CN110177651B - 用于处理金属部件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理具有外表面(1‑1)的金属部件(1)的装置(100)，其包括：膛室(11)；振动模块(12)，包括用于以超声频率生成电信号的发电机(12‑1)，用于将所述电信号转换为机械振动的转换器(12‑2)，所述机械信号传递到超声波发生器(12‑4)，超声波发生器(12‑4)安置在膛室内，面向金属部件的外表面；射弹(13)，安置在膛室内，用于冲击金属部件的外表面，所述射弹受超声波发生器的振动而移动，其包括多个研磨介质，当受超声波发生器振动而发生移动时，引入残余应力并改善金属部件的表面状态。

Description

用于处理金属部件的装置和方法
发明的技术领域
本发明涉及金属部件的处理，更具体地，涉及可以减少所述金属部件处理时间的装置。
发明的技术背景
为提高特定金属部件的机械性能，尤其是其表面性能，已知可以采用机械表面处理技术，如喷丸和/或摩擦精整(tribofinishing)，其分别可以改变所述金属部件的结构和表面状态。
常规或超声喷丸引入残余压应力来改变金属部件的机械强度。更具体地，它涉及将由钢、玻璃或陶瓷制备的珠粒高速投射到金属部件的表面以使所述金属部件经历小厚度变形。专利号为FR n°2873609,FR n°2815280,FR n°2815281的法国专利申请文献中描述了对金属部件喷丸的方法。
摩擦精整可以通过抛光、去毛刺、平滑等方式来完成对金属部件的表面精整。为此，待处理金属部件要浸入到含有研磨介质和液体(水、油、添加剂)的混合物的振动容器中。用磨料混合物来摩擦金属部件可以确保所述金属部件的抛光、去毛刺和倒圆角。
在多数情况下，这两种技术会在生产线中相继使用。此时，金属部件的处理过程长，并需要对所述金属部件进行多次控制。
发明内容
为此，本发明提供一种解决方案，可以减少金属部件的操作和控制次数，从而可以减少所述金属部件的处理时间。
本发明第一方面涉及用于处理具有外表面的金属部件的装置，所述装置包括：
-壳体；
-振动模块，其包括：
■发电机，其用于以超声频率产生电信号；
■转换器，其用于将所述电信号转化为机械振动，所述机械振动传递到超声波发生器；
■超声波发生器安置在壳体内，面向金属部件的外表面；
-射弹，其放置在壳体内，用于冲击金属部件的外表面，所述射弹通过超声波发生器的振动而移动。
此外，射弹包括多个研磨介质，当其通过超声波发生器的振动而移动时引入残余压应力并改善金属部件的表面状态。
“研磨介质”用于指代形状可变的元素，其通常包括基部和硬质研磨剂，硬质研磨剂能够磨损比其材质更软的材料。
“改善表面状态”用于指代对金属部件的抛光、去毛刺和倒角。
本发明的用于处理金属部件的装置可以解决前述问题。
这种装置可以通过减少操作次数和控制次数来减少金属部件的处理时间。
事实上，本发明的装置可以用单个机器来实施确保对金属部件同时进行喷丸和精整的操作。更具体地，本发明的装置类似于现有技术中的超声抛丸机，其不同之处在于，本发明采用的射弹包括用于传统摩擦精整技术中的研磨介质，而不是常规的含有用陶瓷、玻璃和钢制备而成的珠粒的射弹。在此，研磨介质确保了残余压应力的引入和金属部件表面状态的改善。
通过选择最佳的射弹(形状、材料、尺寸)/电信号参数(频率、振幅、发射时间)配对，可以获得与现有技术中使用两种不同机器所得的相同结果。实际上，选择射弹/电信号参数配对是为了使射弹在改善所述金属部件的表面状态时具有足够的速度向金属部件引入残余应压力。
另外，使用本发明的装置可以减少金属部件的控制次数，因为在部件处理之后需要再进行单独控制。这进一步缩短了部件处理时间。
最后，生产线的轻量化可以降低金属部件的生产成本。
除了在前述段落中提及的特征，本发明的第一方面的装置还可以单独地或所有技术可能组合考虑地具有下面一个或多个补充特征。
在某非限制性的实施例中，射弹仅包括研磨介质。
在某非限制性的实施例中，该装置包括抽吸系统，该抽吸系统吸入金属部件的残余物及射弹的残余物，所述射弹的残余物源自所述射弹之间的相互冲击或所述射弹在第一金属部件外表面的冲击。
在某非限制性的实施例中，该装置包括过滤器，该过滤器允许金属部件的残余物和射弹的残余物从壳体通向抽吸系统。
在某非限制性的实施例中，该研磨介质的厚度位于[0.8mm,10mm]的区间内。
在某非限制性的实施例中，多个研磨介质中至少一个研磨介质包括由下列材料中的一种制成的基底：
-塑料；
-陶瓷；
-有机物。
