CN103627885A - 一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法及装置，属于零件表面强化领域。本发明主要由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩执行机构、变幅杆、撞击棒组成，将铁磁棒套入绕有电磁线圈的线圈骨架中心孔内，信号发生器给线圈施加交流信号并经功率放大器进行能量放大，通过设定相应的频率和偏置磁场条件，根据磁致伸缩效应，沿铁磁棒产生纵向L(0，1)模态导波，利用该模态导波的径向位移振动，经变幅杆将振动位移放大后，通过置于小孔内部位置的撞击棒撞击小孔内壁，使孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余压应力，达到小孔内壁的强化作用；本发明解决了现有技术对直径为1-3mm小孔的强化作用有限的难题，也适合更大孔内壁的强化。

Description

一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法及装置

技术领域

    本发明属于零件表面强化领域，具体的说是直径为1~3mm小孔，也适合更大孔应力集中严重的内表面强化。

背景技术

     在航空航天等领域的机械结构中，孔在机械连接机构占有重要地位，一般而言，孔是整个零件的应力集中部位，零部件往往都是从孔位置开始发生失效而导致整个零件的报废。换言之，由于孔本身的低寿命降低整个零部件的使用寿命。因此，急待有效的小孔强化工艺，目的就是为了改善带孔零部件的机械性能，从而在使用的过程中有更长的疲劳寿命。

     目前国内外孔的强化工艺采用较多的是机械喷丸、冷挤压和激光冲击强化处理。传统机械喷丸的方法对孔壁进行强化，即在孔内设置一带有锥角的反射装置，将喷丸喷射到反射装置上，使弹丸与孔内壁发生撞击，从而起到强化的效果，但是这种强化方法受到孔尺寸的限制，当孔径小到一定程度的时候就无法或者很难实现。

     冷挤压强化小孔技术即将一开缝衬套放入孔中，芯棒塞入孔使开缝衬套膨胀来间接挤压紧固孔内壁，使零件产生塑性变形产生强化作用。但是这种强化方法需要设计模具，无法产生孔内壁的正向残余应力，强化效果不明显。同时小孔的直径和零件本身的形状也会使模具设计难度加大。

陈洁的专利CN102205488A中叙述了一种开缝衬套冷挤压加工孔的办法，其原理是将开缝衬套装在一根具有过盈量的锥形挤压棒上，使挤压芯棒强行通过零件内孔，挤压力通过开缝衬套均匀传递到零件的内孔壁上，使内孔的周围产生残余压应力，但是在挤压过程中极易断棒，生产成本太大。

激光冲击强化小孔技术将能量吸收杆置于小孔适当位置，利用激光诱导能量吸收杆产生等离子爆炸，产生冲击波从而使小孔内壁强化。这种方法对直径小于3mm的小孔强化效果受到限制，强化结果难以得到保证。

专利CN101126117A叙述了一种孔结构的激光冲击处理方法，其实施方法为在激光冲击强化之前将芯棒或衬套放置于孔内，芯棒或者衬套与处理孔表面平齐,完成激光冲击强化后去除芯棒或者衬套，该专利的特点是先开孔后强化，加入芯棒或者是衬套是为了保证孔口位置激光冲击强化后不变形，保证强化后孔口的质量，但是采用这种强化方法很可能在激光冲击强化后，芯棒或者衬套很难从小孔中取出或者是无法取出,也很容易对小孔造成伤害。

磁致伸缩执行器是利用磁致伸缩材料在外加磁场作用下发生形变这一特性，实现电磁能向机械能转换的一种换能器。目前在机械加工领域中，主要是利用磁致伸缩执行器输出的轴向位移实现高分辨率的微量进给，如车削加工，孔加工等，邬义杰等在2004年浙江大学学报(工学版)第38卷的1185-1189页，发表的基于超磁致伸缩材料的活塞异形销孔加工原理研究中，通过将超磁致伸缩材料嵌入到刀具中研制了一种活塞异形销孔加工系统。但是，目前尚无有关利用磁致伸缩执行器输出径向位移实现小孔强化的报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种金属板料小孔内壁强化方法及装置，具体的说是针对直径为1-3mm的小孔，通过在小孔内壁引入适当的残余应力，可以有效提供小孔的疲劳寿命，该方法通过磁致伸缩的超声导波理论，利用磁致伸缩效应产生的L（0,1）模态导波径向振动作用与小孔内壁，从而达到强化小孔的效果，本专利还可以对直径大于3mm的内孔内壁进行强化。

