CN109923221A - 超声波内壁击打系统的击打位置控制装置 - Google Patents
超声波内壁击打系统的击打位置控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及超声波击打系统的击打位置控制技术，包括：超声波发生部，用于发生超声波；超声波辐射部，配置为与上述超声波发生部接触并延续，内部包括超声波传导介质，通过上述超声波传导介质传导上述超声波；插入构件，构成为插入被处理物的内部空间，上述被处理物配置在上述超声波辐射部内，上述插入构件从被处理物的一侧插入到上述内部空间，从上述超声波发生部发生的超声波通过上述超声波传导介质从上述被处理物的另一侧传导，通过上述超声波传导介质传导的超声波在插入到上述被处理物的内部空间的上述插入构件的面反射，使得在上述超声波传导介质内形成为驻波，上述被处理物的内壁被上述驻波击打，根据上述插入构件的插入程度调节上述被处理物的上述内壁的击打位置。
Description
技术领域
本发明涉及超声波击打系统，特别涉及控制被处理物内壁的击打位置的技术。
背景技术
随着金属部件的小型化或轻量化，作为机械部件的疲劳强度改善方法之一的击打(peening)一般是进行喷射以能够对金属表面施加压力的手段，通过击打的方式改善表面强度的机械性的表面处理技术，最具代表性的是喷丸处理(shot peening)和激光冲击(laser peening)。
喷丸处理是将被称为丸粒(Shot ball)的小金属粒子高速发射到被处理物表面，通过使小丸粒粒子轰击被处理物表面来对其表面赋予压缩残余应力的方法。压缩残余应力是指因塑性变形材料变形之后，即使在去除全部外力的状态下也残留在材料中的应力，利用通过击打而施加到被处理物表面的压缩残余应力能够延长被处理物的疲劳寿命。喷丸处理在经受过弯曲、扭曲或重复负载的金属机械部件的耐久寿命延长方面特别有效，但无法对金属材料表面提供足够的强度和细致的处理，因此，不适于精密部件。
激光冲击是一种通过在被处理物表面上形成涂膜层之后，通过冲击波对被处理物的表面赋予压缩残余应力的方法，所述冲击波由照射激光束而产生的等离子的压力形成。这种方法比以往的喷丸处理最多能产生10倍深度的压缩残余应力，因而表现出优异的效果，但因装置和工程费用过高，因此，有限地适用于飞机部件等。
另外，这种以往的击打技术中，诸如钻孔(borehole)的管状的内壁或齿轮(gear)的锯齿侧面等材料的被处理物的内壁与丸粒的接近性很差，因此，击打时的丸粒的入射角的设定非常受限。另外，对具有一端被封闭的孔的被处理物进行击打时，丸粒堆叠在孔内，因此，击打的实现会受到限制。
发明内容
发明要解决的问题
鉴于上述情况的本发明的实施例用于提供一种击打位置控制技术，其通过将超声波供应为驻波的形态，以对被处理物的内壁进行击打处理，并控制被处理物内壁的击打位置，从而获得具有选择性且均匀的击打结果。
用于解决问题的手段
根据本发明的实施例，能够提供一种击打位置控制装置，其包括：超声波发生部，用于发生超声波；超声波辐射部，配置为与上述超声波发生部接触并连续，内部包括超声波传导介质，通过上述超声波传导介质传导上述超声波；以及插入构件，构成为插入被处理物的内部空间，上述被处理物配置在上述超声波辐射部内，上述插入构件从被处理物的一侧插入到上述内部空间，从上述超声波发生部发生的超声波通过上述超声波传导介质从上述被处理物的另一侧传导，通过上述超声波传导介质传导的超声波在插入到上述被处理物的内部空间的上述插入构件的面反射，使得在上述超声波传导介质内形成为驻波，上述被处理物的内壁被上述驻波击打，根据上述插入构件的插入程度调节上述被处理物的上述内壁的击打位置。
在这里，上述击打位置可以是对应于上述驻波的压力波腹(pressure antinode)的位置。
另外，上述被处理物的内壁能够在对应于上述压力波腹的位置处通过空化(cavitation)进行击打处理。
另外，插入到上述被处理物的上述内部空间内的上述插入构件的上述面可具有反射面，上述反射面用于反射从上述超声波发生部发生的超声波。
另外，上述反射面可包括刚体(rigid body)。
另外，上述被处理物可包括喷嘴(nozzle)的内壁。
另外，上述插入构件可包括杆(rod)。
另外，上述超声波通过上述超声波传导介质和上述反射面的声阻抗差进行反射而增幅为上述驻波，形成在上述超声波传导介质内。
