专利摘要

专利摘要

本发明涉及一种机器人等材制造多头超声波冲击装置及方法。为顺应近年来基于“加法”加工模式，本发明提供了针对在复杂形状薄壁件进行的增等减材一体化复合制造中等材超声冲击装置及其安装方法。采用超声冲击与增减材制造相结合，能够消除焊缝残余应力，获得表层纳米晶及损坏件修复，改变内部组织以实现性能的优化。本发明装置，与工业机器人末端手臂连接，通过编程控制机器人手部按预定轨迹运行，同时通过超声冲击枪对增材后零件不同侧面同时冲击，一次性完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。本发明简便、成本较低，对被加工构件可以实现消除残余应力和细化表面晶粒等作用。

权利要求

1.一种机器人等材制造超声多头冲击方法，其特征在于，该方法所使用的装置包括由连接法兰(1)、连接支架(2)、上冲击枪(3)、左冲击枪(4)和右冲击枪(5)；

将连接支架(2)使用连接螺栓，通过连接法兰(1)与多自由度关节机器人手臂末端连接；

将上冲击针(6)通过螺栓与上冲击枪(3)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)上部定位孔连接固定；

将左冲击针(7)通过螺栓与左冲击枪(4)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)左侧定位孔连接固定；

将右冲击针(8)通过螺栓与左冲击枪(5)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)右侧定位孔连接固定；

连接超声冲击相应设备；完成超声冲击工艺前，将冲击枪通过装夹装置固定在机器人最末端轴上，冲击头对准并垂直于冲击层，使冲击装置随机器人的运动，靠自重对焊缝表面进行冲击；

调整示教机器人手部姿态，使之与被冲击部位对应，以完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上冲击针(6)底端设计成上凸的弧面形状，左冲击针(7)和右冲击针(8)设计成平顶形状。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过超声冲击工艺，使粗大柱状晶转变为细小的等轴晶，同时增大了沉积层平均宽度；随着加工速度的增大，沉积层平均宽度逐渐减少，等轴晶平均直径逐渐变大；随着冲击次数增加时，沉积层平均宽度逐渐增大；等轴晶平均直径随冲击参数的变化与沉积层平均宽度相反；加工速度越小，冲击次数越多。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人等材制造多头超声波冲击装置及方法，属于机械加工的热加工锤锻工艺，用于增等减材一体化复合制造中控制增材后构件表层及内部组织细化的装置。

背景技术

近年来，在资源节约及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技术在复杂形状薄壁件的制造上呈现出广阔的应用前景。增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累积的方法制造实体零件的技术。在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。

电弧增材制造技术成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈，这是由于其本身离散化过程中采用STL格式和二维分层技术，从而造成尺寸的误差和阶梯效应。增材制造复合减材去除平整加工并辅以等材控性工艺成为增材制造发展趋势，具有广阔的应用前景。

电弧增材制造的高效率使其成为制造钛合金大型结构件的优良选择。然而，电弧增材制造钛合金构件中容易形成粗大柱状晶，导致力学性能各向异性。为了解决这一问题，学者对超声冲击参数对电弧增材制造TC4钛合金零件组织性能的影响规律和作用机理进行了大量研究。英国Cranfield大学在电弧增材方面做了很多研究，其采用的主要热源有GMAW、Pulsed-TIG、等离子焊PAW等，研究工艺参数对成形件外形、组织及性能的影响，探索了脉冲对组织内部性能的影响。研究表明，电弧增材制造钛合金组织中，有垂直于基板与基板成一定夹角的粗大柱状晶，柱状晶的存在导致了性能上的各向异性，提出焊一道轧制一道的联合制造工艺，实现了柱状晶等轴晶的转变。通过试验发现钛合金零件的粗大柱状晶转变为等轴晶，各向异性减弱，主要原因是轧制力使晶粒破碎，形核质点增多，新增形核质点改变了形核环境，提高了变形储能，在后续沉积层的热作用下发生回复再结晶和相变形成了等轴晶组织。但是，由于轧辊形状的限制，只能实现一维轧制，难以实现工程化应用。

比利时和英国学者对以激光和TIG为热源进行钛合金构件的直接制造进行了研究，表明组织中同样有粗大的柱状晶，不同方向和位置的力学性能不同，不同沉积效率下强度、硬度和断裂应变等不同。对于国内电弧增材的研究包括，哈尔滨工业大学以多层单道GMA-AM为对象，对金属构件的工艺特性、表面质量进行了深入研究，为保证成形质量和精度，又对视觉传感器超声系统进行了研究。西安交通大学和新疆大学对Ti-6Al-4V等离子弧焊快速成形工艺参数进行了研究，指出脉冲电流强度、送丝速度和占空比等工艺参数对成形截面宽高比的影响规律。