本发明由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩执行机构、变幅杆和撞击棒组成。由信号发生器产生所需信号经功率放大器进行能量放大后，驱动磁致伸缩执行机构内部的电磁线圈，根据磁致伸缩效应原理，沿铁磁棒产生低频L(0,1)模态导波，其振动位移主要为径向振动，铁磁棒下端连接变幅杆，用于将振动位移进行放大，将撞击棒伸入到小孔内合适位置，利用磁致伸缩效应产生的径向振动通过撞击棒撞击小孔内壁，使孔壁引入残余压应力实现强化效果。

一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法，其特征在于，具体步骤为，

A）根据需要强化的小孔尺寸，制作相应尺寸的撞击棒和变幅杆，撞击棒和变幅杆的截面为凸轮型，变幅杆的最大向径等于铁磁棒的半径，撞击棒与变幅杆的凸轮基圆中心轴同轴且固定连接； 

B）将变幅杆安装在磁致伸缩执行机构的铁磁棒下端，铁磁棒为圆柱状，变幅杆的凸轮基圆中心轴与铁磁棒的圆形截面中心轴同心；

C）磁致伸缩执行机构将撞击棒伸入小孔内部，撞击棒的凸轮基圆中心轴与小孔的圆形截面中心轴同心；

D）利用磁致伸缩效应通过铁磁棒产生的L（0,1）模态导波振动传播至变幅杆，变幅杆将L（0,1）模态导波振动放大15-20倍后传播至撞击棒，通过撞击棒的振动撞击小孔内壁，使小孔内壁产生残余应力，提高小孔的疲劳寿命；同时铁磁棒带动变幅杆转动，使撞击棒在小孔内以5-25度/秒的角速度转动；

L(0，1)模态导波是一种轴对称导波，其周向振动位移为零，径向振动位移大于轴向振动位移，使得导波在沿轴向传播的同时具有较大的径向振动位移，

使磁致伸缩效应激励出纵向模态导波，即要满足关系式

                                                                  （1）

 

 

为棒在笛卡尔坐标系中三个方向的位移，

为角频率， 

为时间，

为波数，z导波传播的方向，由公式可知，棒只存在轴向和径向位移时，激励出的导波为纵向模态，通过调节频率

，使径向位移大于轴向位移时，即本发明所需的纵向L（0,1）导波；当径向位移等于轴向位移时，根据电磁场理论，L（0,1）模态导波的径向位移和磁致伸缩力

的公式为

          

                   （2）

为材料密度，

为张量积。

磁性材料在方向相反的磁场作用下，形变方向不会改变，因此若仅仅外加一

交变磁场，磁性材料的振动频率将为交变磁场的两倍，这种现象称为倍频效应，倍频效应的存在，使得能量转换的效率较低，在实际应用中必须克服倍频效应,提高能量的转换效率。

为解决倍频效应，本发明的铁磁棒上套有螺线管线圈，线圈外围有两块经磁化的永磁铁，构成静态偏置磁场，其作用是保证电声转换时频率一致，避免倍频效应，同时使铁磁棒相对磁导率达到最大值，使振动幅度达到最大。偏置磁场的大小和方向影响激励导波模态类型，本发明偏置磁场强度为18-24KA/m，永磁铁磁场方向平行铁磁棒轴向方向，同时调节信号源频率在20k-160k之间，从而激励出所需的纵向L(0,1)模态导波。

本发明基于磁致伸缩的小孔内壁强化装置具有许多优势：

1.本发明利用磁致伸缩效应产生L(0，1)模态导波，其产生的径向振动位移通过撞击棒撞击小孔内壁，引入残余压应力实现对小孔内壁的强化，本发明解决了现有技术对直径为1-3mm小孔的强化作用有限的难题，也适合更大孔内壁的强化。

2.本发明铁磁棒下端连接变幅杆，变幅杆截面为凸轮形，在电动机的带动下具有一定的偏心转动，截面形状为凸轮形的变幅杆可以放大导波能量，增大对小孔内壁的压应力，同时也便于棒的伸入与取出。

3.磁致伸缩换能器输出的单向性。铁磁棒与传动轴通过联轴器连接，铁磁棒与传动轴中间有一定间隙，促使磁致伸缩效应产生的导波向下单向传播，避免能量损失。

4.本发明具有结构紧凑、简单，铁磁棒装卸方面等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为磁致伸缩效应强化小孔原理图。

