CN107336142A - 一种电磁辅助超声喷丸的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电磁辅助超声喷丸的装置及方法，通过电磁场的施加，使弹丸处于一个电磁场和重力场的叠加场中，并通过改变电流的大小来改变电磁场强度的大小，以控制弹丸所受合力的大小和方向，从而根据工具头相对于工件的方位不同，消除重力场对弹丸的影响，克服常规弹丸式超声喷丸处理中工具头只能位于待处理工件的下方且最好是正下方的限制，工具头不仅可以位于待处理工件的下方，而且也可以位于待处理工件的上方，能够从任意方向方便灵活地实现对复杂形状工件的处理。另一方面，通过控制电磁力的大小，可以改变弹丸速度，实现对喷丸强度的调控。

Description

一种电磁辅助超声喷丸的装置及方法

技术领域

本发明属于材料加工学科的表面处理技术领域，具体涉及一种电磁辅助超声喷丸的装置及方法。

背景技术

喷丸强化是一种冷加工表面改性和成形技术，即在外力驱动下，弹丸以一定的速度撞击工件，使材料发生弹塑性变形，在金属表面形成凹坑，从而产生无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。近年来，人们给予了喷丸强化技术极大的关注，喷丸方式方法不断丰富，除传统的气动式喷丸和机械式抛丸之外，还研究开发了高压水射流喷丸、激光喷丸和超声喷丸等多种新技术。其中，超声喷丸作为一种新型的表面改性和成形技术，与传统喷丸的主要区别是利用超声振动作为能量源驱动弹丸撞击工件完成强化。由于采用超声振动作为能量源，因此该类设备与普通喷丸设备相比体积更小、耗能更少，而且处理时间短、工艺参数可控性强、适用性广，可用于不同材料、不同形状的工件的表面强化、校形或者成形。

现有技术公开了一种利用超声喷丸实现金属表面纳米化的技术，以直径小于15mm的刚性弹丸撞击金属材料的表面，平均单个弹丸顺势撞击材料表面的能量为10^-4～10³J。该技术利用振动的工具头给予弹丸速度，当弹丸与试样撞击后，弹丸会由于重力的原因回落到工具头，工具头则会再次给予弹丸速度，如此反复，实现弹丸对试样材料的多次撞击。通过机械处理使材料表面产生严重的塑性变形，使表面晶粒通过位错增殖、运动、湮灭、重排等过程细化至纳米尺寸，完成材料的表面自纳米化，从而将纳米材料的优异性能与工程金属材料相结合，给传统的金属材料赋予了特殊性能。

显然，上述技术在利用弹丸作为介质完成对材料的表面处理的过程中，为了保证超声喷丸过程的持续进行，需要具备两个基本条件：一是保证弹丸始终处于一个密闭的工作腔内；二是必须限定工具头与待处理工件的相对位置，即工具头只能位于待处理工件的下方，且最好是正下方，才能确保弹丸撞击待处理工件发生回弹，并在重力和剩余动能的作用下，弹丸回落到工具头上，于是弹丸在工具头超声振动的作用下再次加速撞向待处理工件，如此反复，实现持续的喷丸过程。

因此，现有超声喷丸设备和实验装置运行时，工具头的位置是始终朝上且是固定不变的，需要依靠工件的移动或旋转来实现其不同部位的喷丸处理，显然对大型复杂部件而言，这样的操作非常不便甚至是不可行的。

现有技术还公开了一种压电式超声冲击枪，将压电振动体与振幅杆由连接体连接后置于外壳内。外壳与振幅杆的一段设置有盖体，盖体的另一端面置有冲击头；冲击头的端部设置有3只以上的冲击针孔，冲击针孔内置有冲击针。

该技术利用撞针作为介质完成对材料的表面处理，撞针式超声喷丸在工作时无需限定工具头的位置，可以进行从不同方向实现对工件的处理。撞针式超声喷丸装置的撞针与工具头连接在一起，工作过程中与工件直接接触，因此工具头受到的反作用力很大，这会导致撞针式超声喷丸装置的寿命降低。同时，撞针的位置、形状与大小等一般是固定的，可以看作是一种特殊的单弹丸式的超声喷丸，所以处理的均匀度不高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决弹丸式超声喷丸中工具头只能位于待处理工件的下方的局限，提出了一种电磁辅助超声喷丸的装置及方法，不再需要限定工具头相对于工件的方位，从而使超声喷丸具有更好的实用价值和更广泛的适用领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种电磁辅助超声喷丸的装置，包括：超声施振模块、电磁辅助模块和工作模块；

