1.本发明属于机械技术领域，涉及一种钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置。
背景技术：2.钛合金管材因其密度低、耐腐蚀、强度高等特性，在航空领域得到大规模应用。在研究钛合金管材成形工艺的过程中发现钛合金管材的变化主要出现在管壁厚度变化及管径变化。而钛合金管材的收缩应变比就是衡量上述变化程度的数值。所以在钛合金管材加工前，测量该批次钛合金管材的收缩应变比数值，并通过该数值指导零件成形工艺参数的工作是十分必要的。而钛合金管材的划痕深度及精度直接影响了收缩应变比测量的精度，导致最终的收缩应变比测量值出现较大偏差。
3.目前测量钛合金管材收缩应变比的方法是采用分度卡盘配合顶尖夹持，搭配位于钛合金管材侧面可滑动燕尾槽上的硬质合金划痕头制造划痕的方式。可分为划痕前准备、划痕工作、划痕后调节三个步骤。
4.具体操作如下：(1)划痕前准备：推动划痕装置至目标位置，旋转划痕器螺纹使其伸长并与钛合金管材外壁接触，同时对钛合金管材产生一定的压力。(2)划痕工作：通过推动划痕器在燕尾槽中滑动或者控制分度卡盘带动钛合金管材旋转至特定角度，对钛合金管材进行轴向及径向划痕操作。(3)划痕后调节：旋转划痕器螺纹使其缩回，调节划痕器位置及分度卡盘角度后再进行下一次划痕操作。
5.采用上述划痕方法存在以上问题：(1)采用分度卡盘及顶尖夹持的方式适用的钛合金管材尺寸范围有限。在夹持小直径的钛合金管材时，由于顶尖与钛合金管材接触范围较小，导致夹持不牢固，若增加顶尖压力，则容易对管壁造成损坏。(2)采用手动方式控制的划痕器对钛合金管材造成的压力无法精确控制，造成钛合金管材划痕深度的控制只能凭借个人经验及手感，产生的划痕深度过深会超出规定深度范围造成钛合金管材作废，划痕深度过浅会产生均匀性、清晰性较差的划痕对后期测量的精确性造成影响。(3)采用划痕器对管壁单侧施压的方式进行划痕操作时，刚度较差的薄壁钛合金管材容易受侧向压力而变形，导致径向划痕出现划痕首尾不相接的“螺旋线”、轴向划痕出现深度不均匀的现象，上述现象容易导致钛合金管材报废或试验数据精确性变差。(4)采用手动旋转、平移及加压的划痕方式划痕效率低，操作批量钛合金管材划痕时工作量较大，且容易出现人为因素造成的偏差，使得划痕尺寸及精度偏差变大，影响后续测量试验结果。
技术实现要素：6.为解决上述问题，本发明提供一种以伺服电机控制的丝杠导轨横、纵运动系统底座为基础，通过两端带有伺服电机的同心卡盘夹持钛合金管材，配合带有压力传感器及弹簧式力反馈压力平衡系统划痕器的钛合金管材自动化划痕装置，确保钛合金管材划痕过程不变形、划痕深度可控。
7.一种钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置，包括划痕器x向移动机构、划痕器y
向移动机构、钛合金管材旋转机构、划痕工作机构、快换堵塞。
8.所述的划痕器x向移动机构通过x向移动伺服电机8配合x向丝杠4、x向丝母10、x向导轨2、滑块3形成可控制x向移动的机构，控制划痕器y向移动机构及划痕工作机构的沿x向运动。
9.划痕器x向移动机构以底座1为基础，底座上方安装二条x向导轨2，每条x向导轨2上设有二个可沿x向滑动的滑块3，x向丝杠4位于二条x向导轨2之间的底座1上方，通过深沟球轴承a5与位于x向导轨2两端的x向基座a6及x向基座b7连接。右端的x向基座b7外侧安装有x向移动伺服电机8，通过x向基座b7内部的联轴器a9与丝杠端头连接。x向移动伺服电机8控制丝杠旋转，带动x向丝杠上的x向丝母10、x向滑块及其上方连接的y向机构底座11沿x向移动。
10.所述的划痕器y向移动机构安装在划痕器x向移动机构上方，通过y向伺服电机17配合y向丝杠13、y向导轨12、滑块3及y向右旋丝母19、y向左旋丝母20形成可控制y向移动的机构，控制划痕工作机构的上的划痕器及力反馈装置沿y向相互接近或相互远离。