图2为磁致伸缩执行机构内部结构图。

图3为铁磁棒导波频散曲线图。横坐标为频率，纵坐标为导波群速度。   

图4为L(0，1)模态导波位移图。 横坐标为位移值，纵坐标为铁磁棒内部位移图。

图中，1、控制器，2、调速电机，3、涡轮蜗杆，4、端盖，5、轴承，6、传动轴，7、螺栓，8线圈，9、本体，10永磁体，11上端盖，12、铁磁棒，13、下端盖，14、套筒，15、联轴器，16、线圈骨架，17、变幅杆，18、小孔，19、垫板，20、锁紧螺母，21、撞击棒

具体实施方式

本发明提供了一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法和装置，实现上述方法的强化装置由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩执行机构、变幅杆17和撞击棒21组成，磁致伸缩执行机构由一圆柱PVC材料壳作为保护壳，保护壳由上端盖11、壳体9、下端盖12组成；上端盖11下表面与壳体9上表面通过固定连接、壳体9下表面与下端盖12上表面之间通过固定连接；壳体9内部自上向下由端盖4、传动轴6、单向推力球轴承5、套筒14、联轴器13、电磁线圈8及同水平两块凹形永磁铁10、铁磁棒11组成；联轴器上表面装有套筒14，套筒14上表面装有单向推力球轴承5，单向推力球轴承5上表面装有端盖4，单向推力球轴承5可以限制传动轴向下产生位移，单向推力球轴承5上方有端盖限制轴承向上产生位移，所述电磁线圈8绕在线圈骨架16上，线圈骨架16内嵌于凹形永磁铁中，线圈骨架16和凹形永磁铁固定在下端盖12上表面；所述线圈骨架16为圆筒状，线圈骨架16、铁磁棒11与壳体9同轴，铁磁棒11从线圈骨架16中间穿过，线圈骨架16与铁磁棒11之间间隙配合，使铁磁棒转动时与线圈骨架不发生干涉；所述铁磁棒11的上端通过联轴器15与传动轴6的下端连接，铁磁棒11与传动轴6之间的接头处设有间隙；传动轴6上端穿过单向推力球轴承5、套筒14连接蜗轮蜗杆3，蜗轮蜗杆3连接步进电机2，步进电机2通过控制模块1控制，传动轴在步进电机的带动下转动；

铁磁棒11下端连接变幅杆17，用于放大导波振动位移，变幅杆17截面为凸轮形，凸轮基圆中心轴与铁磁棒11的圆形截面处中心轴同心，变幅杆的最大向径等于铁磁棒的半径，撞击棒的截面与变幅杆相同，撞击棒与变幅杆的凸轮基圆中心轴同轴且固定连接，变幅杆为L（0,1）模态导波的二分之一波长，可以放大15-20倍的振动位移。

本发明联轴器的两轴接头处有一定的间隙，保证所产生的导波沿单向传播，避免能量损失；上半联轴器表面有套筒连接，套筒上装有单向推力球轴承，单向推力球轴承可以限制连接轴向下的位移，单向推力球轴承上方有端盖限制轴承向上产生位移。

图3导波频散曲线图，可以看出当信号发生器激励频率超过160Khz时，导波会引入其他模态导波，如L(0,2)模态，其他模态导波会导致磁致伸缩机构产生的振动强度不均匀，因此在选择激励频率时要避免产生其他模态导波。

图4为L(0，1)模态导波位移图，横坐标为位移值，纵坐标为铁磁棒内部位移图，可以看到图中L(0,1)模态的径向位移大于横向位移，可利用其径向位移对孔壁进行强化。

实施例：

本实施例对2cm厚金属板件，孔径大小为2.5mm小孔进行强化，将孔内表面进行打磨处理，将信号源、功率放大器和磁致伸缩换能器接好线并将撞击棒伸入小孔内部，保证撞击棒紧贴小孔内表面，打开仪器和步进电机电源，调节信号源波形为窄带半正弦脉冲信号，频率为30k KHz 经功率放大器进行电压放大后的驱动螺线管线圈，驱动电压为1000V，控制步进电机转速为20度/秒；螺线管周围永磁体磁化后的磁场强度为18-24KA/m，方向平行于铁磁棒轴向，手动调节磁致伸缩执行器上下运动，使内表面均匀强化，强化时间为30分钟。

本发明同时可对大孔内表面进行强化。

Claims (3)