所述工作模块包括：超声工具头、铁磁类材料的弹丸和喷丸室；所述超声工具头一端与超声变幅杆相连，超声工具头的另一端伸入喷丸室，并与喷丸室内壁保持间隙配合；所述弹丸设置在喷丸室内；所述喷丸室远离超声工具头的一端贴合被处理工件；

所述电磁辅助模块与工作模块连接，产生与弹丸重力方向相反的电磁力；所述超声施振模块与超声工具头连接，产生超声频次的振动并传递给超声工具头；

所述工作模块从上方接近被处理工件，超声工具头驱动弹丸运动，弹丸在电磁力和重力的共同作用下，不断重复撞击工件表面，完成喷丸处理；

或者所述工作模块从下方接近被处理工件，超声工具头驱动弹丸运动，弹丸在电磁力和重力的共同作用下或者仅在重力的作用下，不断重复撞击工件表面，完成喷丸处理。

当工具头和喷丸室位于被处理工件的下方时，可以不用开启电磁辅助模块，按照常规方式完成喷丸；也可以根据需要，通过电磁辅助模块调节电流强度大小，改变弹丸速度，从而控制最终超声喷丸处理的强度。

进一步地，所述电磁辅助模块包括：电磁线圈以及与其连接的控制电源；所述控制电源产生设定强度的电流，控制电磁线圈的电磁力的大小。

进一步地，所述超声施振模块包括：依次连接的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆；所述超声变幅杆与超声工具头连接。

进一步地，还包括：外壳和手持件；所述外壳一端与超声施振模块中超声振动振幅为0的位置处连接，外壳另一端与喷丸室连接，手持件固定在外壳上。所述的手持件优选为手柄，手柄通过手持或者固定在其他设备上使用。

进一步地，所述外壳与喷丸室通过螺纹连接，通过旋动螺纹，调节喷丸距离的大小。

进一步地，超声喷丸处理的强度通过调节喷丸时间、弹丸直径、工具头振幅、喷丸距离以及通过电磁线圈的电流强度进行调节。

进一步地，当被处理工件的被处理区域不平坦时，通过在喷丸室的外面套上软橡胶来实现喷丸室与被处理面的贴合。

本发明公开了一种电磁辅助超声喷丸的装置的工作方法，包括：

当工具头和喷丸室位于被处理工件的上方时，调节电磁辅助模块的控制电源的电流，调节喷丸室中弹丸所受的电磁力大小，使弹丸贴附在上方的超声工具头顶端；

将喷丸室与工件之间贴合；

超声施振模块将超声振动传递给工具头，弹丸在工具头的超声振动的驱动下，获得向下的速度，撞击工件；

弹丸消耗掉部分能量后产生回弹，在重力场和电磁场的叠加作用下，弹丸向工具头方向运动；

弹丸到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，如此反复，从而完成持续的超声喷丸处理。

本发明还公开了另外一种电磁辅助超声喷丸的装置的工作方法，包括：

当工具头和喷丸室位于被处理工件的下方时，将喷丸室与工件之间贴合；

超声施振模块将超声振动传递给工具头，弹丸在工具头的超声振动的驱动下，获得向上的速度，撞击工件；

在重力场和电磁场的叠加作用下，弹丸向下运动；

或者，仅在重力场的作用下，弹丸向下运动；

弹丸到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，如此反复，从而完成持续的超声喷丸处理。

常规的弹丸式超声喷丸是利用重力场使弹丸在撞击工件之后能够回落到超声工具头上再次加速，所以只有工具头和喷丸室位于被处理工件的下方，才能实现常规的弹丸式超声喷丸处理。而本发明突破了这一限制，当工具头和喷丸室位于被处理工件的上方时，首先，将本装置竖直向下固定好，将弹丸放入喷丸室。众所周知，电磁线圈所产生的电磁场强度与通过电磁线圈的电流成正比，随着电流的升高而升高。因此，通过调节电磁辅助模块的控制电源的电流，可以产生不同强度的电磁场。由于本发明中的弹丸是铁磁类物质，因此电磁场会对弹丸产生吸引力。此时，弹丸不仅受到向下的重力，而且受到向上的电磁吸引力。因此，当弹丸所受到的电磁力大于其重力时，弹丸就会向上运动，最终贴附在上方的超声工具头顶端。此时只要保持电流不变，即使拿起整个装置，弹丸也不会掉落。将装置放到被处理的工件上，使喷丸室与工件之间贴合。之后，开启超声发生器，弹丸在工具头的超声振动的驱动下，获得向下的速度，撞击工件，弹丸消耗掉很大一部分能量后产生回弹，在重力场和电磁场的叠加作用下，弹丸向上运动，到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，如此反复，从而完成持续的超声喷丸处理。

