CN107630128B - 一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置及方法，所述超声喷丸强化装置包括：阶梯状超声振动设备阵列、喷丸腔室和工作台，超声振动设备阵列由多个超声振动设备排列组成，多个超声振动设备的振动头排列成阶梯状安装至振动头装夹装置上，振动头的高度从中间到两侧依次升高，喷丸腔室安装在所述工作台上，多个超声振动设备的振动头可移动穿过工作台底部并伸入喷丸腔室中。本申请采用多个超声振动设备的振动头组成阵列的方式实现了对较大表面的一次性超声喷丸强化；设计了盒状喷丸腔室，并且喷丸腔室的底部设计成漏斗状，有效解决了大面积超声喷丸过程中弹丸的回收问题；还可以有效提高大型风扇叶片超声喷丸强化的效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面喷丸技术领域，具体涉及一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置及方法。
背景技术
喷丸是一种简单、有效提高金属材料性能的表面处理方法，它是利用高速弹丸连续撞击材料表面，使其表层组织发生循环硬化形成具有一定深度的加工硬化层和残余压应力场，能有效提高零部件的疲劳性能与应力腐蚀能力。在航空发动机制造领域，喷丸技术广泛应用于盘轴类、叶片类等金属零件的表面强化处理中，大大改善了零件的疲劳寿命。
目前，传统的喷丸工艺有叶轮式和气动式两类：前者是利用高速旋转的叶轮产生离心力为弹丸提供动力；而后者则主要是通过压缩空气来喷射弹丸冲击零件表面。这两种喷丸也有一定的缺点，比如，这两种喷丸的冲击能量大，降低材料表面粗糙度，影响零件的寿命。随着技术的发展，工程人员开发了新的喷丸强化方法，比如超声喷丸强化。
与传统喷丸驱动弹丸的方式不同，超声喷丸是利用超声振动表面将弹丸加速。与传统喷丸相比，超声喷丸有诸多优点，比如：超声喷丸强化工件的表面粗糙度好，工艺参数易控制等。因此世界各大航空发动机制造商，很早就着手研究该技术在航空发动机零件制造中的应用。
涡轮风扇发动机的风扇叶片，在发动机运转过程中承受高周疲劳载荷，喷丸强化工艺可以提高风扇叶片的疲劳寿命。目前，风扇叶片的强化一般采用传统的喷丸方式，但是传统喷丸的弹丸的初始速度较大，一般在100m/s，弹丸高速冲击零件表面会产生相对较深的凹坑，此外传统喷丸的弹丸使用量大，在高速冲击下弹丸的破碎难免发生，破碎的弹丸表面容易擦伤风扇叶片表面，因此经传统喷丸后的零件表面粗糙度较大，影响零件的疲劳寿命；此外传统喷丸设备体积巨大，工作现场有噪声和粉尘污染，且能耗较高。
超声喷丸可以克服以上问题，可以使用较小的设备，较低的能耗获得更好的强化效果。但是超声喷丸在风扇叶片上的使用也存在一定的问题：受到超声换能器功率的限制，超声喷丸的单个振动头所能强化的零件表面有限，而风扇叶片面积较大，单个振动头需要多次喷丸才能完全覆盖，效率较低；而且由于风扇叶片为复杂的曲面形状，单个振动头对不同区域进行喷丸时需要使用不同的喷丸腔室与叶片的底面配合，因此制作喷丸腔室的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置及方法，用以解决现有超声喷丸效率低不能在大面积的振动腔室内一次性完成对风扇叶片表面的超声喷丸强化的问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述超声喷丸强化装置包括：阶梯状超声振动设备阵列、喷丸腔室和工作台，所述超声振动设备阵列由多个超声振动设备排列组成，多个超声振动设备的振动头排列成阶梯状安装至振动头装夹装置上，所述振动头的高度从中间到两侧依次升高，所述喷丸腔室安装在所述工作台上，多个超声振动设备的振动头可移动穿过工作台底部并伸入喷丸腔室中。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述超声喷丸强化装置还包括机械动力装置，所述机械动力装置具有第一机械手臂和第二机械手臂，所述第一机械手臂用来夹持振动头装夹装置移动，所述第二机械手臂用来夹持被强化零件放入喷丸腔室。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述喷丸腔室外部为长方形盒体，所述喷丸腔室上面盖有上封盖。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述喷丸腔室底部呈漏斗状，漏斗状的喷丸腔室底部设置有多个振动头安装孔，多个振动头安装孔在漏斗状的喷丸腔室底部呈阶梯阵列式分布，多个振动头安装孔的上开口的高度从中间到两侧依次升高，所述工作台上设置有多个开孔，所述多个开孔和所述多个振动头安装孔的位置在竖直方向上相对应，多个超声振动设备的振动头分别可移动穿过工作台底部的多个开孔并安装至多个振动头安装孔中。