CN103710494B - 一种基于超声波的小孔强化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供了一种基于超声波的小孔处理方法和装置，属于零件表面强化领域。本发明以压电陶瓷柱（1）为振动部件，进行极化后连接超声波发生器（6），置于小孔内部适当位置，通过压电陶瓷柱（1）的旋转和径向运动撞击小孔（7）内壁，对小孔进行珩磨和强化。本发明利用压电陶瓷柱的旋转和径向振动位移撞击小孔内壁，对小孔表面进行珩磨，降低表面粗糙度，并使孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，对小孔内壁进行强化，解决了小孔的光整加工和强化问题，特别是解决了对直径为2mm-5mm小孔的强化的难题。

Description

一种基于超声波的小孔强化方法及装置

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2mm-5mm小孔，特别适用于应力集中严重的小孔的内表面光整加工和强化。

背景技术

在航空航天等领域的机械结构中,孔在机械连接机构中占有重要地位，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和光整加工工艺，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。

费希尔厂有限责任两合公司的专利CN101568394A中描述了一种用于超声波钻孔的超声波-振动变换器，该装置利用超声波-振动的原理，通过设计一种空心形状实现了较高的振动放大，利用可更换的芯部与其他工具连接实现钻孔。陈元平的专利CN201543855U设计了一种大功率超声波钻孔设备，该设备是利用超声波的纵向振动实现钻孔。

专利CN1915592A叙述了一种用于轴类零件的高效超声波光整设备及加工方法，其实施方法是一台每分钟产生20-30万Hz高频率的超声波发生仪和与之相联结的磨头组成高效超声波表面光整设备，安装在车床的车刀架上进行工作。

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。

极化方法是利用极化材料在被极化后外加声场产生振动这一特性，实现声能转化为机械能，但是，目前尚无有关利用极化方法激励超声波产生径向位移实现小孔强化的报道。

发明内容

本发明目的是要提供一种小孔内壁处理方法和装置，具体的说是针对直径为2mm-5mm的小孔，采用PZT压电陶瓷进行极化后成型，通过将压电陶瓷柱深入到小孔合适位置，并给压电陶瓷柱激励超声波，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击小孔内壁，通过旋转振动对小孔内壁进行珩磨，降低粗糙度，实现光整加工，同时使孔壁引入残余应力实现强化效果。

本发明实施方法具体为：对压电陶瓷柱进行极化；超声波发生器激励窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，检测频率为2OKHz～60KHz，压电陶瓷柱极化后激励超声波产生5-10um的振幅对小孔进行撞击，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使小孔得到强化

压电陶瓷柱上下两端涂有银层，并且侧面开有占棒长2/3的一槽填充导电胶将负极引到侧面，连接超声波发生器负极，另一端连接超声波发生器正极，负极端倒椭圆角。

保护套应是由具有振动能力强，高硬度和耐反复冲击性强等优点的材料制成，保护套可以防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂；保护套开有一条缝隙，装配时与压电陶瓷柱的槽在同一位置，方便负极的引出，并且可以防止保护套与负极接通，影响振动效果，保护套与压电陶瓷柱之间用胶粘的方式固定。

保护套工作面做成椭圆形，将径向振动能量集中在一点，对小孔表面进行珩磨和强化。

实现本发明方法的装置包括振动装置和夹持装置，其中振动装置由压电陶瓷柱，保护套、胶水、导电胶、电缆线、超声波发生器组成；通过超声波发生器通过电缆线连接极化后的压电陶瓷柱产生振动，撞击小孔内壁，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使小孔得到强化。夹持装置由T形套、螺栓、固定板、定位销和旋转轴组成；T形套、螺栓、固定板、定位销和旋转轴将压电陶瓷柱固定在一定位置，T形套与压电陶瓷柱之间为胶粘连接，与旋转轴水平和垂直方向1mm-2mm间隙，T形套随压电陶瓷柱一起径向运动；固定板与旋转轴之间通过螺栓连接，固定板和T形套之间用定位销进行位置固定，T形套上加工有两端为圆形的长槽，槽边与定位销进行固定，同时不影响T形套的左右运动，通过定位销整个装置可以跟随转动轴进行旋转运动；旋转轴通过与其他设备连接可以实现旋转和上下移动等工作。

本发明的方法和装置可以实现的有益效果有：

1.本设计方法利用极化后的压电陶瓷柱激励超声波产生径向振动，在旋转振动过程中，对小孔内壁进行光整加工，降低表面粗糙度，实现光整加工。

2.本设计方法利用极化后的压电陶瓷柱激励超声波产生径向位移撞击小孔内壁。控制频率实现激励出径向振动的波，将压电陶瓷柱紧贴小孔内壁可以实现对小孔内壁的强化。

3.本发明使用了保护套，该保护套不仅可以增强振动效果，对孔壁进行撞击和珩磨，还可以保护压电陶瓷柱不易产生脆断。

4.超声波发生器的正极通过电缆线连接压电陶瓷柱一端，从另一端通过导电胶将负极接点引到侧面，正负极之间距离适当加大以减小相互干扰。

5.振动部分具有结构简单，性能稳定，沿半径方向具有均匀的指向性和较高的灵敏度等特点。

6.本发明装置具有结构紧凑、简单，压电陶瓷柱装卸方面等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为压电陶瓷柱工作原理图。

图2为A—A剖面图。

图3为整个装置工作图。

图4为压电陶瓷柱结构图。

图5为保护套结构图。

图6为压电陶瓷柱和保护套装配图。

图中，压电陶瓷柱（1），保护套（2）、胶水（3）、导电胶（4）、电缆线（5）、超声波发生器（6）、小孔（7）、T形套（8）、螺栓（9）、固定板（10）、定位销（11）和旋转轴（12）。