在某非限制性的实施例中，多个研磨介质中至少一个研磨介质具有硬度包括在[8莫氏,10莫氏]区间内的研磨剂。
在某非限制性的实施例中，研磨剂由至少下列一种组分构成：
-刚玉；
-氧化铝；
-氮化硼；
-碳化硅；
-碳化硼；
-金刚石。
在某非限制性的实施例中，多个研磨介质中至少一个研磨介质具有下列形状：
-圆柱形；
-球形；
-金字塔形；
-圆锥形。
在某非限制性的实施例中，电信号以包括在[15kHz,60kHz]区间内的超声频率发射。
在某非限制性的实施例中，超声波发生器的振幅包括在[10μm,300μm]的区间内。
本发明的第二个方面涉及处理金属部件的方法，该方法包括以下步骤：
-将射弹放置在壳体中，所述射弹包括多个研磨介质；
-将待处理金属部件抵靠壳体上端安置，以使金属部件的外表面面向振动模块的超声波发生器的上表面；
-通过振动模块的发电机根据设定的频率、振幅和周期发射正弦波电信号；
-通过耦合至超声波发生器的振动模块的转换器使超声波发生器振动，所述转换器将发电机发射的电信号转换为传递到超声波发生器的机械振动，用于移动射弹，其引入残余压应力并改善金属部件的表面状态。
本发明的第三个方面涉及射弹的设置，射弹包含多个研磨介质，所述射弹的设置用在喷丸方法中以向金属部件引入残余压应力。
通过阅读以下描述并查阅随附的附图，将更好地理解本发明及其不同的应用。
附图说明
附图仅用于指示性目的，并不以任何方式限制本发明。
附图内容为：
-图1所示为本发明第一实施方式的金属部件处理装置示意图；
-图2所示为本发明第二实施方式的金属部件处理装置示意图；
-图3所示为本发明第三实施方式的金属部件处理装置示意图；
-图4所示为本发明实施方式中金属部件处理方法的步骤示意图。
本发明的至少一个实施方式的详细说明
除非另有说明，否则出现在不同附图中的相同元件具有同一附图标记。
本发明涉及用于处理具有外表面1-1的金属部件1的装置100，本发明可以在单次操作中对金属部件1施加压应力(喷丸)并完成精整。
图1所示为本发明的第一实施方式的用于处理金属部件1的装置100。参见图1，装置100包括：
-壳体11；
-振动模块12；
-射弹13。
壳体11用于接收处理金属部件1的研磨介质13。由此，壳体11包括限定所述壳体11的侧壁11-1。此外，所述侧壁11-1具有开口的下端11-2和开口的上端11-3。金属部件1抵靠壳体11的上端11-3安置并填满所述上端11-3。可以注意到，金属部件1保持固定到壳体11的上端11-3，以使所述金属部件1在处理过程中不会有移位的风险。此外，振动模块12安置在壳体11的下端11-2的位置，并填满所述下端11-2。由此，当金属部件1和振动模块12分别安置在上端11-3和下端11-2的位置时，壳体1形成了封闭的壳体，以使射弹13不会从所述壳体11中脱出。
振动模块12包括：
-发电机12-1；
-转换器12-2；
-增幅器12-3；
-超声波发生器12-4。
发电机12-1用于以超声频率产生正弦波电信号。在某非限制性的实施方式中，电信号的超声频率包括在[15kHz,60kHz]的区间内。此外，在某非限制性的实施方式中，超声波发生器12-4的振幅包括在[10μm,300μm]的区间内。另外，在某非限制性的实施方式中，电信号的发射周期在几分钟到几小时的范围内。在某非限制性的实施方式中，电信号12-1以第一频率f1和第一振幅A1发射第一持续时间d1，然后以第二频率f2和第二振幅A2发射第二持续时间d2。
转换器12-2用于将发电机12-1发射的超声频率的正弦波电信号转换成机械波。例如，转换器12-2是压电传感器。
增幅器12-3用于增强压电传感器12-2产生的机械波幅度。增幅器12-3连接到超声波发生器12-4，以使放大后的机械波能够传递到振动的超声波发生器12-4。
超声波发生器12-4用于移动射弹13以使射弹13投射到金属部件1的外表面1-1上。更具体地，超声波发生器12-4包括对应于所述超声波发生器12-4上端的振动表面。当超声波发生器12-4处于壳体11的下端11-2的位置时，超声波发生器12-4的上端形成壳体11的底部。
射弹13用于投射到金属部件1的外表面1-1上。射弹13由于超声波传感器12-4的振动而获得动能。射弹13对金属部件1的外表面1-1的冲击可以改善其表面状态并向所述金属部件1引入残余压应力。为此，射弹13包含多个研磨介质。射弹13在壳体11空间内的随机运动确保了金属部件1区域的均匀处理。在某非限制性的实施方式中，射弹13仅包括研磨介质。