超声波冲击作为一种焊后处理技术，在消除焊缝残余应力、获得表层纳米晶及损坏件修复上有着广泛应用，主要是基于超声能量的引入能使金属发生变形，且冲击头较小，没有空间的限制，可以实现全位置冲击，很好地解决了轧辊应用中的工程化难题。

超声冲击的基本原理是：超声波发生器将50Hz交流电转换成20KHz及以上的超声频交流电，再通过换能器将超声频交流电转换为同频的机械振动，该振动通过变幅杆作用于针状冲击头，冲击头在自重及外界压力作用下，作用于焊缝及被处理部位，以提高焊缝或处理部位的疲劳强度等性能，如图1所示。超声冲击较其他提高焊接结构疲劳等性能方法，如激光喷丸、超声喷丸等，在机理基本一致情况下就有以下优点：①效果更加明显；②效率高，每分钟可以处理0.5m焊缝；③成本低，相对于激光喷丸而言节能、无污染，而喷丸会产生粉尘和噪声污染；④执行机构轻巧，重量仅有几公斤，可控性好，使用灵活方便。综上，作为增减材复合制造的性能补充，超声冲击是一种更为理想的改善性能的方法。

本发明公开了一种机器人等材制造超声多头冲击装置及方法，在多机器人协作增、等、减材复合制造的加工工艺中完成等材加工制造工艺。本发明所述的装置及方法结构简单、安装简便、成本较低，通过对薄壁墙体类零件一次性完成三面同时锤锻工艺，从而达到消除残余应力和细化表面晶粒等作用。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种机器人等材制造多头超声冲击装置，与工业机器人末端手臂连接，通过编程控制机器人手部按预定轨迹运行，同时通过超声冲击枪对增材后零件不同侧面同时冲击，一次性完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。超声多头冲击装置应用示意如图2所示。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种机器人等材制造多头超声波冲击装置，由连接法兰(1)、连接支架(2)、上冲击枪(3)、左冲击枪(4)、右冲击枪(5)组成。超声多头冲击装置总体结构如图3所示。

本发明还提供一种机器人等材制造超声多头冲击装置安装及使用方法，其包括以下步骤：

第一步，将连接支架(2)使用连接螺栓，通过连接法兰(1)与多自由度关节机器人手臂末端连接。

第二步，将上冲击针通过螺栓与上冲击枪(3)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)上部定位孔连接固定，如图3、图4、图5所示。

第三步，将左冲击针通过螺栓与左冲击枪(4)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)左侧定位孔连接固定，如图3、图4、图5所示。

第四步，将右冲击针通过螺栓与左冲击枪(5)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)右侧定位孔连接固定，如图3、图4、图5所示。

第五步，连接超声冲击相应设备，包括超声波发生器及其他辅助线路等。

第六步，调整示教机器人手部姿态，使之与被冲击部位对应，以完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。

本发明所述的装置及方法结构简单、安装简便、成本较低，通过对薄壁墙体类零件一次性完成三面同时锤锻工艺，从而达到消除残余应力和细化表面晶粒等作用。为实现顶面线接触贴合紧密的冲击模式，上冲击针底端设计成上凸的弧面形状，有效的增大了冲击针与焊件接触面积，防止冲击时滑移或脱落。为加强对侧面墙体的平整效果，左冲击针和右冲击针设计成平顶形状，有效增大冲击时的接触面积，提高冲击效率。本发明所述装置，能够调速方便、组成零件少、整体体积小、安装使用方便、成本较低。

鉴于超声冲击技术效果明显，效率高、成本低和执行方便等优点，本发明结构可应用到多个领域，具体包括以下方面：

①消除焊接增材后结构残余应力，改善结构件疲劳性能

超声冲击处理构件与基板连接处，实现连接处的圆滑过渡，减小应力集中系数，残余拉应力减小甚至负输入，从而使连接处拉伸、疲劳等力学性能得以提高。相关研究表明：对于超声冲击处理超高强钢焊趾处的残余应力由180MPa转变为－350MPa，减少了300％，焊接态的疲劳强度提高了33.3％。对304不锈钢材料焊接接头残余应力处理的研究表明，超声冲击可以减小焊缝处的应力集中系数，构件的疲劳寿命提高了29％。