具体实施方式

本发明提供了一种基于超声波的小孔内壁处理方法和装置，它由振动装置和夹持装置组成，其中振动装置由压电陶瓷柱1，保护套2、胶水3、导电胶4、电缆线5和超声波发生器6组成；夹持装置由T形套8、螺栓9、固定板10、定位销11和旋转轴12组成。

下面结合附图1所示装置详细地说明本发明的实施过程。压电陶瓷柱1材料选用PZT系压电陶瓷，压电陶瓷首先要经过极化。所谓极化就是在压电陶瓷上加一强直流电场使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。极化前，压电陶瓷柱各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化方向为零，极化后，迫使其电畴转向，使其自发极化做定向排列。极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃，极化时间为10-60min，采用空气极化法。超声波发生器为THD任意系列，用于激励窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，检测频率为2OKHz～60KHz；将PZT压电陶瓷极化后磨成圆柱体，两端均涂有银层，一端倒椭圆角，然后从倒圆角一端到侧面开一槽，距另一端1/3处，槽内填充导电胶连接电缆线后与超声波发生器连接。另一端面连接超声波发生器正极，然后放入保护套2中，压电陶瓷柱较脆，保护套可以防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂，保护套由POM材料并且添加碳纤维制成，该材料具有强度刚度高（与金属十分接近）、减磨耐磨性好，添加碳纤维可以增加其振动性能2-3倍。保护套留有缝隙，安装时与压电陶瓷柱槽位置一致，方便连接负极电缆线的引出，工作面为椭圆形，将振动能量集中，对小孔壁进行光整加工和强化。

下面结合附图3所示装置详细地说明本发明夹持装置的实施过程。T形套8与保护套2之间为胶粘连接，固定板10与旋转轴11之间用螺栓9固定，T形套8竖直部分厚度约为1.5mm，水平部分约为1mm，水平与垂直方向与旋转轴之间的缝隙约为0.5mm-1mm。T形套与固定板之间用定位销11固定，当超声波发生器开始工作时，压电陶瓷柱产生径向振动撞击小孔内壁，从而产生残余应力进行强化。旋转轴可以连接其它装置进行旋转或上下移动，通过旋转轴的转动，对小孔内壁进行珩磨，降低表面粗糙度，进行光整加工。

极化后的陶瓷材料激励超声波会产生径向振动，通过调节超声波发生器频率，激励频率范围为20KHz-160KHz，获取最大径向振动，振幅可达到5-10um，将压电陶瓷柱工作位置的振动位移撞击小孔内壁，引入残余应力起到强化的效果。

Claims (5)

1.一种基于超声波的小孔处理方法，其特征在于：采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，激励超声波产生振动对小孔内壁进行珩磨和强化，降低表面粗糙度和引入残余应力；其具体步骤为：对压电陶瓷柱（1）进行极化；超声波发生器（6）激励窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，激励频率为20KHz～60KHz，压电陶瓷柱极化后激励超声波产生5-10μm的振幅对小孔进行撞击，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使小孔得到强化；所述压电陶瓷柱（1）极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃，极化时间为10-60min，采用空气极化法；

将压电陶瓷极化后磨成圆柱体，两端均涂有银层，一端倒椭圆角，然后从倒圆角一端到侧面开一槽，距另一端1/3处，槽内填充导电胶连接电缆线后与超声波发生器连接，另一端面连接超声波发生器正极，然后放入保护套2中，保护套由POM材料并且添加碳纤维制成，保护套留有缝隙，安装时与压电陶瓷柱槽位置一致，方便连接负极电缆线的引出，工作面为椭圆形，将振动能量集中，对小孔壁进行光整加工和强化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压电陶瓷柱（1）同时作旋转和上下运动。

3.实施权利要求1所述的一种基于超声波的小孔处理方法的装置，其特征在于，由压电陶瓷柱（1），保护套（2）、胶水（3）、导电胶（4）、电缆线（5）、超声波发生器（6）组成；所述压电陶瓷柱（1）极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃，极化时间为10-60min，采用空气极化法，压电陶瓷柱（1）为圆柱体，上下两端涂有银层，圆柱一端形状设为倒椭圆角，压电陶瓷柱（1）侧面沿径向开一槽，该槽从倒圆角一端起至距另一端1/3处，并在槽内填充导电胶（4），导电胶（4）处于倒圆角的一端通过电缆线（5）连接超声波发生器（6）的负极，另一端通过电缆线（5）连接超声波发生器（6）正极；所述压电陶瓷柱（1）外设有保护套（2），并通过胶水（3）固定，保护套（2）设有缝隙，与压电陶瓷柱（1）上的槽的位置一致；所述保护套（2）位于压电陶瓷柱（1）倒椭圆角的一端为工作面，做成半椭球形；所述保护套由POM材料并且添加碳纤维制成。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括夹持装置，所述夹持装置由T形套（8）、螺栓（9）、固定板（10）、定位销（11）和旋转轴（12）组成；T形套（8）与压电陶瓷柱（1）之间为胶粘连接，T形套（8）与旋转轴（12）水平和垂直方向均设有0.5mm-1mm间隙，固定板（10）与旋转轴（12）之间通过螺栓（9）连接，固定板（10）与T形套（8）之间用定位销（11）进行固定，T形套（8）上加工有两端为圆形的长槽，槽边与定位销进行固定；旋转轴（12）连接驱动设备实现旋转和上下移动工作。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷柱（1）为PZT系压电陶瓷。