此外，在某非限制性的实施方式中，每一研磨介质包括基部和研磨剂。对此，在某非限制性的实施方式中，至少一个研磨介质包括塑料、陶瓷或有机材料制成的基部。此外，在某非限制性的实施方式中，所选的研磨剂应比金属部件1的材料更硬。为此，研磨剂具有包括在[8莫氏,10莫氏]区间内的硬度。研磨剂由，例如刚玉、氧化铝、氮化硼、碳化硅、碳化硼或金刚石构成。进一步，所述多个研磨介质中至少有一个研磨介质具有圆柱形、球形、金字塔形或圆锥形。可以注意到，研磨介质的厚度、形状和材料是根据待处理的金属部件1的特征来选择的。此外，不同类型的研磨介质(形状、研磨剂、基部、厚度)可能会用于金属部件1的处理。对此，例如，对于可接近性差的区域，优选低厚度的研磨介质。进一步，在某非限制性的实施方式中，玻璃或陶瓷珠粒，与研磨介质一起应用以处理金属部件1。
可以注意到，在未示出的实施方式中，装置100包括至少两个超声波发生器12-4，每一个超声波发生器12-4均配备有壳体11。这样的装置100使得可以用单个发电机12-1来同时处理几个金属部件1。
图2所示为第二实施方式的用于处理金属部件1的装置100。
第二实施方式的装置100包括与在如图1所示的第一实施方式中所描述的装置100相同的元件。此外，不同于图1的装置100，第二实施方式的装置100包括抽吸系统14，该抽吸系统14用于吸入金属部件1的残余物及射弹13的残余物，射弹13的残余物源自射弹13之间的相互冲击或射弹13在金属部件1的外表面1-1上的冲击。此抽吸系统14可以减少处理过程对所处理的金属部件1的材料完整性的影响，因为残余物会引起射弹13循环或在金属部件1的外壳1-1上结壳。由此，在图2的实施方式中，抽吸系统14的头部14-1固定至超声波发生器12-4的下端12-42。在该实施方式中，在超声波发生器12-4中形成通孔(未示出)，使得金属部件1的残余物及射弹13的残余物穿过所述通孔到达抽吸系统14的头部14-1，进而被所述抽吸系统14吸入，所述射弹13的残余物源自射弹13之间的相互冲击以及和射弹13在壳体外面表上的冲击。
此外，在A-A截面图中可见的过滤器15安置在壳体11上，以使得仅金属部件1的残余物和射弹13的残余物可以从壳体11通向抽吸系统14。在此，仍旧“完整”的射弹13被过滤器15所阻挡而无法被抽吸系统14所吸入。在图2所示的实施方式中，过滤器15安置在超声波发生器12-4的上表面12-41上，以使得仅金属部件1的残余物和射弹13的残余物可以穿过在超声波发生器12-4中形成的孔。为此，过滤器15的孔径包括在[0.4mm,5mm]的区间内。
图3所示为第三实施方式的用于处理金属部件1的装置100。
第三实施方式的装置100包括与在附图2所示的第二实施方式中描述的装置100相同的元件。此外，不同于图2的装置100，第三实施方式的装置100中的抽吸系统14的头部14-1固定至在壳体1的侧壁11-1上形成的开口11-11。可以注意到，在该实施方式中，超声波发生器12-4不包括通孔。另外，在图3的A-A截面图中可见的过滤器15，安置于在壳体11的侧壁11-1上形成的开口11-11，位于抽吸系统14的头部14-1和壳体11之间。
进一步，在未示出的实施方式中，金属部件1的一部分受转移到所述部件1或装置100上的保护元件防护，以使所述部分不会受到射弹13的冲击而被破坏。
图4所示为本发明的用于处理部件1的方法200。该方法200通过前述的用于处理金属部件1的装置100来实现。
第一步201，包含多个研磨介质的13放置在壳体11中。可以注意到，研磨介质的形状(圆柱形，金字塔形等)、材料和尺寸是根据待处理金属部件1的材料、初始表面状态和要求来选择的。
第二步202，金属部件1抵靠壳体11的上端11-3安置，以使金属部件1的待处理外表面1-1面向超声波发生器12-4的上表面12-41。金属部件1和超声波发生器12-4分别抵靠壳体11的上端11-3和下端11-1而安置。可以注意到，在某非限制性的实施方式中，金属部件1固定至壳体11的上端11-3，以用于防护所述金属部件1在处理过程中不会在射弹13的冲击下发生移位。
第三步203，发电机12-1根据待处理金属部件1的特征以预设的频率、振幅和周期发射正弦波电信号。
第四步204，超声波发生器12-4的振动通过耦合至所述超声波发生器12-4的转换器12-2产生。能够想到，转换器12-2将发电机12-1发射的电信号转换为传递至超声波发生器12-4的机械振动。超声波发生器12-4的振动确保了射弹13在壳体11中的运动，从而使得可以引入残余压应力并改善金属部件1的表面状态。

Claims (11)

