CN101220407A - 一种滚动冲击头式超声冲击枪 - Google Patents

Abstract

一种滚动冲击头式超声冲击枪，包括壳体，壳体内安装的换能器、施力部件，换能器前端连接变幅杆，变幅杆上安装可转动的冲击头或冲击头阵列。变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。冲击头为球体、椭球体、卵球体或柱体。壳体上还设置有一个手柄。超声冲击枪包括全波长和半波长两种形式。本发明冲击枪中的冲击头与变幅杆由平面接触变为球面接触，基本消除了在冲击过程中冲击头对声学系统谐振特性的影响，保证了设备一直工作在最佳谐振点，有效保证了输出功率和冲击效果；冲击头设计为球体或柱体形状，有效阻止了能量以超声波的形式沿冲击头和工件传递出去，保证了输出功率。

Description

一种滚动冲击头式超声冲击枪

【技术领域】：本发明属于金属表面处理技术领域，特别涉及一种改善和提高机械部件和结构的疲劳性能的装置。

【背景技术】：现阶段国内外主要采用TIG熔修、锤击和喷丸等方法来提高机械部件和结构的疲劳性能，但这些方法劳动强度大、能耗高而且会产生负面影响。超声冲击以其执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，成本低而且节能等优点，适用于各种接头，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。半波长超声冲击法的提出，在不影响输出功率的前提下解决了如管道内壁等狭小空间或特殊位置的处理问题，使超声冲击法的适用性更强。随着超声冲击方法的不断使用，对其性能的改进提出了新的要求。

现有的超声冲击枪工作头均为各种形式的冲击针或冲击针阵列。虽然冲击针针头形状和针的直径各有不同，但针末端与变幅杆均为平面接触。试验发现，在超声冲击进行处理的动态过程中，这种平面接触会影响整个声学系统的谐振特性，从而导致系统无法工作在最佳谐振点，大大降低了输出功率和冲击效果。同时，现有的冲击针形式使得一部分能量以超声波的形式沿冲击头和工件传递出去，也在一定程度上降低了有效功率的输出。

【发明内容】：本发明的目的是解决超声冲击过程中的动态失谐现象，提供一种滚动冲击头式超声冲击枪，从根本上调整整个超声冲击声学系统的谐振特性，使冲击过程平稳可靠，时刻保证频率跟踪在最佳谐振点附近，从而保证整套设备的有效输出功率和冲击效果。

本发明滚动冲击头式超声冲击枪，包括一个壳体，壳体内安装有换能器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端连接其上安装有滚动冲击头或冲击头阵列的变幅杆。变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。冲击头为球体、椭球体、卵球体或柱体。壳体上还设置有一个手柄。

所述的超声冲击枪包括全波长形式，即半波长变幅杆加半波长换能器，和半波长形式，即1/4波长变幅杆加1/4波长换能器。

换能器为磁滞伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

施力部件为弹簧或压缩空气。

本发明的优点和有益效果：

滚动冲击头式超声冲击和冲击针式超声冲击相比，主要有以下优点：

(1)冲击头与变幅杆由平面接触变为球面接触，基本消除了在冲击过程中冲击头对声学系统谐振特性的影响，保证了设备一直工作在最佳谐振点，有效保证了输出功率和冲击效果；

(2)冲击头设计为球体或柱体形状，有效阻止了能量以超声波的形式沿冲击头和工件传递出去，保证了输出功率。

(3)由于冲击头的滚动使得磨损部位不断更换，保证了工作头的表面质量，从而提高其使用寿命。

通过对比，该方法可以提高有效输出功率30％以上，达到充分利用能源的目的，并可以得到理想的冲击效果。

【附图说明】：

以下所有附图均以压电陶瓷换能器配球体滚动工作头为例，其中每一种形式均可换为相应的磁滞伸缩换能器和任意一种滚动工作头或阵列。

图1是全波长滚动工作头式超声冲击枪处理焊趾部位；

图2是半波长滚动工作头式超声冲击枪处理管道内壁焊缝；

图3是各种形状的滚动工作头及阵列；

图4是大功率全波长或半波长滚动工作头式超声冲击枪；

图5是阶梯-锥度-阶梯型全波长或半波长滚动工作头式超声冲击枪。

其中，1为压缩空气或弹簧静压力，2为半波长换能器，3为半波长变幅杆，4为球体滚动冲击头，5为被加工工件，6为压缩空气或弹簧静压力，7为1/4波长换能器，8为1/4波长变幅杆，9为球体滚动冲击头，10为被加工工件，11为球体滚动冲击头，12为椭球体滚动冲击头，13为卵球体滚动冲击头，14为柱体滚动冲击头，15为球体滚动冲击头阵列，16为椭球体滚动冲击头阵列，17为卵球体滚动冲击头阵列，18为柱体滚动冲击头阵列，19为压缩空气或弹簧静压力，20为大功率半波长或1/4波长换能器，21为半波长或1/4波长变幅杆，22为球体滚动冲击头，23为压缩空气或弹簧静压力，24为半波长或1/4波长换能器，25为阶梯-锥度-阶梯型半波长或1/4波长变幅杆，26为球体滚动冲击头。

