CN107739798A - 一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法，它解决了现有技术中超声振动能量发挥受限、喷丸处理应用对象受限的问题，实现了零件表面材料变形过程中的超声波能量输入的有益效果，其方案如下：一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，包括工作台，用于支撑零件；固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体，并约束丸体的周向运动；工具头，活动设于固定套筒内；超声振动机构，与工具头接触；气缸，气缸内活塞与超声振动机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面。

Description

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法

技术领域

本发明涉及表面强化装置，特别是涉及一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法。

背景技术

零件失效多源于表面或亚表面存在的孔隙和微裂纹等缺陷。在零件制造(包括冷加工和热加工)过程中，由于工艺路径或工艺用量不合理、工件材料内部组织不均匀等因素，易于在零件表面或亚表面形成残余拉应力或微观缺陷，在工作载荷下诱发裂纹成核扩展并最终导致零件失效。其中疲劳断裂是零件失效的主要模式，据统计，汽车、船舶等零部件中疲劳断裂导致的零件失效所占比例达40-50％，而航空航天领域等关键零部件中疲劳断裂导致的零件失效所占比例高达90％。对于承受交变载荷的主要承力构件，如航空发动机中的涡轮盘、风扇及涡轮叶片等，随时可能因表面加工缺陷发生疲劳断裂失效。由此可见，从制造工艺出发保障零件表面的少无缺陷加工，是提高零件和装备疲劳寿命并保证其工作性能的重要手段。

近年来，用于提高零件及材料表面疲劳强度的工艺方法包括机械处理工艺、化学处理工艺、淬火处理工艺、激光处理工艺、复合强化工艺等。强化处理的目的是使零件表面的残余拉应力释放并形成残余压应力层，同时细化零件表层组织，提高表层材料力学性能和疲劳强度。

喷丸处理属于零件表面强化工艺中的机械处理工艺，相比于普通喷丸，超声喷丸具有效率高、材料强化程度高以及可处理材料类型广泛等优点。现有超声喷丸技术是利用高能量密度的超声波转化为丸体动能，经过丸体多次撞击材料表面实现表面改性的目的。但现有常用超声喷丸装置中超声振动产生的能量仅用于提供丸体运动的动能，丸体在撞击零件表面使材料发生塑性变形的过程中超声波能量并未发生作用，不能完全发挥超声波的高能量密度优势，从而改性过程时间长，效率低，材料使用寿命仍然受到制约。此外，现有超声喷丸装置为使丸体撞击零件表面后利用重力作用回到初始位置，其结构均设计为倒置式，操作使用不方便，无法处理大型结构件的正置表面或处理难度大；而且所处理零件局限于平面结构，对于复杂曲面零件的强化处理难度较大，应用范围受到制约。

现有超声喷丸装置设计和使用的局限性主要来源于两方面，即原理认识的局限性和不合理的结构设计，前者使人们误将驱动丸体运动的超声振动动力源理解为被处理材料在超声振动作用下发生塑性变形和强化，但却并没有充分利用超声波能量，而后者使得现有喷丸装置的应用范围和操作方式受到较多的限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，该装置能够应用于平面和复杂曲面零件的表面改性和强化处理，并且实现丸体与零件表面撞击过程中的超声波能量持续输入。

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置的具体方案如下：

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，包括：

工作台，用于支撑零件；

固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体，并约束丸体的周向运动；

工具头，活动设于固定套筒内；

超声振动机构，与工具头接触；

气缸，气缸内活塞与超声振动机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面。

该装置通过气缸对超声振动机构以及丸体持续施加作用力，超声振动机构不仅为丸体的运动提供动力，而且实现丸体与零件表面撞击过程中的超声波能量的持续输入，由此进一步发挥超声波在表面强化处理时的高密度能量优势，实现了零件表面材料变形过程中的超声波能量输入，提高表面强化处理效率，使零件表面残余应力分布更加均匀，形成的表面压应力层深度更大，有利于提高零件的疲劳强度并延长零件的疲劳寿命。此外，在该装置基础上，可以通过改变机构工作参数和丸体类型后在零件表面加工微织构，将该装置推广应用于功能表面制造。

