CN108715926B - 一种超声波冲击装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波冲击装置。所述装置包括：超声冲击枪、弹簧预压滑台和钛合金试件；所述钛合金试件为经电火花改性处理后、具有非晶合金涂层的钛合金部件；所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上；所述弹簧预压滑台包括压缩弹簧；所述弹簧预压滑台通过调节所述压缩弹簧的压缩量，能够准确控制所述超声冲击枪的预压力；所述超声波冲击枪根据所述预压力对所述钛合金试件的非晶合金涂层进行超声波冲击处理，能够去除电火花改性层的残余应力，并施加压应力，从而改善钛合金试件因电火花改性而降低的高周疲劳性能。

Description

一种超声波冲击装置
技术领域
本发明涉及金属材料的表面改性技术领域，特别是涉及一种超声波冲击装置。
背景技术
电火花表面改性技术，可以在钛合金表面沉积一层非晶合金涂层，显著提高钛合金的阻燃性能和耐磨性能。但是，进行电火花改性，会产生较大的残余拉应力，明显降低了钛合金的高周疲劳性能，影响了电火花改性钛合金在航空航天等对高周疲劳有较高要求的领域的应用。因此，改善钛合金因表面改性而降低的高周疲劳性能，成为当务之急。传统的高温回火、喷丸等去除残余应力的方法，以及目前先进的激光冲击去除残余应力的方法，对于改善合金因表面改性而降低的高周疲劳性能，效果不明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波冲击装置，采用超声冲击的方法去除电火花改性的残余应力，并施加压应力，能够有效改善钛合金部件因电火花改性而降低的高周疲劳性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超声波冲击装置，所述装置包括：超声冲击枪、弹簧预压滑台和钛合金试件；
所述钛合金试件为经电火花改性处理后、具有非晶合金涂层的钛合金部件；所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上；所述弹簧预压滑台包括压缩弹簧；所述弹簧预压滑台通过调节所述压缩弹簧的压缩量调整所述超声冲击枪的预压力；所述超声波冲击枪根据所述预压力对所述钛合金试件的非晶合金涂层进行超声波冲击处理。
可选的，所述弹簧预压滑台还包括：固定支架、安装在所述固定支架内部的两根滑动导柱、传动螺杆、滑块、弹簧压板、传动螺母和固定圈；
两根所述滑动导柱分别安装在所述固定支架内部的两侧且平行设置；所述传动螺杆设置在所述滑动导柱内部；所述滑块、所述压缩弹簧和所述弹簧压板依次套设在所述滑动导柱上；所述压缩弹簧位于所述滑块上方，用于压住所述滑块；所述弹簧压板位于所述压缩弹簧上方，用于压住所述压缩弹簧；所述弹簧压板通过所述传动螺母固接到所述传动螺杆上；所述超声冲击枪通过所述固定圈固定在所述滑块中央。
可选的，所述固定支架包括：底板、上支座和下支座；所述底板、所述上支座以及所述下支座均为板块状；所述下支座垂直设置在所述底板底部；所述上支座垂直设置在所述底板顶部；两根所述滑动导柱安装在所述上支座与所述下支座之间。
可选的，所述弹簧预压滑台还包括：固定螺栓；所述固定螺栓设置在所述底板上；所述超声波冲击装置通过所述固定螺栓与数控加工机床连接。
可选的，所述超声冲击枪包括：连接体、超声波换能器、变幅杆和硬质合金冲击珠；
所述超声波换能器、所述变幅杆和所述硬质合金冲击珠均设置在所述连接体内部；所述连接体通过所述固定圈固定在所述滑块中央；所述超声波换能器与所述变幅杆连接；所述硬质合金冲击珠设置在所述变幅杆末端；所述超声波换能器通过所述变幅杆带动所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动。
可选的，所述硬质合金冲击珠为球形；所述硬质合金冲击珠直径大小为6mm。
可选的，所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动的冲击范围宽度为8mm，每步进给量为0.05mm。