而超声喷丸处理的强度可以通过调节喷丸时间、弹丸直径、工具头振幅、喷丸距离(即工具头表面与工件表面之间的距离)以及通过电磁线圈的电流强度等进行调节。

另外，当工具头和喷丸室位于被处理工件的下方时，本发明虽然不用开启电磁辅助模块也可以完成喷丸，但是通过调节电流强度，可以更好地控制喷丸速度，从而控制最终超声喷丸处理的强度。

本发明有益效果：

本发明通过电磁场的施加，使弹丸处于一个电磁场和重力场的叠加场中，并通过改变电流的大小来改变电磁场强度的大小，以控制弹丸所受合力的大小和方向，从而根据工具头相对于工件的方位不同，消除重力场对弹丸的影响，克服常规弹丸式超声喷丸处理中工具头只能位于待处理工件的下方且最好是正下方的限制，工具头不仅可以位于待处理工件的下方，而且也可以位于待处理工件的上方，能够从任意方向方便灵活地实现对复杂形状工件的处理。另一方面，通过控制电磁力的大小，可以改变弹丸速度，实现对喷丸强度的调控，从而大大拓宽弹丸式超声喷丸的应用领域和范围。

说明书附图

图1是本发明的电磁辅助超声喷丸基本结构简图；

图2是本发明的电磁辅助超声喷丸原理图；

图中：1—超声发生器；2—超声换能器；3—超声变幅杆；4—外壳；5—超声工具头；6—电磁线圈；7—弹丸；8—喷丸室；9—手柄；10—电磁线圈电源(电流可调)；11—工件或试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。

本发明公开了一种电磁辅助超声喷丸的装置，如图1所示，包括：超声施振模块、电磁辅助模块和工作模块。

超声施振模块包括一个超声发生器1(超声电源)、一个超声换能器2、一个超声变幅杆3，其主要作用是产生超声频次的振动。

电磁辅助模块包括一个电磁线圈6和一个电流可调的电源10，主要作用是产生不同强度的电磁场。

工作模块包括一个超声工具头5，一些由铁磁类材料制成的弹丸7、一个喷丸室8和被处理的工件或试样11，是最终完成超声喷丸处理的部分。所述喷丸室8的一端与外壳4相连，喷丸室8的另一端贴合被处理工件11；所述工具头5 一端与超声变幅杆3相连，工具头5的另一端伸入喷丸室8，并与喷丸室8内壁保持间隙配合。所述弹丸7设置在喷丸室内8。

外壳4通过与超声变幅杆3的节点位置(此处的超声振动振幅始终为0)连接，电磁线圈6直接缠绕在外壳4上，喷丸室8与外壳4为螺纹连接，通过旋动可以调节喷丸距离的大小；

手柄9在超声变幅杆3以及工具头5的节点位置与外壳4连接，可以手持也可以固定在其他设备如机械手上。

常规的弹丸式超声喷丸是利用重力场使弹丸在撞击工件之后能够回落到超声工具头上再次加速，所以只有超声工具头5和喷丸室8位于被处理工件的下方，才能实现常规的超声喷丸处理。当超声工具头5和喷丸室8位于被处理工件的上方时，常规的弹丸式超声喷丸处理无法实现。

本发明的电磁辅助超声喷丸装置可以完成超声工具头5位于被处理工件11 的上方的处理。因此，下面主要针对当超声工具头5和喷丸室8位于被处理工件 11的上方时的超声喷丸过程的实施方式进行详细说明。

首先，将本装置在地面上竖直向下固定好，将一定数量的弹丸7放入喷丸室 8。

其次，打开电磁线圈控制电源10，众所周知，在其他条件不变的情况下，电磁线圈所产生的电磁场强度与通过线圈的电流成正比，电流越大，线圈产生的电磁场强度就越高。而且本发明中所用的弹丸为铁磁类材料，因此电磁线圈产生的磁场会对弹丸产生电磁力，如图2所示。也就是说，弹丸在喷丸室内不仅受到向下的重力mg，而且还会受到向上的电磁力F_B。通过调节电流的大小，可以调节线圈产生的电磁场的强度，从而改变弹丸所受的电磁力F_B。F_B会随着电流的增大而增大，当F_B＞mg时，弹丸就会产生向上的加速度，直到贴附在上方超声工具头5的端面。此时，保持电流不变，当工具头朝下时，弹丸也不会掉落。