进一步地，所述超声振动机构包括与工具头端部接触或连接的超声波变幅杆与超声波换能器，超声波换能器设于气缸与超声波变幅杆之间，超声波换能器与超声波发生器连接。

超声波换能器的作用是将高频电振荡信号转化为机械振动，本发明采用压电晶体换能器，其谐振频率为30kHz(根据需求可更换不同谐振频率的超声波换能器和变幅杆、工具头等组件)，最大输入功率4kW，压电换能器的主要优点包括电声转换效率高、振幅大、功率大、耐热性好、使用寿命长等优点。变幅杆7的功能是将超声波换能器的机械振动振幅进行放大，压电换能器在电声转换后的振幅较小，即使在共振条件下振幅一般小于10μm，用于表面强化时的工作效率较低。变幅杆将超声波换能器的振幅放大至10倍以上，使强化装置的运动幅度达到数十μm至100μm。根据强化需求，变幅杆的工作振幅可通过超声波发生器控制面板进行定量调节。

进一步地，为了拓宽应用范围，所述固定套筒为圆环体结构，底面为平面，固定套筒与工具头之间间隙配合，而且固定套筒与固定支架连接。

或者，所述固定套筒内部为半球面结构以与球形零件表面配合，也就是说固定套筒内部形状与零件形状配合，这样通过更换固定套筒，就可以实现装置应用于平面和复杂曲面零件的表面改性和强化处理。

进一步地，所述工作台为往复运动工作台，为直线式或旋转式，可以保证零件表面的均匀强化处理。

进一步地，所述工作台一侧设置直线运动机构或旋转运动机构，该机构与工作台连接设置。

进一步地，所述气缸通过管路与气源连接，管路中设置触发开关和调压阀，气缸、触发开发、调压阀和气源组合使用实现气压辅助工作系统的压力调节，使用气体作为动力源的优势包括整体结构简单、重量轻、气体来源广泛、使用成本低、清洁化程度高等，而且便于定量调节气压大小以控制工具头与丸体和零件表面之间的压力。

进一步地，所述气缸底部中空，气缸内活塞为工字型或T型，活塞与超声波换能器之间为钢性连接或者螺纹连接，气缸周侧与气缸内壁之间设置密封圈，气源通入气缸内活塞上半段以推动活塞持续向下输送作用力。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置的使用方法，具体步骤如下：

1)将零件设于工作台；

2)将固定套筒置于工具头正下方并固定；

3)推动工具头向上运动使工具头下端面离开套筒空腔，随后将适量丸体倒入套筒内，保证丸体能够铺满工件被处理表面；

4)向气缸内通入具有设定压力的气体，气缸内活塞推动超声振动机构向下运动，使得工具头下端面与丸体贴合并将丸体压紧在零件被处理表面上；

5)打开超声振动机构，激发工具头推动丸体做超声振动，实现零件表面的超声振动强化处理。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种强化材料表面性能的方法，采用所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)与传统表面强化装置相比，本发明的气压辅助式超声振动可适配表面强化装置可用于包括平面零件、圆柱面零件以及复杂曲面零件等不同机械零件的表面强化处理，可强化处理的材料包括钢、铝合金、钛合金、高温合金等普通金属材料和刀具涂层、焊缝、激光熔覆材料等特殊工艺成型材料等。

2)本发明区别于传统喷丸装置倒置式结构的局限性，该装置可实现正置、斜置以及倒置等不同方位放置，方便应用于大型结构件(如飞机结构件)不同部位的强化处理，而且该装置的参数化设计方便调节，根据零件的具体强化需求更换换能器、变幅杆、丸体等主要配件即可实现不同谐振频率下的工作，实现了零件表面材料变形过程中的超声波能量输入，是真正意义上的超声强化，并可扩展应用于功能表面制造。