可选的，所述超声冲击枪还包括：合金钢垫片；所述合金钢垫片安装在所述变幅杆末端；所述硬质合金冲击珠设置在所述合金钢垫片上；所述变幅杆通过所述合金钢垫片将超声波传递给所述硬质合金冲击珠，带动所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动。
可选的，所述超声冲击枪还包括：超声波驱动电源、超声波发生器和电缆；所述超声波驱动电源、所述超声波发生器以及所述超声波换能器通过所述电缆依次连接；所述超声波驱动电源开始工作后，使所述超声波发生器工作产生超声波，并传递给所述超声波换能器，逐级将所述超声波传递给所述变幅杆。
可选的，所述超声波换能器的功率为500W，振动频率为20.1kHz，振幅为40μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种超声波冲击装置，所述装置包括：超声冲击枪、弹簧预压滑台和钛合金试件；所述钛合金试件为经电火花改性处理后、具有非晶合金涂层的钛合金部件；所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上；所述弹簧预压滑台包括压缩弹簧；所述弹簧预压滑台通过调节所述压缩弹簧的压缩量，能够准确控制所述超声冲击枪的预压力；所述超声波冲击枪根据所述预压力对所述钛合金试件的非晶合金涂层进行超声波冲击处理，能够细化改性层组织，消除改性层残余应力；当超声冲击对改性层处理后，改性层中形成一定深度的塑形变形层，细化晶粒，并向改性层中植入压应力，从而抵消电火花改性层中的压应力，消除电火花改性层中的残余应力，进而改善钛合金试件因电火花改性而降低的高周疲劳性能，可以提高经电火花改性的钛合金部件的疲劳寿命约5倍以上；同时还能降低电火花表面改性层的表面粗糙度大约3倍左右，起到表面光饰处理的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种超声波冲击装置结构的主视图；
图2为本发明提供的一种超声波冲击装置结构的侧视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种超声波冲击装置，采用超声冲击的方法去除电火花改性的残余应力，并施加压应力，能够有效改善钛合金部件因电火花改性而降低的高周疲劳性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的一种超声波冲击装置结构的主视图。图2为本发明提供的一种超声波冲击装置结构的侧视图。参见图1和图2，本发明提供的一种超声波冲击装置包括：超声冲击枪、弹簧预压滑台和钛合金试件。所述钛合金试件为经电火花改性处理后、具有非晶合金涂层的钛合金部件；所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上；所述弹簧预压滑台包括压缩弹簧；所述弹簧预压滑台通过调节所述压缩弹簧的压缩量调整所述超声冲击枪的预压力；所述超声波冲击枪根据所述预压力对所述钛合金试件的非晶合金涂层进行超声波冲击处理。
具体的，所述超声冲击枪包括：硬质合金冲击珠1、合金钢垫片2、变幅杆3、超声波换能器4、连接体16、超声波驱动电源(图中未显示)、超声波发生器(图中未显示)以及电缆(图中未显示)。所述弹簧预压滑台包括：下支座5、滑块6、固定圈7、底板8、固定螺栓9、压缩弹簧10、滑动导柱11、弹簧压板12、传动螺母13、传动螺杆14以及上支座15。将所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上，通过两个压缩弹簧10带动滑块6沿着滑动导柱11进行移动，通过转动传动螺杆14，带动螺母13和压板12升降，来调节压缩弹簧10的压缩量，准确控制超声冲击枪的预压力。整个装置通过底板8上的固定螺栓9，可以方便地安装在数控加工机床上，实现超声冲击过程的数字控制。具体为：
