身109是數控機床200的一個重要基礎部件。床身109的靜態和動態性能，直接影響到模具113的強化質量。床身109采用樹脂砂鑄鐵工藝鑄造一體鑄造而成，剛性高、抗震性好、運行平穩、經久耐用、不易變形。是整個強化裝置100處于平穩的振動狀態的保證。

在本實施例中，工作臺111是裝夾模具113的部分，設置于床身109上，用于放置模具113。同時，由于床身109的平穩性也使得工作臺111處于穩定的狀態，當強化裝置100處于振動狀態時，不會影響到模具113與工作臺111的狀態。

在本實施例中，機床夾具127用于夾持模具113于工作臺111，以保證強化裝置100出于振動狀態時，模具113的穩固性。

其中，在本發明的其他實施例中，進給傳動系統、數控系統、底座107、床身109、工作臺111、機床夾具127均可以采用能提供相同功能的其他裝置來替代，本發明不作限定。

本實施例提供了一種強化模具113的方法，包括以下步驟：

S1：將待強化的模具113設置于數控機床200，使得敲擊面與待強化的模具113相對。

其中，在步驟S1之前，可對模具113的曲面進行掃描并且形成數控程序存儲于數控機床200中。然后根據模具113的硬度與接觸面的曲率半徑，設計大于模具113的材料硬度，且曲率半徑小于模具113的曲率半徑的強化工具頭121。模具113與強化工具頭121的距離d小于超聲波換能器115空載時的振幅A，且敲擊面與待強化的模具113之間的距離d大于極限間隙δ。確定好相應參數后將強化裝置100安裝于數控機床200。

具體地，參閱圖3，強化工具頭121的第四端133與模具113的距離d是小于超聲波換能器115空載時的振幅A大于極限間隙δ，極限間隙δ由強化要求決定，強化要求越高極限間隙δ越小。例如超聲波換能器115空載時的振幅為25μm，意味著超聲波換能器115在不負荷時的振幅為25μm，并且要求強化后的效果為模具113的表面至少以下20μm的材料都被強化，則極限間隙δ為5μm。則此時強化工具頭121與模具113的距離d范圍為5～25μm。這樣設計能保證當超聲波換能器115出來的機械振動波通過變幅桿119增大振幅后，強化工具頭121不用通過外部作用的上下移動就一定能作用到模具113的表面，并且強化深度至少為20μm。當強化效果更高時，例如強化效果需要模具113的表面以下至少23μm的材料都被強化時，極限間隙δ的距離也會相應的減小為2μm。當然，在本發明的其他實施例中，超聲波換能器115空載時的振幅可根據需求調整。強化工具頭121的敲擊面的材料硬度大于模具113的與敲擊面所作用的曲面的材料硬度，以保證高速振動時，強化工具頭121能有效地作用于模具113表面，且相互作用時不易被模具113表面所破壞。強化工具頭121的曲率半徑r小于模具113的曲率半徑R，避免強化工具頭121的機械振動作用于模具113的其他不需要被強化的位置。

S2：通過超聲波換能器115驅動強化工具頭121，使敲擊面以預設的頻率和振幅敲擊模具113。

其中，在步驟S2之前，可通過數控機床200輸入已經形成的模具113曲面的對應的數控程序，并且調節超聲波發生器117、超聲波換能器115的對應參數。

本實施例提供的強化裝置100與數控機床200的原理是：超聲波發生器117、超聲波換能器115、變幅桿119及強化工具頭121組成的振動系統，利用超聲波發生器117將工頻交流電轉化為高頻電震蕩，再通過超聲波換能器115轉化為高頻機械振動，接著變幅桿119將超聲波換能器115傳遞出的微幅振動進行振幅放大，然后傳遞給強化工具頭121，使得強化工具頭121做高頻的縱向振動，同時還能隨著傳動軸105在X方向與Y方向所形成的平面內繞著Z方向做一定角度的旋轉運動或者是在Z方向上下移動。并且此高頻振動為純粹的機械振動，高頻錘擊于模具113的表面，形成殘余壓應力。殘余壓應力屬于殘余應力的一種，殘余應力主要是分為兩類，分別是殘余壓應力和殘余拉應力，一般所謂的殘余應力都是說的殘余拉應力，這是一個壞的力，對于工件裂紋的產生，開裂以及表面磨損等，它在其中起了很大的作用；而殘余壓應力是一個好的殘余應力，它與拉應力相反，它在工件表面是以向內的壓力存在，而不是向外的張力，所以說，工件表面如果存在殘余壓應力的話，會使工件的疲勞強度和疲勞壽命都得到大大的提高，耐磨損以及耐腐蝕強度都會增加很多。

實施例2

本實施例提供了一種強化裝置100與數控機床300，參閱圖5，數控機床300與數控機床200的區別在于，數控機床300還包括數字顯示屏裝置129，數字顯示屏裝置129安裝于床身109并與數控系統連通以顯示擬合的軌跡。以此來觀察是否強化裝置100的強化工具頭121的曲線軌跡與模具113的曲線軌跡擬合完全。當擬合數據顯示擬合的曲線不相一致時，可進行相應的調節，例如可檢查強化裝置100的安裝是否穩定，模具113是否平穩的安裝于工作臺111等。例如，當數字顯示屏裝置129提供的信息顯示強化工具頭121的實際軌跡與模具113的曲面的法向始終偏置極限間隙δ時，說明強化工具頭121所運行的空間軌跡是完全擬合模具113的曲面軌跡的。當數字顯示屏裝置129提供的信息顯示強化工具頭121的實際軌跡與模具113的曲面的法向偏置距離發生明顯的變動時，則提示擬合曲線出現了問題，應進行相應的檢查。

為簡化表示，本實施例中未提及的之處，請參閱實施例1中相應內容。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。