3)本发明装置整体结构简单、重量较轻、制造容易、材料来源广泛、成本低、安装和使用方便。

4)本发明装置在对零件材料改性过程中，因超声波振动能量的持续输入，使得操作时间相应缩短，而且有效提高改性后零件的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明整体结构示意图；

图2是本发明用于圆柱形零件表面强化处理的主视(前视)工作示意图；

图3是本发明用于圆柱形零件表面强化处理的侧视工作示意图；

图中标识：1、超声波发生器；2、气缸；3、触发开关；4、调压阀；5、气源；6、超声波换能器；7、超声波变幅杆；8、工具头；9、平面强化固定套筒；10、丸体；11、平面型零件；12、直线往复运动工作台；13、曲面强化固定套筒；14、旋转往复运动工作台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，包括工作台，用于支撑零件；固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体10，并约束丸体10的周向运动；工具头8，设于固定套筒内；超声振动机构，与工具头8接触；气缸2，气缸2内活塞与超声振动机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面，超声振动机构包括与工具头8端部接触或连接的超声波变幅杆7与超声波换能器6，超声波换能器6设于气缸2与超声波变幅杆7之间，超声波换能器6与超声波发生器1连接。

超声波发生器1是根据零件强化需求其工作频率可在20kHz-40kHz之间进行设定，且超声波发生器1能够根据强化装置的固有频率进行自动扫频和锁频，使整套装置在最佳工作状态下运行，超声波发生器的输出波形可根据需要设置为正弦波或非正弦波。气缸2内活塞与超声波换能器之间刚性连接或通过螺纹连接，在气源5、调压阀4和触发开关3的组合作用下，气缸活塞推杆推动超声波换能器6向下运动。超声波换能器6与超声波变幅杆7、超声波变幅杆7与工具头8之间通过螺纹连接。平面强化固定套筒9与工具头8之间间隙配合，且平面强化固定套筒9与固定支架连接，丸体10置于固定套筒内并位于工具头8下方，固定套筒下端面与平面型零件11被处理表面之间紧密贴合实现丸体的周向约束。被处理零件利用压板固定或螺纹连接固定于直线往复运动工作台12上，通过往复运动平台实现零件表面的均匀强化处理。对于圆柱形表面的零件或复杂曲面零件，可根据零件被处理表面轮廓设计套筒结构，实现曲面强化固定套筒13下端面与零件被处理表面的紧密贴合，通过伺服电机或步进电机驱动的旋转往复运动工作台14实现零件的往复运动及其均匀强化处理，如图2和图3所示。

气缸2的作用是通过活塞推动超声振动工作系统向下运动，并使零件表面被强化处理时工具头下端面与丸体之间保持有压力作用。气缸2、触发开发3、调压阀4和气源5组合使用实现气压辅助工作系统的压力调节。超声波换能器6的作用是将高频电振荡信号转化为机械振动，本发明采用压电晶体换能器，其谐振频率为30kHz(根据需求可更换不同谐振频率的超声波换能器和变幅杆、工具头等组件)，最大输入功率4kW，压电换能器的主要优点包括电声转换效率高、振幅大、功率大、耐热性好、使用寿命长等优点。变幅杆7的功能是将超声波换能器6的机械振动振幅进行放大，压电换能器在电声转换后的振幅较小，即使在共振条件下振幅一般小于10μm，用于表面强化时的工作效率较低。变幅杆将超声波换能器的振幅放大至10倍以上，使强化装置的运动幅度达到数十μm至100μm。根据强化需求，变幅杆的工作振幅可通过超声波发生器控制面板进行定量调节。