11.划痕器y向移动机构以x向丝母10及x向导轨的滑块3上方连接的y向机构底座11为基础，支座上方安装二条与x向垂直的y向导轨12，每条y向导轨12上有二个可沿y向滑动的滑块3，y向丝杠13位于二条y向导轨12之间的底座上方，通过深沟球轴承b14与位于y向导轨12两端的y向机构支座a15与y向机构支座b16连接。位于前端的y向机构支座a15外侧安装有y向移动伺服电机17，通过y向机构支座a15内部的联轴器b18与y向丝杠13端头连接。y向伺服电机17可控制丝杠旋转，带动y向丝杠13上的y向左旋丝母19、y向右旋丝母20、滑块3及其上方连接的划痕器底座30与力反馈底座31沿y向相向或相离运动。
12.所述的钛合金管材旋转机构由主动旋转机构与被动旋转机构组成，安装在x向移动机构的x向基座a6及x向基座b7上方。主动旋转机构通过旋转伺服电机27控制三爪卡盘29绕轴线旋转。主动旋转机构与被动旋转机构之间依靠三爪卡盘29夹持钛合金管材，通过旋转伺服电机27控制钛合金管材绕轴线旋转。
13.主动端轴承座21位于x向基座a6上，被动端轴承座22位于x向基座b7上。主动旋转轴23通过调心球轴承25与深沟球轴承c26与主动端轴承座21连接，被动旋转轴24通过调心球轴承25与深沟球轴承c26与被动端轴承座22连接。主动旋转轴23与安装在主动端轴承座21外侧的旋转伺服电机27通过联轴器c28连接。通过安装于两个旋转轴内侧端面的三爪卡盘29可以将需要划线的钛合金管材进行夹持，并可绕钛合金管材轴向旋转。
14.所述的划痕工作机构包括划痕器工作端和力反馈机构。划痕器工作端与力反馈机构均位于y向移动机构上，分别放置在钛合金管材的轴线两侧。通过y向移动机构控制划痕工作端及力反馈机构相互靠近及相互远离，保持钛合金管材划痕过程中受力平衡，不出现弯曲变形，同时也可通过控制y向进给量进而控制压缩弹簧38的压缩量，保证划痕过程的实际压力可控，划痕深度可控。
15.划痕工作机构安装在y向移动机构上方，划痕器底座30与力反馈底座31分别与y向右旋丝母20、y向左旋丝母19及y向导轨的滑块3连接，分别位于钛合金管材两侧。划痕器底座30与力反馈底座31上方分别安装有划痕器支座32及力反馈支座33。划痕器34位于划痕器支座32上，与三爪卡盘29所夹持的钛合金管材轴线等高，通过位于划痕器支座32上的导向套36导向，可沿划痕器轴线进行前后运动。力反馈杆35位于力反馈支座31上，与划痕器34同
轴，通过位于力反馈支座上的导向套36导向，可沿轴线进行前后运动。划痕器34前端为尖端用于进行划痕工作。力反馈杆35前端为螺纹，与带有内螺纹的平面端头37螺接，可通过控制两者螺接距离控制平面端头37与钛合金管材的接触量。在平面端头37侧面的螺纹孔内安装有防松螺钉40。在划痕器34及力反馈杆35远离钛合金管材一侧均制作有阶梯轴结构，位于划痕器支座32及力反馈支座33内部的压缩弹簧38一端与阶梯轴结构配合，一端与安装在支座外侧的压力传感器39接触，时刻反馈当前划痕器34及力反馈杆35轴向受力情况。
16.所述的快换堵塞为带有把手的刚性阶梯圆柱体，在进行划痕操作前插入钛合金管材两端，增强钛合金管材两端被夹持部分刚度，保证钛合金管材不产生变形。
17.本发明的有益效果：
18.(1)本发明结构灵活，可通过两端三爪卡盘快速定位钛合金管材轴心位置，适用钛合金管材尺寸范围广，可适用于钛合金管材的收缩应变比测量用划痕工作。
19.(2)本发明采用压力传感器配合伺服电机的划痕系统，通过对划痕装置压力的精确控制，可有效控制划痕深度及均匀性，大大提高了划痕质量。
20.(3)本发明采用划痕器与力反馈杆配合弹簧及压力传感器的可量化的压力平衡结构，防止了钛合金管材在划痕过程中产生的变形。杜绝了因钛合金管材单侧受力变形出现的“螺旋线”形划痕及轴向划痕深度不均匀的问题。
21.(4)由于本发明压力平衡结构的力反馈杆采用硬质合金材料，保证了压力平衡结构的刚性，同时聚四氟乙烯力反馈端头对钛合金管材不会产生破坏性压痕，保护了管材表面质量。聚四氟乙烯的自润滑性保证了管材在受到划针及力反馈端头双重压力下，轴向及径向划痕工作顺畅。
22.(5)本发明采用了伺服电机及压力传感器配合的自动控制系统，自动化程度高。有效降低了批量钛合金管材划痕工作的劳动强度，提高了划痕效率。
附图说明
23.图1为钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置结构示意图。