1.用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，所述装置(100)包括：
-壳体(11)；
-振动模块，该振动模块包括
■发电机(12-1)，该发电机用于以超声频率生成电信号；
■转换器(12-2)，该转换器用于将所述电信号转换为机械振动，所述机械振动传递至超声波发生器(12-4)；
■超声波发生器(12-4)，该超声波发生器安置在所述壳体(11)内，面向金属部件(1)的外表面(1-1)；
-射弹(13)，该射弹放置在壳体(11)内，用于冲击金属部件(1)的外表面(1-1)，所述射弹(13)受超声波发生器(12-4)的振动而移动；
所述装置(100)的特征在于，所述射弹(13)包括多个研磨介质，当受超声波发生器(12-4)的振动而移动时，同时引入残余压应力并改善金属部件(1)的表面状态，确保对金属部件同时进行喷丸和精整的操作。
2.根据权利要求1所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，它包括抽吸系统(14)，抽吸系统吸入金属部件(1)的残余物及射弹(13)的残余物，该射弹(13)的残余物源自射弹(13)之间冲击或射弹(13)在金属部件(1)的外表面(1-1)上的冲击。
3.根据权利要求2所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，它包括过滤器(15)，过滤器(15)仅允许金属部件(1)的残余物和射弹(13)的残余物从壳体(11)通向抽吸系统(14)。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，研磨介质具有包括在[0.8mm,10mm]区间内的厚度。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，多个研磨介质中至少有一个研磨介质包括由下列材料中的一种制备而成的基部：
-塑料；
-陶瓷；
-有机物。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，多个研磨介质中至少有一个研磨介质具有硬度包括在[8莫氏,10莫氏]区间内的研磨剂。
7.根据权利要求6所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，研磨剂由至少一种下列化合物构成：
-刚玉；
-氧化铝；
-氮化硼；
-碳化硅；
-碳化硼；
-金刚石。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，多个研磨介质中至少一个研磨介质具有下列形状：
-圆柱形；
-球形；
-金字塔；
-圆锥形。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，电信号以包括以在[15kHz,60kHz]区间内的超声频率发射。
10.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于处理金属部件(1)的装置(100)，其特征在于，超声波发生器(12-4)的振幅包括在[10μm,300μm]的区间内。
11.一种采用权利要求1-10中任意一项所述的用于处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的装置(100)处理具有外表面(1-1)的金属部件(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-放置(201)射弹(13)到壳体(11)内，所述射弹(13)包括多个研磨介质；
-安置(202)待处理金属部件(1)使其抵靠在壳体(11)的上端(11-3)，以使金属部件(1)的外表面(1-1)面向振动模块(12)的超声波发生器(12-4)的上表面(12-41)；
-发射(203)正弦波电信号，通过振动模块(12)的发电机(12-1)以预设频率、振幅和周期发射；
-生成(204)超声波发生器(12-4)的振动，通过耦合至所述超声波发生器(12-4)的振动模块的转换器(12-2)生成，所述转换器(12-2)将发电机(12-1)发射的电信号转换为传递到超声波发生器(12-4)的机械振动，以移动射弹(13)，从而引入残余压应力并提高金属部件(1)的表面状态。
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