一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置与方法

1.本发明属于金属激光增材制造后处理强化技术领域，尤其涉及一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置与方法。


背景技术：

2.激光增材制造技术是一种利用高能激光束熔化金属粉末或丝材，并按照填充路径逐层堆积熔覆材料，进而来实现复杂金属构件成形的技术。由于激光增材制造技术的柔性化制造特点能够实现多品种、变批量零件加工的快速转换。该技术可用于承受较大力学载荷的三维实体金属零件的快速制造。
3.由于激光增材制造的快速冷凝特点，激光束瞬时局部输入高能量造成目标构件表面区域的温度分布不均匀，冷却凝固时物体不同部位传热量不同，进而目标构件的不同部位之间相互制约，引起局部热塑性变形，进而在目标构件的成形件中形成较大的内应力。目前，利用超声冲击强化技术，通过冲击头的高频振动，能够有效地消减激光增材制造成形件中形成较大的内应力。但是，现有的冲击强化装置中，一般的液压缸控制冲击力装置在通过液压缸控制冲击力的过程中，由于液压缸内部会产生压力变化，进而导致冲击力波动，波动的产生会使装置因自重在工件表面产生较大的冲击凹痕，导致工件损伤。
4.为此，针对上述的技术问题，需要提供一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置与方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置与方法，以解决现有技术中液压缸内部会产生压力变化，进而导致冲击力波动，波动的产生会使装置因自重在工件表面产生较大的冲击凹痕，导致工件损伤的技术问题。
6.本发明第一方面提供了用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，包括：外壳；驱动机构，设置于外壳内部，并与外壳相连接；丝杠压缩杆，贯穿于外壳，并与驱动机构相邻设置，且与外壳相连接；升降齿轮，设置于外壳内部，并套设在丝杠压缩杆外部，且与驱动机构相连接；第一轴承，套设在升降齿轮外部，并与升降齿轮相连接；弹簧，设置于丝杠压缩杆的下方，并能够与丝杠压缩杆相接触，进而沿弹簧恢复弹性形变的方向为丝杠压缩杆提供作用力；超声冲击装置壳体，设置于外壳的下方，并与外壳相连接；卡槽，设置于超声冲击装置壳体的侧壁；自锁机构，设置于卡槽内部，并与丝杠压缩杆相连接，进而在弹簧带动丝杠压缩杆的情况下，使自锁机构在卡槽内卡紧。
7.可选地，驱动机构包括：调速电机，设置于外壳的上方，并与外壳相连接；传动轴，设置于外壳内部，且设置于调速电机的下方，并与调速电机的输出轴相连接；齿轮，套设于传动轴的外侧，且与升降齿轮相啮合；第二轴承，设置于传动轴的上下两侧，并与传动轴相连接。
8.可选地，超声冲击控制台，设置于外壳的外部，并与调速电机电连接。
9.可选地，外接固定架，设置于超声冲击装置壳体的中部，并与超声冲击装置壳体相连接。
10.可选地，冲击模块，设置于超声冲击装置壳体的下方，并与超声冲击装置壳体相连接。
11.可选地，端盖，设置于外壳的上部，并与外壳相连接；螺栓，穿设在端盖的顶端，使端盖与外壳相连接。
12.本发明第二方面提供了用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的控制方法，该控制方法的具体步骤包括：s1：根据目标构件的残余应力分布特点，对超声冲击控制台进行冲击程序设置；s2：根据设置的冲击程序，超声冲击控制台控制驱动机构，进而带动升降齿轮运动，使升降齿轮带动丝杠压缩杆压紧弹簧至预设载荷值；s3：自锁机构固定丝杠压缩杆，使丝杠压缩杆按照预设载荷值保持稳定的载荷输出，使冲击模块对目标构件施加的冲击力稳定可控，实现目标构件的区域应力分布均匀化。
13.可选地，在步骤s1中，设置的冲击程序包括：在目标构件的残余应力聚集较大处，选用大冲击载荷对目标构件进行超声冲击强化处理；在目标构件的残余应力聚集较小处，选用小冲击载荷对目标构件进行处理。
14.相较于现有技术，本发明提供了一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置与方法，通过控制方法控制超声冲击控制台，进而控制驱动机构带动升降齿轮运动，进而使升降齿轮带动丝杠压缩杆运动，使得丝杠压缩杆压紧弹簧，丝杠压缩杆受到弹簧向上的反作用力，进而在弹簧带动丝杠压缩杆的情况下，使自锁机构在卡槽内卡紧，使得自锁机构难以滑脱卡槽，使冲击模块对目标构件施加的冲击力稳定可控，保证了冲击载荷的稳定性，使目标构件的区域应力分布均匀化，有效避免了冲击力波动，保证了工件的加工品质。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