另外，上述超声波发生部的至少一部分可从上述被处理物的上述另一侧插入到上述被处理物的上述内部空间。
发明效果
根据本发明的实施例，通过将超声波供应为驻波形态来对被处理物的内壁进行击打处理，并控制被处理物内壁的击打位置，能够获得具有选择性且均匀的击打结果。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的超声波击打系统的击打位置控制装置的剖视图。
图2是图1中的被处理物10和插入构件20的俯视图。
图3和图4是说明根据本发明的实施例的击打位置控制装置的动作过程的一例的剖视图。
图5和图6是说明根据本发明的实施例的击打位置控制装置的动作过程的另一例的剖视图。
图7是示出根据本发明的实施例的击打位置控制装置中的超声波发生部部分插入到被处理物内部的情况的剖视图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及实现它们的方法在参照附图和在后文中具有详细说明的实施例之后将变得明确。但是，本发明并不限定于在下文中所公开的实施例，而是能够以多种不同的形式实现，本实施例只是为了使本发明的公开完整，并将发明的范围完整地告知本发明所属领域的技术人员而提供的，本发明仅根据权利要求的范围而被定义。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。
在说明本发明的实施例时，如认为对公知功能或构成的具体说明可能导致使本发明的要旨产生不必要的模糊，则将省略其详细说明。而且，后述的术语是考虑到本发明实施例中的功能而定义的术语，这些术语可根据使用者、运用者的意图或惯例等而有所不同。因此，该定义应基于本说明书的全部内容。
本发明的实施例可以提供一种能够有效地对被处理物的内壁进行击打处理的超声波内壁击打位置控制装置。具体地，在超声波辐射部内配置被处理物，在驻波(standingwave)的压力波腹(pressure antinode)的位置处，通过在超声波传导介质内集中发生的空化(cavitation)对与超声波传导介质接触的被处理物的内壁进行击打处理，上述驻波因超声波传导介质和反射超声波的超声波反射面的声阻抗差进行反射而形成，并且，通过在被处理物内移动超声波反射面的位置，可以实现驻波的压力波腹的位置的改变，从而控制内壁的击打位置。
通常，驻波是指在相同介质中振幅和波长相同但传播方向相反的两个正弦波重叠时，带着恒定的振幅周期性地振动，并且看似波静止驻立的合成波。在这种驻波中，将压力幅度(pressure amplitude)为0的点命名为压力节点(pressure node)，将压力振幅最大的点命名为波腹。
另外，空化是指随着驻波的波动传播在介质中产生气泡，并且因这种气泡而发生的空穴(cavity)，因这种驻波在介质中形成的空化在接触被处理物的侧面区域时，能够在几十毫秒程度的短时间内瞬间产生数百气压以上的压力和高热，以对被处理物的侧面赋予压缩残余应力，从而对被处理物进行击打处理。更具体地，在(-)压力下空穴(cavity)会成长，随着时间的推移空穴会成长到最大，而在(+)压力下空穴被压缩并崩溃。
在本发明的实施例中，通过上述结构特征，将从超声波发生部发生的超声波形成为驻波形态来利用，通过驻波在被处理物的表面所实现的压力波腹位置处执行通过空化的击打处理，并且，通过改变驻波的反射面的位置，实现了对应于压力波腹的击打位置的改变。
在下文中，将参照附图详细说明本发明的实施例。
图1是根据本发明的实施例的超声波击打系统的击打位置控制装置的剖视图。
如图1所示，超声波发生部100配置为与超声波辐射部200接触。可根据作为击打处理对象的被处理物10的配置容易地改变这种超声波发生部100的位置的配置。可能的情况是，将使得从超声波发生部100发生的超声波能够容易地传导到超声波辐射部200的面被配置为与超声波辐射部200接触。
具体地，超声波发生部100可包括压电层和压电元件(未图示)，上述压电元件由配置在压电层的两面的两个电极形成。压电元件是超声波换能器(ultrasonic transducer)，当从图示中省略的电源供给装置获得电能时，就会共振以产生超声波。更具体地，可以利用反压电效应(reverse piezoelectric effect)。上述反压电效应是：当向压电元件施加交流电时，压电材料变形，晶体重复压缩和膨胀以引发机械性的振动，从而产生超声波。通过这种超声波发生部100发生的超声波的频率输出范围可以是，例如，20至40KHz。