【具体实施方式】：

实施例1、

如图所示，本发明为了解决上述超声冲击动态失谐的情况，发明了一种滚动冲击头式超声冲击枪，使得冲击头与变幅杆由平面接触变为球面接触，从根本上改善系统谐振性能。其中滚动冲击头为本发明独创部分。

发明滚动冲击头式超声冲击枪采用半数字或全数字化超声波发生器作加工电源，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪能量；冲击枪包括全波长(半波长变幅杆+半波长换能器)和半波长(1/4波长变幅杆+1/4波长换能器)两种形式，采用半波长(或1/4波长)磁滞伸缩换能器或半波长(或1/4波长)压电陶瓷换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动；半波长(或1/4波长)变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声冲击的需要；最主要的是设计了可滚动的冲击头，冲击头分别选用了不同材质制作，并设计了一系列不同的形状(如球体、椭球体、卵球体和柱体等)、直径以及滚动冲击头阵列，可根据待加工试件软硬程度、加工部位尺寸、表面质量要求以及生产效率等因素进行选择。具体的工作情况及装置结构可参照图1～3。

除图1～3中所示的标准冲击枪之外，本发明还设计了多种实施方式：1)大功率全波长、半波长滚动冲击头式超声冲击枪；2)阶梯-锥度-阶梯型全波长、半波长滚动冲击头式超声冲击枪。下面以压电陶瓷换能器滚动冲击头式超声冲击枪为例具体说明，磁致伸缩换能器滚动冲击头式超声冲击枪与其原理相似，对于原理不同处将予以单独说明。

1)大功率全波长、半波长滚动冲击头式超声冲击枪

换能器部分的压电陶瓷片由偶数片构成，因此陶瓷的片数从2片至12片即可有效提高输出功率50％～300％，而冲击枪整体重量仅增加10％～30％。详见图4。对于磁致伸缩换能器冲击枪，其输出功率的提高通过增大驱动磁场强度即增大驱动电流的方式实现。

2)阶梯-锥度-阶梯型全波长、半波长滚动冲击头式超声冲击枪

单一锥度形状变幅杆存在着放大系数相对小或形状因数小等缺点，而单一的阶梯型变幅杆由于界面存在突变而引起的应力集中，使用时自身也会产生疲劳等一系列问题，因此本方案设计了全新的变幅杆，其界面采用阶梯-锥度-阶梯型过渡，有效的降低了界面突变引起的应力集中现象，同时保证了较大的放大系数。具体形式见图5。

实施例2、加工实例

本发明中，变幅杆、换能器和冲击头均有多种形式，使用时应根据待加工试件软硬程度、加工部位尺寸、表面质量要求以及生产效率等因素进行综合选择。

(1)对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬材料，超声冲击应选用直径相对较小的滚动工作头或阵列，一般在1～10mm的范围内，并应选择球体、椭球体或卵球体滚动工作头。加工头材质一般应为硬质合金，如果希望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷(包括金属化陶瓷)、金钢石、非晶态合金等。对于强度级别更高的材料，可选用大功率换能器和阶梯-锥度-阶梯型变幅杆相配合，以达到更大的有效输出功率和满意的冲击效果。

(2)对于铝、铜合金、镁合金等较软材料，超声冲击应选用直径相对较大的球体、柱体工作头或阵列，一般在10～30mm的范围内。加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。

(3)对于狭小空间或特殊位置，如管道内壁焊缝或箱体内焊缝等，可选用半波长系列滚动冲击头式超声冲击方法。同样，可根据具体情况选用大功率换能器或阶梯-锥度-阶梯型变幅杆。

Claims (7)

1.一种滚动冲击头式超声冲击枪，其特征在于该超声冲击枪包括一个壳体，壳体内安装有换能器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端连接其上安装有滚动冲击头或冲击头阵列的变幅杆。

2.根据权利要求1所述的超声冲击枪，其特征在于变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。

3.根据权利要求1所述的超声冲击枪，其特征在于冲击头为球体、椭球体、卵球体或柱体。

4.根据权利要求1或2或3所述的超声冲击枪，其特征在于所述的超声冲击枪包括全波长形式，即半波长变幅杆加半波长换能器，和半波长形式，即1/4波长变幅杆加1/4波长换能器。

5.根据权利要求4所述的超声冲击枪，其特征在于所述的换能器为磁滞伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

6.根据权利要求1或2或3所述的超声冲击枪，其特征在于所述的施力部件为弹簧或压缩空气。

7.根据权利要求1或2或3所述的超声冲击枪，其特征在于壳体上设置有一个手柄。

Images