24.图2为钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置的x向截面示意图。
25.图3为钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置的y向截面示意图。
26.图4为钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置的划痕工作机构截面示意图。
27.图中：1底座；2x向导轨；3滑块；4x向丝杠；5深沟球轴承a；6x向基座a；7x向基座b；8x向移动伺服电机；9联轴器a；10x向丝母；11y向机构底座；12y向导轨；13y向丝杠；14深沟球轴承b；15y向机构支座a；16y向机构支座b；17y向移动伺服电机；18联轴器b；19y向左旋丝母；20y向右旋丝母；21主动端轴承座；22被动端轴承座；23主动旋转轴；24被动旋转轴；25调心球轴承；26深沟球轴承c；27旋转伺服电机；28联轴器c；29三爪卡盘；30划痕器底座；31力反馈底座；32划痕器支座；33力反馈支座；34划痕器；35力反馈杆；36导向套；37平面端头；38压缩弹簧；39压力传感器；；40防松螺钉。
具体实施方式
28.下面结合附图及技术方案对本发明的具体实施方法加以说明。
29.(1)将快换堵塞放入钛合金管材两侧的端头中，调整两侧三爪卡盘29的夹爪的开合尺寸，将钛合金管材放入三爪卡盘29中心处并夹紧，此时旋转伺服电机27控制主动旋转轴23带动三爪卡盘29带动钛合金管材绕轴线旋转。
30.(2)通过x向移动伺服电8控制x向丝杠4旋转，带动划痕器y向移动机构及划痕工作机构移动到初始位置。
31.(3)通过y向移动伺服电机17控制y向丝杠13旋转，带动y向丝杠13上的y向左旋丝母19与y向右旋丝母20相互接近，直至划痕器34与钛合金管材接触，划痕器34一侧的压力传感器39上的数值增加。旋转平面端头37上的螺纹，控制平面端头37在力反馈杆35上的伸出量，使力反馈杆35一侧的压力传感器39上的数值与划痕器34一侧的压力传感器39上的数值相同，拧紧防松螺钉40，锁定平面端头37伸出量(校准过程)。此时钛合金管材在其轴线方向处于力平衡状态，钛合金管材未发生弯曲变形。
32.(4)通过y向移动伺服电机17控制y向丝杠13旋转，带动y向丝杠13上的y向左旋丝母19与y向右旋丝母20以相同的进给量相互接近，由于进给量相同，划痕器34与力反馈杆35对压缩弹簧38的压缩量也相同，两侧压力传感器39上的数值也同步变化，直至达到指定值。
33.(5)控制x向移动伺服电机8，带动划痕器34、力反馈杆35及平面端头37沿x向运动完成钛合金管材的一条轴向划痕工作。控制旋转伺服电机27带动三爪卡盘29及钛合金管材旋转90
°
、180
°
、270
°
后，重复上述x向运动完成钛合金管材轴向划痕工作。
34.(6)通过y向移动伺服电机17控制划痕器34、力反馈杆35及平面端头37远离钛合金管材，直至与钛合金管材无接触。控制x向移动伺服电机8，带动划痕器34、力反馈杆35及平面端头37移动至指定位置。通过y向移动伺服电机17控制划痕器34、力反馈杆35及平面端头37靠近钛合金管材，直至压力传感器39上的数值达到指定值。控制旋转伺服电机27带动三爪卡盘29及钛合金管材旋转360
°
，完成一条周向划痕工作。重复上述操作，完成剩余二条周向划痕操作。
技术特征：1.一种钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置，其特征在于：由划痕器x向移动机构、划痕器y向移动机构、钛合金管材旋转机构、划痕工作机构、快换堵塞五部分组成；所述的划痕器x向移动机构以底座(1)为基础，底座上方安装二条x向导轨(2)，每条x向导轨(2)上设有二个可沿x向滑动的滑块(3)，x向丝杠(4)位于二条x向导轨(2)之间的底座(1)的上方，通过深沟球轴承a(5)与位于x向导轨(2)两端的x向基座a(6)及x向基座b(7)连接；右端的x向基座b(7)外侧安装有x向移动伺