如上所述，构成压电元件的压电层可以是，例如，从PZT(lead zirconatetitanat，锆钛酸铅)、PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate，铌镁酸铅-钛酸铅)、PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate，铌酸铅锌-钛酸铅)、PIN-PT(leadindium niobate-lead titanate，铌酸铟铅-钛酸铅)、PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate，铌酸铅镱-钛酸铅)、BNT(BaNiTiO3)、BZT-BCT(barium zirconatetitanate-barium calcium titanate，锆钛酸钡-钙钛酸钡)、陶瓷、高分子材料复合的压电材料中选择的至少一种物质，但不限于此。另外，配置在压电层的两面的两个电极可以使用所有常规的电极物质，例如，可以使用铝(Al)或银(Ag)。
超声波辐射部200可包括用于将从超声波发生部100发生的超声波传导到配置于超声波辐射部200内的被处理物10的超声波传导介质210。超声波传导介质210是指用于将从超声波发生部100发生的超声波传导到被处理物10的物质，例如，可以使用水、凝胶、各种油等。超声波传导介质210可以填充在超声波辐射部200的内部空间的全部或一部分区域。超声波传导介质210能够以溶解气体被全部除去的脱气处理的形态使用，因为溶液中的溶解气体能够降低上述空化的强度。构成超声波辐射部200的外部框架可以使用不改变超声波传导介质210的物质性质的常规的材质。
被处理物10可配置在超声波辐射部200内，并可构成为从超声波发生部100发生的超声波通过超声波传导介质210从其一侧传导。这种被处理物可以是另一侧开放的结构，例如，可包括喷嘴(nozzle)。
插入构件20可从被处理物10的另一侧插入到被处理物10的内部。这种插入构件20可使通过超声波传导介质210进行传导的超声波在插入构件20的一面，例如，在插入构件20的插入在被处理物10内的面进行反射，以超声波传导介质210中形成为驻波，从而在驻波的波腹处能够对被处理物10的内壁集中进行击打处理。此时的击打位置可以是对应于驻波的压力波腹的位置。因此，能够在对应于这种压力波腹的位置处通过空化对被处理物10的内壁进行击打处理。插入到被处理物10的内部的插入构件20，例如，可包括杆(rod)。
另外，插入在被处理物10内的插入构件20的面可具备超声波反射面22，其用于反射从超声波发生部100发生的超声波，以将超声波以驻波形态传导到被处理物10。即，在本发明的实施例中，可实现超声波能够在插入构件20的一面(插入构件20的插入在被处理物10内的面)处进行反射。并且，还可以具备配置于插入构件20的一面的超声波反射面22，以提高超声波的反射效率。这种超声波反射面22可包括具有与超声波传导介质210不同的声阻抗值的其他物质，例如，即使施加外力也不会改变形态或大小的刚体。
图2是图1中的被处理物10和插入构件20的俯视图。
如图2所示，被处理物10可以是圆筒形的喷管，插入构件20可以是插入到这种被处理物10的内部的杆。
图3和图4是说明根据本发明的实施例的击打位置控制装置的动作过程的一例的剖视图。图3和图4的实施例例示了从被处理物10的上部插入插入构件20的情况。
首先，图3是示出从超声波发生部100发生的超声波在超声波反射面22处进行反射而形成为驻波，并通过该驻波对被处理物10的内壁进行击打的图，上述超声波反射面22形成在插入到被处理物10内的插入构件20的面。在被处理物10的内壁上集中被击打的位置可以是与图3中的符号A一样的对应于驻波的压力波腹的位置。
图4与图3一样是示出在插入构件20插入到被处理物10内的状态下插入构件20移动一定区间的情况的图。
当插入构件20在被处理物10内移动一定区间时，以位于插入构件20的反射面22的驻波的压力节点为基准来改变整个压力节点的位置，因此，驻波的压力波腹的位置也会发生变化。图4中的符号A'示出了改变的压力波腹的位置。
结果，通过插入构件20的移动，驻波的反射面22上的压力节点和压力波腹的位置发生改变，并且，可以在对应于所改变的压力波腹的位置处进行击打处理。