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述振动头安装孔和所述开孔的横截面为长方形，所述开孔的横截面面积小于所述振动头安装孔的横截面面积。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述超声振动设备包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆和振动头，所述超声波发生器、所述超声换能器、所述变幅杆和所述振动头依次连接。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述超声波发生器用于产生高频电信号，所述超声换能器用于将高频电信号转换成机械振动，所述变幅杆用于将机械振动放大并传递给所述振动头。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，所述超声振动设备的振动头上放置有预定数量的弹丸，所述弹丸受到振动头上表面高频振动的激励在喷丸腔室内高速运动撞击被强化零件的下表面，使被强化零件下表面产生冲击强化的效果。
本发明还公开了一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化方法，所述超声喷丸强化方法包括：将多个超声振动设备的振动头排列成阶梯状安装至振动头装夹装置上，排列组成阶梯状超声振动设备阵列，所述振动头的高度从中间到两侧依次升高；将喷丸腔室固定到工作台上，使喷丸腔室底部多个振动头安装孔分别与工作台上的多个开孔一一对应；用机械动力装置的第一机械手臂夹持振动头装夹装置，使超声振动设备阵列的多个超声振动设备的振动头移动到工作台底部，通过多个开孔和多个振动头安装孔插入至喷丸腔室中，其中，每个振动头与振动头安装孔之间的间隙小于所用弹丸的直径；每个振动头上放置预定数量的弹丸；用机械动力装置的第二机械手臂夹持风扇叶片放入喷丸腔室中并盖上上封盖，风扇叶片的其中一个表面朝下；打开多个超声振动设备的超声发生器对被风扇叶片朝下的表面实施喷丸强化；达到工艺参数规定的时间完成单面喷丸后，关闭多个超声振动设备的超声发生器，打开喷丸腔室上封盖，机械动力装置的第二机械手臂夹持夹持风扇叶片向上移出喷丸腔室，翻转180°，使风扇叶片的另一表面朝下，重新装入喷丸腔室进行喷丸强化。
本发明公开的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化方法，所述喷丸强化过程中，每个超声振动设备的振动头振动时均形成一个激励弹丸运动所覆盖的扇形区域，其中，中间振动头的激励弹丸运动所覆盖的扇形区域到达两侧振动头的上方，中间振动头上表面的弹丸经过中间振动头激励加速后到达两侧振动头的上表面，再经两侧振动头激励后加速撞击风扇叶片下表面。
本发明具有如下优点：
对风扇叶片的表面强化，目前仍以气压式喷丸工艺方法为主，与传统的气压式喷丸工艺相比，本申请采用多个超声振动设备的振动头组成阵列的方式实现了对较大表面的一次性超声喷丸强化；设计了盒状喷丸腔室，并且喷丸腔室的底部设计成漏斗状，有效解决了大面积超声喷丸过程中弹丸的回收问题；还可以有效提高大型风扇叶片超声喷丸强化的效率。
附图说明
图1为本发明公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置的结构示意图。
图2为本发明公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置的超声振动设备的结构示意图。
图3为本发明公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置的喷丸腔室的一个结构示意图。
图4为本发明公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置的喷丸腔室的另一个结构示意图。
图5为本发明公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化方法的喷丸强化过程中振动头上方形成的激励弹丸运动所覆盖的扇形区域的示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图1和图2，本实施例中公开的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置包括：阶梯状超声振动设备阵列01、喷丸腔室02和工作台03，阶梯状超声振动设备阵列01由三个超声振动设备04排列组成，三个超声振动设备04的振动头05排列成阶梯状安装至振动头装夹装置06上，振动头05的高度从中间到两侧依次升高，喷丸腔室02安装在工作台03上，喷丸腔室02用来容纳风扇叶片07，风扇叶片07为具有大型金属平面结构的零件，风扇叶片07长度在300mm到800mm之间，三个超声振动设备04的振动头05可移动穿过工作台03底部并伸入喷丸腔室02中，喷丸腔室02底部和工作台03上分别设置有三个振动头安装孔16和三个开孔(图中未示出)，三个振动头安装孔16和三个开孔的位置在竖直方向上相对应，三个超声振动设备04的振动头05分别可移动穿过工作台02底部的三个开孔并安装至三个振动头安装孔中，每个超声振动设备04包括超声波发生器08、超声换能器09、变幅杆10和振动头05，超声波发生器08、超声换能器09、变幅杆10和振动头05依次连接。