再次，将本发明装置从上方接近被处理工件，保证喷丸室8与工件11之间的贴合程度，如图2所示。之后，开启超声施振模块中的超声发生器1。超声发生器1连接的是220V/50Hz的交流电，其主要功能是产生大于或等于20kHZ的超声频次的电信号，并将此电信号传递给超声换能器2。超声换能器2的主要功能是将超声频次的电信号转化成相同频率的机械振动，并把机械振动传递给超声变幅杆3，但是换能器所产生的振幅较小，一般在0.5-3μm左右。超声变幅杆3 可以在保持超声振动频率不变的情况下按照设计的一定倍数对振幅进行放大，并将振动放大后的超声振动传递给超声工具头5。超声工具头5能够继续放大超声振动的振幅，一般可以放大到20-80μm。进行超声振动的工具头会驱动弹丸7运动，使弹丸7以一定的速度撞击工件表面。其撞击速度一般在5-30m/s左右，撞击频率一般在250-1500次/秒左右。弹丸7在撞击工件后回弹，获得一个向上的速度，而且由于其所受的重力和电磁力的合力是竖直向上的，所以弹丸7会再次回到超声工具头5的端面，从而被再次加速，重新获得向下的速度，再次撞击工件的表面。如此反复，一定数量的弹丸不断重复撞击工件表面，完成喷丸处理。

超声喷丸处理的强度可以通过调节喷丸时间、喷丸直径、工具头振幅、喷丸距离(即工具头顶端与工件表面之间的距离)以及通过电磁线圈的电流强度等进行调节。

另外，当超声工具头5和喷丸室8位于被处理工件的下方时，本发明虽然不用开启电磁辅助模块也可以完成喷丸，但是通过调节电流强度，可以改变弹丸速度，从而控制最终超声喷丸处理的强度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，包括：超声施振模块、电磁辅助模块和工作模块；

所述工作模块包括：超声工具头、铁磁类材料的弹丸和喷丸室；所述超声工具头一端与超声变幅杆相连，超声工具头的另一端伸入喷丸室，并与喷丸室内壁保持间隙配合；所述弹丸设置在喷丸室内；所述喷丸室远离超声工具头的一端贴合被处理工件；

所述电磁辅助模块与工作模块连接，产生与弹丸重力方向相反的电磁力；所述超声施振模块与超声工具头连接，产生超声频次的振动并传递给超声工具头；

所述工作模块从上方接近被处理工件，超声工具头驱动弹丸运动，弹丸在电磁力和重力的共同作用下，不断重复撞击工件表面，完成喷丸处理；

或者所述工作模块从下方接近被处理工件，超声工具头驱动弹丸运动，弹丸在电磁力和重力的共同作用下或者仅在重力的作用下，不断重复撞击工件表面，完成喷丸处理。

2.如权利要求1所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，所述电磁辅助模块包括：电磁线圈以及与其连接的控制电源；所述控制电源产生设定强度的电流，控制电磁线圈的电磁力的大小。

3.如权利要求1所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，所述超声施振模块包括：依次连接的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆；所述超声变幅杆与超声工具头连接。

4.如权利要求1所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，还包括：外壳和手持件；所述外壳一端与超声施振模块中超声振动振幅为0的位置处连接，外壳另一端与喷丸室连接，手持件固定在外壳上。

5.如权利要求4所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，所述外壳与喷丸室通过螺纹连接，通过旋动螺纹，调节喷丸距离的大小。

6.如权利要求1所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，超声喷丸处理的强度通过调节喷丸时间、弹丸直径、工具头振幅、喷丸距离以及通过电磁线圈的电流强度进行调节。

7.如权利要求1所述的一种电磁辅助超声喷丸的装置，其特征是，当被处理工件的被处理区域不平坦时，通过在喷丸室的外面套上软橡胶来实现喷丸室与被处理面的贴合。

8.一种如权利要求1所述的电磁辅助超声喷丸的装置的工作方法，其特征在于，包括：

当工具头和喷丸室位于被处理工件的上方时，调节电磁辅助模块的控制电源的电流，调节喷丸室中弹丸所受的电磁力大小，使弹丸贴附在上方的超声工具头顶端；

将喷丸室与工件之间贴合；

超声施振模块将超声振动传递给工具头，弹丸在工具头的超声振动的驱动下，获得向下的速度，撞击工件；

弹丸消耗掉部分能量后产生回弹，在重力场和电磁场的叠加作用下，弹丸向工具头方向运动；

弹丸到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，如此反复，从而完成持续的超声喷丸处理。

9.一种如权利要求1所述的电磁辅助超声喷丸的装置的工作方法，其特征在于，包括：

当工具头和喷丸室位于被处理工件的下方时，将喷丸室与工件之间贴合；

超声施振模块将超声振动传递给工具头，弹丸在工具头的超声振动的驱动下，获得向上的速度，撞击工件；

在重力场和电磁场的叠加作用下，弹丸向下运动；

或者，仅在重力场的作用下，弹丸向下运动；

弹丸到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，如此反复，从而完成持续的超声喷丸处理。