16.图1为本发明的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的结构示意图；
17.图2为本发明的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的冲击载荷调节部分的结构示意图；
18.图3为本发明的升降齿轮与丝杆压缩杆的结构示意图。
19.附图标号说明：
20.1、超声冲击控制台；2、冲击载荷调节机构；201、调速电机；202、传动轴；203、齿轮；204、第二轴承；205、第一轴承；206、升降齿轮；207、丝杠压缩杆；208、弹簧；3、端盖；4、螺栓；5、外壳；6、自锁机构；7、外接固定架；8、超声冲击装置壳体；9、冲击模块。
具体实施方式
21.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公
开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
22.需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
23.如图1、图2和图3所示，本实施例第一方面提供了用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，包括：外壳5；驱动机构，设置于外壳5内部，并与外壳5相连接；丝杠压缩杆207，贯穿于外壳5，并与驱动机构相邻设置，且与外壳5相连接；升降齿轮206，设置于外壳5内部，并套设在丝杠压缩杆207外部，且与驱动机构相连接；第一轴承205，套设在升降齿轮206外部，并与升降齿轮206相连接；弹簧208，设置于丝杠压缩杆207的下方，并能够与丝杠压缩杆207相接触，进而沿弹簧208恢复弹性形变的方向为丝杠压缩杆207提供作用力；超声冲击装置壳体8，设置于外壳5的下方，并与外壳5相连接；卡槽，设置于超声冲击装置壳体8的侧壁；自锁机构6，设置于卡槽内部，并与丝杠压缩杆207相连接，进而在弹簧208带动丝杠压缩杆207的情况下，使自锁机构6在卡槽内卡紧。
24.本实施例的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置包括外壳5、驱动机构、丝杠压缩杆207、升降齿轮206、第一轴承205、弹簧208、超声冲击装置壳体8、卡槽和自锁机构6。通过设置驱动机构带动升降齿轮206运动，进而使升降齿轮206带动丝杠压缩杆207运动，使得丝杠压缩杆207压紧弹簧208，再利用卡槽内的自锁机构6将丝杠压缩杆207压紧，丝杠压缩杆207受到弹簧208向上的反作用力，进而在弹簧208带动丝杠压缩杆207的情况下，使自锁机构6在卡槽内卡紧，使得自锁机构6难以滑脱卡槽，进而保证了对目标构件施加的冲击力稳定可控，保证了冲击载荷的稳定性，实现目标构件的区域应力分布均匀化。
25.示例性地，第一轴承205装配在升降齿轮206两侧，进而保证升降齿轮206在外壳5内部实现转动，进而使升降齿轮206带动丝杠压缩杆207运动。
26.示例性地，本实施例中的超声冲击装置壳体8为根据本装置特性特制的合金壳体，使得该装置在密封后，能够隔绝环境杂质。
27.本实施例的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的有益效果：
28.1.机械增压结构适用性广采用调速电机201驱动齿轮203和丝杠压缩杆207传动来对冲击模块9施加可控的冲击载荷，冲击载荷可根据不同使用场景、不同结构特点激光修复件进行适用性调节，使得超声冲击枪性能发挥极致。
29.2.稳定的冲击载荷输出由于使用丝杠压缩杆207与升降齿轮206内接触摩擦传动，因丝杠摩擦因数大，可实现自锁功能，并且装置设有自锁机构6，当丝杠压缩杆207提供一定冲击载荷后，自锁机构6通过压紧丝杠压缩杆207端部上沿并将自锁机构6固定在超声冲击
装置壳体8上相应的卡槽上，同时丝杠压缩杆207端部受到弹簧208的向上反作用力，使得自锁机构6难以滑脱卡槽，保证机械增压装置提供的冲击载荷能够在冲击过程中保持冲击力的稳定。外接固定架7可将超声冲击枪固定在大型机械或机械手上实现稳定和空间多方位输出，进一步提高装置运行中冲击载荷稳定性。