其中，超声波发生器08用于产生高频电信号，超声换能器09用于将高频电信号转换成机械振动，变幅杆10用于将机械振动放大并传递给振动头05，如图5所示，超声振动设备04的振动头05上放置有预定数量的弹丸11，弹丸11受到振动头05上表面高频振动的激励在喷丸腔室02内高速运动撞击风扇叶片07的下表面，使风扇叶片07下表面产生冲击强化的效果。
进一步地，超声喷丸强化装置还包括机械动力装置，机械动力装置具有第一机械手臂12和第二机械手臂13，如图1所示，图中未示出机械动力装置，但是示出了机械动力装置的第一机械手臂12和第二机械手臂13，第一机械手臂12用来夹持振动头装夹装置06移动，第二机械手臂13用来夹持风扇叶片07放入喷丸腔室02。
参考图3和图4，上述喷丸腔室02外部为长方形盒体，喷丸腔室02上面盖有上封盖14，起到封闭整个喷丸腔室防止弹丸弹出的作用，喷丸腔02底部呈漏斗状，漏斗状的喷丸腔室底部15设置有三个振动头安装孔16，三个振动头安装孔16在漏斗状的喷丸腔室底部15呈阶梯阵列式分布，三个振动头安装孔16的上开口的高度从中间到两侧依次升高，工作台03上设置有三个开孔(图中未示出)。振动头安装孔15和开孔的横截面为长方形，开孔的横截面面积小于振动头安装孔15的横截面面积。
参考图1，一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化方法包括：将三个超声振动设备04的振动头05排列成阶梯状安装在振动头装夹装置06上，排列组成阶梯状超声振动设备阵列01，振动头05的高度从中间到两侧依次升高；将喷丸腔室02固定到工作台03上，使喷丸腔室02底部三个振动头安装孔分别与工作台03上的三个开孔一一对应；用机械动力装置的第一机械手臂12夹持振动头装夹装置06，使阶梯状超声振动设备阵列01的三个超声振动设备04的振动头05移动到工作台03底部，通过三个开孔和三个振动头安装孔插入至喷丸腔室02中，其中，每个振动头与振动头安装孔之间的间隙小于所用弹丸的直径；每个振动头05上放置预定数量的弹丸11；用机械动力装置的第二机械手臂13夹持风扇叶片07放入喷丸腔室02中并盖上上封盖14，风扇叶片07的其中一个表面朝下；打开三个超声振动设备04的超声发生器08对风扇叶片07朝下的表面实施喷丸强化；达到工艺参数规定的时间完成单面喷丸后，关闭三个超声振动设备04的超声发生器08，打开喷丸腔室02上封盖14，机械动力装置的第二机械手臂13夹持夹持风扇叶片07向上移出喷丸腔室02，翻转180°，使风扇叶片07的另一表面朝下，重新装入喷丸腔室02进行喷丸强化。
参考图5，上述喷丸强化过程中，三个超声振动设备04的振动头05振动时分别形成一个激励弹丸运动所覆盖的扇形区域Sa、Sb和Sc，其中，中间振动头的激励弹丸运动所覆盖的扇形区域Sb到达两侧振动头的上方，中间振动头上表面的弹丸经过中间振动头激励加速后到达两侧振动头的上表面，再经两侧振动头激励后加速撞击风扇叶片下表面，这样，可使弹丸冲击的范围扩大，扩大有效喷丸面积。
本实施例中采用三个超声振动设备组成了阶梯状超声振动设备阵列，用于对大面积风扇叶片的强化处理，在实际应用中可根据被强化零件的面积大小，适当增加振动发生设备的数量。组成的阶梯状超声振动设备阵列安装至振动头装夹装置，由机械动力装置的第二机械手臂控制整个阶梯状超声振动设备阵列的移动。漏斗状的喷丸腔室底部主要是为了依靠重力回收被弹出的弹丸，使弹丸重新落到振动头上再次被激励弹起。阶梯状超声振动设备阵列的作用是中间最低位置的振动头所激励弹起的弹丸，可以到达两侧高位置振动头上，为两侧高位置振动头提供弹丸。
本实施例中所提出的上述一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化方法可以：1、减小强化后叶片的表面粗糙度。由于涡扇发动机在运行中高速转动，风扇叶片需要承受高周疲劳载荷，减小叶片的表面粗糙度，提高表面完整性，能够有效延缓表面疲劳裂纹的萌生，提高叶片的疲劳寿命；2、减少弹丸的使用量。超声喷丸强化使用的弹丸数量少，可以通过精选质量高的弹丸，减少喷丸过程中弹丸破裂或表面缺损造成风扇叶片的表面损伤；3、提高喷丸效率，降低能耗，减少环境粉尘污染。