所述底板8上固定上支座15和下支座5作为整个装置基础固定支架。上、下支座之间安装两根滑动导柱11，两根滑动导柱11于上、下支座左右两侧平行布置，滑动导柱11中间安装传动螺杆14。在此之前，将滑块6和压缩弹簧10以及弹簧压板12穿进滑动导柱11，套设在滑动导柱11外部，使压缩弹簧10压住滑块6，弹簧压板12压住压缩弹簧10。将传动螺母13拧到传动螺杆14上，传动螺杆14通过传动螺母13与弹簧压板12固定连接。将所述超声冲击枪用固定圈7安装到滑块6中央。工作时，转动传动螺杆14，带动传动螺母13和弹簧压板12升降，来调节压缩弹簧10的压缩量，从而准确控制超声冲击枪的预压力。利用压缩弹簧10预设超声冲击压应力来去除电火花改性处理钛合金试件的残余应力，并施加压应力，能够改善钛合金试件因电火花改性而降低的高周疲劳性能。整个装置通过底板8上的固定螺栓9，可以方便地安装在数控加工机床上，实现超声冲击过程的数字控制。
超声波驱动电源开始工作后，使超声波发生器工作产生超声波，并传递给超声波换能器4，逐级将超声波传递给变幅杆3，使得产生的较小振幅的超声波振幅增大，达到超声冲击试验要求。变幅杆3末端加装合金钢垫片2以及硬质合金冲击珠1，通过合金钢垫片2将超声波传递给端部的硬质合金冲击珠1，硬质合金冲击珠1与钛合金试件电火花改性层接触。
超声冲击头与经电火花改性的钛合金表面相接触时，超声波发生器产生的超声振动能量通过超声换能器4以及变幅杆3逐级传递，再由超声冲击头1传递给改性层内部，使得内部材料产生塑性变形；并且，这种能量的作用还会使得一定层深范围内的晶粒得到细化，能够大幅度的提高改性层的表面强度以及硬度；同时，更加致密的晶粒也会使材料的耐腐蚀能力、疲劳强度大幅度的提高。其次，高速的机械撞击作用在经电火花改性的钛合金试件表面，巨大的作用力能够改变经电火花改性的钛合金表面的应力状态，使得经电火花改性的钛合金处的应力状态由未经处理的三向拉应力状态变为压应力状态，经电火花改性的钛合金的应力分布得到重新调整。同时，冲击力作用在经电火花改性的钛合金表面，还能够改变经电火花改性的钛合金表面的粗糙度，甚至在合理的控制下，提高经电火花改性的钛合金表面的光洁度。
为叙述方便需要，本发明中提到的改性层、电火花改性层均是指所述非晶合金涂层，提到的冲头、冲击头、冲击珠、超声冲击头均是指所述硬质合金冲击珠，提到的垫片均是指所述合金钢垫片。
由于超声冲击头与板料直接接触处容易磨损，因此在装置的设计中，变幅杆3末端加装合金钢垫片2以及硬质合金冲击珠1，通过合金钢垫片2将超声波传递给端部的硬质合金冲击珠1，硬质合金冲击珠1与钛合金电火花改性层处接触。所述硬质合金冲击珠1具有很大的硬度，与被处理试件表面接触时，变形相对较小。另外，硬质合金冲击珠1设置为球形，通过球面接触的方式，使得冲击头在相对钛合金试件电火花改性层移动过程当中，摩擦属性变成滚动摩擦，很大程度上减小了冲头移动过程中的摩擦阻力，避免连续冲击过程中冲头过热，造成装置变形等问题。加装合金钢垫片2，能够有效传递超声波到冲击珠1中去，同时，垫片2的添加能够避免冲击珠1与变幅杆3直接接触，防止冲击过程中过大的冲击力直接损坏变幅杆3，起到了很好的保护装置的作用。
优选的，硬质合金冲击珠1的直径大小为6mm。超声冲击设备功率为500W，振动频率为20.1kHz，振幅为40μm。冲击头移动速度为4mm/s，载荷25～170N。选择的压缩弹簧10为
Figure BDA0001697589150000061
(中径)*140*20N，弹簧材料70-C(70号碳钢c组级别)，工作载荷12.5-85N。
超声波冲击过程中，硬质合金冲击珠1沿垂直于经电火花改性的钛合金方向往复运动，对经电火花改性的钛合金表面进行全覆盖冲击，冲击范围宽度为8mm，每步进给量为0.05mm。
可见，采用本发明提供的所述超声波冲击装置，在经电火花表面改性的钛合金部件表面进行超声冲击处理，可以消除电火花表面改性产生的残余应力，并通过压缩弹簧施加可控的压应力，能够显著改善钛合金试件因电火花改性而降低的高周疲劳性能，可以提高经电火花改性的钛合金部件的疲劳寿命约5倍以上；同时还能降低电火花表面改性层的表面粗糙度约3倍左右，起到表面光饰处理的作用。