30.在一种可能的实施例中，如图1、图2和图3所示，驱动机构包括：调速电机201，设置于外壳5的上方，并与外壳5相连接；传动轴202，设置于外壳5内部，且设置于调速电机201的下方，并与调速电机201的输出轴相连接；齿轮203，套设于传动轴202的外侧，且与升降齿轮206相啮合；第二轴承204，设置于传动轴202的上下两侧，并与传动轴202相连接。
31.示例性地，驱动机构包括调速电机201、传动轴202、齿轮203和第二轴承204。当调速电机201顺时转动，带动传动轴202和齿轮203顺时针转动，齿轮203与升降齿轮206进行齿轮外啮合，使得升降齿轮206逆时针旋转，在升降齿轮206内部螺纹带动下，丝杠压缩杆207端部向下移动，压紧弹簧208增加载荷大小，实现机械增压式冲击强化装置的自动化冲击载荷施加过程。同理，当调速电机201逆时针转动时，使得升降齿轮203顺时针转动，使得丝杆压缩杆端部向上移动，释放弹簧208减少载荷大小，紧密的机械动力传递结构减少了人工操作，实现了加压和载荷释放的自动化过程，保证了机械增压式冲击强化装置内部压力稳定变化，进而避免了冲击力波动，能够有效防止对目标构件造成的损伤，并且增添了机械增压式冲击强化装置的应用场景。
32.示例性地，本实施例为防止加压冲击载荷在工作时，因载荷波动损伤目标构件，对机械增压式冲击强化装置进行了结构设计。由于使用丝杠压缩杆207与升降齿轮206内接触摩擦传动，因丝杠摩擦因数大，可实现自锁功能。同时，本实施例中的机械增压式冲击强化装置的自锁机构6，当丝杠压缩杆207向下移动，弹簧208提供一定冲击载荷后，自锁机构6通过压紧丝杠压缩杆207端部上沿并将自锁机构6固定在超声冲击装置壳体8相应的卡槽上，此时丝杠压缩杆207端部受到弹簧208的向上反作用力，使得自锁机构6难以滑脱卡槽，保证了机械增压式冲击强化装置提供的冲击载荷能够在冲击过程中保持冲击力的稳定。
33.在一种可能的实施例中，如图1所示，超声冲击控制台1，设置于外壳5的外部，并与调速电机201电连接。
34.示例性地，超声冲击控制台1集成了对冲击模块9和驱动电机的信号控制，该超声冲击控制台1内部设置有冲击控制模块、驱动电机控制模块、显示模块和手动按钮，能够对整个冲击过程进行实时操控，方便快捷。
35.在一种可能的实施例中，如图1所示，外接固定架7，设置于超声冲击装置壳体8的中部，并与超声冲击装置壳体8相连接。
36.示例性地，外接固定架7将本实施例中的机械增压式超声冲击装置固定在大型器械上，进而能够增强冲击过程的稳定性，同时保证冲击载荷的恒定输出。
37.示例性地，外接固定架7能够根据实际的使用需求，设置在本实施例超声冲击装置壳体8的中部，并且是通过先夹套的方式套设在超声冲击装置壳体8的外面，之后再通过螺栓把紧固定，这样设置既保证了灵活的固定连接方式，又兼顾了安装的稳定性，保证了机械增压式超声冲击装置在冲击过程的稳定性。
38.在一种可能的实施例中，如图1所示，冲击模块9，设置于超声冲击装置壳体8的下方，并与超声冲击装置壳体8相连接。
39.示例性地，超声冲击装置壳体的下端设置有冲击模块9，冲击模块9作为整个装置的执行端，用以实现对激光增材制造成型件的机械性能进行强化。
40.示例性地，通过冲击模块9带有自重和加压力的高频率振幅高效敲击目标构件来实现对激光修复成型件的机械性能强化。高频高冲击力的撞击能够使目标构件的表面及一定深度方向上产生塑性变形，随着冲击的持续强化，目标构件内部晶粒位错运动加剧，位错密度增加，形成细小等轴晶粒，强化材料硬度，并且目标构件体内材料要阻碍表层材料的延展，进而产生压应力，达到消减残余拉应力的目的。稳定的冲击载荷输出、提高的冲击力上限及自动的调节过程，使本实施例的机械增压式冲击强化装置能够从容应对结构多样、使用工况复杂的激光增材制造构件的性能提高需求。
41.在一种可能的实施例中，如图2所示，端盖3，设置于外壳5的上部，并与外壳5相连接；螺栓4，穿设在端盖3的顶端，使端盖3与外壳5相连接。
42.示例性地，通过螺栓4将端盖3和外壳5固定连接，使本实施例中用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的内部构件处于封闭的工作环境，进而隔绝环境杂质，以减少环境杂质对内部零件的腐蚀。
43.本实施例还提供了用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的控制方法，该控制方法的具体步骤包括：
44.s1：根据目标构件的残余应力分布特点，对超声冲击控制台1进行冲击程序设置；
45.在步骤s1中，设置的冲击程序包括：在目标构件的残余应力聚集较大处，选用大冲击载荷对目标构件进行超声冲击强化处理；在目标构件的残余应力聚集较小处，选用小冲击载荷对目标构件进行处理；