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述超声喷丸强化装置包括：阶梯状超声振动设备阵列、喷丸腔室和工作台，所述超声振动设备阵列由多个超声振动设备排列组成，多个超声振动设备的振动头排列成阶梯状安装至振动头装夹装置上，所述振动头的高度从中间到两侧依次升高，所述喷丸腔室安装在所述工作台上，多个超声振动设备的振动头可移动穿过工作台底部并伸入喷丸腔室中，其中，所述喷丸腔室底部呈漏斗状，漏斗状的喷丸腔室底部设置有多个振动头安装孔，多个振动头安装孔在漏斗状的喷丸腔室底部呈阶梯阵列式分布，多个振动头安装孔的上开口的高度从中间到两侧依次升高，所述喷丸强化过程中，每个超声振动设备的振动头振动时均形成一个激励弹丸运动所覆盖的扇形区域，其中，中间振动头的激励弹丸运动所覆盖的扇形区域到达两侧振动头的上方，中间振动头上表面的弹丸经过中间振动头激励加速后到达两侧振动头的上表面，再经两侧振动头激励后加速撞击风扇叶片下表面。
2.如权利要求1所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述超声喷丸强化装置还包括机械动力装置，所述机械动力装置具有第一机械手臂和第二机械手臂，所述第一机械手臂用来夹持振动头装夹装置移动，所述第二机械手臂用来夹持被强化零件放入喷丸腔室。
3.如权利要求1所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述喷丸腔室外部为长方形盒体，所述喷丸腔室上面盖有上封盖。
4.如权利要求1所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述工作台上设置有多个开孔，所述多个开孔和所述多个振动头安装孔的位置在竖直方向上相对应，多个超声振动设备的振动头分别可移动穿过工作台底部的多个开孔并安装至多个振动头安装孔中。
5.如权利要求4所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述振动头安装孔和所述开孔的横截面为长方形，所述开孔的横截面面积小于所述振动头安装孔的横截面面积。
6.如权利要求1所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述超声振动设备包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆和振动头，所述超声波发生器、所述超声换能器、所述变幅杆和所述振动头依次连接。
7.如权利要求6所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述超声波发生器用于产生高频电信号，所述超声换能器用于将高频电信号转换成机械振动，所述变幅杆用于将机械振动放大并传递给所述振动头。
8.如权利要求6所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置，其特征在于，所述超声振动设备的振动头上放置有预定数量的弹丸，所述弹丸受到振动头上表面高频振动的激励在喷丸腔室内高速运动撞击被强化零件的下表面，使被强化零件下表面产生冲击强化的效果。
9.用权利要求1至8任一项所述的一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置对风扇叶片进行阶梯阵列式超声喷丸强化的方法，其特征在于，所述方法包括：
将多个超声振动设备的振动头排列成阶梯状安装至振动头装夹装置上，排列组成阶梯状超声振动设备阵列，所述振动头的高度从中间到两侧依次升高；
将喷丸腔室固定到工作台上，使喷丸腔室底部多个振动头安装孔分别与工作台上的多个开孔一一对应；
用机械动力装置的第一机械手臂夹持振动头装夹装置，使超声振动设备阵列的多个超声振动设备的振动头移动到工作台底部，通过多个开孔和多个振动头安装孔插入至喷丸腔室中，其中，每个振动头与振动头安装孔之间的间隙小于所用弹丸的直径；
每个振动头上放置预定数量的弹丸；
用机械动力装置的第二机械手臂夹持风扇叶片放入喷丸腔室中并盖上上封盖，风扇叶片的其中一个表面朝下；
打开多个超声振动设备的超声发生器对被风扇叶片朝下的表面实施喷丸强化；
达到工艺参数规定的时间完成单面喷丸后，关闭多个超声振动设备的超声发生器，打开喷丸腔室上封盖，机械动力装置的第二机械手臂夹持夹持风扇叶片向上移出喷丸腔室，翻转180°，使风扇叶片的另一表面朝下，重新装入喷丸腔室进行喷丸强化；
其中，所述喷丸腔室底部呈漏斗状，漏斗状的喷丸腔室底部设置有多个振动头安装孔，多个振动头安装孔在漏斗状的喷丸腔室底部呈阶梯阵列式分布，多个振动头安装孔的上开口的高度从中间到两侧依次升高，所述喷丸强化过程中，每个超声振动设备的振动头振动时均形成一个激励弹丸运动所覆盖的扇形区域，其中，中间振动头的激励弹丸运动所覆盖的扇形区域到达两侧振动头的上方，中间振动头上表面的弹丸经过中间振动头激励加速后到达两侧振动头的上表面，再经两侧振动头激励后加速撞击风扇叶片下表面。
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