零件表面适配固定套筒的功能是约束丸体的周向运动，使丸体10将工具头8的超声振动能量沿轴向传入零件表面。丸体10的功能是作为超声波传输介质，工具头8带动丸体10发生超声振动时将超声波能量传入零件被处理表面，使表面材料在超声振动条件下发生塑性变形。丸体的硬度和强度高于零件材料的硬度和强度，本发明中选用的丸体10材料是轴承钢100C6和氧化铝陶瓷，丸体直径范围为0.5mm-5mm之间可选。

直线往复运动平台12是压电陶瓷振荡器驱动的运动工作台，使零件在水平方向实现往复运动并保证零件表面强化均匀。对于圆柱形或复杂曲面外轮廓零件，利用伺服电机或步进电机驱动零件往复旋转运动。

扩展应用：本发明的气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，可通过改变系统工作参数(包括功率、振幅、工作时间和辅助气压等)和选用不同形状的丸体(如球体、锥体、长方体等)，利用压印原理在零件表面加工不同尺寸和不同形状的微织构，将该装置扩展应用于功能表面制造。

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置的使用方法，具体步骤如下：

1)首先将零件固定于往复运动工作台，将固定套筒空腔置于工具头正下方并固定，调整工具头和零件被处理表面之间的距离，使工具头8下端面置于固定套筒空腔内部。将触发开关3置于关闭状态(即非触发状态)，推动工具头向上运动使工具头下端面离开套筒空腔，随后将适量丸体倒入固定套筒内，保证丸体能够铺满工件被处理表面；

2)调节调压阀4，根据被处理零件材料性能差异将气压调节至所需大小，打开气压触发开关3，气缸活塞推动超声振动机构向下运动，使工具头8下端面与丸体10贴合并将丸体10压紧在零件被处理表面上；

3)通过超声波发生器1设置超声振动工作时间以及功率等参数，之后打开超声波发生器1开关，激发超声振动机构的工具头8推动丸体10超声振动，实现零件表面的超声振动强化处理。

在工具头推动丸体超声振动期间，气缸2始终保持有工作压力将丸体10压在零件被处理表面上，保证了零件表面发生塑性变形时超声波能量的持续输入，此时材料发生塑性变形行为以及相应的强化机理与现有倒置式超声喷丸装置存在本质区别，超声振动能量的持续输入使零件表面材料塑性变形后的组织细化程度更高，有利于超细晶粒和纳米晶粒的形成；同时，零件表层内应力分布更加均匀且利于残余压应力形成，从而进一步提高了零件表面的强化程度和疲劳强度，从而延长零件的使用寿命。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，包括：

工作台，用于支撑零件；

固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体，并约束丸体的周向运动；

工具头，活动设于固定套筒内；

超声波发生机构，与工具头接触；

气缸，气缸内活塞与超声波发生机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面。

2.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述超声波发生机构包括与工具头端部接触或连接的超声波变幅杆与超声波换能器，超声波换能器与超声波发生器连接。

3.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述固定套筒为圆环体结构。

4.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述固定套筒内部为半球面结构以与球形零件表面配合。

5.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述工作台为往复运动工作台。

6.根据权利要求5所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述工作台一侧设置直线运动机构或旋转运动机构，该机构与工作台连接设置。

7.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述气缸通过管路与气源连接，管路中设置触发开关和调压阀。

8.根据权利要求1所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，其特征在于，所述气缸底部中空，气缸内活塞为工字型或T型。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将零件设于工作台；

2)将固定套筒置于工具头正下方并固定；

3)推动工具头向上运动使工具头下端面离开套筒空腔，随后将适量丸体倒入套筒内，保证丸体能够铺满工件被处理表面；

4)向气缸内通入具有设定压力的气体，气缸内活塞推动超声波发生机构向下运动，使得工具头下端面与丸体贴合并将丸体压紧在零件被处理表面上；

5)打开超声波发生机构，激发工具头推动丸体做超声振动，实现零件表面的超声振动强化处理。

10.一种强化材料表面性能的方法，其特征在于，采用根据权利要求1-8中任一项所述的一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置。