1.一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法，其特征在于，具体步骤为，

A）根据需要强化的小孔尺寸，制作相应尺寸的撞击棒和变幅杆，撞击棒和变幅杆的截面为凸轮型，变幅杆的最大向径等于铁磁棒的半径，撞击棒与变幅杆的凸轮基圆中心轴同轴且固定连接； 

B）将变幅杆安装在磁致伸缩执行机构的铁磁棒下端，铁磁棒为圆柱状，变幅杆的凸轮基圆中心轴与铁磁棒的圆形截面中心轴同心；

C）磁致伸缩执行机构将撞击棒伸入小孔内部，撞击棒的凸轮基圆中心轴与小孔的圆形截面中心轴同心；

D）利用磁致伸缩效应通过铁磁棒产生的L（0,1）模态导波振动传播至变幅杆，变幅杆将L（0,1）模态导波振动放大15—20倍后传播至撞击棒，通过撞击棒的振动撞击小孔内壁，使小孔内壁产生残余应力，提高小孔的疲劳寿命；同时铁磁棒带动变幅杆转动，使撞击棒在小孔内以5—25度/秒的角速度转动；

L(0，1)模态导波是一种轴对称导波，其周向振动位移为零，径向振动位移大于轴向振动位移，使得导波在沿轴向传播的同时具有较大的径向振动位移，

使磁致伸缩效应激励出纵向模态导波，即要满足关系式

                                                        

          （1）

 

 

为棒在笛卡尔坐标系中三个方向的位移，

为角频率， 

为时间，

为波数，z导波传播的方向，由公式（1）可知，棒只存在轴向和径向位移时，激励出的导波为纵向模态，通过调节频率

，使径向位移大于轴向位移时，即所需的纵向L（0,1）导波；当径向位移等于轴向位移时，根据电磁场理论，L（0,1）模态导波的径向位移

和磁致伸缩力

的公式为

          

                   （2）

为材料密度，

为张量积。

2. 根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法，其特征在于，所述步骤D）中磁致伸缩效应的偏置磁场强度为18-24KA/m，永磁铁磁场方向平行铁磁棒轴向方向，同时调节信号源频率在20k-160k之间，激励出所需的纵向L(0,1)模态导波。

3. 实施权利要求1所述的一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法的强化装置，其特征在于，由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩执行机构、变幅杆（17）和撞击棒（21）组成，磁致伸缩执行机构由一圆筒状PVC材料壳作为保护壳，保护壳由上端盖（11）、壳体（9）、下端盖12组成；上端盖（11）与壳体（9）上端固定连接、壳体（9）下端与下端盖（12）固定连接；壳体（9）内部自上向下由端盖（4）、传动轴（6）、单向推力球轴承（5）、套筒（14）、联轴器（13）、电磁线圈（8）及同水平两块凹形永磁铁（10）、铁磁棒（11）组成；联轴器上表面设有套筒（14），套筒（14）上表面设有单向推力球轴承（5），单向推力球轴承5上表面设有端盖（4），单向推力球轴承（5）限制传动轴向下产生位移，单向推力球轴承（5）上方有端盖限制轴承向上产生位移；，所述电磁线圈（8）绕在线圈骨架（16）上，线圈骨架（16）内嵌于凹形永磁铁中，线圈骨架（16）和凹形永磁铁固定在下端盖（12）上表面；所述线圈骨架（16）为圆筒状，线圈骨架（16）、铁磁棒(11)与壳体（9）同轴，铁磁棒(11)从线圈骨架(16)中间穿过，线圈骨架(16)与铁磁棒(11)之间间隙配合，使铁磁棒转动时与线圈骨架不发生干涉；所述铁磁棒(11)的上端通过联轴器（15）与传动轴(6)的下端连接，铁磁棒(11)与传动轴(6)之间的接头处设有间隙，传动轴(6)上端穿过单向推力球轴承（5）、套筒（14）连接蜗轮蜗杆（3），蜗轮蜗杆（3）连接步进电机（2），步进电机（2）通过控制模块（1）控制，传动轴在步进电机的带动下转动；

铁磁棒（11）下端连接变幅杆（17），变幅杆（17）截面为凸轮形，凸轮基圆中心轴与铁磁棒（11）的圆形截面处中心轴同心，变幅杆的最大向径等于铁磁棒的半径，撞击棒的截面与变幅杆相同，撞击棒与变幅杆的凸轮基圆中心轴同轴且固定连接，变幅杆为L（0,1）模态导波的二分之一波长。

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