服电机(8)，通过x向基座b(7)内部的联轴器a(9)与丝杠端头连接；x向移动伺服电机(8)控制丝杠旋转，带动x向丝杠(4)上的x向丝母(10)、x向滑块(3)及其上方连接的y向机构底座(11)沿x向移动；所述的划痕器y向移动机构以x向丝母(10)及x向导轨的滑块(3)上方连接的y向机构底座(11)为基础，支座上方安装二条与x向垂直的y向导轨(12)，每条y向导轨(12)上有二个可沿y向滑动的滑块(3)，y向丝杠(13)位于二条y向导轨(12)之间的底座上方，通过深沟球轴承b(14)与位于y向导轨(12)两端的y向机构支座a(15)与y向机构支座b(16)连接；位于前端的y向机构支座a(15)外侧安装有y向移动伺服电机(17)，通过y向机构支座a(15)内部的联轴器b(18)与y向丝杠(13)端头连接；y向伺服电机(17)控制y向丝杠(13)旋转，带动y向丝杠(13)上的y向左旋丝母(19)、y向右旋丝母(20)、滑块(3)及其上方连接的划痕器底座(30)与力反馈底座(31)沿y向相向或相离运动；所述的钛合金管材旋转机构由主动旋转机构与被动旋转机构组成，安装在x向移动机构的x向基座a(6)及x向基座b(7)上方；主动旋转机构通过旋转伺服电机(27)控制三爪卡盘(29)绕轴线旋转，主动端轴承座(21)位于x向基座a(6)上，被动端轴承座(22)位于x向基座b(7)上；主动旋转轴(23)通过调心球轴承(25)与深沟球轴承c(26)与主动端轴承座(21)连接；被动旋转轴(24)通过调心球轴承(25)与深沟球轴承c(26)与被动端轴承座(22)连接；主动旋转轴(23)与安装在主动端轴承座(21)外侧的旋转伺服电机(27)通过联轴器c(28)连接；所述的划痕工作机构包括划痕器工作端和力反馈机构，划痕器工作端与力反馈机构均位于y向移动机构上，分别放置在钛合金管材的轴线两侧，通过y向移动机构控制划痕工作端及力反馈机构相互靠近及相互远离，还可以通过控制y向进给量进而控制压缩弹簧(38)的压缩量；划痕器底座(30)与力反馈底座(31)分别与y向右旋丝母(20)、y向左旋丝母(19)及滑块(3)连接；划痕器底座(30)与力反馈底座(31)上方分别安装有划痕器支座(32)及力反馈支座(33)；划痕器(34)位于划痕器支座(32)上，与三爪卡盘(29)所夹持的钛合金管材轴线等高，通过位于划痕器支座(32)上的导向套(36)导向；力反馈杆(35)位于力反馈支座(31)上，与划痕器(34)同轴，通过位于力反馈支座上的导向套(36)导向；划痕器(34)前端为尖端用于进行划痕工作；力反馈杆(35)前端为螺纹，与带有内螺纹的平面端头(37)螺接，通过控制两者螺接距离控制平面端头(37)与钛合金管材的接触量；在平面端头(37)侧面的螺纹孔内安装有防松螺钉(40)；划痕器(34)及力反馈杆(35)远离钛合金管材一侧均制作有阶梯轴结构，位于划痕器支座(32)及力反馈支座(33)内部的压缩弹簧(38)一端与阶梯轴结构配合，一端与安装在支座外侧的压力传感器(39)接触；所述的快换堵塞(40)为带有把手的刚性阶梯圆柱体，在进行划痕操作前插入钛合金管材两端，增强钛合金管材两端被夹持部分刚度。2.根据权利要求1所述的钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置，所述的划痕器(34)
尖端采用聚四氟乙烯力反馈端头。3.根据权利要求1或2所述的钛合金管材收缩应变比测量用划痕装置，所述的力反馈杆(35)采用硬质合金材料。
技术总结本发明属于机械技术领域，公开了一种以伺服电机控制的丝杠导轨横、纵运动系统底座为基础，通过两端带有伺服电机的同心卡盘夹持钛合金管材，配合带有压力传感器及弹簧式力反馈压力平衡系统划痕器的钛合金管材自动化划痕装置，确保钛合金管材划痕过程不变形、划痕深度可控；提高了划痕质量，降低了劳动强度，提高了工作效率。工作效率。工作效率。
技术研发人员：张皓 金冬岩 谢洪志
受保护的技术使用者：沈阳飞机工业（集团）有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2022/12/16