图5和图6是说明根据本发明的实施例的击打位置控制装置的动作过程的另一例的剖视图。与图3和图4中的实施例不同，图5和图6是示出使插入构件20的插入方向相反，从被处理物10的下部插入插入构件20的情况的图。
在图5和图6的实施例中，除了插入附件20的插入方向以外，通过在超声波反射面22进行反射而形成的驻波对被处理物10的内壁进行击打的部分与图3和图4中的实施例相同，因此，将省略具体的动作说明。
如上所述，可根据击打工作环境(例如，用原子对喷管的内壁进行击打的工作环境)选择性的采用适当的相对于被处理物10的插入构件20的插入方向，没有必要对插入构件20的插入方向进行限制。然而，通过本发明的权利要求范围能够明确这种技术构思。
另一方面，图7是示出根据本发明的实施例的击打位置控制装置中超声波发生部100的一部分插入到被处理物10的内部的情况的剖视图。
具体地，超声波发生部100的与插入到被处理物10的内部空间的插入构件20的面相对的面可以插入被处理物10的内部空间中至少一部分。
如图7中的实施例所示，在实现了使超声波发生部100的至少一部分插入到被处理物10的内部的情况下，可以将从超声波发生部100产生的超声波能量集中到被处理物10的内部，因此，在击打效率方面会更有利。
应该理解，虽然图7示出了从被处理物10的上部插入超声波发生部100的至少一部分，并从被处理物10的下部插入插入构件20的情况，但是，其相反的情况也可实现。即，即使在实现了使超声波发生部100的至少一部分插入被处理物10的内部的情况下，也可以选择性地采用插入构件20相对于被处理物10的适当的插入方向。
根据如上所述的本发明的实施例，将超声波供应为驻波形态以对被处理物的内壁进行击打处理，并且，通过改变超声波反射位置来改变驻波的压力波腹的位置，从而控制被处理物内壁的击打位置，因此，实现了使其能够获得具有选择性且均匀的击打结果。
Claims (9)
1.一种击打位置控制装置，其特征在于，包括：
超声波发生部，用于发生超声波；
超声波辐射部，配置为与所述超声波发生部接触并延续，内部包括超声波传导介质，通过所述超声波传导介质传导所述超声波；以及
插入构件，构成为插入被处理物的内部空间，所述被处理物配置在所述超声波辐射部内，
所述插入构件从被处理物的一侧插入到所述内部空间，从所述超声波发生部发生的超声波通过所述超声波传导介质从所述被处理物的另一侧传导，通过所述超声波传导介质传导的超声波在插入到所述被处理物的内部空间的所述插入构件的面反射，使得在所述超声波传导介质内形成为驻波，所述被处理物的内壁被所述驻波击打，根据所述插入构件的插入程度调节所述被处理物的所述内壁的击打位置。
2.根据权利要求1所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述击打位置是对应于所述驻波的压力波腹的位置。
3.根据权利要求2所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述被处理物的内壁在对应于所述压力波腹的位置处被空化进行击打处理。
4.根据权利要求1所述的击打位置控制装置，其特征在于，插入到所述被处理物的所述内部空间内的所述插入构件的所述面具有反射面，所述反射面用于反射从所述超声波发生部发生的超声波。
5.根据权利要求4所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述反射面包括刚体。
6.根据权利要求1所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述被处理物包括喷管的内壁。
7.根据权利要求1所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述插入构件包括杆。
8.根据权利要求4所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述超声波通过所述超声波传导介质和所述反射面的声阻抗差进行反射而增幅为所述驻波，形成在所述超声波传导介质内。
9.根据权利要求1所述的击打位置控制装置，其特征在于，所述超声波发生部的至少一部分从所述被处理物的所述另一侧插入到所述被处理物的所述内部空间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190621 |