46.s2：根据设置的冲击程序，超声冲击控制台1控制驱动机构，进而带动升降齿轮206运动，使升降齿轮206带动丝杠压缩杆压紧弹簧208至预设载荷值；
47.s3：自锁机构6固定丝杠压缩杆，使丝杠压缩杆按照预设载荷值保持稳定的载荷输出，使冲击模块9对目标构件施加的冲击力稳定可控，实现目标构件的区域应力分布均匀化。
48.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，包括：外壳；驱动机构，设置于所述外壳内部，并与所述外壳相连接；丝杠压缩杆，贯穿于所述外壳，并与所述驱动机构相邻设置，且与所述外壳相连接；升降齿轮，设置于所述外壳内部，并套设在所述丝杠压缩杆外部，且与所述驱动机构相连接；第一轴承，套设在所述升降齿轮外部，并与所述升降齿轮相连接；弹簧，设置于所述丝杠压缩杆的下方，并能够与所述丝杠压缩杆相接触，进而沿所述弹簧恢复弹性形变的方向为所述丝杠压缩杆提供作用力；超声冲击装置壳体，设置于所述外壳的下方，并与所述外壳相连接；卡槽，设置于所述超声冲击装置壳体的侧壁；自锁机构，设置于所述卡槽内部，并与所述丝杠压缩杆相连接，进而在所述弹簧带动所述丝杠压缩杆的情况下，使所述自锁机构在所述卡槽内卡紧。2.根据权利要求1所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，所述驱动机构包括：调速电机，设置于所述外壳的上方，并与所述外壳相连接；传动轴，设置于所述外壳内部，且设置于所述调速电机的下方，并与所述调速电机的输出轴相连接；齿轮，套设于所述传动轴的外侧，且与所述升降齿轮相啮合；第二轴承，设置于所述传动轴的上下两侧，并与所述传动轴相连接。3.根据权利要求2所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，还包括：超声冲击控制台，设置于所述外壳的外部，并与所述调速电机电连接。4.根据权利要求1所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，还包括：外接固定架，设置于所述超声冲击装置壳体的中部，并与所述超声冲击装置壳体相连接。5.根据权利要求4所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，还包括：冲击模块，设置于所述超声冲击装置壳体的下方，并与所述超声冲击装置壳体相连接。6.根据权利要求1所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，其特征在于，还包括：端盖，设置于所述外壳的上部，并与所述外壳相连接；螺栓，穿设在所述端盖的顶端，使所述端盖与所述外壳相连接。7.一种如权利要求1所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的控制方法，其特征在于，该控制方法的具体步骤包括：s1：根据目标构件的残余应力分布特点，对超声冲击控制台进行冲击程序设置；s2：根据设置的冲击程序，超声冲击控制台控制驱动机构，进而带动升降齿轮运动，使升降齿轮带动丝杠压缩杆压紧弹簧至预设载荷值；
s3：自锁机构固定丝杠压缩杆，使丝杠压缩杆按照预设载荷值保持稳定的载荷输出，使冲击模块对目标构件施加的冲击力稳定可控，实现目标构件的区域应力分布均匀化。8.根据权利要求7所述的用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置的控制方法，其特征在于，在步骤s1中，设置的冲击程序包括：在目标构件的残余应力聚集较大处，选用大冲击载荷对目标构件进行超声冲击强化处理；在目标构件的残余应力聚集较小处，选用小冲击载荷对目标构件进行处理。

技术总结
本发明提供一种用于激光增材制造的机械增压式冲击强化装置，包括：外壳；驱动机构，设置于外壳内部；丝杠压缩杆，贯穿于外壳，并与驱动机构相邻设置，且与外壳相连接；升降齿轮套设在丝杠压缩杆外部；第一轴承套设在升降齿轮外部，并与升降齿轮相连接；弹簧设于丝杠压缩杆的下方，并能够与丝杠压缩杆相接触，进而沿弹簧恢复弹性形变的方向为丝杠压缩杆提供作用力；超声冲击装置壳体，设置于外壳的下方；卡槽设于超声冲击装置壳体侧壁；自锁机构，设于卡槽内部，并与丝杠压缩杆相连接。本发明通过设置驱动机构带动升降齿轮，进而带动丝杠压缩杆移动，实现对压紧弹簧的压紧或放松，并与自锁机构结合，保证了输出冲击载荷的稳定。保证了输出冲击载荷的稳定。保证了输出冲击载荷的稳定。


技术研发人员：卞宏友 吴先博 刘伟军 张凯 王慧儒 李强 王蔚 张林栋
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11