此外，采用本发明所述超声波冲击装置对经电火花表面改性的钛合金试件进行超声波冲击处理的方法，能够提高钛合金部件因电火花改性而降低的高周疲劳性能，操作简便、可行性强、效果显著。经超声波冲击处理后的钛合金试件，能够适用于航空航天等对高周疲劳有较高要求的领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种超声波冲击装置，其特征在于，所述装置包括：超声冲击枪、弹簧预压滑台和钛合金试件；
所述钛合金试件为经电火花改性处理后、具有非晶合金涂层的钛合金部件；所述超声冲击枪固定在所述弹簧预压滑台上；所述弹簧预压滑台包括压缩弹簧；所述弹簧预压滑台通过调节所述压缩弹簧的压缩量调整所述超声冲击枪的预压力；所述超声波冲击枪根据所述预压力对所述钛合金试件的非晶合金涂层进行超声波冲击处理；
所述弹簧预压滑台还包括：固定支架、安装在所述固定支架内部的两根滑动导柱、传动螺杆、滑块、弹簧压板、传动螺母和固定圈；
两根所述滑动导柱分别安装在所述固定支架内部的两侧且平行设置；所述传动螺杆设置在所述滑动导柱内部；所述滑块、所述压缩弹簧和所述弹簧压板依次套设在所述滑动导柱上；所述压缩弹簧位于所述滑块上方，用于压住所述滑块；所述弹簧压板位于所述压缩弹簧上方，用于压住所述压缩弹簧；所述弹簧压板通过所述传动螺母固接到所述传动螺杆上；所述超声冲击枪通过所述固定圈固定在所述滑块中央；
所述固定支架包括：底板、上支座和下支座；所述底板、所述上支座以及所述下支座均为板块状；所述下支座垂直设置在所述底板底部；所述上支座垂直设置在所述底板顶部；两根所述滑动导柱安装在所述上支座与所述下支座之间；
所述底板上固定上支座和下支座作为整个装置基础固定支架；上、下支座之间安装两根滑动导柱，两根滑动导柱于上、下支座左右两侧平行布置，滑动导柱中间安装传动螺杆；在此之前，将滑块和压缩弹簧以及弹簧压板穿进滑动导柱，套设在滑动导柱外部，使压缩弹簧压住滑块，弹簧压板压住压缩弹簧；将传动螺母拧到传动螺杆上，传动螺杆通过传动螺母与弹簧压板固定连接；将所述超声冲击枪用固定圈安装到滑块中央；工作时，转动传动螺杆，带动传动螺母和弹簧压板升降，来调节压缩弹簧的压缩量，从而准确控制超声冲击枪的预压力；
所述弹簧预压滑台还包括：固定螺栓；所述固定螺栓设置在所述底板上；所述超声波冲击装置通过所述固定螺栓与数控加工机床连接；
所述超声冲击枪包括：连接体、超声波换能器、变幅杆和硬质合金冲击珠；
所述超声波换能器、所述变幅杆和所述硬质合金冲击珠均设置在所述连接体内部；所述连接体通过所述固定圈固定在所述滑块中央；所述超声波换能器与所述变幅杆连接；所述硬质合金冲击珠设置在所述变幅杆末端；所述超声波换能器通过所述变幅杆带动所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动；
所述硬质合金冲击珠为球形；所述硬质合金冲击珠直径大小为6mm；
所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动的冲击范围宽度为8mm，每步进给量为0.05mm；
所述超声波换能器的功率为500W，振动频率为20.1kHz，振幅为40μm；
冲击头移动速度为4mm/s，载荷25～170N；选择的压缩弹簧为中径φ2.5*25*140*20N，弹簧材料70-C，70号碳钢c组级别，工作载荷12.5-85N。
2.根据权利要求1所述的超声波冲击装置，其特征在于，所述超声冲击枪还包括：合金钢垫片；所述合金钢垫片安装在所述变幅杆末端；所述硬质合金冲击珠设置在所述合金钢垫片上；所述变幅杆通过所述合金钢垫片将超声波传递给所述硬质合金冲击珠，带动所述硬质合金冲击珠做连续冲击运动。
3.根据权利要求1所述的超声波冲击装置，其特征在于，所述超声冲击枪还包括：超声波驱动电源、超声波发生器和电缆；所述超声波驱动电源、所述超声波发生器以及所述超声波换能器通过所述电缆依次连接；所述超声波驱动电源开始工作后，使所述超声波发生器工作产生超声波，并传递给所述超声波换能器，逐级将所述超声波传递给所述变幅杆。
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