②超声冲击金属表面获得纳米层

纳米材料因独特的结构而具有优异的力学和物理性能，在金属表面制备一层纳米层可以优化材料的综合力学性能和服役环境。国外学者研究了不同超声功率对AZ80合金晶粒细化的影响，表明超声冲击可以细化晶粒，从0W到600W平均晶粒尺寸由387μm减小到147μm，而当功率从950W上升到1400W时，平均晶粒尺寸反而增大，超声波的热效应可能是这一转变的重要原因。国内学者对超声冲击处理45#钢进行了研究，发现材料表面获得了一层纳米层，平均晶粒尺寸大约为50nm。

③超声冲击处理已损坏或潜在损坏的构件，延长使用寿命

很多零部件造价昂贵，在使用前期或中期给予适当的强化可以显著提高使用寿命。超声冲击用于修复表皮剥落的铝合金机翼及大型公路、桥梁焊接构件等诸多领域。

附图说明

图1为超声冲击原理流程图。

图2为一种机器人等材制造超声多头冲击装置应用示意图。

图3为超声多头冲击装置总体结构示意图。

其中：1-连接法兰、2-连接支架、3-上冲击枪、4-左冲击枪、5-右冲击枪。

图4为超声多头冲击装置安装示意图。

图5为超声多头冲击装置安装局部放大图。

图6为超声多头冲击装置示意图。

具体实施方式

本实施例采用的设备包括：多自由度关节型工业机器人及相应的电源控制系统、超声多头冲击装置和超声波发生器及相应设备。工业机器人固定不动，被加工工件基板固定在机器人变位机工作台面上，通过电弧丝材增材制造完成薄壁墙体构件的成形制造。本发明装置与机器人末端相连，通过编程控制机器人完成空间姿态和轨迹的变换运行。超声冲击金属材料以轻质合金为主，如钛合金TC4材料或铝合金材料等。

本实施例采用的超声冲击设备，超声冲击枪在80％满负荷工作条件下连续工作时间达8小时以上。连续工作时，振幅波动在±5％范围内。满足使用要求，主要技术参数包括：①振幅，最大80μm，振幅连续可调，以最大振幅的百分比为单位进行调节。②频率，20KHz，频率不可调，数值由换能器决定。③质量：3.5kg。其他技术参数可以通过机器人控制，如加工速度和冲击次数等。

进行丝材焊接增等减材工艺前，必须对基板和焊丝进行仔细处理，否则污物和水分会在增材后构件中产生非金属夹杂和气孔等缺陷，使得构件疲劳性能、强度等性能显著下降。焊前，首先用打磨机对基板待焊区域进行打磨，用以去除表面的氧化层及污物，再用酒精或丙酮擦净。焊丝为真空包装，新焊丝不做处理，焊接结束后，需放在电子防潮柜中，以免焊丝受潮。焊接用保护气体采用99.99％的氩气。

超声冲击等材锤锻工艺过程包括以下步骤：

第一步，将连接支架(2)使用连接螺栓，通过连接法兰(1)与多自由度关节机器人手臂末端连接。

第二步，将上冲击针通过螺栓与上冲击枪(3)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)上部定位孔连接固定。

第三步，将左冲击针通过螺栓与左冲击枪(4)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)左侧定位孔连接固定。

第四步，将右冲击针通过螺栓与左冲击枪(5)连接，将其通过安装螺栓与连接支架(2)右侧定位孔连接固定。

第五步，连接超声冲击相应设备，包括超声波发生器及其他辅助线路等。

第六步，调整示教机器人手部姿态，使之与被冲击部位对应，以完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。

完成超声冲击工艺前，将冲击枪通过本发明装夹装置固定在机器人最末端轴上，冲击头对准并垂直于冲击层，使冲击装置随机器人的运动，靠自重对焊缝表面进行冲击。

通过本实施例的超声冲击工艺，能够使粗大柱状晶转变为细小的等轴晶，同时增大了沉积层平均宽度。随着加工速度的增大，沉积层平均宽度逐渐减少，等轴晶平均直径逐渐变大。振幅为40％时，沉积层平均宽度达到最大，而等轴晶平均直径最小。随着冲击次数增加时，沉积层平均宽度逐渐增大。等轴晶平均直径随冲击参数的变化与沉积层平均宽度相反。振幅60％时，加工速度为3mm/s，冲击次数为4次，沉积层平均宽度最大为9.9mm，等轴晶平均直径最小为0.80mm。超声冲击工艺参数通过改变位错增殖程度的变形量来控制晶粒破碎程度，或形核质点数目。加工速度越小，冲击次数越多。冲击振幅最优时，沉积层获得能力越大，获得形核质点越多，从而使得等轴晶晶粒平均直径越小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

一种机器人等材制造超声多头冲击装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。